TC4 钛合金

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钛材加工的工艺过程、特性及用途

钛材加工的工艺过程 

目前,金属钛生产的工业方法是可劳尔法,产品为海绵钛。制取钛材传统的工艺是将海绵钛经熔铸成锭,再加工而成钛材。按此,从采矿到制成钛材的工艺过程的主要步骤为:钛矿->采矿->选矿->太精矿->富集->富钛料->氯化->粗TiCl4->精制->纯TiCl4->镁还原->海绵钛->熔铸->钛锭->加工->钛材或钛部件。

上述步骤中如果采矿得到的是金红石,则不必经过富集,可以直接进行氯化制取粗TiCI4。另外,熔铸作业应属冶金工艺,但有时也归入加工工艺。 上述工艺过程中的加工过程是指塑性加工和铸造而言。塑性加工方法又包括锻造、挤压、轧制、拉伸等。它可将钛锭加工成各种尺寸的饼材、环材、板材、管材、棒材、型材等制品,也可用铸造方法制成各种形状的零件、部件。

钛和钛合金塑性加工具有变形抗力大;常温塑性差、屈服极限和强度极限比值高、回弹大、对缺口敏感、变形过程易与模具粘结、加热时又易吸咐有害气体等特点,塑性加工较钢、铜困难。

故钛和钛合金的加工工艺必须考虑它们的这些特点。

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TC4钛合金、不锈钢、铜合金等金属材料的物理性能

      随着钛及其合金在国民经济中的大量应用,越来越多的人开始关注钛及其合金的物理性能,不论是在钛合金丝棒材的生产工艺制定及相关生产加工设备的设计中,都会或多或少的需要这方面的性能参数,比如钛合金密度、纯钛电阻率、纯钛线膨胀系数等问题。现在我们就将这些整理列表如下,将纯钛、TC4钛合金、不锈钢、铜合金等与其他金属材料的物理性能对比,供大家参考使用。
物理性能
纯钛
钛合金
普通钢
不锈钢
铝合金
镁合金
代表牌号
TC4
SPCC
5052
AZ31
C1020
熔点/℃
1668
1540-1650
1530
1400-1427
476-638
630
1083
密度(g/cm3)
4.51
4.43
7.90
7.90
2.80
1.77
8.93
线膨胀系数(10-6/K)
8.4
8.8
12.0
17.0
23.0
25.0
17.0
热导率(W/m・K)
17.0
7.5
63.0
16.0
121.0
159.0
385
比热(J/kg・K)
519
585
460
502
662
1004
385
电导率(%対Cu)
3.1
1.0
18.0
2.4
30.0
40.0
100
电阻率(μΩ・m)
0.550
1.702
0.097
0.720
0.058
0.043
0.017
弹性模量(Gpa)
106.3
113.2
205.8
199.9
71.5
44.8
107.8
       通过上表我们或多或少的了解到以下几点:
       1)钛的密度比铝合金和镁合金大,但是只有铁的约60%,铜的约一半。
       2)钛的线膨胀系数小,是不锈钢的约一半,铝合金的三分之一,随温度变化而产生的尺寸和形状的变化较小。
       3)钛合金的热导率不到不锈钢的一半,与铝合金和镁合金比极小,用密度× 比热表示的体积比热很低。因此,易升温,难传导热量。
       4)电导率很低,与铜比较拥有比铜高30-100倍的电阻率,与不锈钢一样难导电。
       5)弹性模量小,是钢铁材料的约一半,容易变形。
       6)切削中产生的高温可能引起切粉点火。

而除了上面这些特性外,纯钛、钛合金还具有非磁性,放射性半衰期短,氢包藏性,某些钛合金还具有形状记忆等特征,而记忆特征的特点也令它在眼睛架领域得到重用。

 

CKING|超金矫直 CJ10XJ-08 -中国最小的管棒矫直机

CKING|超金矫直 CJ10XJ-08 -中国最小钢管矫直机

CKING|超金矫直 CJ10XJ-08 -中国最小钢管矫直机

» 专题报道

CKING|超金矫直 CJ10XJ-08 ——中国最小的管棒矫直机

该机组设计矫直范围为,2.5-5mm之棒材和2.5-8mm的毛细管材,可矫直不锈钢毛细管、铜管、铝管、钛管等各种材质。该矫直机由两台电机驱动,角度和辊缝手动调整,数字显示,调整设置快捷简单;不需地基,安装方便。

该机组从方案论证、三维建模、施工图纸设计前后历时1年,现已投入制造,不久即可面世。据了解,若该机型投入实用,将是国内同类机型中适用规格最小,矫直精度最高(设计矫直精度≤0.3‰,有望达到0.2‰以内),设置调整最方便的10斜辊矫直机。

