文章编号：1004-0609(2013)S1-s0624-05

轧制工艺对小规格纯钛棒材微观组织和力学性能的影响

王  海，樊亚军，崔文俊，魏芬绒，李  雷，陈志宏

(西安赛特思迈钛业有限公司，西安 710021)

摘  要：利用250型横列式轧机对边长为55~60 mm的TA2纯钛方坯采用控温轧制方式轧制成d16 mm的棒材。结果表明：控温轧制工艺，可以有效细化晶粒，平均晶粒尺寸可以细化至2~3 μm；材料抗拉强度由快速轧制时的431 MPa提高到510 MPa，升高18.3%，同时保持较好延展性。另外，通过对轧制过程的温度控制，纯钛棒材的横向、纵向组织趋于一致化。

关键词：纯钛；控温轧制；显微组织；细晶强化

中图分类号：TG146.2⁺3　　     文献标志码：A

Effect of rolling process on microstructure and mechanical properties of TA2 rolling bar

WANG Hai, FAN Ya-jun, CUI Wen-jun, WEI Feng-rong, LI Lei, CHEN Zhi-hong

(Xi’an Saite Simai Titanium Industry Co., Ltd., Xi’an 710021, China)

Abstract: The type 250 open-train mill, by controlled rolling on the specifications for each 55 mm TA2 pure titanium billet rolled into d18 mm bar. The results show that the temperature control rolling technology can effectively refine the grain size, the average grain size can be refined to 2~3 μm. The tensile strength of material from rapid rolling is improved from 431 MPa to 510 MPa, while maintaining good ductility increases by 18.3%. In addition, through controlling the temperature of the rolling process, the transverse and longitudinal structure of pure titanium bars trends to the line.

Key words: pure titanium; temperature controlled rolling; microstructure; fine grain strengthening

钛是三大轻金属(镁、铝、钛)之一。因为其具有低密度、高强度、耐腐蚀性、良好的生物相容性、无磁性、无毒性、加工成形性较好等优点；钛及钛合金还有形状记忆、超弹性、超导性以及储氢等特性。所以，钛及钛合金被广泛地用于航空、航天、医疗、化工、冶金、汽车、建筑、体育休闲等领域^[1-3]。钛由于导热系数低，纯钛棒材在加热时表面温度高于中心温度，而在轧制过程中表面温度低于中心温度，造成中心变形抗力小，变形较表面容易，断面变形不均匀，容易造成组织不均匀，边部组织和心部组织有差异。目前，纯钛轧制仍采用钢材生产工艺与设备轧制速度慢、时间长、轧制温度不能保证。致使纯钛棒材组织晶粒度、均匀性、一致性较差^[4-8]。本文作者通过对TA2纯钛轧制过程温度控制，对经过不同轧制工艺后纯钛棒材显微组织和力学性能进行比对分析，以期得到最佳的纯钛轧制工艺路线。

1  实验

1.1  实验材料

本实验所用纯钛牌号为TA2，化学成分见表1。

TA2纯钛铸锭首先经开坯、锻造至边长为120 mm的方坯，再利用空气锤改锻至实验所用边长为55～60 mm方坯。

表1  实验用TA2纯钛的化学成分

Table 1  Chemical composition of TA2 pure titanium (mass fraction, %)

1.2  实验方法

实验采用250型横列式轧机，边长为55~60 mm的TA2纯钛方坯经过10个道次的轧制，最终轧成d 16 mm的棒材。

250型横列式轧机由人手工操作喂料，本实验通过对道次间的停顿间歇时间的控制达到控制轧制温度、断面温度均匀化的目的。试验选取了以下3组轧棒作为分析对象，分别编号1、2和3。1号试样以快速轧制，每一道次轧制后迅速转入下一道次，道次间间歇时间只有1~2 s；2号试样以常规轧制间歇时间轧制，道次间停顿时间约为4~6 s；3号试样以延长道次间间歇时间的方式轧制，道次间停顿时间约为12~15 s；并采用红外在线测温仪对每道次后轧件表面温度进行测量记录。分别对以上3种轧制工艺加工后的棒材进行了横向、纵向的显微组织观察和力学性能测试，分析经过不同轧制工艺的纯钛棒材组织变化规律，晶粒度大小和所对应的力学性能差异，确定制备组织均匀，综合性能优异的纯钛棒材的轧制工艺。

2  结果与分析

2.1  道次变形量和轧材表面温度

表2所列为使用红外测温仪测得的轧制各道次轧件表面温度值。由表2可见：前3道次轧制，轧件表面温度呈缓慢下降趋势，这是因为前3道次轧制变形量减小，轧制变形热产生的温升较轧件表面温降程度低；4～6道次后由于变形量逐渐增加，温度又呈上升趋势；6道次轧制后，轧制变形量在减小，但是由于轧制速度随着轧件断面尺寸的减少逐渐升高，产生大量轧制变形热，轧件温升程度大于轧件温度散失。另外，方案2由于在道次间实行了一定时间停顿降温处理，每道次轧件表面瞬时温度较方案一低约30 ℃；方案3降温时间更长，每道次轧件表面瞬时温度较方案一低约70 ℃。

