TA1冷軋鈦箔材拉矯工藝研究

摘 要：該文通過采用23輥張力拉矯機(jī)對TA1冷軋鈦箔材進(jìn)行冷拉矯，研究拉矯工藝參數(shù)對冷軋鈦箔材拉伸性能、顯微組織、表面粗糙度和板型等的影響規(guī)律。結(jié)果表明，設(shè)定合理拉矯微變形工藝，純鈦箔材的抗拉強(qiáng)度Rm、屈服強(qiáng)度Rp0.2值和表面硬度HV0.5略有提高，延伸率A50基本無變化，表面粗糙度略有降低，板型得到明顯改善，但對顯微組織沒有影響。

關(guān)鍵詞：TA1冷軋鈦箔材;拉矯;力學(xué)性能;表面粗糙度;板型

中圖分類號：TG339 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2024）34-0059-04

Abstract： This article investigates the influence of stretching and straightening process parameters on the tensile properties， microstructure， surface roughness， and plate shape of TA1 cold-rolled titanium foil using the 23 roll tension straightening machine. The results showed that by setting a reasonable stretching and straightening micro deformation process， the tensile strength Rm， yield strength Rp0.2， and surface hardness HV0.5 of pure titanium foil were slightly increased， while the elongation rate A50 remained basically unchanged. The surface roughness was slightly reduced， and the plate shape was significantly improved， but it had no effect on the microstructure.

Keywords： TA1 cold-rolled titanium foil; tension straightening; mZvBMJe4YffZrcCHKHq5IEw==echanical properties; surface roughness; plate shape

鈦及鈦合金以其優(yōu)異的耐腐蝕性、高強(qiáng)度和輕質(zhì)特性，在航空航天、化工、醫(yī)療等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[1]。其中，TA1純鈦箔材具有良好的塑性加工性能和焊接性能，因其薄而均勻的特點，在電子、新能源等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景[2]。然而，在鈦箔材的冷軋過程中，由于材料本身的特性和工藝參數(shù)的復(fù)雜性，往往容易出現(xiàn)板型和尺寸精度問題，嚴(yán)重影響了產(chǎn)品使用性能要求。拉矯工藝作為一種重要的后續(xù)處理手段，通過對鈦箔材施加一定的拉伸和矯直力，能夠有效改善其板型、表面質(zhì)量和尺寸精度。拉矯工藝的基本原理是利用拉伸力和矯直力的作用，使鈦箔材在拉伸過程中產(chǎn)生塑性變形，從而消除冷軋過程中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力和表面不平整現(xiàn)象。因此，研究TA1冷軋鈦箔材的拉矯工藝，對于提高鈦箔材的產(chǎn)品質(zhì)量、降低生產(chǎn)成本、推動其廣泛應(yīng)用具有重要意義。

1 試驗材料及拉矯工藝

本次試驗所采用的材料為TA1冷軋鈦箔材，規(guī)格為0.25 m×500 m×L mm。在20輥650 mm森吉米爾軋機(jī)上，經(jīng)多道次冷軋加工，從0.6 mm厚度鈦箔材精軋到0.25 mm，堿洗脫脂后進(jìn)行在線退火處理，在線退火溫度750～780 ℃，速度12～15 m/min。

本次采用的拉矯設(shè)備為23輥拉矯機(jī)，拉矯張力設(shè)定30～50 kN，控制拉伸變形量在0.6%～0.8%，拉矯過程采用的拉矯速度為50～60 m/min。

23輥冷拉伸彎曲矯直機(jī)如圖1所示，通過23輥拉伸彎曲矯直機(jī)可以有效地矯直鈦箔材的板型，經(jīng)前后2組S輥使鈦箔材承受一定的張力，同時采用小直徑工作輥正反交替彎曲帶材，拉伸應(yīng)力與彎曲應(yīng)力疊加，使帶材不等長縱向組織在全厚度上同時塑性延伸拉長，彈性收縮后在全寬度上保持相同長度，從而減小或基本消除導(dǎo)致板型不良的帶材應(yīng)力，從而獲得較高的平直度。

拉轎機(jī)上下轎直輥之間的縫隙是可以調(diào)節(jié)的，如圖2所示?？筛鶕?jù)被矯鈦箔材的材質(zhì)、厚度、板型等不同選擇不同的輥縫，可調(diào)節(jié)轎直張力T、轎直輥齒合量h、延伸率等參數(shù)達(dá)到較高的平直度。

