利用精锻机锻造生产TC4钛合金棒材的方法.pdf

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1、(10)申请公布号 CN 103556094 A (43)申请公布日 2014.02.05 CN 103556094 A (21)申请号 201310538237.0 (22)申请日 2013.11.04 C22F 1/18(2006.01) (71)申请人 攀钢集团江油长城特殊钢有限公司 地址 621701 四川省绵阳市江油市江东路 195 号 (72)发明人 王怀柳 李露 谢炜 (74)专利代理机构 北京铭硕知识产权代理有限 公司 11286 代理人 谭昌驰 刘奕晴 (54) 发明名称 利用精锻机锻造生产 TC4 钛合金棒材的方法 (57) 摘要 本发明提供了一种利用精锻机锻造生产 TC4。

2、 钛合金棒材的方法， 所述方法包括加热、 锻造和 冷却以得到成品棒材， 其中， 在锻造过程中 ： 控制 开锻温度 850 ； 控制锻造频次， 以控制棒材的 温度上升幅度 ； 控制除最后一个锻造道次之外的 每道次的变形量为 10% 25%， 并且均匀分配除 最后一个锻造道次之外的每道次的变形量 ； 采用 锻造道次间停顿冷却， 以棒材的温度不再上升且 840为准。根据本发明的方法， 能够利用现有 坯料高效地生产出优质TC4棒材， 以满足100 200mm 低成本生产的需要。 (51)Int.Cl. 权利要求书 1 页 说明书 6 页 附图 1 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明。

3、专利申请 权利要求书1页 说明书6页 附图1页 (10)申请公布号 CN 103556094 A CN 103556094 A 1/1 页 2 1. 一种利用精锻机锻造生产 TC4 钛合金棒材的方法， 所述方法包括加热、 锻造和冷却 以得到成品棒材， 其特征在于， 在锻造过程中 ： 控制开锻温度 850 ； 控制锻造频次， 以控 制棒材的温度上升幅度 ； 控制除最后一个锻造道次之外的每道次的变形量为 10% 25%， 并 且均匀分配除最后一个锻造道次之外的每道次的变形量 ； 采用锻造道次间停顿冷却， 以棒 材的温度不再上升且 840为准。 2. 根据权利要求 1 所述的方法， 其特征在于， 控。

4、制锻造频次的步骤包括 ： 在第一锻造道 次中， 控制锻造频次为180次/min， 在第二锻造道次和第三锻造道次中， 控制锻造频次为90 次 /min， 在除第一锻造道次至第三锻造道次和最后一个锻造道次之外的道次中， 控制锻造 频次为 60 次 /min， 在最后一个锻造道次中， 控制锻造频次为 240 次 /min。 3. 根据权利要求 1 所述的方法， 其特征在于， 在最后一个锻造道次， 控制棒材的变形量 为 5% 10%， 以进行末尾整形。 4. 根据权利要求 1 所述的方法， 其特征在于， 锻造道次间停顿冷却的时间为 2 分钟 3 分钟。 5. 根据权利要求 1 所述的方法， 其特征在于。

5、， 在加热步骤中， 控制加热温度为 93010。 6. 根据权利要求 1 所述的方法， 其特征在于， 利用柱形坯料来生产所述 TC4 钛合金棒 材。 7. 根据权利要求 1 所述的方法， 其特征在于， 坯料的尺寸设定为被锻造至成品合金棒 材的总变形量 60%。 权 利 要 求 书 CN 103556094 A 2 1/6 页 3 利用精锻机锻造生产 TC4 钛合金棒材的方法 技术领域 0001 本发明属于有色金属锻造领域， 具体地讲， 涉及一种利用精锻机锻造生产 TC4 钛 合金棒材的方法， 适用于利用坯料锻造棒材的生产。 背景技术 0002 钛及钛合金的性能优异， 可广泛地应用到国民经济的各。

6、个行业， 但是由于钛及钛 合金的价格过高， 因而阻碍了其应用的推广。 因此， 迫切需要采用低成本生产技术来生产钛 合金。 TC4钛合金棒材是钛合金中的一个重要材型。 低成本的生产需要表面质量更好、 锻造 尺寸更精确、 可高效率生产且质量可靠的锻造技术。 精锻机的出现， 为实现上述目的提供了 较好的条件。 0003 精锻机的生产特点是表面质量好、 尺寸精确、 锻造频次高。锻造频次高就会产生 较大的形变热， 利于锻造温度的保证， 从而保证锻造产品的性能。对于钛合金而言， 要使其 获得较好的组织， 就需要在 相变点以下的温度锻造， 且每火变形量要达到 40% 以上。然 而， 目前利用精锻机锻造 TC。

