TC4钛合金拉拔工艺探索

TC4钛合金拉拔工艺探索摘要：通过对TC4钛合金棒线材冷拉拔加工过程展开研究，选择合理的冷拉拔加工工艺参数，实现了TC4钛合金室温下的冷拉拔生产。关键词：TC4钛合金冷拉拔加工工艺参数前言：钛合金具有的良好的耐蚀、比强度、无磁性及高低温性能等特点成为令人瞩目的高性能新材料，二十世纪五十年代以后在军用和民用领域应用都极具活力。在航空航天领域，钛和其合金主要用于航空航天和军事工业上面，钛在航空航天上的应用约占钛总产量的70%左右：在民用方面，高尔夫球头、民用自行车、各种钛制容器(压力容器，化学、电镀液槽)等也进入了人们的生活：医学领域，医用钛合金无毒质轻、比强度高。具有的极好的生物相容性和耐腐蚀性，也是较为理想的医用金属材料、可用于作植入人体的植入物等。此外，建筑行业、农业和畜牧业、核工业、军械方面、汽车行业都出现了良好的发展势头。TC4(Ti-6Al-4V)钛合金是上世纪五十年代发展起来的一种中等强度a+p两相型钛合金，它含有6%a稳定元素铝和4%p稳定元素钒。该合金凭借其高强度、高的比强度和良好的高温蠕变性等优异的的综合性能，成为航空航天工业中重要的结构材料。这种合金不仅室温抗拉强度极高，而且在高温下也具有较高的抗拉强度。TC4(Ti-6Al-4V)钛合金是各种钛合材料中应用最广泛的一种双相型钛合金，它具有优良的综合性能、良好的工艺塑性、超塑性和耐腐蚀性，适用于各种压力加工成形及各种方式的焊接和机械加工，同时对热应力也存在一定的敏感性TC4钛合金的室温强度高，在150-350°C间具有较好的耐热性。此外，还具有良好的焊接性，焊后不作任何处理即可使用，也可以通过焊后固溶处理和时效处理进一步获得强化。TC4钛合金连接件作为钛合金应用的重要手段，有着简化部件整体加工工序、提高材料利用率、降低成本、减轻结构重量、提高生产效率等方面的优势。在汽车领域中用钛丝制成的弹簧可减重50%；钛合金线材制成的铆钉连接件已普遍应用于航空航天飞机上；在海水养殖方面，用钛丝织成的养殖网使用15年后仍毫无损坏，且无毒不污染环境；在工具、连接件方面，钛丝用作钛屋顶连接用螺丝、穿孔螺栓等，也可以制成钛钉、登山工具、防弹衣、锁、夹具器件；在医疗方面，人工齿根、固定骨折部位的螺栓、人工半月板等人体植入件也需要用钛丝；另外采用直径0.7mm以下的细钛丝制成的控制线缆以便将器具导入血管和内脏；随钛合金板棒材的大量应用，其线材作为焊丝的应用领域也进一步扩大，近年在国内已形成一个稳定的市场，此外还广泛应用于食品化工、舰艇、移动电话天线及饰品等领域。综上所述，钛合金棒线材有巨大的市场潜力，研究钛合金棒线材生产加工有很广阔的发展前景。TC4钛合金的名义成分为Ti-6Al-4V，实际生产中随着工艺操作的变动会有所误差，合金元素的高低及杂质含量多少都会影响材料的变形性能，此外材料在热变形过程中的氧化和吸氢吸氮也会影响材料的加工性能。对经热拉拔变形后的TC4钛合金坯料进行成分分析，大多的TC4拉拔坯料成分中，Al、V元素含量比名义成分偏高，其中Al元素作为唯一有效的a型稳定元素，在高低温都起到强化基体的作用，同时还可以降低合金的比重，其含量的提高可以是材料强度提高。Si元素则易在位错附近偏聚，从而有效阻止位错攀移，提高合金的抗蠕变性。合金成分中未发现H、O等被视为有害的元素，证明材料的成分良好，有利于成形加工。二、钛合金棒线材的生产方式钛合金棒线材的生产方式有多种，归纳起来有：旋锻、轧制、拉拔。采用旋锻和轧制虽然生产率可以得到一定提高，但这两种工艺在进行成加工时难以保证产品的尺寸精度和表面质量，并且线材细化到一定程度后，采用拉拔工艺能获得更好的组织性能和表面精度。