СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ВЫСОКОПРОЧНЫХ ТИТАНОВЫХ ПРУТКОВ КРУГЛОГО СЕЧЕНИЯ С УЛЬТРАМЕЛКОЗЕРНИСТОЙ СТРУКТУРОЙ
METHOD OF PRODUCING TITANIUM ROUND RODS WITH ULTRAFINE STRUCTURE

Изобретение относится к деформационно-термической обработке с изменением физико-механических свойств металла и может быть использовано в машиностроении, авиадвигателестроении и медицине при изготовлении полуфабрикатов из титана.
Известны способ формирования ультрамелкозернистой структуры в металлической заготовке и устройство для его осуществления (патент РФ №2341350, B21J 13/02, 5/00; C21D 7/00; C22F 1/00, опубл. 20.12.2008). Изобретение относится к деформационно-термической обработке. Формирование ультрамелкозернистой структуры в металлической заготовке путем ее деформационной обработки с подпором включает поэтапное сжатие заготовки вертикально сжимающим пуансоном в пресс-форме, содержащей матрицу, снизу ограниченную плоским дном, с полостью для размещения в ней заготовки и предназначенной для обработки заготовки в трех ортогональных направлениях с обеспечением пластического течения материала заготовки по направлениям, не совпадающим с направлением сжимающего усилия. На каждом этапе деформационной обработки заготовку размещают в полости матрицы, сжимают и извлекают деформированную заготовку из полости матрицы. Перед размещением заготовки в полости матрицы производят заполнение нижней части полости матрицы засыпкой из тугоплавкого порошка на 0,1-0,5 сжимаемой высоты заготовки, затем заготовку помещают на засыпку, заполняют засыпкой свободное пространство, образованное между двумя парами ползунов и заготовкой до уровня, превышающего верхнюю точку заготовки на 0,1-0,5 ее сжимаемой высоты, вставляют в матрицу пуансон, перемещают его до обеспечения сжатия заготовки на 10-60% ее высоты. Этапы деформационной обработки заготовки повторяют, меняя направления ее деформации, до формирования ультрамелкозернистой структуры по всему объему заготовки.
Недостатком известного способа является низкая производительность, связанная с многократным заполнением полости матрицы засыпкой и последующим ее извлечением из полости матрицы, а также наличие засыпки как расходного материала, приводящего к удорожанию способа. Кроме того, известный способ не позволяет получать максимально достижимые физико-механические характеристики.
Известен способ получения ультрамелкозернистых титановых заготовок (патент РФ №2175685, C22F 1/18, B21J 5/00, опубл. 10.11.2001).
Изобретение относится к деформационно-термической обработке с изменением физико-механических свойств металла и может быть использовано в машиностроении, авиадвигателестроении и медицине при изготовлении полуфабрикатов из титана. Сущность способа состоит в следующем: проводят пластическую деформацию заготовки в пересекающихся вертикальном и горизонтальном каналах при понижении температуры в интервале 500-250°C с накопленной логарифмической степенью деформации e≥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. Техническим результатом изобретения является улучшение механических свойств обрабатываемого материала путем повышения прочности и усталостных характеристик при сохранении пластичности. Сочетание интенсивной пластической деформации и последующей термомеханической обработки в указанных режимах позволяет сформировать в материале термически стабильную ультрамелкозернистую структуру с размером зерен не более 0,1 мкм, при этом повышаются уровень прочности на растяжение и усталостная прочность.
Известный способ позволяет получать за счет интенсивной пластической деформации и последующей термомеханической обработки ультрамелкозернистую структуру обрабатываемого материала с размером зерен около 0,1 мкм, что повышает прочностные и усталостные характеристики. Однако прокатка при комнатной температуре требует очень малого обжатия за один проход для обеспечения приемлемого уровня выхода годного, что увеличивает продолжительность технологического процесса и удорожает конечную продукцию.
Наиболее близким к предложенному техническому решению является способ получения заготовок шестигранной формы с нанокристаллической структурой и устройство для деформационной обработки при осуществлении этого способа (патент РФ №2383632, C21D 7/10, C22F 1/00, B21J 5/00, 13/02, B82B 3/00, опубл. 10.03.2010).
