Gr2純鈦棒材點(diǎn)狀缺陷分析

王 海，魏芬絨，崔文俊，樊亞軍，陳志宏，朱 峰

(西安賽特思邁鈦業(yè)有限公司，陜西 西安 710016)

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Gr2純鈦棒材點(diǎn)狀缺陷分析

王 海，魏芬絨，崔文俊，樊亞軍，陳志宏，朱 峰

(西安賽特思邁鈦業(yè)有限公司，陜西 西安 710016)

對(duì)用來(lái)加工手表蓋的Gr2純鈦棒材生產(chǎn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)的端面點(diǎn)狀缺陷進(jìn)行了分析，通過(guò)對(duì)典型缺陷的顯微組織及硬度進(jìn)行檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)缺陷處晶粒更加細(xì)小，呈條帶狀，且顯微硬度高于基體；對(duì)缺陷區(qū)域進(jìn)行能譜分析，未發(fā)現(xiàn)明顯的成分差異；最后對(duì)缺陷區(qū)域進(jìn)行電子探針顯微分析，發(fā)現(xiàn)其N(xiāo)元素含量遠(yuǎn)高于基體，屬于N富集造成的局部冶金缺陷。通過(guò)對(duì)純鈦鑄錠的真空電弧熔煉過(guò)程進(jìn)行分析，得出產(chǎn)生該問(wèn)題的原因?yàn)椋阂皇呛＞d鈦里混入TiN顆粒，熔煉時(shí)未剔除干凈；二是在電極焊接時(shí)未采取有效的保護(hù)措施，焊接時(shí)有大氣介質(zhì)導(dǎo)致N元素含量增加。后期針對(duì)上述問(wèn)題進(jìn)行改善，有效避免了Gr2純鈦棒材出現(xiàn)此類(lèi)冶金缺陷。

Gr2純鈦；點(diǎn)狀缺陷；電子探針顯微分析；顯微硬度

0 引 言

Gr2純鈦具有密度小、耐腐蝕性好和人體親和性較好等特點(diǎn)，可以用來(lái)制作手表框及表蓋。由于手表兼具裝飾性功能，對(duì)手表用鈦材的表面和組織均勻性要求較高，如果材料存在組織不均勻或其他缺陷時(shí)，會(huì)影響成品的美觀(guān)和使用。

Gr2純鈦棒材在平端頭工序中，會(huì)出現(xiàn)如圖1所示缺陷，此類(lèi)缺陷呈點(diǎn)狀，不規(guī)則地分布在棒材端部，且會(huì)沿棒材縱向延伸，延伸長(zhǎng)度依據(jù)缺陷大小而定。此類(lèi)缺陷在端面打磨、拋光后更加明顯，呈浮凸?fàn)?。圖2所示為帶有缺陷的Gr2純鈦棒材制成表蓋后點(diǎn)狀缺陷的形貌。從圖中可見(jiàn)，棒材經(jīng)過(guò)切斷、鍛壓、沖壓、打磨、拋光后，點(diǎn)狀缺陷并沒(méi)有消除，反而更加明顯，嚴(yán)重影響了手表的美觀(guān)和使用。因此，分別對(duì)此類(lèi)典型缺陷的化學(xué)成分、顯微組織和維氏硬度等進(jìn)行測(cè)試，并對(duì)點(diǎn)狀缺陷產(chǎn)生的原因及應(yīng)對(duì)措施進(jìn)行分析，以期能夠解決此類(lèi)問(wèn)題。

圖1 Gr2純鈦棒材端面缺陷

圖2 表蓋上點(diǎn)狀缺陷形貌

1 實(shí) 驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)材料為Gr2純鈦棒材，規(guī)格為φ20 mm，化學(xué)成分如表1所示。棒材端面典型點(diǎn)狀缺陷見(jiàn)圖3，圖中可見(jiàn)a、b兩處缺陷，觀(guān)察發(fā)現(xiàn)a處缺陷顏色較深，與基體反差較大；表面有凸起現(xiàn)象，并有孔洞；且分布集中，呈塊狀區(qū)域。b處缺陷呈發(fā)散狀，分布區(qū)域較大，表面有凸起現(xiàn)象。