小管径矫直——矫直界的难题

        众所周知,随着管径的减小,矫直难度逐渐增加。

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钛合金管材在陕西的发展

一 生产发展
管材分厂为亚洲最大的无缝钛管加工厂。拥有3150吨和600吨挤压机,各种规格型号的冷轧管机18台,0.5~30吨拉伸机4台,各种真空热处理炉10台。以及各种辅助设备。可生产钛及钛合金外径3~120毫米,壁厚0.2~6毫米,最大长度11.5米,冷加工钛及钛合金无缝管材,外径为3~110毫米、热挤压管材外径为25~210毫米。
目前已形成年产400吨冷轧钛管的生产能力。生产的钛及钛合金牌号,有工业纯钛和Ti—0.3Mo—0.8Ni,Ti—0.2Pd,Ti—3A1—2.5V,TC4、TA7、TC1等。
1969年8月宝鸡有色金属加工厂开始冷轧无缝钛管的研制。钛金属由于粘性大,压力加工过程中容易粘结工模具,没有合适的润滑剂,则经过冷加工的制品表面质量差。经过试验,采用二硫化钼、氯化石腊润滑,压缩空气冷却的方法,解决了两辊冷轧表面质量差的难关,实现了冷轧无缝纯钛管的工业生产。1970年3月首次为军工部门提供十几种规格的冷轧无缝纯钛管,其中包括至今仍是国内生产的最小直径3毫米、壁厚0.2毫米的冷轧无缝纯钛管。
1973年军工部门急需TA7钛合金管,试制因热挤压管材严重开裂而未能成功。1979年采用自制的三辊斜轧穿孔机,顺利轧出合金管坯,并用多辊冷轧管机轧制,生产出满足军工需要的国内首批优质TA7合金管。
1976年TC4合金管的研制。该合金强度达930MPa以上,冷轧道次加工率很小,成品率低。1981年对TC4采用温轧工艺,增加了道次加工率,缩短了轧制周期,管材组织均匀,性能稳定,成品率比冷轧法约提高20%。
197~1984年,开展了《无焊缝钛合金高压球形气瓶整体成型工艺技术》课题,为航天部研制了具有超塑性的TC4热挤压管。采用了新的热处理方法和加工工艺,使TC4热挤压管表面质量好,在超塑性拉伸试验条件下,延伸率500~800%。
1979年,研制Ti—3Al—2.5V钛合金管,经过两年的努力,掌握了该合金的冷、热加工工艺和热处理温度,管材质量完全达到美国ASTM标准。
1979年宝鸡有色金属加工厂为天津军粮城电厂提供耐海水腐蚀的<img=10sx072t00177_00_00072aa.jpg>19×0.7毫米试验用纯钛冷凝管,1980年底为镇海电厂提供试验用的<img=10sx072t00177_00_00072ab.jpg>25×0.6×7775毫米纯冷凝管,1981年初为台州电厂提供<img=10sx072t00177_00_00072ac.jpg>25×0.6×1500毫米模拟试验用纯钛冷凝管,之后又为台州电厂提供了纯钛冷凝管。
为避免钛在某些使用介质中产生的缝隙腐蚀,宝鸡有色金属研究所从1978年起开始Ti—0.3Mo—0.8Ni钛合金的研制,1981年进行Ti—0.3Mo—0.8Ni钛合金管的试制。1984年投入工业生产,接受了各大盐厂订货。
1986年宝鸡有色金属加工厂开始试制抗缝隙腐蚀的Ti—0.2Pd合金管,同年正式投入生产。
二 工艺 技术 产品质量
70年代初,无缝钛管材由于工艺技术不成熟,成品率低,生产成本高,品种规格少。为提高产品质量,降低原辅材料消耗,扩大品种规格,宝鸡有色金属加工厂进行了一系列的工艺试验研究。到80年代,无缝钛管的成品率比70年代初期提高了15%左右;品种由原来的纯钛管材,发展到多种牌号的钛合金管材,规格大大增加。新工艺、新技术的开发和研究有如下几个方面:
(一)70年代初期,冷轧钛管材使用汽油除油,该工艺不仅成本高,浪费能源,而且发生多起火灾事故。改用硝酸、氢氟酸酸洗除油,虽然避免了火灾事故,却又发生了多次爆炸事故。1981年开始采用除油剂配合酸洗试验。对全国十几家生产的除油剂进行了筛选,找到了较为满意的除油剂。采用除油剂除油并配合酸洗工艺,不但节省了能源,保证了产品质量,而且再未出现类似事故。
(二)无缝钛管材通常采用铸锭锻造、挤压生产管坯的工艺。1978年宝鸡有色金属加工厂在1000吨立式穿孔机和3150吨卧挤压机上进行铸锭直接挤压工艺研究,1979年该项研究取得成功。采用铸锭直接挤压工艺,管坯成品率比铸锭锻造挤压工艺高10%以上。
(三)1976年宝鸡有色金属加工厂自制成功<img=10sx072t00177_00_00072ad.jpg>50毫米三辊斜穿孔机。1978年进行钛及钛合金三辊斜轧工艺研究,成功地进行了纯钛及钛合金(TC4、TA7、TC1)的斜轧穿孔。三辊斜轧穿孔为钛及钛合金管坯的生产开辟了一条新途径。
(四)1984年,国家科委向宝鸡有色金属加工厂下达了“六五”攻关项目《提高钛材成品率研究》。采用长锭挤压工艺,提高了生产效率,降低了辅助材料消耗,管坯成品率提高2%以上。
纯钛薄壁管于1981年获得冶金工业部和陕西省优质产品称号,1983年获得国家银质奖。产品技术指标达到美国ASTM—B337标准。纯钛冷凝器管于1985年获部、省优质产品称号,产品指标达到美国ASTM—B338标准。
三 产品在国内外市场的地位
宝鸡有色金属加工厂生产的钛管材销往除西藏以外各省、市、自治区1000多个厂家和单位。产品在国内市场占有率为80%以上。提供的钛管材用于国内第一台湿氯介质热交换器,年产50万吨尿素设备用的第一台二氧化碳汽提塔,滨海电站第一台冷凝器,航天工业用第一个无焊缝钛合金高压球形气瓶,第一颗同步卫星天线,第一颗气象卫星支架。1986年起,无缝钛管材产品开始销往法国、泰国等。

