СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ СУБМИКРОКРИСТАЛЛИЧЕСКОЙ СТРУКТУРЫ В НЕЛЕГИРОВАННОМ ТИТАНЕ
METHOD TO PRODUCE SUB MICRO-CRYSTALLINE STRUCTURE IN UNALLOYED TITANIUM

Изобретение относится к области деформационной обработки металлов давлением и может быть использовано в металлургии для изготовления сортового проката из нелегированного титана, например, медицинского назначения.
Известно техническое решение «Способ получения ультрамелкозернистых титановых заготовок» по патенту 2175685 (13) С1, 7 C22F 1/18, B21J 5/00, включающий пластическую деформацию в пересекающихся вертикальном и горизонтальном каналах при понижении температуры в интервале 500-250°C с накопленной логарифмической степенью деформации е≥4, после чего осуществляют термомеханическую обработку чередованием холодной деформации со степенью 30-90% с промежуточным и окончательным отжигом в интервале температур 250-500°C в течение 0,5-2 ч.
Недостатком этого способа является низкая технологичность, т.к. для пластической деформации в пересекающихся вертикальном и горизонтальном каналах с накопленной логарифмической степенью деформации е≥4 характерна высокая трудоемкость и низкая производительность, термомеханическая обработка чередованием холодной деформации со степенью 30-90% с промежуточными отжигами способствует быстрому износу оборудования и требует высоких энергозатрат.
Известен способ получения ультрамелкозернистой структуры по патенту РФ №2251588 «Способ получения ультрамелкозернистых титановых заготовок», который включает интенсивную пластическую деформацию в пересекающихся каналах титана технологической чистоты и последующую механическую обработку заготовки путем многократной прокатки или экструзии при комнатной температуре при степени обжатия за один проход, не вызывающей формирование магистральной трещины и разрушение материала, и числе проходов при прокатке или экструзии, обеспечивающих конечную степень деформации 80-90%. Данный способ позволяет сократить временные и энергетические затраты на производство материала из-за отсутствия операций промежуточного и конечного отжигов.
Однако для него характерны недостатки низкой технологичности как деформации в пересекающихся вертикальном и горизонтальном каналах, так и многократной деформации при комнатной температуре.
Оба указанных выше метода в связи с использованием холодной деформации применительно к упрочненному титану с ультрамелкозернистой структурой, полученной на этапе прессования в пересекающихся каналах, малопригодны для получения прокаткой готовых изделий в виде качественного проката широкого сортамента.
Наиболее близким к предлагаемому по совокупности существенных признаков является техническое решение по патенту РФ №2038175 «Способ получения прутков из легированных металлов и сплавов», включающий деформацию заготовки трехвалковой винтовой прокаткой со скручиванием, причем логарифмическая степень деформации скручивания составляет 0,10-0,65 от ее суммы с логарифмическим коэффициентом вытяжки, после винтовой прокатки заготовку дополнительно подвергают деформации редуцирования продольной прокаткой в калибрах с логарифмическим коэффициентом вытяжки, составляющим 0,30-0,80 от ее суммы, с логарифмической степенью деформации скручивания при винтовой прокатке. Наилучший эффект от применения способа получают при обработке легированных металлов и сплавов.
Недостатком этого способа является невозможность использования способа для получения сортамента с субмикрокристаллической глобулярной структурой из нелегированного титана.
Общим недостатком известных способов является низкая технологичность за счет того, что сначала изменяют структуру металла, а затем придают заготовке необходимую форму.
Задачей изобретения является создание технологичного способа получения однородной субмикрокристаллической глобулярной структуры в сортовом прокате нелегированного титана.
Задача решается деформацией заготовки путем сочетания винтовой и продольной прокатки, при этом:
- проводят деформацию заготовки нелегированного титана, нагретой ниже температуры рекристаллизации, трехвалковой винтовой прокаткой с положительным скручиванием в чашевидных или с отрицательным скручиванием в грибовидных валках при условии повышения коэффициента вытяжки и снижения температуры заготовки на каждом последующем проходе;
- после винтовой прокатки заготовку, нагретую до температуры не выше, чем на последнем этапе винтовой прокатки, дополнительно подвергают деформации редуцирования продольной сортовой прокаткой в калибрах с получением необходимого сортамента при логарифмической степени деформации за проход не менее 0,5.
Технический результат - способ позволяет получать однородную субмикрокристаллическую глобулярную структуру в нелегированном титане непосредственно в процессе придания заготовке конечной готовой формы, имеющей промышленное применение.
Это имеет значение, в особенности, при производстве изделий медицинского назначения (имплантатов), т.к. нелегированный титан с субмикрокристаллической глобулярной структурой обладает механическими свойствами, близкими к легированным титановым сплавам, и при этом не содержит вредных для организма легирующих элементов.
Подтверждением соответствия технического решения критериям «новизна» и «изобретательский уровень» является наличие следующих признаков:
1. Деформация заготовки нелегированного титана, нагретой ниже температуры рекристаллизации, трехвалковой винтовой прокаткой с положительным скручиванием в чашевидных или с отрицательным скручиванием в грибовидных валках при условии повышения коэффициента вытяжки и снижения температуры заготовки на каждом последующем проходе. В результате в получаемом прутке создается градиентная структура, представленная глобулярной субмикрокристаллической структурой периферийной зоны и тонковолокнистой структурой центральной зоны;
2. Последующая деформация редуцирования заготовки нелегированного титана, нагретой до температуры не выше, чем на последнем этапе винтовой прокатки, продольной сортовой прокаткой в калибрах с получением необходимого сортамента при логарифмической степени деформации за проход не менее 0,5. На этом этапе в процессе придания заготовке конечной готовой формы в виде прутков круглого сечения, прутков квадратного сечения, а также полос и профилей различной конфигурации за счет поперечной компоненты деформации происходит преобразование тонковолокнистой структуры центральной зоны в глобулярную субмикрокристаллическую.