2 拉矯對鈦箔材板型、表面變化的影響

2.1 拉矯前后鈦箔材板型的變化

拉矯前后0.25 mm鈦箔材的板型前后如圖3所示，從圖3（a）中可以看出，鈦箔經(jīng)20輥冷軋，堿洗脫脂后，成品在線退火溫度750～780 ℃，速度12～15m/min后，鈦箔材兩邊存在明顯的單波浪，波浪高度10～15 mm/m。從圖3（b）中可以看出，在拉矯設(shè)備為23輥拉矯機(jī)上進(jìn)行拉矯，拉矯張力設(shè)定30～50 kN，控制拉伸變形量在0.6%～0.8%，拉矯過程采用的拉矯速度為60 m/min。拉矯前0.25 mm鈦箔兩側(cè)存在較大的邊浪，經(jīng)過拉矯后，邊部呈平直狀態(tài)，邊浪消失的板型小于等于2 mm/m。根據(jù)拉矯原理，在鈦箔拉矯過程中，通過對鈦箔材施加一定的拉伸和矯直力，使鈦箔材在拉伸過程中產(chǎn)生塑性變形，從而消除冷軋過程中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力和板面不平整的現(xiàn)象。所以，經(jīng)23輥拉矯機(jī)上拉矯后，0.25 mm厚度的鈦箔材，因軋制過程不均勻變形引起單邊浪，再經(jīng)過退火后，軋制變形引起的內(nèi)部應(yīng)變力，得到消除和回復(fù)，材料表現(xiàn)出的現(xiàn)象，退火后邊浪變得更加明顯。通過拉矯，材料二次內(nèi)部應(yīng)力達(dá)到平衡，即通過塑性變形的拉伸和矯直，材料的板面變得平整，邊浪得到改善。

2.2 拉矯前后對鈦箔材表面粗糙度的影響

TA1厚度0.25 mm鈦箔材在23輥拉矯機(jī)拉矯后，在100X金相顯微鏡進(jìn)行觀察，拉矯前后表面形貌有明顯變化。圖4所示為厚度0.25 mm鈦箔材拉矯前后表面形貌，對比分析，圖4（a）中可以看出，放大100X觀察拉矯前鈦箔材表面有著明顯軋制流線條紋，而經(jīng)23輥拉矯后，相比拉矯前鈦材表面明顯變得光潔一些，經(jīng)拉矯軋制紋明顯減輕，表面更加平整，拉矯可以使鈦箔材表面變得更光潔一致（圖4（b））。鈦箔材在拉矯機(jī)前后張力輥張力的作用，材料同時受到了縱向拉矯力和彎曲應(yīng)力的作用，使得材料表面產(chǎn)生微小變形，消除軋制變形過程形成軋制表面“微小山峰”形貌，進(jìn)一步得到了削減和消除，因此，在100X金相顯微鏡觀察后表面變得更加光潔一致。

表1為拉矯前后表面粗糙度測量結(jié)果，相比于拉矯前橫縱向的表面粗糙度有明顯降低，材料通過拉矯機(jī)矯直單元有輕微的壓下量變形，矯直輥削減了材表面的“微小山峰”，表面粗糙度Ra得到明顯改善。對比鈦箔材橫向粗糙度實測值發(fā)現(xiàn)，拉矯前和拉矯后，橫向平均Ra值由0.355 μm變?yōu)?.311 μm，縱向平均Ra值由0.229 μm變?yōu)?.194 μm。從橫縱測量的結(jié)果可以得出，材料軋制表面橫縱粗糙度通過拉矯輕微變形后，表面粗糙度降低，表面質(zhì)量得到了改善。

2.3 拉矯前后對表面硬度的影響

厚度0.25 mm TA1拉矯前后的表面硬度值測量對比分析見表2，拉矯前材料表面硬度HV0.5值為111、113和115，結(jié)果表明材料通過成品退火，在線退火溫度750～780 ℃，速度12～15 m/min后，材料發(fā)生恢復(fù)再結(jié)晶，因軋制變形引起的加工硬化效果完全消除，在拉矯前變形呈明顯單波浪（波浪高度10～15 mm/m），從圖3（a）可以看出。鈦箔材的拉矯工藝相當(dāng)于材料的二次冷軋變形加工硬化過程，通過測量拉矯后材料表面硬度值HV0.5為124、126和128，相比拉矯前材料表面的硬度值略有提高，材料的強(qiáng)度和塑性變化不大（見表2）。