表1 Gr2純鈦棒材的化學(xué)成分(w/%)

圖3 典型點(diǎn)狀缺陷形貌

為了進(jìn)一步分析缺陷區(qū)域與基體組織的差異，沿典型缺陷a區(qū)和b區(qū)中心部位(圖3中畫(huà)線(xiàn)位置)沿棒材縱向切割。采用OLYMPUS PMG3型倒置式顯微鏡觀(guān)察其斷面顯微組織；采用 401MWD 型數(shù)顯顯微維氏硬度計(jì)測(cè)量a、b兩處缺陷和基體的顯微硬度, 保壓時(shí)間為30 s, 加載載荷為300 g；采用JSM-6460掃描電鏡的EDS附件分析缺陷區(qū)域的化學(xué)成分；采用島津公司EPMA-1600型探針顯微分析儀(EPMA)對(duì)a區(qū)縱向微量元素進(jìn)行定量分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 縱向顯微組織分析

缺陷樣品沿縱向切割后的顯微組織如圖4所示，放大倍數(shù)均為50倍。圖4a、b、c分別為缺陷a區(qū)上端面、中部和下端面的顯微組織，圖4d、e、f分別為缺陷b區(qū)上端面、中部和下端面的顯微組織。

由縱向顯微組織可以看出，缺陷a區(qū)和缺陷b區(qū)均呈條帶狀，沿棒材縱向延伸，有一定的區(qū)域性；缺陷以外的基體組織為典型純鈦等軸α組織，晶粒等級(jí)約為9級(jí)，晶粒大小均勻，晶界清晰，并且無(wú)“沿縱向延伸”這種現(xiàn)象。

圖4 a中缺陷a區(qū)可見(jiàn)明顯孔洞，并且沿縱向拉長(zhǎng)；從圖4 b、c可以看出，缺陷a區(qū)縱向中部和下端面部沒(méi)有孔洞，但是金相組織同周?chē)２课幌啾瘸尸F(xiàn)出異常，可看到沿著棒材縱向有明顯的條帶狀延伸，有明顯的區(qū)域性，邊界清晰，呈集束狀；集束內(nèi)的顯微組織無(wú)論形貌還是晶粒大小都與兩邊基體組織一致，只是在集束區(qū)內(nèi)的晶粒有“褶皺”現(xiàn)象，這種組織形貌應(yīng)為a區(qū)端面缺陷延伸至該處“弱化”的一種體現(xiàn)，并未造成組織的改變，只是影響界面形貌，最終缺陷區(qū)域逐漸消失。

圖4d、e、f為典型缺陷b區(qū)的縱向顯微組織。由圖中可見(jiàn)，該區(qū)域兩端面和中部區(qū)域顯微組織基本一致，呈發(fā)散狀的縱向延伸，缺陷區(qū)與基體區(qū)存在過(guò)渡區(qū)域，且彌散分布；缺陷區(qū)組織為條帶狀，并且與基體逐漸過(guò)渡，從沒(méi)有明顯的晶界演變?yōu)榫Ы缰饾u清晰的拉長(zhǎng)狀晶粒，最終演變?yōu)榫Ы缤暾牡容S組織。

綜上，缺陷區(qū)域包括孔洞及異常組織等冶金缺陷，且均沿棒材縱向拉長(zhǎng)、延伸，這是由于鈦錠在鍛造、熱軋加工成棒料時(shí)，孔洞等缺陷沿縱向被拉長(zhǎng)并殘留在材料當(dāng)中。

