坯料處理方式對純鈦擠壓棒材組織及性能的影響

劉守田，陳睿博，朱寶輝，蔡國帥，唐壽全，劉彥昌

(寧夏東方鉭業(yè)股份有限公司，寧夏 石嘴山 753000)

0 引言

工業(yè)生產(chǎn)中，純鈦棒的生產(chǎn)方式主要有鍛造、軋制、擠壓3種。鍛造生產(chǎn)的純鈦棒由于鍛造火次多，最終制品表面扒皮量較大，單邊基本在5 mm以上，但可以生產(chǎn)對組織要求較高的制品。軋制方式生產(chǎn)效率高，扒皮量小，單邊扒皮2～3 mm即可清除表面的氧化層和軋制缺陷，但目前成熟的軋制棒坯基本在φ80 mm以下，φ80 mm以上規(guī)格的純鈦棒目前主要還是以鍛造為主。為了研究更為經(jīng)濟的生產(chǎn)工藝，就鍛造和擠壓相結(jié)合的方式生產(chǎn)品質(zhì)較高的純鈦棒進行探討，重點研究了鑄態(tài)坯料直接擠壓和鍛態(tài)坯料擠壓對純鈦棒材表面質(zhì)量、顯微組織和力學(xué)性能的影響。

1 實驗

實驗材料為1級海綿鈦(粒度為0.85～12.7 mm)經(jīng)兩次真空電弧熔煉制得的純鈦鑄錠，規(guī)格分別為 φ300 mm ×1600 mm、φ600 mm ×2400 mm，化學(xué)成分如表1所示。φ300 mm×1600 mm鑄錠經(jīng)過車床扒皮和中分鋸切，制備成2節(jié)規(guī)格為φ292 mm×800 mm的擠壓錠坯，編號為Z1和Z2;φ600 mm×2400 mm鑄錠經(jīng)總變形量為80%左右的兩火次鍛造拔長，制備成2節(jié)φ292 mm×800 mm的擠壓錠坯，編號為D1和D2。

表1 純鈦錠的化學(xué)成分(w/%)Table 1 Chemical composition of pure titanium ingots

實驗采用35MN臥式擠壓機。擠壓前，用T2紫銅皮包覆坯料表面，以便在高溫擠壓時起到潤滑作用，防止擠壓坯料粘接模具。采用石墨、二硫化鉬、氣缸油質(zhì)量比為1∶2∶5的潤滑劑潤滑擠壓筒，采用二硫化鉬、氣缸油、瀝青質(zhì)量比為1∶2∶4的潤滑劑潤滑擠壓模。模具為65°半錐角的錐形凹模，定徑帶長度為15 mm，擠壓前純鈦錠坯采用電阻爐加熱，加熱溫度為800℃，保溫時間為3 h，擠壓比為9.57，擠壓后的純鈦棒直徑為95 mm。鑄態(tài)錠坯Z1、Z2擠壓得到的純鈦棒的編號為ZB1和ZB2，鍛態(tài)錠坯D1、D2擠壓得到的純鈦棒的編號為DB1和DB2。

制備鑄態(tài)和鍛態(tài)錠坯的金相試樣，腐蝕劑為體積比為1∶3∶7的 HF、HNO3、H2O混合溶液，采用Leica MM-6金相顯微鏡觀察材料的顯微組織。對擠壓后的棒材取樣分別進行金相組織觀察和拉伸性能測試，拉伸試樣規(guī)格如圖1所示，實驗設(shè)備為INSTRON 4505型電子萬能試驗機。

圖1 拉伸試樣示意圖Fig.1 Sketch of tensile specimen

2 結(jié)果與討論

2.1 純鈦擠壓坯料的顯微組織

純鈦擠壓坯料的金相照片如圖2所示。鑄態(tài)坯料的顯微組織為粗大的魏氏組織，鍛態(tài)坯料的顯微組織不均勻，且有部分孿晶組織。

圖2 純鈦擠壓坯料的顯微組織Fig.2 Microstructures of pure titanium extrusion billets

2.2 純鈦擠壓棒的表面形貌

在相同的擠壓條件下，鑄態(tài)和鍛態(tài)兩種坯料擠壓出的純鈦棒表面形貌分別如圖3a和3b所示。經(jīng)過酸洗后，發(fā)現(xiàn)兩者表面質(zhì)量有很大的差異，鑄態(tài)坯料擠壓出的純鈦棒表面質(zhì)量很差，有很深的縱向溝槽，如圖3c所示。鍛態(tài)坯料擠壓出的純鈦棒表面質(zhì)量很好，表面平整，如圖3d所示。

