СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЗАГОТОВОК ИЗ ТИТАНА
METHOD TO PRODUCE TITANIUM BLANKS

Изобретение относится к цветной металлургии, в частности к обработке металлов давлением, преимущественно к изготовлению заготовок из титановой губки.
Известен способ получения передельных заготовок из металла подгруппы титана и сплавов на его основе (патент РФ №2107585, МПК6 B22F 3/02, опубл. 27.03.96 г.). Способ включает подготовку шихты (исходного материала), температурное и деформационное воздействие на него, обеспечивающее компактирование материала, в том числе окончательную горячую деформацию, перед которой осуществляют резку металла на куски и их горячее компактирование в вакууме при давлении не более 2×10-4 мм рт.ст. при температуре 850-1200°C и при давлении 5-100 МПа в течение 1-60 минут.
Общим для известного и заявленного способов является наличие операций по температурному и деформационному воздействию на исходный материал и его горячее компактирование.
К недостаткам известного способа следует отнести сложность и трудоемкость входящих в него технологических операций, необходимость поддержания высоких температур до 1200°C и создание вакуума с остаточным давлением не более 2×10-4 мм рт.ст.
Наиболее близким заявляемому по технической сути и достигаемому эффекту является способ изготовления титановой сварочной проволоки (заявка WO 2011/049465, МПК C22C 14/00; B21B 1/16; B22F 3/02; B23K 35/32; C22F 1/18, опубл. 28.04.2011 г., приоритет GB от 23.10.2009 г.). Известный способ характеризуется тем, что в нем исходный материал помещают в камеру одноосного пресса в виде одной или более частиц титановой губки, которую подвергают холодному компактированию, с целью формирования заготовки. Компактирование продолжают до тех пор, пока образец не уплотнится в сплошную заготовку с плотностью более 80%. Спрессованная заготовка покрывается смазкой. Заготовку нагревают до температуры 400-1000°C, подвергают прессованию при температуре 400-1000°C, прессованию пруток или профиль в том же температурном диапазоне и последующей прокатке. Прессованный пруток имеет плотность более 98%. С поверхности полученного прутка или профиля удаляют загрязнения. Начальная температура заготовки в ходе прессования не превышает 1000°C, температура прутка на выходе из пресса также не превышает 1000°C.
Общими для известного и заявленного способов являются: размещение частиц титановой губки в камере пресса, компактирование губки до получения заготовки, прессование, удаление загрязнений с поверхности прессованной заготовки, покрытие ее смазкой и последующая прокатка.
Недостатком известного способа является высокое сопротивление обрабатываемого материала деформации, требующее применения высокотемпературного нагрева, что приводит к интенсивному окислению, снижающему механические свойства обрабатываемого металла и вызывающему охрупчивание. Кроме того, высокие температуры снижают стойкость инструмента, срок его службы, увеличивая тем самым расход инструмента и надежность оборудования в целом.
Задачами настоящего изобретения являются снижение сопротивления деформации обрабатываемого материала и возможность осуществления способа в более низком температурном диапазоне.
Технический результат заявленного изобретения состоит в получении возможности обработки труднодеформируемого титана в температурном режиме более низкого диапазона, повышении механических свойств получаемых заготовок, надежности оборудования, срока его службы и снижении расхода инструмента.
Это достигается тем, что в способе изготовления заготовок из титана, включающем размещение частиц титановой губки в камере пресса, компактирование частиц губки до получения заготовки, горячее прессование заготовки, удаление загрязнений с поверхности прессованной заготовки, покрытие ее смазкой и последующую прокатку, при этом перед размещением частиц титановой губки в камере пресса их нагревают в вакуумной нагревательной печи до температуры 700-800°C, легируют водородом до концентрации 0,1-0,9 мас.%, после чего снижают температуру в печи до температуры не ниже 300°C, компактирование ведут при температуре 300°C-700°C, прессование компактных заготовок осуществляют полунепрерывным методом через матрицу при температуре не выше 700°C с коэффициентом вытяжки не более двух, затем при температуре не выше 700°C и коэффициенте вытяжки не менее трех, прокатку проводят при температуре не выше 700°C, а после прокатки осуществляют отжиг в вакууме при температуре не ниже 700°C.