圖4 典型點(diǎn)狀缺陷的顯微組織

2.2 顯微硬度測(cè)試

圖5為Gr2純鈦棒材各區(qū)域顯微硬度分布圖。從圖中可以看出，缺陷區(qū)域(a區(qū)和b區(qū))的顯微硬度值明顯高于基體，為3 420～3 696 MPa，約為基體顯微硬度的2倍?；w組織硬度分布較均勻，為1 607～1 803 MPa；缺陷a區(qū)域附近基體硬度分別為1 793、1 803 MPa，略高于缺陷b區(qū)附近基體的硬度，說(shuō)明兩處缺陷對(duì)附近基體組織顯微硬度的影響程度不同，缺陷a區(qū)對(duì)基體顯微硬度影響較大。

圖5 典型缺陷樣品縱向硬度分布圖

2.3 化學(xué)成分分析

為了分析缺陷區(qū)域化學(xué)成分，利用EDS能譜儀對(duì)上述樣品基體和兩缺陷區(qū)域進(jìn)行成分檢測(cè)，結(jié)果如表2所示。從EDS分析結(jié)果可見(jiàn)，基體與缺陷區(qū)域主元素成分一致，均為T(mén)i，無(wú)其他成分差異，由于EDS檢測(cè)的精度有限，推斷應(yīng)屬于微量的雜質(zhì)含量差異。

利用EPMA分析方法對(duì)缺陷區(qū)域a進(jìn)行面掃描

表2 棒材正常區(qū)和缺陷區(qū)的EDS分析結(jié)果(w/%)

分析，由于H元素質(zhì)量較小，對(duì)Ti、Fe、C、N、O進(jìn)行分析，結(jié)果如圖6所示。其中，C、Ti、Fe的色帶度量單位為質(zhì)量分?jǐn)?shù)(w%)，N、O的色帶度量單位為特性X射線(xiàn)強(qiáng)度。由EPMA分析結(jié)果可見(jiàn)， Ti、Fe、C、O元素含量均勻一致，缺陷區(qū)域與基體部分含量相近，無(wú)明顯區(qū)別；N元素濃度在缺陷區(qū)域明顯高于周?chē)w。由此可見(jiàn)，缺陷區(qū)域顯微組織和顯微硬度的差異是由于N元素的異常分布(氮富集)導(dǎo)致的。

圖6 EPMA面掃描成分分布圖

3 改進(jìn)措施

通常來(lái)說(shuō)，鈦與氮的親和性較高，氮元素會(huì)對(duì)金屬鈦的機(jī)械性能產(chǎn)生影響。氮含量過(guò)高時(shí)，鈦會(huì)變硬變脆。綜上，Gr2純鈦棒材中的點(diǎn)狀缺陷應(yīng)為熔煉時(shí)局部產(chǎn)生了氮富集，其中一些氮以氣泡的形式殘留在鑄錠當(dāng)中；鈦錠中有氣泡殘留的地方經(jīng)鍛造軋制加工后，氣泡產(chǎn)生的孔洞沿縱向被拉長(zhǎng)殘留在材料當(dāng)中；由于金屬鈦中氮元素會(huì)對(duì)材料機(jī)械性能產(chǎn)生影響，鈦錠在鍛造、熱軋加工成棒料時(shí)由氮富集所導(dǎo)致的機(jī)械性能異常部位則沿棒料被縱向拉長(zhǎng)；棒料經(jīng)橫向切割、拋光后，氮富集導(dǎo)致的機(jī)械性能異常部位就呈現(xiàn)了表面異常(浮凸?fàn)?現(xiàn)象。因此，分析認(rèn)為該缺陷產(chǎn)生的主要原因是鑄錠熔煉時(shí)產(chǎn)生了氮富集，原材料或者熔煉時(shí)的環(huán)境控制環(huán)節(jié)出現(xiàn)了某些問(wèn)題。