在日本，钛加工材的生产则是采用钢铁加工设备进行，根据钛材固有的特性，在设备、工艺上不断改进，以提高生产率，改善加工钛材的尺寸精度及表面质量，满足不同用途的使用要求，但钢铁加工设备复杂，生产缺少了灵活性，不符合钛合金棒线材生产批量小品种多的特点；国内一些学者提出了辊模拉拔法。其原理是靠施加在金属上的拉拔力带动轧辊转动来实现金属变形，主要特征是将拉拔中的滑动摩擦转变为滚动摩擦，道次加工率可以比一般轧制法提高15%-25%从而减少了模具损耗及清洗、酸洗、碱洗、退火等工序的次数，但线材表面质量相对较差。进一步提高拉轧线材的质量，则需要采用拉拔工艺，使材料在两向压应力单向拉应力状态下实现均匀连续的变形；Weiss和Kot在1969年提出了无模线拉拔的概念，其后有许多学者对此展开了研究工作，其原理是在材料的临界温度下变形从而减少材料变形的回弹量，提高尺寸稳定性，也避免了材料与模具之间剧烈的摩擦。M.D.Naughton和P.Tieman前两年研究了无模线拉拔系统所要满足的工艺条件，不幸的是无模线拉拔所要求的材料具有良好的塑性，这与钛合金的变形特点相矛盾，且该方法的拉线速度太小、精度难以控制而不能满足工业生产的需求。实际生产中一般采用的生产工艺流程为：盘条精整一检验一固溶处理一浸沾润滑涂层一烘干一拉拔一酸洗一精整一检验一固溶处理一浸沾润滑涂层一烘干一拉拔一酸洗一固溶处理一检验一包装一入库。根据生产实践经验，在上述生产过程中，影响丝线材表面质量的关键工序是拉拔。为了获得良好的钛合金线材质量，人们针对钛合金拉拔开展了大量的研究。（一） 改进加工工艺通过不断改进、完善钛合金线材的加工工艺，并采用各种新兴技术扩展钛合金丝线材产品的规格品种。通过调整常规拉拔中拉模形状、模角a、道次压缩率、反拉力和润滑条件，对改善金属拉拔时出现裂纹、断裂等情况有一定作用；采用锟模拉伸可增加道次加工率、降低加工硬化程度，减少了退火次数，然而其线材尺寸不够细化；无模拉伸不需要拉模和润滑剂，变形率大，效率高，缺点是成品尺寸均匀性差，质量不稳定。到目前为止人们还在努力寻找高效节能质优的钛合金线材生产工艺。（二） 改善组织目前大多数金属都可以通过细化晶粒增加强度、提高塑性，品粒细化使材料的内界面增加，提高了晶界滑动、界内位错运动及扩散运动的能力，变形更加均匀协调，低温、高速变形条件下晶界滑动也能较大比例。钛合金的超塑变形行为强烈依赖于晶粒尺寸，品粒尺寸减小可使材料获得最佳的应变速率提高或变形温度降低，同时还可使材料在常温下具有优异的力学性能。品粒越细小，其比表面积越大，为晶界滑移提供了大量晶界，与此伴生的应力集中也增多，它们集中在晶界及其附近，从而导致品内位错滑移也集中在晶界及其附近，起到了协调晶界滑移的作用；同时，晶粒越细小，等轴性越好，产生的空洞尺寸也越小、晶粒的滑动和转动也越易进行。从而使得金属拉伸时获得良好的塑性，细品与粗品组织变形激活能的差别也可说明细品变形的特点。为此人们通过尝试对材料施加大塑性变形（反复轧制、挤压、锤锻、热处理）的方法来获得等轴细小的晶粒组织，并且取得了比较显著的成果，细化了组织，改善了塑性。钛合金拉拔线坯料是经钛锭热轧成棒料得到的。在金属热轧和冷轧过程中，出现的缺陷基本可以分为三类：横断面形状破坏，条材旋拧以及折痕。线材在拉伸时，被加工金属以固定横断面坯料的形式喂入拉伸工具（拉模）的孔道，并通过孔道进行拉伸。在拉伸过程特有的受力状态（一个拉伸和两个压缩主法线应力）下，会创造一种条件，在此条件下，被拉拔金属的塑性，与这些金属在各种其他压力加工过程中的塑性相比，会变得最小。