Способ термомеханической обработки бета-титановых сплавов

Изобретение предназначено для повышения уровня эксплуатационных характеристик проволоки из титановых сплавов и изделий из нее, например пружин. Способ включает первичный быстрый нагрев, холодную деформацию, последующий быстрый нагрев, повторение цикла деформации и нагрева и заключительное старение. Оптимизация сочетания прочностных и пластических характеристик проволоки как в деформированном, так и в состаренном состояниях обеспечивается за счет того, что первичный быстрый нагрев до температуры выше температуры начала рекристаллизации осуществляют электроконтактным нагревом, затем материал охлаждают (подвергают закалке) со скоростью охлаждения 10-80°С/с, последующее холодное волочение, чередуя с закалками, осуществляют с суммарными деформациями между закалками 25-49%, последний нагрев проводят до температуры ниже температуры начала рекристаллизации на 10-70°С, после которого производят заключительное волочение с деформацией 5-12% и последующее старение в течение 4-6 часов. 1 табл.

 

Изобретение относится к области металлургии, в частности к материаловедению в машиностроении, и может быть использовано при изготовлении проволоки из титановых сплавов и изделий из нее, например пружин.

Процесс изготовления проволоки и пружин как сочетание деформации и термических обработок по сути своей является термомеханической обработкой материала. Уровень техники в отношении заявляемого способа характеризуется следующими аналогами. Известен ряд способов термомеханической обработки и изготовления проволоки из β-титановых сплавов.

Например, способ изготовления холоднотянутой проволоки из титановых β-сплавов (А.С. СССР №501114, C22F 1/18, 1976), включающий горячую прокатку заготовки, очистку поверхности, отжиг, многократное холодное волочение с промежуточными закалками, окончательное волочение с суммарной деформацией 59-80% и старение при 400-425°C. Данным известным способом обеспечивается высокая прочность сплавов, однако основным недостатком этого способа является низкая пластичность проволоки в деформированном состоянии, что недопустимо при использовании ее в качестве полуфабриката при изготовлении изделий, например пружин.

Известен также способ изготовления холоднотянутой проволоки из титановых β-сплавов (А.С. СССР №455763, B21C 1/00,1975), включающий горячую прокатку заготовки, очистку поверхности, отжиг, многократное холодное волочение с промежуточными закалками с обжатием 8-15% за проход и с суммарной деформацией между закалками 70-80%, однократное волочение после последней закалки с деформацией 13-18%) и старение при температуре 425-450°C в течение 5-10 час. Недостатками данного способа является то, что при холодном волочении с большими суммарными деформациями (70-80%) часто образуются трещины на поверхности проволоки, а в случае окончательного волочения после последней закалки при температуре 750-850°C со степенью деформации 13-18% при последующем старении при температуре 425-450°C в течение 5-10 час (т.е. при достаточно низкой степени деформации, низкой температуре и малом времени старения) не обеспечивается в полной мере распад твердого раствора и, как следствие, не достигается высокий уровень прочности. Это вызвано тем, что при закалке с высоких температур, особенно после холодного волочения с большими степенями деформации, в β-титановых сплавах образуется рекристаллизованная структура с достаточно крупным зерном и при последующем волочении с малыми суммарными деформациями не достигается уровень плотности дислокаций, необходимый для эффективного протекания процессов старения слава при приведенных известных режимах.

Наиболее близким по своей технической сущности к предлагаемому изобретению является способ термомеханической обработки β-титановых сплавов (патент Украины №40862, C22F 1/18, 2001), предусматривающий первичный быстрый нагрев до температуры в интервале от температуры полиморфного превращения (Т_пп) до Т_пп +80°C, холодную деформацию ≥50%, последующий быстрый нагрев со скоростью 5-100°C/с до температуры окончания рекристаллизации и закалку со скоростью охлаждения ≥100°C/с, повторение цикла деформации и нагрева и заключительное старение при температурах ниже стандартной на 30-70°C. Этим способом, принятым за прототип, создается достаточно мелкозернистая структура, однако старение при температурах ниже стандартной на 30-70°C из рекристаллизованного состояния не обеспечивает распада твердого раствора в полной мере и не приводит соответственно к существенному упрочнению β-титановых сплавов либо требует для достижения нужного эффекта больших выдержек при старении, а волочение, в частности, последнее со степенью деформации, равной или более 50%, приводит к снижению пластичности сплава в деформированном состоянии, что нежелательно для последующего изготовления изделий, например навивки пружин.

