深拉深钛合金板材表面涂层强化方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及的是一种有色金属薄板成形领域的工艺技术,具体是深拉深钛合金板 材表面涂层强化方法。
【背景技术】
[0002] 钛是一种性能优良、在发展经济和国家安全中具有战略意义的金属,钛合金与其 它结构材料比较,其最重要的优点是比强度高,热强性好,在400°C~500°C温度范围内,钛 合金的比强度超过了多数不锈钢和抗氧化钢。由于其弹性模量接近人的骨头,因此也广泛 用于置换人体骨关节。用钛合金代替不锈钢和高温合金等材料制造零件,可以大幅度地减 轻产品质量,受到航空、航天工业的极大重视,也越来越受到兵器、汽车、机车、电力、化工、 舰船上热交换器和冷凝器等工业部门的青睐。近年来,随着各行业新材料及特性材料使用 力度加大,钛合金板材深拉深件也越来越多用在国防和汽车工业上。但是,它是一种难变形 金属。因此,在毛坯拉深时,每道工序后要进行退火、酸碱清洗,不仅造成环境污染,而且不 能连续生产,在液压机上一次变形速度不得大于250mm/min,致使生产效率低下,成本高升。 钛合金板材表面氧化皮难以清理,致使降低润滑材料和涂层效果,也是其缺点之一。
[0003] 研宄制造某汽车油箱型零件现行工艺过程,该零件是带法兰半球形薄壳。该零件 传统制造工艺是采用钛合金TAl或TC1,在1000 kN液压机上经三道工序拉深且每道工序间 退火(图1)。制造零件生产周期长,涉及到中间退火、准备工序、去油脱脂、除去氧化皮、清 除磷酸盐、清水漂洗等等。尤其困难的是清除钛合金的二氧化物膜,包括毛坯碱洗、酸洗。
[0004] 经过对现有技术的检索发现,中国专利文献号CN1603450公开(公告)日 2005. 04. 06,公开了一种钛合金表面耐磨涂层的火焰喷焊工艺方法,该工艺通过在表面预 处理工艺中增加表面浸锌活化工序,并将表面净化工序与之合二为一;同时合理确定了工 艺过程中的关键参数,具体为:待喷表面粗糙度为Ra25~12. 5,预热温度为230~270°C, 重熔时液态停留时间为20~60s ;并在喷焊后对其进行"回火"热处理,热处理温度范围为 200~600°C,保温时间为0. 5~2h等一系列工艺措施,成功地在钛合金表面制备了结合性 能优良的火焰喷焊耐磨涂层,较好地解决了工程实践实施的灵活性问题。但该技术所涉及 的喷焊方法因使变形材料的表面熔化而冷却后硬化,大大降低变形板材变形能力,不适于 制造深拉深大变形零件;况且,对板材大面积喷焊,效率极低。
【发明内容】
[0005] 本发明针对现有深拉深工艺弊端,提出一种深拉深钛合金板材表面涂层强化方 法,通过将钛板坯在熔融盐中在其基体上涂上氯化锌涂层,在板坯全部表面上能够获得与 钛板基体有很好附着力的锌的涂层。金相学研宄表明,锌涂层厚度为5~7 μπι ;在锌涂层 和钛基体之间过渡层Zn/Ti厚度为20~30 μ m,这就成为涂层和基体之间高强度结合的条 件。
[0006] 本发明可以免于拉深过程中间退火、清理等污染环境的繁琐工艺,在压力加工条 件下,完全消除变形材料粘附到模具上的几率,实现深拉深零件的多工步连续绿色制造。
[0007] 本发明是通过以下技术方案实现的:
[0008] 本发明包括两个阶段:
[0009] 1)盐浴处理钛板,具体为:将毛坯置于含有质量百分比依次为85~93% ZnCl2、 7~15% KCl和8% NaCl的熔融盐中浸浴;
[0010] 所述的熔融盐的质量百分比优选为85~93% ZnCl2、7% KCl和8% NaCl。
[0011] 所述的毛坯,在盐浴处理钛板前优选经过脱脂除油、热水清洗、冷水清洗和干燥处 理。
[0012] 所述的盐浴,处理时间为5~lOmin。
[0013] 所述的盐浴处理过程中,熔融盐的温度为400~430°C。
[0014] 2)涂锌处理:在含有质量百分比依次为50~70% ZnCl2、20~30% KCl和10~ 30% NaCl的熔融盐中对钛板进行直接涂锌。
