萬(wàn)明珍 朱乾皓 吳 劍 馬 蘇 張 斌 杜 燦 陳藝杰

(張家港中環(huán)海陸特鍛股份有限公司，江蘇215626)

純鈦TA1具有密度小、強(qiáng)度高、耐腐蝕、耐熱等優(yōu)點(diǎn)，在減輕結(jié)構(gòu)重量，提高機(jī)體壽命，滿足高溫及腐蝕環(huán)境等方面具有其他金屬不可替代的作用，廣泛應(yīng)用于航空航天、石油化工、水利電力、冶金鋼鐵等多個(gè)領(lǐng)域[1-2]。由于純鈦的抗海水腐蝕能力比其他金屬好，在靜止的或者高速流動(dòng)的海水中都有特殊的穩(wěn)定性，純鈦環(huán)件是制造海底石油管道的理想材料[1]。但是由于技術(shù)水平的限制，原來(lái)應(yīng)用在海底石油管道的高筒形薄壁純鈦環(huán)件都是采用鈦板卷制成形再焊接制造的，很難整體鍛造成形。

純鈦本身變形抗力大、導(dǎo)熱性差、黏性大、流動(dòng)性差[1]。我公司制造的純鈦環(huán)件壁厚為50 mm左右，外徑為?2300 mm左右，導(dǎo)致了軋制難度進(jìn)一步增加。我公司通過(guò)對(duì)碾環(huán)工藝的研發(fā)和改進(jìn)，成功軋制出了?2380 mm×?2290 mm×1450 mm的高筒型鍛件。

1 純鈦鍛件的技術(shù)要求

表1 環(huán)鍛件化學(xué)成分要求(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 1 Chemical composition requirements of ring forging (mass fraction，%)

2 純鈦TA1產(chǎn)品的生產(chǎn)流程

2.1 產(chǎn)品制作流程

客戶前期已經(jīng)將TA1坯料鍛制成形，坯料的形貌如圖1所示，我公司只負(fù)責(zé)碾環(huán)。因此我們的產(chǎn)品制作流程為：粗車(chē)→輾環(huán)→取樣→鍛后晶粒度檢測(cè)→入庫(kù)。

圖1 TA1鈦坯的形貌Figure 1 Morphology of TA1 titanium billet

客戶送來(lái)的1#TA1坯料的尺寸約為?1035 mm×?856 mm×1496 mm，重量約為1800 kg。由于坯料端面凹坑和麻坑較多，如果不加工端面，則會(huì)對(duì)錐輥的磨損加重，且不利于生產(chǎn)過(guò)程的控制，考慮到鍛件的重量和尺寸要求，對(duì)TA1鈦坯的端面進(jìn)行了粗車(chē)，否則鈦坯四面見(jiàn)光后重量不夠。粗車(chē)過(guò)程中，僅對(duì)矩形TA1鈦坯上下端面進(jìn)行粗車(chē)，去除表面缺陷，要求粗車(chē)后矩形環(huán)坯兩端面的平面度均≤2 mm，兩端面的平行度≤2 mm。2.2 首次碾環(huán)試制2017年6月10日，我們首次對(duì)1#TA1坯料進(jìn)行碾環(huán)過(guò)程試制。首先對(duì)粗車(chē)后的矩形環(huán)進(jìn)行電爐加熱，爐溫均勻性≤±10℃，矩形環(huán)裝爐時(shí)爐內(nèi)溫度80℃以下，然后電爐加熱，使得爐內(nèi)溫度以≤100℃h的速率升溫至800℃±10℃后，保溫2.5 h～3 h，然后在≤300 s的時(shí)間內(nèi)將矩形環(huán)從電爐移動(dòng)至軋環(huán)機(jī)上，采用圓柱形的芯輥和圓柱形的主軋輥進(jìn)行輾環(huán)。但是在軋制過(guò)程中，由于純鈦材料的導(dǎo)熱性和流動(dòng)性均很差，并且純鈦材料的軋制溫度區(qū)間很小，溫度降低很快。在軋制1#高筒形薄壁純鈦環(huán)件時(shí)，鈦坯不穩(wěn)定，軋制過(guò)程中發(fā)生了爬輥、翻皮現(xiàn)象。此時(shí)，碾環(huán)過(guò)程持續(xù)3 min，鈦坯的表面溫度約600℃。錐輥下壓，外徑靠近上下端面處翻皮嚴(yán)重，芯輥加力至10 MPa，無(wú)明顯輾軋擴(kuò)孔效果，隨即停止碾環(huán)。但是端面與錐輥、主軋輥接觸的地方形成了大量的折疊，折疊的厚度4 mm～5 mm，長(zhǎng)度300 mm左右，折疊的形貌如圖2所示。工件冷卻至室溫后，在工件的高度方向切取10 mm的小試樣環(huán)，鋸成10 mm長(zhǎng)一段，觀察內(nèi)徑切向的晶粒度，檢驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

圖2 TA1鈦坯碾環(huán)過(guò)程中折疊的形貌Figure 2 The morphology of folding during rolling ring from TA1 titanium billet