陕西省有色金属熔炼及加工工业起步

陕西省有色金属熔炼及加工工业起步较晚,但发展较快。从1965年到1979年相继建成贵金属、稀有金属、半导体、铜合金和铝合金等材料的研究机构和生产单位。
稀有金属材料的研制和生产,是陕西省一大优势,在全国占有重要位置。宝鸡有色金属加工厂(简称宝鸡厂)和宝鸡稀有金属加工研究所(简称宝鸡所,1988年与西安有色金属研究所合并改为西北有色金属研究院)是中国稀有金属材料生产和科研基地。厂、所密切合作,开发了真空自耗电弧炉、电子束炉、等离子束炉、凝壳炉、 电子束区域熔炼炉等现代化熔炼设备和技术;完善了诸如变形钨钼管、薄壁锆合金管、超细丝、箔材、铌合金喷管、航空发动机压气机盘和飞机结构件用钛材以及超导材料等稀有金属材料的加工工艺,促进了国家稀有金属熔炼和加工工业的发展。
华山半导体材料厂是我国半导体材料主要生产厂之一,生产大直径单晶硅片,1985年引进了可生产φ100毫米的单晶硅片的设备。铜川市铝厂依靠科技进步,可生产重溶铝锭、铝盘条、钢芯铝绞线、铝型材、铸造铝母线等多种产品。1975年,该厂研制出国内第一台直接用铝液连铸连轧铝盘条的机组。西安铝材厂1974年采用挤压技术生产省内第一批铝型材。西安铜管厂用拉伸和轧制方法生产圆型和异型紫、黄铜管。镇安铜合金厂用压延、冲压技术生产汽车锡青铜衬套,有些产品填补了省内空白。
一、钛及钛合金
陕西钛材生产居全国之首,“宝鸡钛”行销全国和世界部分地区。60年代中期,宝鸡所开始仿制航空发动机用耐热钛合金和导弹发动机壳体用高强钛合金,70年代中期小批量生产,到1989年,22个牌号钛合金的性能达到了国际同类合金水平,并投入了工业生产。
(一)合金研制
1.耐热钛合金 1965~1966年,宝鸡所曾泉甫等对500℃下能长期使用的TC9耐热钛合金进行探索性研究,其性能达到了国外同类合金的水平。但在1968年扩大试验时,合金经高温长时间暴露后出现性能不稳定。为此,他们采取了调整合金成分、严格控制铝氧当量等措施,得到稳定的钛合金。1976年,他们与用户一起研究制造出合格的压气机盘和转子叶片,两次装机试车达到设计要求,1982年11月经冶金工业部和航空工业部联合鉴定,认为是钛合金研究、生产和应用方面的一个突破,1983年获冶金工业部科技成果三等奖。
1977年1月,该所和宝鸡厂罗国珍、蔡学章等为国家引进的斯贝发动机开展了Ti230、Ti679耐热钛合金的研究。他们解决了合金铸锭中铜的偏析和板材屈服强度偏低问题,研制出(0.7~1.2)×800×2000毫米Ti230板材、锻成φ560/250×100毫米环坯,质量符合要求。Ti679合金用于制作斯贝发动机转动件,技术条件严格,他们采用多种中间合金解决了合金成分难以控制的难题;采用不换向锻造法,锻出直径为160毫米的合格坯料,1980年1月,经西南铝加工厂模锻出二级和五级压气机盘件,质量达到英国同类产品水平,1988年获有色总公司科技进步三等奖。
1979年,宝鸡所曾泉甫等对涡喷-13发动机用的TC11合金进行熔炼加工工艺研究,先后熔炼出φ90、φ50、φ296和φ622毫米铸锭。1982年,TC11合金投入宝鸡厂试生产。航空发动机制造厂用该材料制造成的发动机叶片和6、8级压气机盘,装机试车效果良好,满足了涡喷13发动机使用要求。
2.高强度和高韧性钛合金 1969年,宝鸡所张树启等经过大量筛选和反复试验,于1972年研制高强钛合金,命名Ti-22合金。1974年,他们与用户合作在发动机壳体和高压气瓶上应用,克服了冲压开裂、热处理变形、焊接脆性等难关,试制成发动机壳体和高压气瓶,后因国民经济调整,试验中断。1983年,他们又将Ti-22合金用于航空铆钉和各种类型螺栓的研究,其抗拉、剪切和疲劳性能,达到美国钛合金紧固件军用标准和国内标准要求,已在“运—七”和“轰—七”等国产飞机上应用,1985年获有色金属总公司科技进步四等奖。
1983年,国家科委把高强高韧钛合金列为“六五”计划攻关课题,其主要技术指标是σ≥1171兆帕,K1c≥62兆帕每3/2次方毫米。该所刁复广等对美国的Corona-5合金进行了仿制研究,通过强化热处理,使该合金的室温强度达到1216~1255兆帕K1c≈63~67兆帕每3/2次方毫米。与此同时,他们又开展了将该合金作为航空轻型防弹板的应用研究,生产出厚度为6、12、15毫米的板材,通过7次靶场实弹射击试验,防弹板的抗弹性能满足使用要求。1988年11月通过有色金属总公司和航空工业部联合组织的技术鉴定,认为该合金板可代替KBK-2防弹板,减重13%,填补了中国飞机上轻型防弹材料的一项空白。1989年获有色金属总公司科技进步三等奖。
3.耐腐蚀钛合金 为解决工业纯钛在高温(沸腾温度)高浓度氯化物溶液中出现的缝隙腐蚀,造成钛设备过早蚀穿报废的问题,1978年宝鸡所李佐臣等研制出性能优良的钛-钼-镍和钛-钯耐蚀合金。在研制过程中,他们掌握了合金添加方式、熔炼、加工、热处理工艺等技术,并通过大量的腐蚀速率数据,终于在国内制盐、冶金、化工、石油等工业部门得到广泛应用,累计取得822万元的经济效益,1984年获有色金属总公司科技进步二等奖。
(二)熔炼技术