7、4 钛合金的工艺流程为 ： 圆柱体钛锭纵向拔长成品棒材， 在 这种高速大变形的锻造工艺下， 就会产生较大的热量。表面的热量容易散失， 但 TC4 钛合金 的传热系数低， 心部的热量传到表面散失需要一定时间， 而 TC4 钛合金的比热容小， 少量的 热量聚集就会使温度上升。 因此， 在锻造过程中如果不控制锻造频次和锻造道次间的冷却， 坯料非常容易超过转变温度导致组织恶化， 使得TC4钛合金在上述条件下经精锻机锻造 后， 往往存在组织不均匀、 晶粒粗大等情况， 从而降低了 TC4 钛合金的性能。 0004 图 1A 和图 1B 分别示出了根据现有技术生产出的 TC4 钛合金棒材的表层和心部的 金相。

8、组织。由图 1A 可以看出， TC4 钛合金棒材的外表层为等轴组织， 由图 1B 可以看出， TC4 钛合金棒材的中心部分存在 晶界， 也就是说， 根据现有技术生产的 TC4 钛合金棒材的表 层组织合格但中心部分因存在 晶界而不合格， 从而导致棒材报废， 增加了生产成本。 0005 因此， 需要研究一种新的 TC4 钛合金棒材精锻机锻造工艺， 使锻造的棒材内外组 织均匀， 以满足 TC4 钛合金棒材的生产需要。 发明内容 0006 本发明的目的在于提供一种新的 TC4 钛合金棒材精锻机锻造工艺， 利用现有坯 料， 高效地生产出优质 TC4 钛合金棒材， 以满足 100 200mm 低成本生产的。

9、需要。 0007 根据本发明， 提供了一种利用精锻机锻造生产 TC4 钛合金棒材的方法， 所述方法 包括加热、 锻造和冷却以得到成品棒材， 其中， 在锻造过程中 ： 控制开锻温度 850 ； 控制 锻造频次， 以控制棒材的温度上升幅度 ； 控制除最后一个锻造道次之外的每道次的变形量 为 10% 25%， 并且均匀分配除最后一个锻造道次之外的每道次的变形量 ； 采用锻造道次间 停顿冷却， 以棒材的温度不再上升且 840为准。 0008 根据本发明的示例性实施例， 控制锻造频次的步骤可以包括 ： 在第一锻造道次中， 控制锻造频次为 180 次 /min， 在第二和第三锻造道次中， 控制锻造频次为 。

10、90 次 /min， 在除 说 明 书 CN 103556094 A 3 2/6 页 4 第一至第三锻造道次和最后一个锻造道次之外的道次中， 控制锻造频次为 60 次 /min， 在最 后一个锻造道次中， 控制锻造频次为 240 次 /min。 0009 根据本发明的示例性实施例， 在最后一个锻造道次控制棒材的变形量为 5% 10%， 以进行末尾整形。 0010 根据本发明的示例性实施例， 锻造道次间停顿冷却的时间可以为2分钟3分钟。 0011 根据本发明的示例性实施例， 在加热步骤中， 可以将加热温度控制为 93010， 以获得等轴组织。 0012 根据本发明的示例性实施例， 可以利用柱形坯。

11、料来生产所述 TC4 钛合金棒材。 0013 根据本发明的示例性实施例， 坯料的尺寸可以设定为被锻造至成品合金棒材的总 变形量 60%。 附图说明 0014 图 1A 和图 1B 是分别示出了根据现有技术生产出的 TC4 钛合金棒材的表层和心部 的金相组织的照片。 0015 图 2A 和图 2B 是分别示出了根据本发明的示例性实施例生产出的 TC4 钛合金棒材 的表层和心部的金相组织的照片。 具体实施方式 0016 本发明提供了一种新型的 TC4 钛合金棒材的精锻机锻造工艺， 其通过利用现有坯 料能够高效地生产出优质的 TC4 钛合金棒材， 从而满足低成本生产的需要。 0017 下面将详细地描。

12、述根据本发明的 TC4 钛合金棒材的精锻机工艺。 0018 根据本发明， TC4 钛合金棒材的精锻机工艺的工艺流程如下 ： 柱形坯料加热 利用精锻机进行多道次锻造成品棒材。 0019 具体地讲， 根据本发明的 TC4 钛合金棒材的精锻机工艺， 采用锻造制出的坯料， 其 横截面为方形或圆形， 表面无氧化皮、 无缺陷。根据本发明的优选实施例， 坯料尺寸需保证 被锻造至成品的总变形量 60%。 0020 接着， 对坯料进行加热。 在加热工艺中， 控制加热温度为93010， 加热时间可以 根据坯料尺寸而定， 以坯料热透为准， 从而使坯料的内部组织为等轴组织。 之所以将加热温 度控制为该温度范围是因为 。