表2  轧制各道次轧件表面温度

Table 2  Surface temperature of materials each pass

2.2  轧制棒材组织分析

2.2.1  横向显微组织

图1所示为3组试样热轧态横向显微组织。由图1可见：3组试样沿横截面方向组织由于发生动态再结晶呈现出局部等轴组织；随着道次间的间歇时间的增加，即轧制温度降低，晶粒尺寸逐渐减小；通过对3组试样晶粒尺寸的测量，1号试样(轧制温度约为730 ℃)晶粒尺寸约为10 μm，2号试样(轧制温度约为700 ℃)晶粒尺寸约为5 μm，3号试样(轧制温度约为670 ℃)晶粒尺寸约为2~3 μm。这是由于终轧温度较高时，材料发生再结晶及晶粒长大，晶粒尺寸(相比终轧温度低时)较大^[9-11]。

2.2.2  纵向显微组织

图2所示为3组试样热轧态纵向显微组织。由图2可见：3组试样沿轧制方向组织为热加工态组织形貌，呈现出一定方向性，同时可以看出较横向组织变形更剧烈，晶粒更加细小，这是因为金属沿轧制方向流动性更好^[12-13]；随着道次间轧制温度的降低，晶粒尺寸呈减小趋势，晶粒度更加致密；通过对3组试样晶粒尺寸的测量，1号试样晶粒尺寸约为9 μm，2号试样晶粒尺寸约为4～5 μm，3号试样晶粒尺寸约为2 μm。

图1  3组试样横向显微组织

Fig. 1  Microstructures of bars for transverse section after rolling

2.2.3各组试样横、纵向显微组织比对

图3所示为3组试样热轧态横向和纵向显微组织。由图3可知：3组试样均呈现出纵向(轧制方向)较横向(横断面)变形大；1号试样纵向组织表现出一定加工流线(图中箭头所指方向)，即晶粒沿轧制方向拉长、破碎；2号、3号试样由于晶粒尺寸细小，观察不到明显的加工流线。另外，随着轧制过程中温度的控制，即轧制温度的降低，纯钛棒材的横向、纵向组织有趋于一致化的趋势，表现为晶粒尺寸的大小基本接近，组织形貌趋于一致，等轴组织和加工态的非平衡组织所占比例相近；这种横向和纵向一致的组织对材料的综合性能非常有利，材料不会因为轧制方向和垂直轧制方向性能差异而影响材料的使用。

图2  3组试样纵向显微组织

Fig. 2  Microstructures of bars for longitudinal section after rolling

作者认为通过控温轧制的轧制工艺，由于轧制变形热引起的棒材断面温度不一致在道次间歇时间得到缓解，材料心部高温逐步向近表面传导，达到温度一致，材料组织均匀化。这是因为纯钛导热性差，在轧制过程中，材料心部温度高于表面，造成材料截面温度不均匀，这是影响纯钛材料组织均匀性的主要因素之一。

图3  横向((a), (b), (c))和纵向((a′), (b′), (c′))显微组织

Fig. 3  Microstructures of bars for transverse section ((a), (b), (c)) and longitudinal section ((a′), (b′), (c′)) after rolling

2.3  轧制棒材力学性能

各试样力学性能如表3所示。由表3可知：3号试样抗拉强度最高，达到510 MPa，伸长率34%，综合性能较好，这个因为3号试样晶粒尺寸最小，平均晶粒尺寸2 μm；细小的晶粒产生细晶强化作用，而细化晶粒是同时提高塑性和强度有效途径。

图4所示为3组试样抗拉强度和伸长率的变化曲线。由图4可见：随着轧制道次间歇时间的延长，材料强度提高显著，材料抗拉强度由1号试样的431 MPa提高到3号试样510 MPa，升高了18.3%；伸长率变化随轧制道次间歇时间的延长缓慢降低。即轧制温度对材料力学性能影响显著；结合材料晶粒尺寸变化，分析认为导致材料强度提高的强化机制是细晶强化，细化晶粒使材料在提高强度的同时保持较好的塑性。

表3  实验用TA2纯钛的力学性能

Table 3  Mechanical properties of TA2 pure titanium

图4  3组试样力学性能的变化

Fig. 4  Variations of mechanical properties of TA2 pure titanium

3  结论

1) 纯钛棒材的控温轧制工艺，可以有效改善轧棒组织，细化晶粒，快速轧制后平均晶粒尺寸为10 μm，而通过轧制温度的降低，平均晶粒尺寸可以细化至2～3 μm。

2) 控温轧制工艺可以有效提高材料强度指标，材料抗拉强度由1号试样(轧制温度约为730 ℃)时的431 MPa提高到3号试样(轧制温度约为670 ℃)的510 MPa，升高了18.3%，同时保持较好延展性；细晶强化是提高材料强度的强化机制。

3) 随着轧制温度的降低，纯钛棒材的横向和纵向组织趋于一致化；这种横向和纵向一致的组织对材料的综合性能非常有利，材料不会因为轧制方向和垂直轧制方向性能差异而影响材料的使用。

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(编辑  陈爱华)

基金项目：陕西省重大科技创新专项资金计划项目资助(2011ZKC05-13)

收稿日期：2013-07-28；修订日期：2013-10-10

通信作者：王  海, 工程师，硕士; 电话: 029-86550874; E-mail: 342299595@qq.com