Изобретение относится к способам деформационно-термической обработки металлов давлением и может быть использовано при получении заготовок шестигранной формы с высоким уровнем физико-механических свойств. Исходную заготовку подвергают последовательной по циклам деформационной обработке и последующей многоходовой прокатке на прокатном стане при комнатной температуре. Каждый цикл деформационной обработки включает размещение заготовки в полости устройства, деформирование, извлечение из указанной полости и переустановку для следующего цикла путем поворота на 90°. Полость имеет пересекающиеся верхнюю вертикальную и нижнюю горизонтальную части. Деформирование производят путем сжатия заготовки по высоте в частях полости с обеспечением пластического течения материала заготовки в двух противоположных направлениях. При этом ограничивают деформацию заготовки стенками нижней горизонтальной части полости. Указанная часть имеет закругленные сверху боковые торцы и два расположенных сверху подпора клиновидной формы. Площади входных поперечных сечений нижней горизонтальной части полости на 3-20% меньше площади поперечного сечения верхней вертикальной части. В результате обеспечивается получение заготовок с однородной структурой во всем объеме. Известный способ позволяет получать за счет интенсивной пластической деформации и последующей термомеханической обработки прутки из титана с ультрамелкозернистой структурой, что обеспечивает высокие прочностные характеристики. Однако выход годного продукта в рамках данной технологии не превышает 60÷70%, что приводит к большому количеству отходов и существенно удорожает конечную цену продукции.
Задачей предлагаемого изобретения является разработка способа получения высокопрочных титановых прутков круглого сечения с ультрамелкозернистой структурой. При реализации предлагаемого изобретения достигается повышение выхода годного высокопрочных титановых прутков с ультрамелкозернистой структурой диаметром 4-8 мм с высоким уровнем физико-механических свойств.
Указанный технический результат достигается тем, что способ получения высокопрочных титановых прутков круглого сечения с ультрамелкозернистой структурой включает поэтапное измельчение зерен в титановых заготовках методом авс-прессования и последующую многопроходную прокатку в ручьевых валках со ступенчато уменьшающимся сечением ручья в каждом цикле прокатки при фиксированной температуре нагрева заготовки под прокатку.
Поэтапное измельчение зерен в титановых заготовках методом авс-прессования осуществляют при ступенчатом понижении температуры в интервале 750-500°C.
На этапе авс-прессования титановые заготовки могут быть подвергнуты рекристаллизационному отжигу при температуре 680-700°C в течение 1 часа.
Прокатку в ручьевых валках ведут при понижении температуры нагрева заготовки под прокатку на 40-60°C на каждом переходе к меньшему сечению ручья от температуры 500°C до температуры 300°C, при которой осуществляют окончательное формирование конечного круглого сечения прутка.
Количество сечений ручьев выбирают таким образом, чтобы при переходе от одного ручья к другому степень обжатия не превышала 40%.
Прокатку в ручьевых валках ведут в несколько проходов, поворачивая при этом заготовку на 90° вокруг продольной оси при каждом проходе.
Получают титановые прутки круглого сечения диаметром 4-8 мм из титана технической чистоты.
Предлагаемое изобретение направлено на повышение выхода годного при производстве из титана технической чистоты высокопрочных прутков с ультрамелкозернистой структурой.
Поставленная задача достигается при реализации предлагаемого способа, который включает поэтапное измельчение зерен в титановых заготовках с использованием метода авс-прессования и многопроходной прокатки в ручьевых валках со ступенчато уменьшающимся сечением ручья в каждом цикле прокатки при фиксированной температуре нагрева заготовки под прокатку. В отличие от прототипа, прокатку в ручьевых валках проводят не при постоянной температуре (комнатной), а со ступенчатым понижением температуры нагрева заготовки под прокатку на 40-60°C на каждом переходе к меньшему сечению ручья от температуры 500°C до температуры 300°C при заданном конечном сечении прутка.
На первом этапе технологического цикла (предварительного измельчения зеренной структуры титановой заготовки), то есть при авс-прессовании со ступенчатым понижением температуры от 750 до 500°C, в материале происходит уменьшение среднего размера зерен. На следующем этапе ведут многопроходную прокатку в ручьевых валках, ступенчато снижая сечение ручья. В прототипе прокатку в ручьевых валках ведут при фиксированной (комнатной) температуре. При этой температуре прокатки зерна эффективно измельчаются, что приводит к дополнительному повышению прочностных характеристик. Однако прокатка в ручьевых валках при комнатной температуре приводит к резко неоднородной деформации материала по сечению прутка: в приповерхностных слоях деформация намного больше, что обеспечивает высокий наклеп этих слоев и их частичное отслоение. Используемые в некоторых случаях последующие отжиги не устраняют эти дефекты. Наличие поверхностных дефектов приводит к тому, что выход годного составляет 60÷70%. Чтобы избежать формирования поверхностных дефектов, сохранив при этом высокие прочностные свойства прутков, по настоящему изобретению прокатку в ручьевых валках ведут со ступенчатым понижением температуры нагрева заготовки под прокатку на 40-60°C на каждом переходе к меньшему сечению ручья от температуры 500°С до температуры 300°C, при которой осуществляют окончательное формирование конечного круглого сечения прутка диаметром 4-8 мм.