13、： 加热温度不能过高 ： 除考虑相变温度外， 还要为精锻机锻造 造成的温升留下足够的空间， 以保证锻造变形造成的升温不会使坯料温度接近或超过相变 温度。 为保证开锻温度， 加热温度不能过低 ： 如前所述， 出料过程坯料温度必然会下降， 若加 热温度过低， 就会导致开锻温度不足。 根据本发明， 可以采用室式炉作为加热设备， 其中， 采 用天然气加热或电加热均可， 本领域技术人员可以在本发明的教导下根据实际情况自行选 定。 0021 根据本发明， 在将坯料加热到预定温度之后， 对坯料进行锻造， 以获得所需要的尺 寸。在锻造步骤中， 控制开锻温度 850， 以保证能够顺利锻造， 坯料表面不开裂。在本。

14、 发明中， 控制开锻温度的目的是为了防止初始锻造温度过低， 以保证锻造性， 因此一般只需 控制温度下限， 低于设定的温度下限就不能进行锻造了。开锻温度的上限是由坯料加热温 度和出炉过程决定的 ： 坯料完成加热后出炉锻造， 需从加热炉转移到锻造设备才能锻造， 这 说 明 书 CN 103556094 A 4 3/6 页 5 个过程称为出料， 出料过程中坯料温度必然下降， 下降的幅度取决出料时间的长短， 时间越 长， 温度下降幅度就越大， 从而导致开锻时坯料温度低于加热温度。因此， 在实际操作过程 中， 要求出料时间尽可能地短， 以减小温度降低幅度， 而不会刻意去规定开锻温度上限。 0022 另外。

15、， 根据本发明， 在锻造过程中， 控制锻造频次， 以控制温度上升的幅度。 根据本 发明的一个示例性实施例， 可以控制第一锻造道次的锻造频次为 180 次 /min， 第二锻造道 次和第三锻造道次的锻造频次为 90 次 /min， 随后的锻造道次的锻造频次为 60 次 /min， 末 尾整形 （最后一个锻造道次） 的锻造频次为 240 次 /min， 以能够很好地控制锻材在锻造过程 中的温度上升幅度， 而不会使 TC4 合金在锻造过程中超过 转变温度。 0023 此外， 根据本发明， 在锻造过程中， 控制每道次 （最后一个锻造道次除外） 的变形量 为10%25%， 且使除最后一个锻造道次之外的每。

16、道次的变形量尽量均衡分配。 如果道次变 形量超过 25%， 则会使棒材升温过大， 将会接近合金 相变点， 导致组织不合格 ； 另一方面， 如果道次变形量低于 10%， 则会使生产效率过低， 从而增加了生产成本。因此， 根据本发明， 将锻造时的道次变形量设定为 10 25%， 具体数值可以根据坯料的尺寸和成品棒材的尺寸 而定。 另外， 在根据本发明的锻造步骤中， 采用末尾整形， 即， 将最后一个道次锻造的变形量 控制为 5% 10%， 进行表面的修整和尺寸的固定， 以获得良好的表面和精确的尺寸。优选 地， 控制棒材的锻造直径尺寸比目标直径尺寸大 5 10mm， 为棒材机加工留出余量。这里， 锻造。

17、的道次数不做具体限定， 本领域技术人员可以在本发明的教导下根据设备能力具体确 定锻造的道次数。 0024 另外， 根据本发明， 采用多道次小变形量并且控制总变形量 60%， 因此， 与现有的 锻造工艺不同， 根据本发明的精锻工艺对棒材的锻造只需进行一次加热， 而且锻造时间短。 由于采用了多道次小变形量的变形过程， 使坯料在变形过程中有充分的动态再结晶时间， 减轻了剧烈变形造成的变形强化和应力集中， 能够有效防止坯料开裂， 减少了废品， 从而提 高了表面质量和成材率。 0025 根据本发明， 在锻造过程中， 还采用锻造道次间停顿冷却。具体地讲， 在锻造过程 中， 每锻完一个道次需停顿预定的时间，。

18、 以棒材的表面温度不再上升且 840为准。这 样做的目的是使坯料中心部位的热量能够充分散失， 从而降低心部温度。因为 TC4 钛合金 比热容小、 所以锻造产生的形变热很容易使温度上升， 而传热系数又低， 心部热量传到表面 散失又需要一定时间， 因此， 如果马上进行下一道次的锻造， 心部的温度就会累积升高， 导 致心部组织不合格。根据本发明， 锻造道次间停顿冷却的具体时间以表面温度不再上升且 840为准， 达到这个条件后可以再进行下一道次的锻造。 根据本发明的一个示例性实施 例， 每锻完一个道次停顿的时间可以为 2 3 分钟。因此， 根据本发明， 通过采用道次停顿 几分钟， 可以使棒材的温度分布。