[0015] 所述的熔融盐的温度400~430 °C。
[0016] 所述的涂锌,处理时间为5~7min。
【附图说明】
[0017] 图1为用多道拉深方法制造油箱零件示意图;
[0018] 图中:1、2、3为实施例1~3工步;Hi、H2、H3为对应拉深深度。
[0019] 图2为毛坯-模具间的力偶,摩擦矩和路径关系示意图;
[0020] 图中:1为无润滑,p = 600MPa ;2为氯乙烯漆润滑,p = 700MPa ;3为压缩汽缸油 润滑,P = 800MPa。
[0021] 图3为由钛合金TA7制成试样磨损寿命图;
[0022] 图中:1为有锌涂层,2为无锌涂层,3为只清除氧化皮。
[0023] 图4为实施例中油箱零件深拉深制造工艺略图。
【具体实施方式】
[0024] 下面对本发明的实施例作详细说明,本实施例在以本发明技术方案为前提下进行 实施,给出了详细的实施方式和具体的操作过程,但本发明的保护范围不限于下述的实施 例。 实施例1
[0025] 对图1所示,以油箱零件为例。本实施例油箱分别用TAUTCl和TA15板材作了极 限拉深试验。
[0026] 如图4所示,本实施例包括以下步骤:
[0027] 1)对毛坯进行预处理:脱脂除油、热水清洗、冷水清洗、干燥;
[0028] 2)对毛坯进行盐浴处理并在盐熔融物中涂锌,具体为:
[0029] 2. 1)盐浴处理钛板,具体为:在含有85~93% ZnCl2、7~15% KCl和8% NaCl的 恪融盐中酸洗5~lOmin,完成后取出毛还。
[0030] 所述的熔融盐的温度400~430 °C。
[0031] 2. 2)在含有50~70% ZnCl2, 20~30% KCl和10~30NaCl的熔融盐中直接涂 锌,连续作业5~7min。
[0032] 所述的熔融盐的温度400~430 °C。
[0033] 2. 3)将涂锌后的钛板依次在热、冷水中清洗,再经干燥和喷涂润滑剂氯
乙烯后进 行三道工序拉深,最后经清除涂层并冲切法兰到规定尺寸。
[0034] 所述的三道工序拉伸中的第二道和第三道工序间没有进行中间再结晶退火。
[0035] 试验在Y28系列1000 kN液压机(JB/T8493-19960)上进行,拉深的极限深度固定 在出现第一条裂纹瞬间,即拉伸力急剧下降瞬间。
[0036] 每种材料的试样各20件,分别由有涂层和无涂层组成,采用高质量润滑剂氯乙烯 漆。为了便于计量,没有选用全部试样,而只选裂纹尺寸最小的、毛坯形状没有发生畸变试 样。试验结果列于表中。
[0037] 极限拉深钛合金零件表面质量与涂层关系
[0038] 从表中可见,具有锌涂层的钛板(与钛合金牌号无关)极限拉深平均深度增加 20~30 %,允许采用剧烈拉深工艺过程,正是这一优点,能够增加拉深深度(一次变形),或 者省去深拉深件中间退火,减少了环境污染。因此,缩短了连续生产周期,提高劳动生产率, 降低成本。 试验验证
[0039] 为了研宄涂有锌涂层的钛合金板材坯磨损寿命(出现划痕前极限摩擦方法),用 钛合金TA7制成试样,试样经热处理后,涂上熔融锌。为便于比较,研宄没有涂层的类似试 样,在盐溶液中只做第一阶段处理,即清除氧化皮,包括使用高粘度的润滑剂氯乙烯漆;为 了比较,在一些实验条件中没有使用润滑材料。
[0040] 试验在机械摩擦实验室进行。
[0041] 圆柱形试样的直径,上画有正方形网格宽度10mm,试验模具由工具钢Crl2制造。 摩擦试样是这样安装在机器上的,要试样进入同样工作表面部位(本试样在侧部)。试样由 钛合金制造类似形状,但具有更薄轮辋,按照恒定角速度旋转。试样进入相互接触阶段,通 过接通和关闭电磁铁,确定在机器上压紧力连续开启状态。
[0042] 在实验行程中,滑动速度恒定为0. 2m/s,对于压紧力,接触压力值是变化的(p = 600和900MPa),甚至采用钛合金试样轮辋也是变化的:3、4和5mm。在工作过程中,借助于 示波图固定了摩擦力矩的值。每一个摩擦副试验进行到切割震波摩擦副出现之前对应强烈 粘附金属,到达表面磨损极限一一划痕。