Сочетание вышеуказанной винтовой и продольной сортовой прокатки позволяет формировать глобулярную субмикрокристаллическую структуру нелегированного титана в готовом изделии уже при суммарной степени деформации меньше 4.
Заявленное изобретение подтверждается следующими изображениями, полученными растровой электронной микроскопией в обратно-рассеянных электронах, увеличение ×5000:
- на фигуре 1а представлена микроструктура центральной области прутка нелегированного титана ВТ1-0 диаметром 12 мм, полученного заявленным способом;
- на фигуре 1б представлена микроструктура периферийной области прутка нелегированного титана ВТ1-0 диаметром 12 мм, полученного заявленным способом.
Изобретение осуществляют следующим способом.
Проводят винтовую прокатку исходной заготовки нелегированного крупнозернистого титана в чашевидных валках с положительным скручиванием или в грибовидных валках с отрицательным скручиванием, при этом на каждом переходе обеспечивают снижение температуры заготовки в диапазоне 650-350°C и увеличение коэффициента вытяжки. В результате получают пруток с двухслойной структурой, при этом деформация скручивания составляет 0,30-0,65 от ее суммы с логарифмической деформацией вытяжкой. Затем заготовку, нагретую до температуры не выше, чем на последнем этапе винтовой прокатки, подвергают редуцированию в калибрах с логарифмической степенью деформации за проход не менее 0,5.
При этом для получения глобулярной субмикрокристаллической структуры необходимого сортамента достаточно, чтобы суммарная логарифмическая степень деформации в готовом изделии была меньше 4.
Примеры:
1. Радиально-сдвиговую прокатку исходной заготовки крупнозернистого титана ВТ1-0 диаметром 40 мм проводили на стане РСП 14-40 в чашевидных валках с положительным скручиванием при 650°C за два прохода до диаметра 32 мм, затем при температуре 550°C до диаметра 24 мм за два прохода, далее при 400°C до диаметра 16 мм за один проход. Такой режим прокатки обеспечивает увеличение коэффициента вытяжки на каждом последующем проходе.
В результате получен пруток с двухслойной структурой с накопленной степенью логарифмической деформации 2,7, при этом деформация скручивания составляла 0,35-0,37 от ее суммы с логарифмической деформацией вытяжкой.
Затем на стане продольной прокатки ТРИО-180 пруток, нагретый до 350°C, редуцировали до диаметра 12 мм за два прохода через эллипс с суммарной логарифмической степенью деформации 1,2, т.е. на каждом переходе 0,6.
В результате получен пруток нелегированного титана ВТ1-0 диаметром 12 мм с однородной глобулярной субмикрокристаллической структурой с размером зерен менее 1 микрона при суммарной степени деформации 3,9 (фиг.1а и 1б).
2. Радиально-сдвиговую прокатку исходной заготовки крупнозернистого титана ВТ1-0 диметром 40 мм проводили в чашевидных валках с положительным скручиванием на стане РСП 14-40 при 650°C за два прохода до диаметра 32 мм, при температуре 550°C до диаметра 24 мм за два прохода, при 400°C до диаметра 16 мм за один проход, что обеспечивает увеличение коэффициента вытяжки на каждом последующем переходе.
В результате получен пруток с двухслойной структурой с накопленной степенью логарифмической деформации 2,7, при этом деформация скручивания составляла 0,35-0,37 от ее суммы с логарифмической деформацией вытяжкой.
Затем на стане продольной прокатки ТРИО-180 пруток, нагретый до 400°C, редуцировали в эллипс с продольным диаметром 20 мм и поперечным диаметром 9,5 мм и подвергали листовой прокатке в стане ДУО-150 при той же температуре до получения полосы толщиной 6 мм, с суммарной логарифмической степенью деформации 0,7.
В результате получена полоса нелегированного титана толщиной 6 мм с однородной глобулярной субмикрокристаллической структурой, с размером зерен менее 1 микрона и суммарной степенью деформации 3,4.
Аналогичные изменения структуры нелегированного титана на этапе винтовой прокатки были получены с использованием схемы деформирования в грибовидных валках с отрицательным скручиванием.
Способ позволяет получать однородную субмикрокристаллическую глобулярную структуру в нелегированном титане в процессе придания заготовке конечной готовой формы в виде прутков круглого сечения, прутков квадратного сечения, а также полос и профилей различной конфигурации. При этом механические свойства титана улучшаются, приближаясь к свойствам титановых сплавов: в таблице 1 приведены данные по пределам прочности (МПа) и пластичности (%) нелегированного титана ВТ1-0, сплава ВТ6 и нелегированного титана ВТ1-0 с субмикрокристаллической структурой.
Таблица 1
ВТ1-0*
ВТ1-0 субмикрокристаллическое состояние
ВТ6*
Предел прочности, МПа
460
690
970
Пластичность, %
27
20
17
* производитель ОАО «Корпорация ВСМПО-АВИСМА», г.Верхняя Салда, РФ