-2
Пример конкретной реализации. Для изготовления заготовок из титана брали частицы титановой губки размерами 2-4 мм без предварительной их обработки и помещали в вакуумную нагревательную печь, герметизировали ее, создавая вакуум не менее 2×10 мм рт.ст. Губка выдерживалась в вакууме при температуре 750°C в течение одного часа. Затем в нагретую вакуумную печь вводили водород до полного его поглощения загруженной в нее титановой губкой. Концентрация водорода в титане составляла 0,1-0,9% массовых. После легирования титановой губки водородом в вакуумной нагревательной печи снижали температуру до значения ниже температуры начала активного поглощения титаном атмосферных газов, меньше или равного 400°C, в частности до 350°C, и производили разгерметизацию вакуумной печи. Нагретые частицы легированного водородом титана переносили в подогретую до 325°C камеру пресса с диаметром полости 45 мм и длиной 120 мм. Компактирование производили следующим образом. Плунжером пресса создавали давление на пористую массу частиц титановой губки, и она компактировалась, при приложенных давлении 800 МПа и температуре от 300 до 700°C, поскольку в этом диапазоне в системе Ti-H имеют место фазовые превращения, в результате которых снижается сопротивление титана деформации и повышается его пластичность. Нагрев до температуры 325°C частиц титана снижал его сопротивление деформации в 1,5 раза по сравнению с титаном, не содержащим водорода, при той же температуре. В результате этого пористость заготовок при легировании водородом губки удалось понизить с 3% до 1%. Таким образом, получили высокоплотную компактированную заготовку из титановой губки с диаметром ≈45 мм и высотой ≈45 мм. После получения компактированной заготовки необходимой плотности, камеру пресса, температура внутри которой составляла 325°C, заполняли следующей порцией титановой губки, легированной водородом, при этом скомпактированная заготовка оставалась в полости камеры пресса. Плунжером пресса создавали давление на новую порцию титановой губки, под действием которого из этой порции губки происходило формирование компактной заготовки и одновременное прессование первой компактированной заготовки с двукратным обжатием. Значение коэффициента вытяжки, равное двум, определялось уровнем давления, необходимого для уплотнения второй порции губки и формирования заготовки, прессуемой через матрицу. После прессования легированной водородом компактированной заготовки из контейнера пресса получали заготовку диаметром ≈31 мм, высотой ≈90 мм и относительной плотностью ≈99%, а на ее прежнем месте в полости камеры пресса оказывалась компактированная заготовка из второй порции губки. Далее процесс повторяется с применением следующих порций губки. Это позволило производить полунепрерывное прессование компактированных заготовок с отсутствием внешней пористости и с минимальной внутренней пористостью. Полученную прессованную заготовку диаметром ≈31 мм, высотой ≈90 мм и относительной плотностью ≈99%очищали от загрязнений и покрывали стеклянной смазкой для облегчения процесса дальнейшего прессования, минимизации износа прессовой оснастки и предотвращения поступления атмосферных примесей.
Последующее прессование при 600°C осуществляли следующим образом. Заготовку нагревали и незамедлительно перемещали в предварительно нагретый контейнер пресса, снабженный матрицей с отверстием диаметром 11 мм. Плунжер с повышенным усилием давил на задний конец заготовки. После достижения плунжером предельного положения, ею извлекали и в контейнер пресса помещали следующую компактированную и прессованную заготовку, после чего к ней прикладывали усилие, происходило допрессовывание первой заготовки и начиналось прессование второй, то есть реализовывалось полунепрерывное прессование. Из компактированной и прессованной заготовки диаметром ≈31 мм был получен пруток диаметром ≈11 мм, коэффициент вытяжки имел значение 8. Прессование при 600°С заготовок, полученных из частиц легированной водородом титановой губки, производилось при усилиях прессования в 1,3 раза ниже, чем заготовок, не содержащих водорода. Полученные из легированных водородом частиц прутки были беспористыми, прутки из нелегированной водородом губки имели пористость=1%. Механические свойства заготовок при 600°С в первом случае характеризовались σ0,2=22,4 МПа, σв=28,1 МПа, δ=58,6%, Ψ=99,2%, во втором σ0,2=23,8 МПа, σв=28,7 МПа, δ=16%, Ψ=44%. Таким образом, применение частиц титановой губки, легированной водородом, привело к уменьшению усилия прессования заготовки, увеличению их плотности и улучшению деформационных свойств.
Далее полученные заготовки подвергались прокатке. Процесс прокатки производили при температуре не более 700°C после удаления загрязнений с поверхности заготовок и покрытия их смазкой и повторяли до получения конечного размера и формы. После прокатки компактированных и дважды прессованных заготовок была получена проволока, профиль.
-2
После прокатки производили отжиг в вакууме для удаления водорода из титана, для чего осуществляли выдержку проволоки в нагретой печи в вакууме не более 2×10 мм рт.ст., в режиме, способствующем удалению водорода из титана. Отжиг производили при температуре 850°C в течение 3 часов.
Таким образом, применение заявленного способа изготовления заготовок из титана позволяет обеспечить получение возможности обработки труднодеформируемого титана в температурном режиме более низкого диапазона, повышение механических свойств получаемых заготовок, надежности оборудования, срока его службы и снижение расхода инструмента.