圖3 純鈦擠壓棒的表面形貌Fig.3 Surface morphologies of extruded pure titanium rods

圖4為純鈦坯料擠壓后變形錐和棒材的表面質(zhì)量。

圖4 變形錐和棒材的表面質(zhì)量情況Fig.4 Surface quality of deformation conical zones and rods

鑄態(tài)擠壓坯料組織中由于存在大量的粗大柱狀晶粒，導(dǎo)致金屬在變形時，單位體積內(nèi)滑移面數(shù)量相對較少，變形過程中晶粒之間的協(xié)調(diào)變形性差，金屬流動形成的空位得不到及時填充，宏觀上表現(xiàn)為不能均勻的填充變形錐和模孔，使擠壓棒材表面從開始變形時就形成溝槽，且經(jīng)過?？滓膊荒艿玫接行У木?，而是從?？字苯恿鞒?，嚴(yán)重影響了擠壓棒材的表面質(zhì)量，如圖4a所示。而通過鍛造得到的坯料由于顯微組織是比較細小的等軸組織，金屬在變形時，單位體積內(nèi)滑移面數(shù)量相對較多，變形過程中晶粒之間的協(xié)調(diào)變形性好，而且由于單個晶粒體積小，所以在金屬流動時形成的空位很容易得到及時填充，宏觀上表現(xiàn)為能夠均勻地填充變形錐和?？祝瑹o論是在減徑還是定徑過程，棒材外表面的金屬均能夠均勻流動并充分填充，所以擠壓后純鈦棒表面比較光滑，見圖4b。

2.3 純鈦擠壓棒的顯微組織

鑄態(tài)和鍛態(tài)坯料擠壓得到的純鈦棒的顯微組織見圖5。從圖5可以看出，鑄態(tài)坯料經(jīng)過擠壓后，魏氏組織明顯被破碎，并通過動態(tài)再結(jié)晶得到了細化的等軸組織，但顯微組織中存在大量的孿晶，而且組織不均勻;而鍛態(tài)坯料擠壓后，顯微組織為細小且較為均勻的等軸組織，僅有少量的孿晶。

圖5 純鈦擠壓棒的顯微組織Fig.5 Microstructures of extruded pure titanium rods

實際上，無論金屬鈦中的縱向織構(gòu)程度如何，低溫時孿生對變形都會起到顯著作用［1］。在800℃時，由于純鈦的強度很低，一般情況下會以滑移變形為主，但是鑄態(tài)坯料中有大量的柱狀晶粒，在擠壓過程中滑移變形難以進行，變形的方式主要以孿生為主，所以在鑄態(tài)坯料擠壓得到的純鈦棒顯微組織中，發(fā)現(xiàn)了大量的孿晶組織，如圖5a所示。當(dāng)坯料經(jīng)過鍛造后，其組織為等軸組織，在變形過程中，最普通的變形模式是依賴{1010}、{1011}和{0001}3個滑移面以及<1120>的滑移方向［1-2］，同時進行滑移和孿生變形，金屬鈦發(fā)生孿生變形后，產(chǎn)生新的晶粒取向，又為滑移變形提供了條件，這種協(xié)同的變形方式，使得金屬具有更好的流動性。所以，鍛態(tài)坯料在擠壓過程中的金屬流動性更好，擠壓棒材表面質(zhì)量比較好，而且顯微組織也比較細小均勻，沒有大量的孿晶存在。

2.4 純鈦擠壓棒的力學(xué)性能

兩種坯料擠壓得到的純鈦棒力學(xué)性能見表2。從表2可以看出，鍛態(tài)坯料擠壓后的純鈦棒抗拉強度和屈服強度均高于鑄態(tài)坯料直接擠壓的棒材，但塑性指標(biāo)差異不大，其中延伸率沒有明顯區(qū)別，而鑄態(tài)組織擠壓的棒材斷面收縮率略高一些。

鍛態(tài)坯料擠壓后的棒材強度明顯高于鑄態(tài)坯料直接擠壓的棒材，這是因為鍛態(tài)坯料的晶粒組織明顯比鑄態(tài)坯料的細小均勻，晶粒越細小，單位體積內(nèi)晶粒數(shù)就越多，晶界強化效果就比較明顯，所以細晶強化是提高強度的主要原因［3］。雖然經(jīng)過擠壓后鑄態(tài)組織也得到了明顯的細化，但由于組織的遺傳性使得鍛態(tài)坯料擠壓后的組織仍然比鑄態(tài)坯料擠壓棒的組織細小均勻，所以前者強度明顯高于后者。

表2 純鈦擠壓棒的力學(xué)性能Table 2 Mechanical properties of extruded pure titanium rods

3 結(jié)論

(1)包覆銅皮擠壓純鈦棒時，采用鍛態(tài)坯料和鑄態(tài)坯料擠壓后棒材的表面質(zhì)量有明顯差異，鍛造后的坯料可以擠壓得到表面光潔的純鈦棒，而鑄鈦坯料擠壓后棒材表面有大量的溝槽，表面質(zhì)量很差。

(2)純鈦鑄態(tài)坯料因為有粗大的柱狀晶，導(dǎo)致滑移變形難以發(fā)生，在擠壓過程中主要以孿生變形為主，金屬流動性較差，擠壓后棒材組織中含有較多的孿晶。純鈦鍛造坯料為等軸組織，在擠壓過程中，滑移和孿生同時進行，流動性較好，擠壓后棒材組織為細小的等軸組織。

(3)通過較少火次鍛造和擠壓相結(jié)合的方式，可以生產(chǎn)出表面質(zhì)量和力學(xué)性能均符合要求的高品質(zhì)純鈦棒材。

［1］Garde A M，Reed-Hill R E.The importance of mechanical twinning in the stress-strain behavior of swaged high purity fine-grained titanium below 424 K［J］.Metallurgical Transactions，1971，2(10):2885-2888.

［2］張喜燕，趙永慶，白晨光，等.鈦合金及應(yīng)用［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2005.

［3］王占學(xué).塑性加工金屬學(xué)［M］.北京:冶金工業(yè)出版社，1991:181-182.