1965年,宝鸡厂从国外引进真空自耗电弧炉及其辅助设备,并自行设计制造了3吨真空自耗电弧炉和真空等离子电极焊接机,这些设备在生产中发挥了重要作用。
1972年,该厂熔炼TC1、TC2钛合金时,江河等采用微压氩气保护法,解决了铸锭中元素锰偏析严重问题。得到成份均匀的合金锭。
1980年9月,该厂在国内首次采用等离子焊接电极代替传统的氩气保护钨极电弧焊,有效地消除了耐热钛合金中的钨夹杂。
(三)残钛回收
钛及钛合金材料在加工过程中,产生50%左右的残料,这些残料有不同程度的氧化、折叠和沾污,须处理后才能使用。1983年,残钛回收工艺列入国家“六五”科技攻关计划。宝鸡厂王锡柱等在10多年试验研究基础上,对残钛回收工艺进行了系统研究,建立了残钛净化处理和回收生产线,残钛回收率达到78%,属国内新技术,相当于美国70年代末水平,1986年获有色金属总公司科技进步二等奖。
(四)钛及钛合金加工
1971年,宝鸡厂肖国忠等开始采用控制轧制方向、加涂层等方法,解决了生产TC1钛合金板材表面经常出现条状凸起问题;采用爆炸包复轧制法解决了TA7合金冷、热轧裂纹问题,使板材质量达到标准要求。
1977~1983年,该厂吕培成等研究成功钛及钛合金三辊斜轧穿孔工艺,可生产出φ50毫米的管坯。与挤压工艺相比,纯钛管成材率提高9%,TA7合金管成材率提高1.7倍。
1981年初,宝鸡厂和宝鸡所组织了以张太贤为首的TC4钛合金冷轧板材质量攻关组,找到了板材表面吸氧层是弯曲角不符合要求的主要原因,采用酸洗方法消除了这些缺陷。1982年1月向美国出口TC4钛合金板材,其质量全部符合美国航空材料标准(AMS)要求,在国内属首例。
1982年,宝鸡厂和宝鸡所与航天部708所、北京机电研究所联合研制无缝整体钛合金球形气瓶超塑性成形工艺。吴宝科、林兴照等采用锭环β淬火复合包套和两相区挤压等技术制造出大规格TC4管材,具有超塑加工性能,延伸率高达1528%。1983年北京机电研究所利用这种管材胀成整体无缝球形气瓶。1986年获国家科技进步二等奖。
1983年,提高钛材成品率研究课题纳入国家“六五”科技攻关计划。宝鸡厂攻关组肖国忠、杨昭苏等20多人采用减少铸锭皮下气孔方法改善铸锭表面质量,实现了不经扒皮直接锻造;锻造采用“盖板宽展”、热轧采用立辊滚边工艺,减少切边量;采用长锭挤压管材,减少几何损失。通过上述措施,钛加工材成品率从48%提高到54%,在国内居领先地位。
(五)钛粉末冶金
1974年,宝鸡所宋春福等采用粉末轧制工艺研制多孔钛板和钛带。他们设计并制造了省内第一台辊径200毫米的粉末轧机,研制出用作过滤材料的多孔钛板和30米长的多孔钛带。同期,该所李元喜、杨文龙采用冷等静压技术和粉浆挤压技术,制造大型钛过滤管和小尺寸多孔钛管,在国内形成系列产品,1980年获省科技成果三等奖。1979年,该所唐仁波、兰涛在开发钛粉末冶金阀门的基础上研制了国内第一批氢化法的齑纯TC4钛合金粉末,并加工成棒材,1987年获省有色金属公司科技进步二等奖。
1982年,该所王世杰、王长京等设计制造了国内第一台等离子旋转电极制粉设备,制取了国内第一批低氧球形TC4钛合金粉末,1984年获有色金属总公司科技进步四等奖。1983年,该所廖际常研究成功钛-32钼耐蚀钛合金管和棒的粉末热挤压工艺,为在盐酸介质中工作的耐酸泵提供泵轴。
(六)钛的爆炸复合加工
1966年,宝鸡所李正华等开始研究爆炸复合加工新技术,以钛-钢爆炸复合材料为主,同时研制出钛-铜、铝-铜、不锈钢-钢等50多种爆炸复合材料。自1970年起,他们爆炸出了3平方米钛-钢复合板用于化学工业,在氧化塔中经5000小时考核试用,钛表面呈金属光泽,无腐蚀痕迹。1975年,他们又为国产24万吨尿素的生产设备研制复合板和管板,仅用半年时间成功爆出8平方米钛-钢复合板和直径2米多的碟形管板,结合率和剪切强度均创国内最好水平,1978年获全国科学大会奖。
二、锆、铪及其合金
1968年初,冶金工业部有色金属研究院锆合金研究组搬迁到宝鸡所,建立了手段较齐全、领域较广的核材料实验室,继续从事锆-2合金和新型高强度锆合金的研究。
(一)○九工程用锆-2管加工
1969年初,为完成冶金部下达的13种规格锆、铪材(其中包壳无缝锆-2管3840根)的生产任务,宝鸡所和宝鸡厂在王道隆具体指导下,江河等首先研制出锆-锡-镍-铬四元中间合金,解决了元素锡偏析问题,铸锭一次合格率由70%提高到95%。刘振球等沿生产线跟料检查,调整了三辊轧管机的辊型一致性,避免了管材横断面的梅花状缺陷;采用最佳退火工艺,保证了管材高温屈服强度的稳定,使成品率由原来的15%提高到25%,采用钢管代替钢棒作锆管退火支撑芯杆,防止了锆管变形,又缩短了退火周期。管材在高温高压蒸气中腐蚀后,表面经常出现白条和云雾状等异常现象,祝洪耀等做了大量腐蚀、解剖实验,找出了原因,解决了锆管生产中最一个难点。1970年,轧制出6288支管,超额完成了生产任务。截止1973年,为○九工程提供25吨锆材和2.5吨铪材,为国内第一批核潜艇下水做出了贡献。1987年6月该项目获国家科技进步特等奖子项奖和有色金属总公司科技进步一等奖。
(二)铪管加工
