钛（合金）材塑性成形工艺之轧制---乘钒钛文化之风 创钒钛产业之都 变压器油罐
原创 邹建新 范兴平 杨英丽 教授等
钛（合金）材塑性变形加工的一般工艺流程如图4.10.2所示，通过塑性变形可以加工出的钛（合金）材品种有：板材、棒材、锻件、管材、带材、型材、箔材、丝材及各种铸件、异型管件、粉末冶金件等等。 钛材塑性成形方法和钢材等一样，也主要采用轧制、挤压、拉伸及锻造等四种基本方法。在这四个基本方法shlr中，锻造是必不可少的，铸锭的开坯是首先要进行的工序，即钛的每种塑性成形均需首先使用的方法。其余的几种方法中，轧制用得较多，挤压主要用作管坯及型材的制造，拉伸主要应用在丝材的制备方面。
1. 轧制原理
轧制过程是靠旋转的轧辊与轧件之间形成的摩擦力将轧件拖进辊缝之间，并使之受到压缩产生塑性变形的过程。轧制过程除使轧件获得一定形状和尺寸外，还必须具有一定的性能。轧制过程中有如下几个重要参数需注意。 车床跟刀架其一，轧制变形区：轧件承受轧辊作用产生变形的部分称为轧制变形区，即从轧件入辊的垂直平面到轧件出辊的垂直平面所围成的区域如图4.10.4中AA1B1B，通常又把它称为几何变形区。
其二，咬入角：轧件与轧辊相接触的圆弧所对应的圆心角，图4.10.4中 所示。
其三，接触弧长度（）:轧件与轧辊相接触的圆弧的水平投影长度，如图4.10.4中线段AC，所以通常又把AC称为变形区长度。
关于轧制时变形的分布有两种不同理论，一种是均匀变形理论，另一种是不均匀变形理论。后者比较客观的反映了轧制时金属变形规律。
均匀变形理论认为沿轧件断面高度上的变形、应力和金属流动分布都是均匀的。不均匀变形理论认为沿轧件断面高度上的变形、应力和金属流动分布都是不均匀的。
不均匀变形理论的主要内容：
a) 沿轧件断面高度上的变形应力和流动速度分布不均。其中，沿轧件断面高度上的金属流动速度如图4.10.5所示。
b) 几何变形区内在轧件与轧辊接触表面上，不但有相对滑动，还有粘着。所谓粘着指轧件与轧辊间无相对滑动。
c) 变形不但发生在几何变形区内，而且也产生在几何变形区外，把轧制变形区分成过渡区、前滑区、后滑区、粘着区。
d) 粘着区内有一个临界面，此面上金属的流动速度分布均匀，且等于该处轧辊的水平速度。
图4.10.4 变形区几何形状图 | 图4.10.5 沿轧件断面高度上的金属流动速度图 1、 7－外端；2、6－过渡区；3－后滑区； 4－粘着区；5微生物检查－前滑区 |
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2. 轧制工艺及设备
板、带、箔轧制有热轧、温轧和冷轧三种方法。热轧温度一般比锻造温度低50-100℃。较厚的板材可采用热轧或温轧工艺，更薄尺寸的板材可用冷轧。冷轧时两次退火间的变形量为15%-60%。为了保证板材质量和轧制过程顺利进行。应采用中间退火和表面缺陷清理等工艺措施。
a) 棒、线材轧制：钛及钛合金线材轧制坯料经过熔炼、锻造而成。锻造后的坯料要除去表面氧化皮，并对局部表面缺陷进行清理平压平自动模切机
