退火工藝對鈦陽極用1.0 mmTA1鈦卷組織和性能的影響

供稿|張平平，魏東東，牛文宇，王欣 /

鈦陽極板材料是電化學(xué)工業(yè)中得以大量使用的不溶性陽極材料，也稱之為尺寸穩(wěn)定性陽極，即DSA(Dimensionally stable anode)，它以金屬鈦為基體，表面涂敷以貴金屬氧化物或貴金屬材料為主要組分的活性涂層，是20世紀(jì)60年代末發(fā)展起來的一種新型高效電極材料。鈦陽極最早用于氯堿工業(yè)，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于化工、冶金、電鍍、水處理、環(huán)保、海洋、陰極保護等領(lǐng)域中。與片式鈦板相比，卷式軋制的冷軋鈦卷加工成本低，批次穩(wěn)定性高，受到鈦陽極領(lǐng)域應(yīng)用的青睞。目前冷軋TA1鈦卷常見的退火工藝主要有真空爐退火、罩式爐退火和連續(xù)退火。真空爐退火和罩式爐退火通常用于900～1500 mm寬幅冷軋卷退火[1-3]，連續(xù)退火主要用于厚度為0.1～1.0 mm，幅度300～650 mm的窄幅冷軋鈦卷、鈦箔材再結(jié)晶退火。目前鈦陽極寬幅TA1冷軋主要采用罩式爐退火。本文探討了罩式爐中不同退火工藝對TA1鈦卷的組織和性能的影響，發(fā)現(xiàn)630 °C/10 h工藝可以獲得良好的力學(xué)性能和晶粒度匹配性，滿足符合鈦陽極板和網(wǎng)用鈦卷的特殊要求。

實驗材料與方法

實驗材料

實驗用材料為新疆湘潤新材料科技有限公司生產(chǎn)的直徑1020 mm，8.5 T的TA1鑄錠，采用1級以上海綿鈦熔煉，鑄錠經(jīng)4500T快鍛造機開坯成220 mm×1230 mm×Lmm板坯后進行軋制。1#、2#、3#和4#批次鑄錠化學(xué)成分如表1所示。

表1 TA1鑄錠化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

實驗方法

鈦陽極用鈦卷生產(chǎn)工藝流程為：1級海綿鈦→電極制備→兩次自耗熔煉→板坯鍛造→熱軋→熱線酸洗退火→冷軋→脫脂→罩式爐退火→拉矯→切邊→成品鈦卷。其中罩式爐退火分別采用4種不同的工藝對鈦卷力學(xué)性能和顯微組織進行比較分析。4批次不同罩式爐退火工藝參數(shù)見表2。

表2 1.0 mm鈦卷不同罩式爐退火工藝參數(shù)

結(jié)果與分析

實驗結(jié)果

鈦陽極用鈦卷的橫向力學(xué)性能和顯微組織與鑄錠的化學(xué)成分、軋制變形量均有一定的關(guān)系，但鈦卷的退火工藝直接影響鈦卷的性能和顯微組織。采用4種不同罩式退火熱處理工藝，顯微組織如圖1所示，測得的力學(xué)性能見表3。

表3 不同退火工藝處理1.0 mm冷軋鈦卷的力學(xué)性能和晶粒度

從圖1中可以看出，4批鈦卷均為完全再結(jié)晶退火狀態(tài)，表明1.0 mm×1220 mm×Cmm在罩式爐中退火溫度選定630～650 °C滿足完全退火要求。從表2可以看出四種不同熱處理工藝，4批1.0 mm×1220 mm×Cmm成品鈦卷的橫向抗拉強度和屈服強度隨著溫度升高和保溫時間增加而降低，延伸率和晶粒度等級逐漸增大，而表面硬度HV1基本無變化。結(jié)果表明4批鈦卷的拉伸性能和表面硬度均符合標(biāo)準(zhǔn)要求，而采用再結(jié)晶退火工藝630 °C/10 h，晶粒度達到8.5級，可以滿足鈦陽極網(wǎng)對晶粒度≥8.0級特殊要求。

圖1 不同退火工藝處理1.0 mm冷軋鈦卷微觀組織圖片：(a)650 °C/20 h；(b)650 °C/15 h；(c)630 °C/15 h；(d)630 °C/10 h

分析與討論

對比4批鈦卷的罩式爐退火后晶粒微觀組織圖片(見圖1)，1#批次采用650 °C/20 h退火工藝的晶粒發(fā)生明顯的長大，平均晶粒度等級4.0。隨著溫度的降低，保溫時間減少，4#批次采用630 °C/10 h在罩式爐里進行了完全再結(jié)晶退火，平均晶粒度等級達到8.5。分析原因為，4批鈦卷1.0 mm×1220 mm×Cmm原料采用相同的熱軋和冷軋成形工藝，F(xiàn)e質(zhì)量分?jǐn)?shù)范圍0.018%～0.021%，說明退火前產(chǎn)品狀態(tài)基本一致，影響晶粒尺寸長大的因素主要是鈦卷的退火溫度和保溫時間。分別對比圖1(a)、(b)和圖1(c)、(d)采用相同退火溫度650 °C和630 °C，隨著保溫時間增加，晶粒尺寸發(fā)生明顯的長大和粗化；而對比圖1(b)、(c)采用相同保溫時間15 h，隨著退火溫度升高，晶粒尺寸也發(fā)生明顯的長大和粗化。

從表2中可以看出，隨著退火溫度的降低和保溫時間的減少，強度逐漸增大，延伸率逐漸降低，而表面硬度HV1值結(jié)果基本變化不大，表明在罩式爐中不同退火工藝制度對產(chǎn)品拉伸性能影響較大。為滿足力學(xué)性能和晶粒度匹配性良好，在保證鈦卷發(fā)生完全再結(jié)晶退火的狀態(tài)下，罩式爐中采用630 °C/10 h的工藝可滿足鈦陽極板和網(wǎng)用鈦卷的特殊要求。

結(jié)束語

(1)冷軋鈦卷在罩式爐中，630 °C和650 °C保溫退火后組織為完全再結(jié)晶等軸組織，且退火溫度越高晶粒尺寸越大，保溫時間越長晶粒尺寸越大。

(2)1.0 mm冷軋鈦卷在罩式爐中，采用630 °C/10 h保溫退火工藝制度，可獲得良好的力學(xué)性能和晶粒度匹配性，滿足鈦陽極板和網(wǎng)的特殊要求。