钛合金的拉伸塑性低，决定了要以不大的道次变形量进行连续拉伸过程。这种现象不允许采用大的总变形率，还必须采用多次中间退火。钛合金的导热系数小，弹性模量小，摩擦系数大，机械加工性不好。钛在化学上是活性金属，在机械加工作用力和热效应的联合作用下，会产生冶金扩散导致金属熔敷而形成合金，从而粘附模具。钛合金的热性能差及弹性模量小，使得其变形加工过程中的控制要求更为严格，应仔细控制变形量和变形的速度。因此钛合金拉伸过程的特点是：在变形区的高压条件下，拉模表面与被加工制品之间强烈滑动，从而将润滑剂挤出，使金属粘附或者焊死在拉模表面上，擦伤线材表面，中断拉伸过程。在此状态下，摩擦对偶（拉模-金属）的状态和润滑材料的质量都是特别重要的。钛合金在热拉拔过程中变形抗力低，变形相对容易，线材表面质量和强度却得不到保证，冷拉拔则发生加工硬化，道次加工率一般不超过15%，当合金线材直径小于1mm时，道次加工率达到20-30%，并且需要进行中间真空退火来软化金属。人们尝试通过添加氢、细化品粒、在6相中加入具有高扩散系数的元素等方法提高钛合金的塑性，使之利于加工成形，其中细化晶粒对提高钛合金塑性是比较有效的方法，品粒细化后晶界迁移、品界滑移有利于塑性变形过程中的应力松弛，防止裂纹产生，协调滑移、抑制孪生，而且与晶粒转动相配合，有利于保持晶粒的等轴性，降低变形抗力。为此人们采取了等径挤压、高压扭转、多道次轧制及压缩变形等大塑性变形方法，使材料在很大尺度范围内调节晶粒尺寸，工艺简单、成本低廉。钛合金的性能呈现明显的各向异性，这与。相密排六方结构有直接关系，常温下合金以滑移和孪生变形为主，但对不同的合金其变形特征亦不同。目前针对钛合金线材拉拔机理的研究很少，有文献对钛合金轧制时的织构做过一些研究，却没有提到拉拔时金属的变形情况。钛合金变形时形成强烈的形变织构，相对于六方晶体结构来说，这主要是密排六方结构金属的滑移和孪生系统在极图上分布不均匀，临界分剪切应力TC也有很大的不同。在钛合金中，不同变形系统的TC强烈依赖于间隙和置换元素的数量，因此，不同的合金在变形系统的激活方面有很大的区别，变形织构也随着合金成分轻微改变而变化。Schwarzer和Singh对钛合金中的织构做了综述，通常地，那些允许品体（＜c+a＞位错和全部孪生系统）在c轴上有分量的变形系统的Tc要比纯＜a＞变形系统的Tc要高。尽管在钛单品变形系统的激活和形变织构的演化方面已经做了大量研究，至于在多晶体应变中是哪种变形系统真正起作用的依然不清楚，＜c+a＞位错或孪生对带有＜c＞-分量的变形的影响程度也不清楚。在对钛合金多晶体T40、T60和TC4的变形机制的研究中发现，不同的变形系统的激活所对应的临界分剪切应力Tc各不相同，通过对比不同变形体系的临界分剪切应力的相对值Tc，可以确定合金的主要变形方式。钛及钛合金具有特殊的综合物理机械性能，其棒线材生产具有小批量、多品种的特点，不适宜采用钢铁及常用有色金属棒线材的大规模连轧工艺，设计合理的加工工艺，提高棒线材成品率及表面质量，可以降低生产成本和资源消耗，满足棒线材产品的生产应用。国外对钛及钛合金热拉拔棒线材的加工技术做了较多研究，有关的变形机理也有很多探索，反观国内这方面的研究报道极少，而且工艺技术相对落后，要生产质优价廉的钛合金线材产品，需要提高在该领域的技术、装备水平和理论研究水平。钛合金棒线材冷加工特性钛及钛合金具有特有的性质：在高温下有很大的化学活性；在许多腐蚀性介质中的耐蚀性；塑性稍低，强度高；在最适宜热变形的温度范围内，有着a+P/P的多品形转变；同素异构品体a和6有着重要的区别；导热性低等。