圖3 1#TA1鈦坯碾環(huán)后本體晶粒度檢測(cè)形貌(100×)Figure 3 Morphology of grain size after rolling ring from 1#TA1 titanium billet(100×)

2.3 再次碾環(huán)試制

1#純鈦鍛坯首件試制失敗，進(jìn)行了原因分析和經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，在加熱溫度和加熱工藝以及潤(rùn)滑和軋制方面進(jìn)行了改進(jìn)。2017年6月14日，對(duì)2#TA1坯進(jìn)行了再次試制。粗車(chē)2#坯料兩端面后，尺寸約為?1104 mm×?871 mm×1490 mm，橢圓度為15 mm，重量約為2410 kg。

2#純鈦環(huán)坯裝爐時(shí)，爐內(nèi)溫度在80℃以下，然后電爐加熱，使得爐內(nèi)溫度以≤100℃h的速率升溫至650℃±10℃后保溫2.5 h～3 h，然后繼續(xù)加熱使得爐內(nèi)溫度以≤150℃h的速率升溫至900℃±10℃后保溫4 h～4.5 h，為了加塊鈦坯出爐至碾環(huán)機(jī)的時(shí)間，直接用操作機(jī)將環(huán)坯夾持到碾環(huán)機(jī)上(放棄了吊裝工具的使用)，用時(shí)1.5 min，此時(shí)環(huán)坯的溫度在870℃左右。

軋制前，對(duì)工裝模具進(jìn)行預(yù)熱和調(diào)整。在輾環(huán)前，輾環(huán)中用到的所有輾環(huán)工裝需預(yù)熱至150～300℃，在主軋輥、芯輥、上錐輥、下錐輥、托架輥、兩個(gè)抱輥上需涂抹有色金屬鍛造專用潤(rùn)滑劑，另外，主軋輥、芯輥與托架的垂直度分別≤1 mm，主軋輥與芯輥的平行度≤1 mm，環(huán)件從芯輥和主軋輥之間旋出一側(cè)的抱輥的中心軸線向著對(duì)面抱輥的中心軸線傾斜1°～1.5°，以此來(lái)減小軋制時(shí)爬輥現(xiàn)象的發(fā)生。托架輥?lái)敳磕妇€與下錐輥?lái)敳磕妇€在同一平面上，下錐輥?lái)敳磕妇€高出托架表面3 mm～5 mm。

軋制過(guò)程中采用徑向快速軋制成形，軋制以徑向軋制為主，并且加快軋制速度，軸向不用加壓，防止軋制過(guò)程中的折疊和溫度的快速降低。整個(gè)軋制過(guò)程分為三個(gè)階段：

在平穩(wěn)軋制階段，上錐輥的進(jìn)給速度為0，上錐輥軋制力為1.5 MPa～2.5 MPa；主軋輥轉(zhuǎn)速為23 rmin～27 rmin，上、下錐輥的轉(zhuǎn)速分別為180 rmin～220 rmin，終軋溫度控制在700～720℃，熱態(tài)收縮率為0.6%～0.7%。軋制過(guò)程中坯料照片和最終鍛件產(chǎn)品照片如圖4和圖5所示。

圖4 TA1鈦坯碾環(huán)過(guò)程中形貌Figure 4 The shape of TA1 titanium blank in the process of rolling ring

圖5 TA1鈦坯碾環(huán)后室溫形貌Figure 5 Shape of TA1 titanium billet after rolling ring at room temperature

工件碾環(huán)后冷態(tài)尺寸為?2380 mm×?2290mm×1450 mm，重量約為2388 kg，橢圓度為5 mm,錐度為3 mm。然后在工件上沿著高度方向切取40 mm高的試樣環(huán)，檢測(cè)內(nèi)徑下端面的晶粒度，檢驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。

圖6 2#TA1鈦坯碾環(huán)后本體晶粒度檢測(cè)形貌(100×)Figure 6 Morphology of grain size after rolling ring from 2#TA1 titanium billet(100×)

3 結(jié)論

(1)客戶對(duì)鈦坯進(jìn)行預(yù)成形，使得輾環(huán)的軋制量變小，從而在提高軋制穩(wěn)定性的同時(shí)為在純鈦材料的軋制溫度區(qū)間內(nèi)一火完成輾環(huán)工序提供了條件。

(2)輾環(huán)前進(jìn)行粗車(chē)去除表面缺陷且軋制前必須對(duì)模具進(jìn)行預(yù)熱和潤(rùn)滑，能降低輾環(huán)時(shí)爬輥、翻皮、橢圓發(fā)生率。

(3)輾環(huán)加熱過(guò)程中，環(huán)坯在450℃時(shí)進(jìn)行了中間保溫，同時(shí)鍛造加熱溫度升高到850℃時(shí)，保證了軋制時(shí)的始鍛溫度為800～830℃。

(4)軋制以徑向軋制為主，并且加快軋制速度，軸向不用加壓，防止軋制過(guò)程中的折疊和溫度的快速降低。通過(guò)輾環(huán)中各個(gè)參數(shù)的設(shè)置均能提高軋制的穩(wěn)定性，從而降低爬輥、翻皮、橢圓發(fā)生率。