铪的熔炼加工技术研究始于1967年,宝鸡厂王华森等采用电了束熔炼技术,降低电极的比表面积,选择合理的熠炼工艺参数,把熔炼和提纯结合起来,提高了铪锭的成品率。吴宝科等对铪管加工工艺进行了系统研究,选择合适的锻造比、挤压筒和包套,解决了管坯裂纹问题,提高了管材外表面质量;采用拉铰方法,清除管材内表面缺陷;采用多道次、小变形轧制法,解决了管头轧制开裂和内表面起趋问题;从而确立了铪管的合理加工工艺,成品率从25.5%提高到63.3%。
(三)七二八工程用铪-4合金
七二八工程是中国自已设计并建造的第一座核电站——秦山核电站,核燃料元件包壳采用锆-4合金管。1973年,宝鸡所杨芳林等在研究和生产锆-2合金的基础上,试制工作一开始就以生产规模进行,1974年成功地生产出锆-4合金管、板、棒材,性能满足用户要求。1975年,田振业等对淬火工艺、加工工艺、氢化物的分布及其影响规律、合金的组织结构、以及废料回收工艺等,进行了全面研究,同年通过冶金部鉴定,1980年获国防科工委技术成果三等奖和省冶金局重大科技成果奖。1985年,宝鸡厂、宝鸡所结合秦山核电站建造任务,确立起工业规模生产锆-4合金材的生产工艺。通过铸锭不经锻造而直接淬火、挤压、大加工量冷轧、管材内喷砂处理和批量产品的真空退火等,生产成本降低了2/3。1989年获有色金属总公司科技进步一等奖,1990年获国家科技进步二等奖。
(四)低温供热反应堆用锆-4合金方管
1985年,宝鸡所杨芳林等开始研制5兆瓦低温供热实验反应堆用锆-4合金薄壁方管。在研究过程中着重解决了如下关键:(1)确定大尺寸锆-4合金薄板、管材的气体保护焊接工艺;(2)异型拉伸模具及拉伸卡头的设计与制造;(3)选择拉伸薄壁异型管的涂层和润滑剂;(4)确定薄壁异型管的拉伸工艺及高精度矫形工艺;(5)产品最终尺寸精度的全方位测试方法及数据处理程序。产品在清华大学建造的低温供热堆中经满功率运行考核后,方管的质量达到国外同类产品水平,填补国内空白,1989年12月通过有色金属总公司和国家教委共同组织的技术鉴定。
(五)锆材民用推广
1975年,宝鸡所丁长安等先后用锆材加工成双氧水生产用的浓缩管和水解管、尿素生产用的P4阀、酸介质条件下的再沸器、流量计和温度计套管等。1984年他们又研制出氧化预膜锆材,通过现场挂片试验和应用考核证明,更进一步提高了锆材的耐蚀和耐磨性能,这种预膜锆材在国内化工等领域获得越来越多的应用。到1989年,锆材的民用推广项目创利润200多万元,并获1000多万元的社会效益。1981年,锆在双氧水生产中应用项目通过了部级鉴定;1987年锆制P4阀获西安有色金属公司科技进步二等奖。
三、难熔金属及其合金
1965年,宝鸡厂和宝鸡所建起一支力量较强的难熔金属科研生产队伍和设备配套的加工生产线,成为国家难熔金属科研、生产主要单位之一。
(一)钨、钼及其合金
1.钨、钼材加工 1967年,宝鸡所沈玉蓉等开始研究粉末冶金钨板、钨箔材的加工工艺。采用真空垂熔和直接轧制的办法,大大简化了生产工序,提高了钨板、钨箔成品率,质量达到世界先进水平,1978年获省科学大会奖。1971~1973年,宝鸡厂刘天文等采用钼条低温烧结方法,取代了垂熔烧结法,生产率提高2倍,属国内先进水平。1974~1977年,该厂于少昌等采用钨-钍粉末一次还原法,控制粉末粒度范围,提高产量20%。1976年,宝鸡所和宝鸡厂李应泉、温锡忠等对国外钨丝做了全面性能测试,找到了合适的加工工艺,改善了钨-铝条组织的均匀性,减少了粗、中丝的劈裂现象,细丝合格率由65%提高到94%,制成双螺旋丝灯炮寿命在1000小时以上。1985年,宝鸡厂王桥等通过控制碱洗液的浓度和温度,解决了钼片表面出现的白点问题,保证了钼片质量。
2.特种钨、钼制品 70年代初期到中期,宝鸡所殷为宏等研制钨渗银铜合金的固体火箭发动机喷嘴喉衬。他们探讨了材料“发汗”机理,建立了一套专用的高温测试设备,测试了高达2500~2800℃ 基体材料的高温性能,在实验基础上研制了多发喉衬,并进行了地面试车,材料性能满足要求,是一项重要的技术储备。
1967年宝鸡所张淑芬等研制高纯钨、钼单晶,1969年制成纯度大于99.99%、φ10×100毫米的钨、钼单晶,为难熔金属单晶在宇航工业中的应用创造了条件。
钼顶头是无缝钢管管坯穿孔的高效长寿工具。1974年,宝鸡厂邓炬等先在TZC钼合金基础上研究新型粉末冶金钼顶头,具有良好、稳定的穿孔性能,平均使用寿命比铸态的TZM顶头高2.7~3倍,1975年由上钢五厂试用鉴定,1976年投入工业生产。1984年12月宝鸡厂同冶金部钢铁研究总院等5个单位一起获国家发明二等奖。
1968年,宝鸡所宋春福采用粉浆挤压工艺制成电子工业用小直径钨管和钼管,1975年李应泉改进了工艺参数,制成了大直径钨管坯,成为旋压钨管生产的主要管坯来源,1978年粉浆挤压钨、钼管工艺获全国科学大会奖。1974年,刘伯臣等研制成功WD系列温轧管机,解决了难熔金属的温轧问题。同年,赵兴乙、刘伯臣等在国内首次开展变形钨、钼管的研究,采用氢气-压缩空气混合火焰加热和短芯头旋压技术制取8种不同规格的钨、钼管,1978年获省科学大会奖。
(二)钽、铌及其合金
1.钽、铌材加工 宝鸡厂和宝鸡所1975年开始生产供高压钠灯用的铌管和铌片,1980年其质量达到美国ASTMB393-80标准。1979年电容器钽丝质量攻关组胡清熊等用粉末冶金法,研究成功微量无素添加刘和添加方法,解决了引线钽丝在高温下与钽阳极烧结后分散性发脆问题,比熔炼法的成品率提高15%,达到国外钽丝标准。