在钛及钛合金的半成品（板材、棒材、管材等）的生产工艺流程中，要考虑这些特点。钛合金的棒线材加工一般采用先轧制后拉拔的方法，拔制过程又分为热变形和冷变形（温变形）。钛合金在常温下具有高强度和低塑性，大部分加工过程是通过加热后制造成半成品。合金的截面愈大、合金元素含量愈高，设备功率愈小，需要加热的温度就愈高。在高温时（在6变形体范围）变形，同时形成具有低的机械性能的大品粒宏观组织和微观组织。为得到均匀一致的细品组织，则需在低于相变40-50r的情况下进行变形，以破坏铸造粗品组织。多晶转变在一定条件下形成不等粒的组织，降低了制品性能的稳定性。热变形时温度高，金属氧化严，制品的表面质量、尺寸精确度及机械强度较冷变形差。一般用于开坯过程。实际生产中，热变形与冷变形是配合使用的，成品与半成品的精加工主要是用冷变形或不完全冷变形完成的。不完全冷变形是在高于回温度的变形，没有再结品产生，但回复过程得以进行的变形，习惯上也称为温变形。金属在塑性变形过程中，除产生硬化外，尚发生部分软化过程（回复），可明显消除内应力，改善塑性和减少加工硬化。温变形不仅可以减少金属所必须的中间退火次数，提高生产率，而且还可以减少能耗，节省能量。冷变形的温度低于回复温度，变形中只有加工硬化作用（具有完全硬化），而无回复与再结品现象，这种情况下金属的变形抗力较高，而塑性较低。冷变形时金属的抗力随着所承受的变形程度的增加而持续上升，塑性则随着变形程度的增加而逐渐下降。金属的冷变形一般要进行几次，每次都要根据金属本身的性质与具体的工艺条件，完成一定数量的总变形量，变形中间需采用退火处理以恢复坯料的塑性。恰当的利用冷变形-退火循环可以将金属加工到任意形状和大小，以及任意程度的硬化或软化状态的制品。（1） 冷拔材是以热轧材为坯料的，较热轧材有如下优点：机械性能高；②尺寸精度高；③表面光洁度好。（2） 材料在冷拔后组织发生变化①显微组织变化；②品格畸变、品粒破碎；③产生变形织构。（3） 材料在冷拔后性能发生变化①加工硬化；②其他性质的改变。尽管冷拔增加了变形时的能量的消耗、中间退火次数及随之引起的其他辅助工作，但冷加工仍是许多材料的制造特别是细丝生产的重要手段，它能获得光洁表面、尺寸精整、形状规则的制品，以满足工业对材料的不同需求，而这是热加工很难实现的。影响钛合金拉拔性能的因素（1）坯料根据冷拔生产工艺的要求，作为冷拔材的坯料在拔制前需进行坯料的选择与验收、锻头（轧头或锤头）或磨头、蚀洗、润滑等。正确选择、供应和检验冷拔材的坯料，对于冷拔材的产量、质量等技术经济指标有重要意义。对于棒料表面有严重缺陷的则需要在加工前进行修正，可用砂轮机清理或者采用剥皮、磨削进行清理。（2）拉拔表面润滑

在钛合金线材上，最容易形成刮痕和擦伤，以及不同类型的纵向分层。拉模孔型选择不当、其工作表面抛光不够仔细、润滑剂质量低下、坯料表面有裂纹、拉模或拉模支架存在伸出部分、拉模散热不充分（无冷却液或者其数量不足、高速拉伸、道次变形率过大）都可成为产生这些缺陷的原因。（3）冷拉拔模具拉拔时模具直接对制品进行加工，对拉拔生产的产量、质量、消耗和成本有很大的影响。有色金属拉拔模具一般采用硬质合金（BK6、BK8）和金刚石材质，硬质合金在普通拉拔时应用较多，金刚石拉模则应用在细丝和超细丝拉拔中。普通拉模的模孔通常分为四部分：入口锥（进料区+润滑区）、工作锥、定径带和出口锥。①入口锥入口锥又称润滑锥，其作用是在拉拔时便于润滑剂进入模孔，以保证制品得到充分的润滑、减少摩擦并带走金属由于变形和摩擦产生的部分热量，还可以防止划伤坯料。