При наливке пружин из β-титанового сплава ТС6, изготовленного по термомеханическим режимам известных способов, в 70-80% пружин выявлялись поверхностные поперечные трещины.

Задачей изобретения является получение проволоки из β-титановых сплавов без трещин, формирование в ней структуры, обеспечивающей высокие пластические характеристики сплавов в деформированном состоянии, исключающие образование трещин при изготовлении изделий, например навивке пружин, и высокие прочностные и упругие свойства после старения, необходимые для обеспечения эксплуатационных характеристик изделий из нее, например, высокой релаксационной стойкости пружин.

Указанная задача достигается тем, что перед первой деформацией сплав подвергают быстрому нагреву и закалке со скоростью охлаждения 10-80°C/с, волочение осуществляют с суммарными деформациями между закалками 25-49%, последний нагрев проводят при температуре ниже температуры начала рекристаллизации на 10-70°C, после которого производят заключительное волочение с деформацией 5-12% и последующее старение в течение 4-6 часов.

При проведении первичного быстрого нагрева и закалки со скоростью охлаждения 10-80°C/с в горячекатаных прутках из β-титановых сплавов формируется равномерная рекристаллизованная структура с размером зерна 0,06-0,08 мм (4-5 балл). Данная структура обеспечивает высокий уровень пластических свойств β-сплавов (ψ=65%, δ=25%), обеспечивающий успешное холодное волочение. При проведении холодного волочения прутков и проволоки из β-титановых сплавов со степенями суммарной деформации 25-49% в них формируется структура с достаточной плотностью дислокаций, которая при промежуточных закалках трансформируется в мелкозернистую рекристаллизованную структуру, что позволяет, в свою очередь, осуществить последующее холодное волочение прутков и проволоки из β-титановых сплавов со степенями суммарной деформации 25-49% без обрывов и образования поверхностных трещин. Сформированная при волочении со степенями суммарной деформации 25-49% дислокационная структура при проведении последнего нагрева до температуры ниже температуры начала рекристаллизации на 10-70°C перестраивается в ячеистую структуру, состоящую из мелких слаборазориентированных между собой ячеек, свободных внутри себя от дислокаций. При дальнейшем заключительном холодном волочении с малыми степенями деформации 5-12% внутри ячеек формируются одиночные равномерно распределенные дислокации. На них при последующем старении в течение 4-6 часов происходит выделение частиц α-фазы, также распределенной равномерно, что дает существенный прирост прочностых и упругих характеристик материала, при этом сохраняется достаточно высокая пластичность, что обеспечивает оптимальное сочетание прочностных, пластических и упругих характеристик материала (σ_в≥1500 МПа, σ_0,2≥1440 МПа, σ_пц≥1200 МПа, ψ=18-20%, δ≥8%).

Основанием для приведенных в формуле в качестве отличительных признаков ограничений послужили проведенные авторами исследования, которые показали следующее.

При проведении первичного быстрого нагрева и закалки со скоростью охлаждения менее 10°С/с в сплаве начинают протекать процессы распада β-твердого раствора, что приводит к снижению технологической пластичности материала. Увеличение скорости охлаждения выше 80°С/с не дает никаких преимуществ для формирования оптимальной промежуточной структуры, однако требует проведения дополнительных технических мероприятий для ее реализации. Уменьшение степени суммарной деформации ниже 25% приводит к тому, что в сплаве не создается необходимая дислокационная структура, обеспечивающая при последующих промежуточных закалках формирование однородной по сечению рекристаллизованной структуры. Кроме того, при проведении волочения проволоки с суммарной деформации менее 25% увеличивается количество термических обработок (особенно при изготовлении проволоки малых сечений), что приводит к снижению производительности процесса и повышенному окислению материала. Холодное волочение со степенью суммарной деформации более 49% приводит к чрезмерному упрочнению материала (наклепу) и образованию поверхностных трещин. При проведении заключительной закалки при температуре ниже температуры рекристаллизации более чем на 70°C в β-сплавах титана не происходит снижение плотности дислокаций в необходимой степени и при последующем холодном волочении в сплаве не формируется оптимальная для дальнейшего старения структура (слаборазориентированная ячеистая структура с одиночными равномерно распределенными внутри ячеек дислокациями). Проведение закалки при температуре ниже температуры рекристаллизации менее чем на 10°C приводит к образованию зародышей или к протеканию рекристаллизации в отдельных областях. Рекристаллизованная структура не является оптимальной для заявляемой схемы последующего термомеханического упрочнения β-титановых сплавов. При холодном волочении со степенью деформации менее 5% плотности образующихся при этом одиночных дислокаций внутри ячеек недостаточно для выделения на них при старении в необходимом для существенного упрочнения сплава количестве частиц α-фазы. Увеличение степени холодной деформации свыше 12% при заключительном волочении β-титановых сплавов после низкотемпературной закалки приводит к образованию дислокационных скоплений, которые при последующем старении способствуют неравномерному распределению α-фазы, что понижает пластичность сплава. Времени выдержки при старении менее 4 часов недостаточно для распада β-твердого раствора для обеспечения требуемого уровня упрочнения сплавов. Увеличение времени выдержки более 6 часов приводит к снижению пластичности материала.