2.特种钽、铌制品的研制 1967年,宝鸡所张淑芬等制成纯度大于99.99%,φ10×100毫米的钽、铌单晶。1974年,完成了定向面铌单晶制取工艺的研究,拉制出φ17.6×100毫米的(110)、(100)和(111)铌单晶,1981年他们又完成了定向面难熔金属单晶制取工艺研究,拉制出φ5×100毫米的(110)、(100)和(111)钽单晶,为中国电子技术、高能物理、激光和全息摄膨等尖端部门提供材料。
1969年底,宝鸡所高玉良等对铌-752合金的电子束熔炼、压力加工工艺进行了较深入的研究。1970年试制成功第一批铌-752合金板、棒和管材,为制造高温天线提供了试验料。1978年这种天线在中国回收卫星中应用成功,同年获全国科学大会奖。
1974年,为研制火箭发动机用铌合金喷管延伸段,该所组织了以刘雅庭、石玉峰为首的会战组。在研制过程中,该组突破了C-103铌合金板材生产工艺、成型、加涂、焊接、等离子喷涂及无损检验6大技术难关,1975年轧出供试验用的C-103铌合金板材。1976年,用3.5×700×700毫米铌合金板材旋压出内径313.3毫米、出口内径630毫米、长482毫米、壁厚1.0毫米的喷管成品件。他们将筛选的硅化物涂层加涂在喷管上,经整体熔烧后,其热震及静止抗氧化性能优于国外涂层;经过焊接试验,把带有涂层的喷管和加强筋成功地焊接在一起。1979年底用户在23公里高空试验8次,其性能超过设计值。1982年通过冶金部和航天部联岔鉴定,达到国外同类产品技术水平,1983年获有色金属总公司重大科技成果二等奖,1985年又获国家科技进步三等奖。1988年铌合金喷管用于发射“风云1号”气象卫星。
四、贵金属及其合金
陕西黄金冶炼历来采用火法和湿法冶炼。火法冶炼工艺简单,易操作。安康金矿冶炼含金原料,择优配方,造酸性渣,冶炼后获得94%以上合质金。湿法冶炼为潼关金矿所采用。对工艺曾进行改造,取得较好效果。1982年该矿建成浮选精粉氰化——锌丝置换冶炼工艺,由于效果太差,未能应用。1986年对电解钢棉直接冶炼法进行工艺改造,采用水洗电解钢棉,得金银泥,金银分离后,分别冶炼得金、银产品,金成色达98%,银成色达99%以上。
1966年,宝鸡所开始研制和生产金、银、铂、铑、钯、铱、锇、钌等贵金属材料及其复合材料,经过20多年的发展,产品达到30个品种,已成为全国贵金属材料研制生产的主要单位之一。
1969年初,该所李景臻等首先仿制国外钯-银-金合金,生产出一批管材。苏州无线电专用设备厂用这种管材制造出国内第一台氢气净化装置,使全部依靠进口的局面得到改观。从1971年开始,他们由仿制走向创新,相继研制出PdAgAuNi、PdAgAuY两种独特的氢气净化材料,比国外的强度高、寿命长,氢气净化效果达到国际先进水平。1984年获国家发明三等奖。
1970年,该所林永新等采用中频炉真空充氢熔炼技术,炼出银-镁-镍合金锭,并轧制出板材。1971年,他们对银-镁-镍合金的理论,包括氧质点形成动力学及其形态对合金性能影响、镍在合金中的行为等进行了研究。1973年,银-镁-镍合金板材投入工业生产。1974年这种板材装入JZX-10M、JZC-1M、JRC-7M小型军用继电器,效果良好;1980年,装有这种合金接点的继电器用于国内首次向太平洋海域发射的运载火箭;1982年,获省科技成果二等奖。
1975年,该所沈其峰等采用真空感应炉充氩熔炼、冷轧开坯、爆炸复合或连续钎焊复合、冷拉成型等技术,开展贵金属复合材料的研究。1978年,研制出AgCuNi/CuNi异性双层复合接点材料,装在中小负荷JT型弹力式铁路信号继电器和JRX-27F型电话继电器上,使用寿命分别达250万次、1亿次以上,节省金属铂和钯50%,1982年获省科技成果二等奖。
五、铜、铝及其合金
(一)铜管材加工
1974~1975年,西安铜管厂(原西安铜合金厂)聂俊林,通过更新模具和选用合理的拉伸、润滑和退火工艺,解决了黄铜管材的裂纹、竹节和扒皮撕裂等质量问题,成品率由30% 提高到70%以上;采用水爆氧化皮、中和水洗法,消除了软态紫铜管表面的花斑缺陷,成品率由50%提高到80%以上。1978年聂俊林等从改进润滑工艺入手,解决了H96散热扁管的竹节问题,成品率由47%提高到73%。
(二)锡青铜连杆衬套。
1979年初,镇安县铜合金厂生产汽车用锡青铜连杆衬套。开始用地坑焦碳坩埚熔炼工艺,质量差,成分不稳定。1981年,研制出旋风焦碳坩埚,合金成分容易控制。同年,转入加工研究,采用压延、冲压技术,生产汽车连杆衬套6个型号、16种规格,质量符合要求。其中吉普(BJ212)摇臂卷制衬套,填补省内空白,1986年获西安有色金属公司科技进步三等奖。
(三)铝熔炼和加工
1969年西安铜管厂开始铝及铝合金毛细管的试生产。1971年该厂聂俊林采用合理的退火、润滑工艺,解决了铝及铝合金料过烧不能拉伸变形和粘铝问题,小批量生产的LF21铝毛细管,应用在“东风三号”导弹上,1978年获省科学大会奖。