间 何图1普通拉模示意图（a）锥间 何图1普通拉模示意图（a）锥形拉模（b）弧形拉模「入口锥II■工作锥 皿定径带 皿出口锥I-ApproachconeII-WorkconeHI-CaJibraliH£strapIV-Exitcone入口锥的王要参数是入口锥角6和长度Ir。入口锥角6的大小要适当，角度过大润滑剂不易储存，易造成拉拔润滑不良；角度过小，则拉拔时产生的金属屑、粉末等不易随润滑剂流掉，堆积于模孔中影响制品的质量，甚至还会造成夹灰、划沟、拉断等缺陷。生产中硬质合金模的入口锥角6大小一般为40°入口锥的长度Ir一般取定径带直径的0.6倍。棒材拉拔中润滑锥常用R=4-8mm的圆弧代替。工作锥工作锥又称压缩锥，是金属塑性变形的主要部分，同时在此获得所需的形状和尺寸。工作锥有锥形和弧线形两种。为避免制品在工作锥以外变形，工作锥的长度Ig大于拉拔时变形区的长度Ib

(1)其长度Ig一般用下式确定。(1)!广出户(1枯5(D^uprDf)cola式中瞄一坯料可能最大的直径Dj 制品直径讶——不同心系数，其值为1.05-1.3,细制品用上限.一般情况下，工作锥的长度Ig对线材拉模不小于定径带的直径D1；对于棒材拉模Ig=(0.7-0.8)D1工作锥的锥角a,工作锥锥角a存在一最佳区间，在此区间内拉拔力最小。变形程度、摩擦系数增加，均会导致最佳模角增大。当材料的加工率一定，减小a,或a不变减小加工率，变形区内金属轴向变形增加而径向变形减小，金属的整体均匀性变形趋向增大，对模壁的压力减小，模具磨损也会相应减小。过大的a值则会加剧金属的不均匀变形，特别是表层和中心部分的不均匀变形，致使产品内残余副应力增加，同时会加剧模具磨损，影响模具的寿命。定径带定径带的作用是使制品进一步获得稳定而精确的形状与尺寸。定径带直径D1取决于所拔产品的直径。定径带的长度如愈大，拉拔力愈大；如小则拉拔力小，但易磨损。出口锥出口锥不参与金属变形，作用是防止金属出模时被划伤和定径带出口断面因受力而引起的剥落，便于润滑剂排出和模芯的散热。出口锥锥角2Y一般60°-90°长度Ich为定径带直径的0.2-0.5倍。拉拔工艺参数①拉拔速度拉拔速度是金属加工生产工艺中一个很重要的工艺因素，它对变形金属的性能有较大影响。变形速度(或应变速度)为单位时间内变形程度的变化或单位时间内的相对位移体积，即：式中葛一.形速度；g—形程度；t一成变形所需要的时间;V—变形物体的体税.钛合金是一种对应变速率很敏感的材料，不同的变形速度对其塑性和变形性能有着重要的影响。在拉拔过程中，由于流体力学作用、机械捕捉作用和物理化学吸附作用，使润滑剂连续不断地带入模具的工作部分，并在丝材表面附着一层润滑膜，避免坯料与模具直接接触，减少了摩擦力。在文献资料中分析拉拔速度对钢丝拉拔时润滑的影响时，指出当钢丝在低速拉拔时，机械捕捉作用小，润滑剂进入模具的压力小，相应的进入量也少，使得钢丝与模具壁处于一种界面润滑状态，钢丝沿变形区表面普遍处在固体摩擦接触中，摩擦阻力大，拉拔力也大；反之，润滑膜增厚，甚至于厚度大于钢丝和模具壁的粗糙度时，钢丝与模具壁的润滑状态开始从界面向混合润滑过渡，这种摩擦较界面的阻力小，因此，拉拔力也逐渐减小。而拉拔速度的提高在单位时间内产生的热量较高，模具中的热量达到润滑剂的软化温度时，润滑剂受热软化，变成一种粘稠的流体，这种流体附在丝材表面可以起到良好的润滑作用。另外，拉伸速度变快，模具与钢丝接触到时间较短，其表面凹凸不平部分的塑性变形来不及发展，不能与摩擦面密切接触，降低了摩擦系数，