3 拉矯對鈦箔材組織及力學(xué)性能的影響

3.1 拉矯對鈦箔材顯微組織的影響

圖5為拉矯前后的厚度0.25 mm鈦箔材顯微組織，鈦箔經(jīng)20輥冷軋，堿洗脫脂后，成品在線退火溫度750～780 ℃，速度12～15 m/min熱處理后，材料發(fā)生再結(jié)晶恢復(fù)現(xiàn)象，晶粒并發(fā)生長大。在100X金相顯微組織觀察，拉矯前材料成品退火平均晶粒尺寸31.8 μm（圖5（a）），在23輥拉矯機(jī)上拉矯，拉矯后厚度0.25 mm鈦箔材，在100X金相顯微組織觀察，拉矯后材料成品退火平均晶粒尺寸30.2 μm（圖5（b））。對比分析，拉矯前后材料平均晶粒尺寸沒有明顯的變化，主要是由于材料拉矯變形量較小，拉矯變形按延伸率不超過0.8%的參數(shù)設(shè)定，材料臨界拉矯變形后，材料內(nèi)部晶粒未達(dá)到變形條件，故在0.8%拉矯變形條件下，材料內(nèi)部組織基本未沒有發(fā)生變化。

3.2 拉矯對鈦箔材拉伸性能的影響

厚度0.25 mm TA1拉矯前后的拉伸性能對比分析見表3，材料通過成品退火，在線退火溫度750～780 ℃，速度12～15 m/min后，材料發(fā)生恢復(fù)再結(jié)晶，因軋制變形引起的加工硬化效果完全消除，拉矯前材料測量的橫向拉伸強(qiáng)度Rm值為312 MPa，屈服強(qiáng)度Rp0.2值為224 MPa，延伸率A50為36.5%，測量的縱向拉伸強(qiáng)度Rm值300 MPa，屈服強(qiáng)度Rp0.2值為198 MPa，延伸率A50為46%。拉矯后材料橫向和縱向的抗拉強(qiáng)度測量結(jié)果比較接近，抗拉強(qiáng)度Rm范圍為300～312 MPa?？v向屈服強(qiáng)度Rp0.2值比橫向的略低，延伸率A50比橫向高9.5%。結(jié)果表明，在線退火溫度750～780 ℃，速度12～15 m/min，成品退火材料發(fā)生恢復(fù)再結(jié)晶，材料成品橫、縱拉伸性能基本恢復(fù)軋制變形前狀態(tài)，橫縱屈服強(qiáng)度差異，是因鈦箔材卷式單向軋制變形，造成晶粒取向的各向異性（圖5（a））。在23輥拉矯機(jī)上拉矯，拉矯張力設(shè)定30～50 kN，控制拉伸變形量在0.6%～0.8%，拉矯過程采用的拉矯速度為50～60 m/min厚度0.25 mm，鈦箔材抗拉強(qiáng)度Rm和屈服強(qiáng)度Rp0.2值略有提高，延伸率基本無變化。

4 結(jié)論

1）設(shè)定合理的拉矯矯直工藝參數(shù)，不僅可以改善成品純鈦箔單邊浪板型問題，同時經(jīng)過拉矯直輕微變形，還可以降低表面粗糙度，使表面質(zhì)量得到提高。

2）成品退火純鈦箔材輕微拉矯前后，材料內(nèi)部平均晶粒尺寸大小基本不變。

3）在線退火的純鈦箔材，經(jīng)過輕微的拉矯變形矯直工藝后，純鈦箔材硬度、強(qiáng)度略有提高，延伸率A50 基本變化不大。

參考文獻(xiàn)：

[1] 李偉，李爭顯，劉林濤，等.氫燃料電池中鈦雙極板研究進(jìn)展[J].鈦工業(yè)進(jìn)展，2018，35（6）：10-15.

[2] 溫方明，李渤渤，陶會發(fā)，等.精密鈦箔帶材制備及應(yīng)用[J].材料開發(fā)與應(yīng)用，2021，36（2）：58-61.

作者簡介：李國善（1977-），男，副教授。研究方向為機(jī)械制造、機(jī)械設(shè)計、材料工程。