1969年铜川市铝厂采用电解工艺生产铝锭。1975年陈修业、连凯和等与沈阳铝镁设计院的科技人员共同设计制造的铝坯连轧机组,是国内第一台直接用电解铝液连铸连轧(φ9.5毫米,铝盘条的机组,1980年获省科技成果二等奖。
1976年西安铝材厂用电阻炉熔炼铝、半连续铸造锭坯。1981年采用玻璃纤维布过滤铝熔体新技术,铸锭成品率提高5.13%。1985年蓝孟戍等自行设计制造了1台2吨电阻熔铝炉,使每吨铸锭生产的电耗指数由1432千瓦时降至820千瓦时,生产率提高3倍,后又购置1台横向铸造机组,由半连续铸造发展为连续铸造,铸锭废品率降低了3%。
六、半导体材料
(一)多晶硅制造
1977年华山半导体材料厂(简称华山厂)采用三氯氢硅还原工艺生产7个“9”的高纯多晶硅。1980年杨有超、于奎仁等改造了粗氢净化装置,粗氢中的氧含量降到1/10万以下,露点—15℃以下,它使多晶硅质量达到国内外先进水平,当年获省冶金局科技成果二等奖,1982年部分多晶硅出口英国。
1983年,该厂场有超等完成了从高低沸点四氯化硅液中回收三氯氢硅物料和从尾气中回收氢气的研究任务。他们采用湿法回收技术和精馏分离技术每日回收三氯氢硅达3930升,回收氢气100立方米每时,大大降低了生产成本,每年节约资金35万元。
(二)单晶硅制造
1975年华山厂刘瑞喜等进行区熔N型高阻大直径硅单晶制备攻关,在氢气氛下生产出φ50毫米区熔硅单晶,用于制作500安、2500伏整流元件,1978年获省科学大会奖。
1977年,该厂杨新胜等为北京毛主席纪念堂研制的P<100>0.25~0.40欧·厘米硅单晶用于制造MOS开关器件,其性能优良,受到工程指挥部的嘉奖。1978年,该厂张伟等开始研制P<111>电路级单晶,并用于中国第一颗同步卫星和东方红2号甲通讯卫星上。1983年杨新胜等研制的直径76毫米集成电路单晶,其质量达到国内先进水平,无旋涡率达90%,碳含量达6×1016个每立方厘米以下,N<111>低频大功率管级单晶,用于制造硅靶摄象管,其质量居全国前列。
(三)硅太阳能电池
1976年华山厂刘瑞喜等研制成功20×20毫米印刷栅极太阳能电池;1982年,同西安交通大学合作研制成功直径75毫米印刷栅极线太阳能电池,光电转化率达11%,产品用于草原牧场太阳能电池灯和电围栏。1983年获省科研感果三等奖。
七、分析测试
(一)化学分析
1966年宝鸡所分析化学研究室拥有120多台套化学分析仪器,其中主要有PW404型等χ射线荧光光谱仪、GE340型等原子发射光谱仪、PE5000型等原子吸收光谱仪、CS344型和RO416DR型等气体分析仪。1980年,开始承担国家级、部省级优质产品的质量检验任务,1986年指定为陕西省有色金属产品质量监督检验站,1988年被定为有色金属总公司西北质量检验测试中心。截止1989年底,该室共完成分析化学领域的各种研究课题350多项,其分析方法已形成系列化和标准化。
1967~1970年,该所李燕等用χ射线荧光光谱分析法代替长期使用的化学分析法分析锆-2合金主要成分,提高了分析精度,并向外省推广使用。1974~1976年,陈觉等完成了钨、钼及其合金的冶金部标准分析方法,1978年获冶金部科学大会奖。1976年该所于广聪等自行设计制造了多台专用分析仪器,建立了难熔金属中高氢、高氧、高碳、低氢、低氧、低碳、低氮等分析方法,并研制出钛合金中测定氧含量的标准样品,填补了国内空白,1978年获冶金部科学大会奖。1983~1985年该所朱自强等完成的钛及钛合金的分析研究,有15种元素的测定方法列为国家分析标准,1986年获有色金属总公司科技进步三等奖。
(二)性能测试
60年代中期,陕西冶金系统就建立起一支有色金属物理、机械性能测试技术的研究队伍百余人,拥有各类检测仪器130台套,其中有PSEM-500χ扫描电镜、Leitz T·A·S图像分析仪,Instron 1185万能材料试验机和APD1700χ射线衍射仪等,开展了一系列物理检测装置和新方法的研究。
1968~1972年,宝鸡所黄汉良、陈洪荪等建立了1000℃以上金属高温物理性能综合测试装置,可测定金属熔点、发射率、电阻率、热膨胀系数等参量。何泓等建立了直接通电加热至3000℃和间接加热至2500℃ 的高温拉伸试验方法,1978年获省科学大会奖。
1975年华山厂鲁建平、赵振东等研制成功4探针电阻率数字测试仪,采用除二电路取代人工对电阻率正反向数字平均值法,数字直观显示、精度高、误差小、速度快。
1979年,宝鸡所何全波等研制出自动控温多炉拉伸试验装置,与WJ-10型材料试验机配套使用,6个炉子构成回转更替系统,实现了一机多炉,使高温拉伸工作效率提高4~5倍,1983年获有色金属总公司科研成果四等奖。
1983~1985年,宝鸡厂胡绍庭等研究金属管材的探伤方法及探伤设备,用4个探头测纵向缺陷,用2个线聚焦探头测横向缺陷,用多通道探伤仪对讯号进行实时采集,由微机处理信号,保证了管材壁厚、内外径、椭圆度和偏心量等参数的检测可靠性。检测结果的重复性和消除管端盲区2项技术指标。达到并超过了国外80年代商品设备水平。
1987年12月,华山厂谢日珍参与制定的《硅材料原生缺陷图谱GBn266-87》标准,通过国家级鉴定,为国内首创,1989年获国家技术监督局科技进步二等奖。