19、均匀， 组织的均匀性也得到的很大的改善。 0026 此外， 根据本发明的一个示例性实施例， 可以采用 18MN 径向锻造机作为锻造设 备。 然而， 本发明不限于此， 本领域技术人员可以在本发明的教导下选择合适的精锻机来进 行锻造。 0027 最后， 在锻造完成后， 将锻造所得的棒材空冷即可。 冷却后， 完成相关处理 （如热处 理、 矫直等） 后， 表面车光至目标尺寸。至此， 完成了 TC4 合金棒材的生产， 从而得到成品棒 材。 0028 图 2A 和图 2B 是分别示出了根据本发明的示例性实施例生产出的 TC4 钛合金棒材 说 明 书 CN 103556094 A 5 4/6 页 6 的表层。

20、和心部的金相组织的照片。由图 2A 可以看出， 采用本发明的方法制造出的 TC4 钛合 金棒材的表层组织均匀， 为等轴组织， 同时， 由图 2B 可以看出， 采用本发明的方法制造出的 TC4钛合金棒材的心部组织均匀， 亦为等轴组织。 因此， 根据本发明的方法， 由于锻造过程中 温度分布均匀， 所以锻造的棒材能够获得良好的组织且分布均匀 （如图 2A 和图 2B 所示） ， 良 好的组织为获得良好的性能奠定了坚实的基础。 0029 此外， 根据本发明的方法， 减少了锻造时间， 提高了生产效率。在保证总变形量 60% 的前提下， 根据本发明， 该精锻工艺只需一次加热， 一支棒材的锻造时间仅为 20。

21、 30min， 且能够保证良好的质量。若采用原有的精锻工艺， 质量不能保证， 废品量大， 增加成 本的同时， 也增加了生产时间。若采用其它锻造方式， 在相同变形量的条件下， 需要加热 2 次以上， 锻造时间也将达到 40min 以上。 0030 下面将结合本发明的具体实施例来进一步详细地解释本发明。 0031 实施例 1 0032 以边长为320mm的坯料锻造200mm的棒材， 总变形量为69%。 采用下列参数的坯 料 ： 截面为正方形， 边长为 320mm， 长度为 2.45m， 重量为 1100kg。控制对坯料的加热温度为 93010。 然后， 对加热后的坯料进行锻造， 其中， 开锻温度为。

22、860， 锻造过程如下面的表 1 所示。最后， 对成品棒材进行相关处理， 车光到 200mm。经检验， 所得棒材的内外组织均 匀。 0033 表 1 0034 0035 实施例 2 0036 以 200mm 的坯料锻造 100mm 的棒材， 总变形量为 75%。采用下列参数的坯料 ： 直径 200mm， 长度为 2.0m， 重量为 280kg。控制对坯料的加热温度为 93010。然后， 对 加热后的坯料进行锻造， 其中， 开锻温度为 850， 锻造过程如下面的表 2 所示。最后， 对成 品棒材进行相关处理， 车光到 100mm。经检验， 所得棒材的内外组织均匀。 0037 表 2 说 明 书 。

23、CN 103556094 A 6 5/6 页 7 0038 0039 实施例 3 0040 以 200mm 的坯料锻造 120mm 的棒材， 总变形量为 64%。采用下列参数的坯料 ： 直径 200mm， 长度为 1.7m， 重量为 238kg。控制对坯料的加热温度为 93010。然后， 对 加热后的坯料进行锻造， 其中， 开锻温度为 850， 锻造过程如下面的表 3 所示。最后， 对成 品棒材进行相关处理， 车光到 120mm。经检验， 所得棒材的内外组织均匀。 0041 表 3 0042 0043 由上面的实施例 1-3 可以看出， 根据本发明的方法得到的 TC4 钛合金棒材的表层 组织和。

24、心部组织均为等轴组织， 而根据现有的锻造方法得到的 TC4 钛合金棒材的表层虽为 等轴组织 （见图 1A） ， 但心部却存在 晶界 （见图 1B） ， 从而导致棒材的质量不合格。因此， 根据本发明， 通过采用多道次小变形量的变形过程， 使坯料在变形过程中有充分的动态再 结晶时间， 减轻了剧烈变形造成的变形强化和应力集中， 能够有效防止坯料开裂， 减少了废 品， 从而提高了表面质量和成材率。同时， 根据本发明， 道次停顿几分钟使棒材温度分布均 匀， 组织的均匀性也得到了很大的改善。 0044 以上详细描述了本发明的优选实施方式， 但是， 本发明并不限于上述实施方式中 的具体细节， 在本发明的技术构思范围内， 可以对本发明的技术方案进行多种简单变型和 说 明 书 CN 103556094 A 7 6/6 页 8 组合， 这些简单变型均属于本发明的保护范围。 说 明 书 CN 103556094 A 8 1/1 页 9 图 1A图 1B 图 2A图 2B 说 明 书 附 图 CN 103556094 A 9 。