Температура 500°C на конечном этапе авс-прессования выбрана исходя из того, что при более низких температурах авс-прессование приходится вести с очень малой осадкой в каждом цикле, чтобы избежать разрушения заготовки. В этом случае технологический процесс становится более затратным. Прокатка в ручьевых валках в интервале температур 500-300°C обеспечивает постепенное измельчение зерен при каждом изотермическом цикле, что, в свою очередь, уменьшает неоднородность деформации по сечению прутка. Конечная температура прокатки 300°C, с одной стороны, еще достаточна для протекания процессов возврата (динамической и метадинамической рекристаллизации), что снижает вероятность появления поверхностных дефектов, а, с другой стороны, при этой температуре не происходит роста зерен, и формирующаяся ультрамелкозернистая структура обеспечивает необходимый уровень прочностных свойств.
Способ осуществляют следующим образом.
В зависимости от заданных геометрических параметров (диаметра и длины прутка), необходимого уровня прочностных свойств и микроструктуры исходного сырья (титановой заготовки) выбирают наиболее оптимальную технологическую схему (если исходная заготовка в состоянии заводской поставки имеет мелкозернистую структуру с размером зерен 1-5 мкм, то этап авс-прессования можно существенно сократить). Титановую заготовку подвергают интенсивной пластической деформации методом авс-прессования при ступенчатом понижении температуры в интервале 750-500°C. На конечном этапе авс-прессования при температуре 500°C формируют заготовку, которая по своим геометрическим размерам может быть подвергнута прокатке в ручьевых валках. Прокатку в ручьевых валках начинают при подогреве заготовки до 500°C, причем для обеспечения хорошей проработки материала по всему сечению заготовки прокатку ведут в несколько проходов, поворачивая при этом заготовку на 90° вокруг своей оси при каждом проходе. Затем переходят к прокатке в ручье меньшего сечения, снижая при этом температуру подогрева заготовки при прокатке. Количество ручьев выбирают таким образом, чтобы при переходе от одного ручья к другому степень обжатия не превышала 40% для предотвращения разрушения заготовки.
После выполнения описанных выше процедур проводят визуальный и инструментальный контроль качества поверхности прутка и определяют механические свойства.
Примеры конкретного выполнения.
Пример 1.
Для изготовления прутков диаметром 6 мм с ультрамелкозернистой структурой использовали слитки титана ВТ1-0 со средним размером зерен 400 мкм. Из исходного слитка вырезали заготовку в виде параллелепипеда. Заготовку нагревали до 750°C и помещали в пресс-форму, в которой сжатие сопровождалось растяжением в одном направлении. Проводили авс-прессование с осадкой на одну сторону примерно 40%, то есть нагрев и прессование проводили 3 раза. После этого температуру прессования понижали до 650°C и осуществляли два перехода трехстороннего ортогонального прессования с суммарной степенью осадки около 240%. Затем проводили рекристаллизационный отжиг при 700°C 1 час. После такой механотермической обработки размер зерен уменьшился примерно на порядок. Для дальнейшего измельчения зерен проводили авс-прессование последовательно при 600, 550 и 500°C. При 600 и 550°C прессование осуществляли в два перехода, а при 500°C - в три перехода, то есть нагрев и прессование проводили соответственно 6 и 9 раз. При понижении температуры прессования степень пластической деформации за один переход понижалась со ~120% до ~100%. После этого проводили вытяжку в пруток квадратного сечения примерно 15×15 мм путем дробного двустороннего прессования при 500°C с суммарным удлинением ~100%. Затем полученную заготовку в виде прутка квадратного сечения прокатывали в ручьевых валках по следующему режиму:
- нагрев заготовок до температуры 500°C; четырехкратная прокатка в ручьевом валке с квадратным сечением ручья при диагонали 25 мм; нагрев проводится один раз, прокатка - 4 раза с поворотом прутка на 90° вокруг продольной оси;
- нагрев прутка до температуры 460°C; четырехкратная прокатка в ручьевом валке с квадратным сечением ручья при диагонали 20 мм; нагрев проводится один раз, прокатка - 4 раза с поворотом прутка на 90° вокруг продольной оси;
- нагрев прутка до температуры 420°C; четырехкратная прокатка в ручьевом валке с квадратным сечением ручья при диагонали ручья 17 мм; нагрев проводится один раз, прокатка - 4 раза с поворотом прутка на 90° вокруг продольной оси;
- нагрев прутка до температуры 380°C; четырехкратная прокатка в ручьевом валке с квадратным сечением ручья при диагонали ручья 14 мм; нагрев проводится один раз, прокатка - 4 раза с поворотом прутка на 90° вокруг продольной оси;
- нагрев прутка до температуры 340°C; четырехкратная прокатка в ручьевом валке с квадратным сечением ручья при диагонали ручья 11,5 мм; нагрев проводится один раз, прокатка - 4 раза с поворотом прутка на 90° вокруг продольной оси.