Предлагаемый способ был опробован при изготовлении проволоки из β-титанового сплава ТС6. Примеры конкретного осуществления способа.

Пример 1. Исходную заготовку - горячекатаный пруток подвергали предварительному быстрому электроконтактному нагреву до температуры 800°C и закалке со скоростью охлаждения 50°C/с, холодному волочению за несколько проходов с суммарной степенью деформации 45%, промежуточной закалке при температуре 800°C, холодному волочению за несколько проходов с суммарной степенью деформации 45%, последнему нагреву до температуры 680°C (ниже температуры начала рекристаллизации для данного сплава в данном состоянии на 30°C), заключительному волочению со степенью деформации 9% и старению при температуре 480°C в течение 5 часов.

Пример 2. Исходную заготовку - горячекатаный пруток подвергали предварительному электроконтактному нагреву до температуры 800°C и закалке со скоростью охлаждения 10°C/с, холодному волочению за несколько проходов с суммарной степенью деформации 25%, промежуточной закалке при температуре 800°C, холодному волочению за несколько проходов с суммарной степенью деформации 25%, последнему нагреву до температуры 700°C (ниже температуры начала рекристаллизации для данного сплавав в данном состоянии на 10°C), заключительному волочению со степенью деформации 5% и старению при температуре 480°C в течение 6 часов.

Пример 3. Исходную заготовку - горячекатаный пруток подвергали предварительному электроконтактному нагреву до температуры 800°C и закалке со скоростью охлаждения 80°C/с, холодному волочению за несколько проходов с суммарной степенью деформации 49%, промежуточной закалке при температуре 800°C, холодному волочению за несколько проходов с суммарной степенью деформации 49%, последнему нагреву до температуры 640°C (ниже температуры начала рекристаллизации для данного сплава в данном состоянии на 70°C), заключительному волочению со степенью деформации 12% и старению при температуре 480°C в течение 4 часов.

Волочение проволоки по приведенным во всех трех примерах термомеханическим режимам проходило без разрушений и образования на поверхности трещин. Механические свойства проволоки, обработанной по термомеханическим режимам, приведенным в примерах 1-3, в деформированном состоянии и после старения представлены в таблице. Результаты механических испытаний подтверждают возможность получения проволоки из β-титановых сплавов с оптимальным сочетанием прочностных и пластических характеристик как в деформированном, так и в состаренном состояниях.

Предлагаемый способ термомеханической обработки β-титановых сплавов может быть реализован при производстве проволоки и изделий из нее, например пружин.

Способ термомеханической обработки β-титановых сплавов, включающий первичный быстрый нагрев, холодную деформацию, последующий быстрый нагрев, повторение цикла холодной деформации и нагрева и заключительное старение, отличающийся тем, что перед первой деформацией сплав подвергают нагреву и закаливают со скоростью охлаждения 10-80°С/с, деформацию осуществляют волочением с суммарными деформациями между закалками 25-49%, последний нагрев проводят до температуры ниже температуры начала рекристаллизации на 10-70°С, после которого производят заключительные волочение с деформацией 5-12% и старение в течение 4-6 ч.