[0043] 研宄结果评定,摩擦矩变化图与经过的路径密切相关(图2)。
[0044] 我们知道,出现粘附的原因之一是间歇磨损,没有遵守力学性能递减梯度规则。按 照这个规则,为了正常实施外摩擦过程,材料表面剪应力^必须能够小于材料基础剪应力 τ 0°
[0045] 在已知条件下,力学性能梯度能够通过不均匀性因素 Φ H表达,确定对应的Φ H = HtlAvsmHtl-一材料基体硬度;&一一材料表层硬度,在有涂层时为涂层硬度;。如果 ΦΗ > 1,则正梯度且外摩擦过程正常;如果ΦΗ < 1,则可能粘附,并在毛坯深处金属间 歇出现撕伤。
[0046] 对应摩擦路径极限值(出现磨损划伤前)示于图3。对涂锌并清除氧化皮试样非 均匀因素值和无涂层分别为3. 2、1. 3、1试样。
[0047] 分析在磨损试验机上的实验结果(图2、图3)可以做出结论,钛合金ΤΑ7磨损寿命 与材质非均匀性密切相关,在具有软涂层已加工材料表面急剧升高。而存在润滑下的軟锌 涂层保证增加 Φ H到12倍。
[0048] 因此,在钛板坯表面锌涂层增加不均匀性方法,具有提高与金属基体附着力,能够 成为难变形金属实施剧烈变形有效措施。
【主权项】
1. 一种深拉深钛合金板材表面涂层强化方法,其特征在于,包括两个阶段: 1) 盐浴处理钛板:在含有质量百分比依次为85~93%ZnCl2、7~15%KCl和8%NaCl 的混合液中浸浴; 2) 涂锌处理:在含有质量百分比依次为50~70%ZnCl2、20~30%KCl和10~30% NaCl的熔融盐中对钛板进行直接涂锌。2. 根据权利要求1所述的深拉深钛合金板材表面涂层强化方法,其特征是,在盐浴处 理钛板前先对毛坯实施化学处理,工艺周期包括如下阶段,毛坯脱脂除油一在热水中清洗, 然后冷水清洗后干燥。3. 根据权利要求1所述的深拉深钛合金板材表面涂层强化方法,其特征是,所述的盐 浴中涉及的熔融物温度400~430 °C。4. 根据权利要求1所述的深拉深钛合金板材表面涂层强化方法,其特征是,所述的熔 融盐的温度400~430 °C。5. 根据权利要求1所述的深拉深钛合金板材表面涂层强化方法,其特征是,所述的盐 浴是指:在含有85~93%ZnCl2、7%KCl和8%NaCl的混合液中浸浴5~IOmin;处理时 间为5~lOmin,熔融物温度400~430°C。6. 根据权利要求1所述的深拉深钛合金板材表面涂层强化方法,其特征是,所述的涂 锌是指:在包括50~70%ZnCl2, 20~30%KCl和10~30%NaCl的熔融盐中直接涂锌, 连续作业5~7min,熔融盐的温度400~430°C。7. 根据权利要求1所述的深拉深钛合金板材表面涂层强化方法,其特征是,经过直接 涂锌后的钛板分别在热、冷水中清洗,再经干燥和喷涂润滑剂氯乙烯后进行三道工序拉深, 最后经清除涂层并冲切法兰到规定尺寸。8. 根据权利要求7所述的深拉深钛合金板材表面涂层强化方法,其特征是,所述的三 道工序拉伸中的第二道和第三道工序间没有进行中间再结晶退火。
【专利摘要】一种有色金属薄板成形领域的深拉深钛合金板材表面涂层强化方法,首先在含有85~93%ZnCl2、7~15%KCl和NaCl的混合液中盐浴处理5~10min;然后在包括50~70%ZnCl2,20~30%KCl和10~30NaCl的熔融盐中对钛板进行直接涂锌,连续作业5~7min。本发明可以在α型钛及其合金板材中的任意牌号适用,在拉深过程都免于中间退火、清理繁琐工艺,在压力加工条件下,完全消除变形材料粘附到模具上的几率,实现深拉深零件的绿色制造。
【IPC分类】C23C10/24, C23C28/02, C23C26/02
【公开号】CN104894508
【申请号】CN201510340600
【发明人】陈修琳, 袁秦峰, 陈岩
【申请人】浙江申吉钛业股份有限公司
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2015年6月17日