Дальнейшая теплая прокатка в пруток производится в ручьевых валках с круглым сечением ручьев по следующей схеме:
- нагрев прутка до температуры 300°C; многократная прокатка в ручье диаметром 10 мм, после каждых 4-х проходов нагрев прутка до 300°C; нагрев и последующая прокатка повторяются 3 раза;
- нагрев прутка до температуры 300°C; многократная прокатка в ручье диаметром 8 мм, после каждых 4-х проходов нагрев прутка до 300°С, нагрев и последующая прокатка повторяются 4 раза;
- нагрев прутка до температуры 300°С; многократная прокатка в ручье диаметром 6,5 мм, после каждых 4-х проходов нагрев прутка до 300°С, нагрев и последующая прокатка повторяются 5 раз;
- нагрев прутка до температуры 300°С, многократная прокатка в ручье диаметром 6 мм, после каждых 4-х проходов нагрев прутка до 300°С, нагрев и последующая прокатка повторяются 5 раз.
Свойства полученного по описанному технологическому режиму прутка приведены в таблице 1. Видно, что прочностные характеристики этого прутка (строка 4) не уступают таковым для прутков, полученных ручьевой прокаткой при фиксированной температуре (строка 3), в то время как выход годного по предлагаемому способу повысился до 90÷95%.
Пример 2.
Для изготовления высокопрочных прутков диаметром 8 мм с ультрамелкозернистой структурой использовали в качестве исходной заготовки прутки заводского изготовления диаметром 20 мм, отожженные 1 час при 680°C со средним размером зерен ~1,4 мкм. При этом авс-прессование выполняли по сокращенной схеме. Начинали авс-прессование при 600°C в два перехода, затем при 550°C в два перехода и при 500°С - в три перехода. Затем полученную заготовку в виде прутка прокатывали в ручьевых валках по тому же режиму, что и в примере 1 со ступенчатым понижением температуры нагрева заготовки под прокатку на 60°C на каждом переходе к меньшему сечению ручья от температуры 500°C до температуры 300°C, при которой осуществляют окончательное формирование конечного круглого сечения прутка диаметром 8 мм.
Свойства полученного по описанному технологическому режиму прутка приведены в таблице 2. Видно, что прочностные характеристики этого прутка (строка 3) не уступают таковым для прутков, полученных ручьевой прокаткой при фиксированной температуре (строка 2), в то время как выход годного по предлагаемому способу повысился до 90÷95%.
Пример 3.
Для изготовления высокопрочных прутков диаметром 4 мм с ультрамелкозернистой структурой использовали в качестве исходной заготовки прутки заводского изготовления диаметром 20 мм, отожженные 1 час при 680°C со средним размером зерен ~1,4 мкм. При этом авс-прессование выполняли по сокращенной схеме. Начинали авс-прессование при 600°C в два перехода, затем при 550°C в два перехода и при 500°C - в три перехода. Затем полученную заготовку в виде прутка прокатывали в ручьевых валках по тому же режиму, что и в примере 1 со ступенчатым понижением температуры нагрева заготовки под прокатку на 50°C на каждом переходе к меньшему сечению ручья от температуры 500°C до температуры 300°C, при которой осуществляют окончательное формирование конечного круглого сечения прутка диаметром 4 мм.
Таким образом, по предлагаемому способу можно изготовить прутки с ультрамелкозернистой структурой с заданным уровнем прочности и выходом годного на уровне 90÷95%.
Способ получения высокопрочных титановых прутков круглого сечения с ультрамелкозернистой структурой
Таблица 1
№ п/п
Обработка
Размер зерна d, мкм
Предел прочностиσ<sub>В</sub>, МПа
Предел текучести σ<sub>0,2</sub>, МПа
Удлинение до разрываδ,%
Выход годного, %
1
Слиток
400
350±10
250±10
11,5±1
-
2
aвc-прессование 750→500°C
0,8
550±10
410±10
33±1
-
3
авс-прессование 750→500°C + теплая прокатка при 300°C
0.6
730±12
461±20
15±1
60÷70
4
авс-прессование 750→500°C + теплая прокатка 500→300°C
0,45
820±12
740±10
24±2
90÷95
Таблица 2
№ п/п
Обработка
Размер зерна d, мкм
Предел прочности σ<sub>В</sub>, МПа
Предел текучести σ<sub>0,2</sub>, МПа
Удлинение до разрыва δ,%
Выход годного
1
Пруток ⌀20 мм, заводской передел
1,4
500±8
300±5
24±2
-
2
aвc-прессование 750→500°C + теплая прокатка при 300°C
0.6
730±12
461±20
15±1
60÷70
3
авс-прессование при 500°C + теплая прокатка 500→300°C
0,15
1120±10
960±15
13±1
90÷95