通過(guò)對(duì)鑄錠的真空電弧熔煉過(guò)程進(jìn)行分析，產(chǎn)生該問(wèn)題的原因應(yīng)為：①海綿鈦的純潔度不高，低品質(zhì)海綿鈦中含有富N的TiN顆粒，熔煉時(shí)未剔除干凈；②在電極焊接時(shí)未采取有效的保護(hù)措施，焊接時(shí)大氣介質(zhì)導(dǎo)致N元素增加。后續(xù)在熔煉過(guò)程中針對(duì)以上兩點(diǎn)進(jìn)行改善、驗(yàn)證，預(yù)先進(jìn)行海綿鈦的篩選，剔除氮化的海綿鈦塊(TiN)、帶殘?jiān)蚋昏F及伴生元素的海綿鈦塊；電極組焊時(shí)用氬氣保護(hù)等離子焊接，避免焊縫出現(xiàn)發(fā)藍(lán)等氧化、氮化現(xiàn)象。經(jīng)過(guò)幾批次驗(yàn)證，成品棒材組織均勻，無(wú)點(diǎn)狀缺陷等類(lèi)似缺陷，該問(wèn)題得到明顯改善。

4 結(jié) 論

(1)Gr2純鈦棒材端部點(diǎn)狀缺陷具有以下特質(zhì)：宏觀(guān)可見(jiàn)凸起現(xiàn)象，其中一些有孔洞；缺陷區(qū)域沿棒料縱向延伸，顯微組織同周?chē)＝M織相比呈現(xiàn)異常；缺陷區(qū)域的顯微硬度約為基體顯微硬度的2倍；缺陷區(qū)域位N含量較高(氮富集)。

(2)氮元素會(huì)對(duì)金屬鈦的機(jī)械性能產(chǎn)生影響，氮含量過(guò)高鈦會(huì)變硬變脆。文中所述Gr2純鈦棒材中的點(diǎn)狀缺陷應(yīng)為鑄錠熔煉時(shí)局部產(chǎn)生了氮富集，可能原因?yàn)椋阂皇呛＞d鈦里含有富N的TiN顆粒，熔煉時(shí)未剔除干凈；二是在電極焊接時(shí)未采取有效的保護(hù)措施，焊接時(shí)接觸大氣導(dǎo)致N元素增加。

(3)熔煉純鈦鑄錠時(shí)預(yù)先進(jìn)行海綿鈦的篩選，剔除氮化的海綿鈦塊(TiN)，電極組焊時(shí)用氬氣保護(hù)等離子焊接，避免與大氣接觸，可有效避免此類(lèi)缺陷。

[1] 張喜燕，趙永慶，白晨光．鈦合金及應(yīng)用[M]．北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005:92．

[2] 稀有金屬材料加工手冊(cè)編寫(xiě)組．稀有金屬材料加工手冊(cè)[M]．北京：冶金工業(yè)出版社，1984．

[3] 王海，魏芬絨，崔文俊，等．超低間隙TC4鈦合金形變熱處理工藝[J]．材料熱處理學(xué)報(bào)，2015，36(1)：52-55．

Point-like Defect Analysis of Gr2 Pure Titanium Rods

Wang Hai，Wei Fenrong，Cui Wenjun，F(xiàn)an Yajun，Chen Zhihong，Zhu Feng

(Xi’an Saite Simai Titanium Industry Co., Ltd.,Xi’an 710016, China)

There are point-like defects on the surface of Gr2 pure titanium rods which are used for producing watch covers. The defects were analyzed by testing microstructure and hardness.The results show that the grains of the defects are strip-like and the size is smaller than that in matrix,and the microhardness is higher than that of matrix.No obvious difference is found between chemical composition of defects and matrix after tested by Energy Dispersive Spectrometer. However, it is found that N element content in defect region is much higher than that in matrix after tested by Electron Probe Micro-analyzer, which means the local metallurgical defects are caused by N enrichment. After analyzing VAR melting process of pure titanium ingot, the reasons of these defects should be as follows.Firstly, there are TiN particles in titanium sponge, which are not been removed before melting.Secondly,effective protection measures are not taken when electrodes welding, and air causes N content increases. Late improvements were taken, and such metallurgy defects of Gr2 pure titanium rods were averted.

Gr2 pure titanium; point-like defects; Electron Probe Micro-analyzer; microhardness

2015-07-09

王海(1985—)，男，工程師。