，要求坯料表面光滑，无裂纹、刮伤、折叠和氧化皮等缺陷。在轧制前对坯料应进行预热，通常采用中频感应或电炉加热。当坯料加热达到规定温度时，保温一段时间（时间根据坯料断面尺寸确定），将坯料送入轧机。根据不同钛合金的相变温度、成品组织性能要求选取不同的轧制温度进行轧制。一般而言，纯钛加热温度为880℃，TC4 加热温度为950℃，TC16加热温度为800℃等。轧制后采用空冷处理，一般可得到性能优异的线材。按照不同的轧制方式，常用的有以下几类轧制方式： Y型轧机可以加工钛合金棒材。可生产直径30mm以下的棒线材及对边距离小于30mm的六角方直条。Y型轧机的3个轧辊呈Y型分布，由直流电机通过减速箱传动架内的三个轧辊，
其水平辊为主传动辊，靠锥齿轮传动其它两个辊，每个轧辊互成120°，以正Y和倒Y交替布置，如图4.10.6所示。
图4.10.6 Y型轧机的结构 | 图4.10.7 步进轧机工作原理图 |
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多孔管步进轧制是将轧制和锻造两种变形特点结合在一起的加工方式，它同时具备锻造的大变形和轧制速度快两个特点。图4.10.7是扇形轧辊步进轧机的工作原理图。扇形轧辊分为4个半模，呈90度分布于圆形牌坊之内，轧辊表面呈圆锥形，轧制时几个轧辊同时绕其轴往复摆动，压缩金属并使其形成变形锥。轧辊的逆向行程是空行程，可以使金属得到恢复和软化，从而改善材料的加工塑性。
b) 管材轧制。厚壁管材可用挤压或斜轧法生产。小直径薄壁无缝管材需再经冷轧或拉伸制
得。钛合金在冷状态下塑性有限，对缺口敏感，易加工硬化，易粘模。为了提高钛合金管材的可轧制性，可采用温轧工艺。轧管质量很大程度上取决于壁厚减缩率和直径减缩率的比值，当前者大于后者时，可得到质量良好的管材。此外，以轧制的薄带卷为坯料，在焊管机系列上经裁剪、卷管、焊接成薄壁焊管，也已在电力、化工上得到广泛应用。
c) 板材及箔材轧制
图4.10.8 四辊炉卷热轧机
1-工作机架; 2-加热炉; 3-卷取机; 4-牵引辊
用带卷轧制方法生产板材我国主要使用的坯料是通过真空自耗电弧熔炼获得的圆形铸锭，主要采用大吨位立式液压锻压机将圆坯铸锭热模锻成扁坯以便供轧制板材时使用。近几年
我国也有采用真空电子束冷床炉直接制备纯钛或TC4扁锭，再通过刨面后直接轧制生产板带的工艺。国际上采用真空电子束冷床炉、真空等离子冷床炉制备钛合金扁锭然后轧制制备板带材已被普遍应用。根据轧制坯料的温度不同，板材轧制分为热轧、温轧及冷轧三类。对于钛板的热轧，通常是将扁坯在加热炉中进行加热，注意在加热过程中应在帮忙涂抗氧化涂层，已尽量减少坯料表面氧化层的厚度。热轧时可在如图4.10.8所示的四辊炉卷热轧机上进行。温轧与热轧比较，由于其加热温度较低，因此显著降低了金属的氧化及吸气程度，能获得表面质量好的板带材，减轻了去掉氧化吸气层的工作量。而温轧与冷轧相比，显著地降低了金属变形抗力，有较好的塑性，可以加大道次压下量，强化轧制过程，减少中间退火次数，以及可将难变形钛合金轧成薄板材。
钛合金薄带及箔材的生产工艺过程由主要工艺（制备热轧带卷坯料、温轧及冷轧带坯、多辊扎机轧制薄带材）及辅助工序（酸洗、脱脂、热处理、剪切）组成。薄带材及箔材主要用二十辊扎机轧制。在井式真空退火炉中退火，真空度为0.01Pa，温度为600-700℃。
d) 环材轧制
钛及钛合金环材轧制设备根据轧制中环形件位置分为立式轧环机和卧式轧环机两种，如图4.
10.9所示。