钛合金机加工特性的简单介绍

      钛合金即在工业纯钛中加入合金元素,以提高钛的强度。钛合金可分三种:α钛合金,β钛合金和α+β钛合金。α+β钛合金是由α和β双相组成,这类合金组织稳定,高温变形性能、韧性、塑性较好,能进行淬火、时效处理,使合金强化。
钛合金的性能特点主要表现在:
1) 比强度高。钛合金密度小(4.4kg/dm3)重量轻,但其比强度却大于超高强度钢。
2) 热强性高。钛合金的热稳定性好,在300~500℃条件下,其强度约比铝合金高10倍。
3) 化学活性大。钛可与空气中的氧、氮、一氧化碳、水蒸气等物质产生强烈的化学反应,在表面形成TiC及TiN硬化层。
      导热性差。钛合金导热性差,钛合金TC4在200℃时的热导率l=16.8W/m•℃,导热系数是0.036卡/厘米•秒•℃。
      钛合金材料由于其密度小,比强度高,耐高温,抗氧化性能好等特点,应用广泛。
钛合金机加工特性分析
      首先,钛合金导热系数低,仅是钢的1/4,铝的1/13,铜的1/25。因切削区散热慢,不利于热平衡,在切削加工过程中,散热和冷却效果很差,易于在切削区形成高温,加工后零件变形回弹大,造成切削刀具扭矩增大、刃口磨损快,耐用度降低。其次,钛合金的导热系数低,使切削热积于切削刀附近的小面积区域内不易散发,前刀面摩擦力加大,不易排屑,切削热不易散发,加速刀具磨损。最后,钛合金化学活性高,在高温下加工易与刀具材料起反应,形成溶敷、扩散,造成粘刀、烧刀、断刀等现象。
刀具材料的选择
      刀具材料选用应满足下列要求:
•足够的硬度。刀具的硬度必须要远大于钛合金硬度。
•足够的强度和韧性。由于刀具切削钛合金时承受很大的扭矩和切削力,因此必须有足够的强度和韧性。
•足够的耐磨性。由于钛合金韧性好,加工时切削刃要锋利,因此刀具材料必须有足够的抗磨损能力,这样才能减少加工硬化。这是选择加工钛合金刀具最重要的参数。
•刀具材料与钛合金亲合能力要差。由于钛合金化学活性高,因此要避免刀具材料和钛合金形成溶敷、扩散而成合金,造成粘刀、烧刀现象。
      经过对国内常用刀具材料和国外刀具材料进行试验表明,采用高钴刀具效果理想,钴的主要作用能加强二次硬化效果,提高红硬性和热处理后的硬度,同时具有较高的韧性、耐磨性、良好的散热性。
铣刀的几何参数
      钛合金的加工特性决定刀具的几何参数与普通刀具存在着较大区别。
•螺旋角β 选择较小的螺旋升角,排屑槽增大,排屑容易,散热快,同时也减小切削加工过程中的切削抗力。
•前角γ 切削时刃口锋利,切削轻快,避免钛合金产生过多切削热,从而避免产生二次硬化。
•后角α 减小刀刃的磨损速度,有利于散热,耐用度也得到很大程度的提高。
切削参数选择
      钛合金机加工应选择较低的切削速度,适当大的进给量,合理的切深和精加工量,冷却要充分。
•切削速度Vc Vc=30~50m/min
•进给量f 粗加工时取较大进给量,精加工和半精加工取适中的进给量。
•切削深度ap ap=1/3d为宜,钛合金亲合力好,排屑困难,切削深度太大,会造成刀具粘刀、烧刀、断裂现象。
•精加工余量αc适中 钛合金表面硬化层约0.1~0.15mm,余量太小,刀刃切削在硬化层上,刀具容易磨损,应该避免硬化层加工,但切削余量不宜过大。
冷却液
      钛合金加工最好不用含氯的冷却液,避免产生有毒物质和引起氢脆,也能防止钛合金高温应力腐蚀开裂。
      选用合成水溶性乳化液,也可自配用冷却液。
      切削加工时冷却液要保证充足,冷却液循环速度要快,切削液流量和压力要大,加工中心都配有专用冷却喷嘴,只要注意调整就能达到预期的效果。
      通过对钛合金的特性分析,解决了钛合金切削加工过程中存在的难题;通过编制正确、科学的加工工艺,可以降低成本,提高生产效率,得出如下结论:
•用加工中心精加工钛合金,满足了零件形状复杂,高精度的要求,且可多件同时加工,提高生产效率。
•高钴刀具材料是钛合金理想的加工刀具。
•选择合理的刀具几何参数、切削参数、冷却液,可以延长切削刀具寿命,提高生产效率。

Φ8-32mm七辊矫直机组简介

Φ8-32mm七辊矫直机

Φ8-32mm七辊矫直机

Φ8-32mm七辊矫直机

Φ8-32mm七辊矫直机

        该机组安装于西安某稀有金属材料加工企业,主要用于矫直钽、铌、钛、钛合金TC4等冷轧管材,壁厚从0.2mm-4.5mm之间;设计矫直精度0.5‰;交货时实测<0.3‰;矫直速度≤30m/min,无级调速。

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