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TA1冷轧钛箔材拉矫工艺研究

发布时间:2024-12-22 06:40:03 浏览次数 :

钛及钛合金以其优异的耐腐蚀性、高强度和轻质特性,在航空航天、化工、医疗等领域得到了广泛应用[1]。其中,TA1纯钛箔材具有良好的塑性加工性能和焊接性能,因其薄而均匀的特点,在电子、新能源等领域具有广阔的应用前景[2]。然而,在钛箔材的冷轧过程中,由于材料本身的特性和工艺参数的复杂性,往往容易出现板型和尺寸精度问题,严重影响了产品使用性能要求。

拉矫工艺作为一种重要的后续处理手段,通过对钛箔材施加一定的拉伸和矫直力,能够有效改善其板型、表面质量和尺寸精度。拉矫工艺的基本原理是利用拉伸力和矫直力的作用,使钛箔材在拉伸过程中产生塑性变形,从而消除冷轧过程中产生的残余应力和表面不平整现象。因此,研究TA1冷轧钛箔材的拉矫工艺,对于提高钛箔材的产品质量、降低生产成本、推动其广泛应用具有重要意义。

1、试验材料及拉矫工艺

本次试验所采用的材料为TA1冷轧钛箔材,规格为0.25m×500m×Lmm。在20辊650mm森吉米尔轧机上,经多道次冷轧加工,从0.6mm厚度钛箔材精轧到0.25mm,碱洗脱脂后进行在线退火处理,在线退火温度750~780℃,速度12~15m/min。

本次采用的拉矫设备为23辊拉矫机,拉矫张力设定30~50kN,控制拉伸变形量在0.6%~0.8%,拉矫过程采用的拉矫速度为50~60m/min。

23辊冷拉伸弯曲矫直机如图1所示,通过23辊拉伸弯曲矫直机可以有效地矫直钛箔材的板型,经前后2组S辊使钛箔材承受一定的张力,同时采用小直径工作辊正反交替弯曲带材,拉伸应力与弯曲应力叠加,使带材不等长纵向组织在全厚度上同时塑性延伸拉长,弹性收缩后在全宽度上保持相同长度,从而减小或基本消除导致板型不良的带材应力,从而获得较高的平直度。

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拉轿机上下轿直辊之间的缝隙是可以调节的,如图2所示。可根据被矫钛箔材的材质、厚度、板型等不同选择不同的辊缝,可调节轿直张力T、轿直辊齿合量h、延伸率等参数达到较高的平直度。

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2、拉矫对钛箔材板型、表面变化的影响

2.1拉矫前后钛箔材板型的变化

拉矫前后0.25mm钛箔材的板型前后如图3所示,从图3(a)中可以看出,钛箔经20辊冷轧,碱洗脱脂后,成品在线退火温度750~780℃,速度12~15m/min后,钛箔材两边存在明显的单波浪,波浪高度10~15mm/m。从图3(b)中可以看出,在拉矫设备为23辊拉矫机上进行拉矫,拉矫张力设定30~50kN,控制拉伸变形量在0.6%~0.8%,拉矫过程采用的拉矫速度为60m/min。拉矫前0.25mm钛箔两侧存在较大的边浪,经过拉矫后,边部呈平直状态,边浪消失的板型小于等于2mm/m。根据拉矫原理,在钛箔拉矫过程中,通过对钛箔材施加一定的拉伸和矫直力,使钛箔材在拉伸过程中产生塑性变形,从而消除冷轧过程中产生的残余应力和板面不平整的现象。所以,经23辊拉矫机上拉矫后,0.25mm厚度的钛箔材,因轧制过程不均匀变形引起单边浪,再经过退火后,轧制变形引起的内部应变力,得到消除和回复,材料表现出的现象,退火后边浪变得更加明显。通过拉矫,材料二次内部应力达到平衡,即通过塑性变形的拉伸和矫直,材料的板面变得平整,边浪得到改善。

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2.2拉矫前后对钛箔材表面粗糙度的影响

TA1厚度0.25mm钛箔材在23辊拉矫机拉矫后,在100X金相显微镜进行观察,拉矫前后表面形貌有明显变化。图4所示为厚度0.25mm钛箔材拉矫前后表面形貌,对比分析,图4(a)中可以看出,放大100X观察拉矫前钛箔材表面有着明显轧制流线条纹,而经23辊拉矫后,相比拉矫前钛材表面明显变得光洁一些,经拉矫轧制纹明显减轻,表面更加平整,拉矫可以使钛箔材表面变得更光洁一致(图4(b))。钛箔材在拉矫机前后张力辊张力的作用,材料同时受到了纵向拉矫力和弯曲应力的作用,使得材料表面产生微小变形,消除轧制变形过程形成轧制表面“微小山峰”形貌,进一步得到了削减和消除,因此,在100X金相显微镜观察后表面变得更加光洁一致。

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表1为拉矫前后表面粗糙度测量结果,相比于拉矫前横纵向的表面粗糙度有明显降低,材料通过拉矫机矫直单元有轻微的压下量变形,矫直辊削减了材表面的“微小山峰”,表面粗糙度Ra得到明显改善。对比钛箔材横向粗糙度实测值发现,拉矫前和拉矫后,横向平均Ra值由0.355μm变为0.311μm,纵向平均Ra值由0.229μm变为0.194μm。从横纵测量的结果可以得出,材料轧制表面横纵粗糙度通过拉矫轻微变形后,表面粗糙度降低,表面质量得到了改善。

2.3拉矫前后对表面硬度的影响

厚度0.25mmTA1拉矫前后的表面硬度值测量对比分析见表2,拉矫前材料表面硬度HV0.5值为111、113和115,结果表明材料通过成品退火,在线退火温度750~780℃,速度12~15m/min后,材料发生恢复再结晶,因轧制变形引起的加工硬化效果完全消除,在拉矫前变形呈明显单波浪(波浪高度10~15mm/m),从图3(a)可以看出。钛箔材的拉矫工艺相当于材料的二次冷轧变形加工硬化过程,通过测量拉矫后材料表面硬度值HV0.5为124、126和128,相比拉矫前材料表面的硬度值略有提高,材料的强度和塑性变化不大(见表2)。

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3、拉矫对钛箔材组织及力学性能的影响

3.1拉矫对钛箔材显微组织的影响

图5为拉矫前后的厚度0.25mm钛箔材显微组织,钛箔经20辊冷轧,碱洗脱脂后,成品在线退火温度750~780℃,速度12~15m/min热处理后,材料发生再结晶恢复现象,晶粒并发生长大。在100X金相显微组织观察,拉矫前材料成品退火平均晶粒尺寸31.8μm(图5(a)),在23辊拉矫机上拉矫,拉矫后厚度0.25mm钛箔材,在100X金相显微组织观察,拉矫后材料成品退火平均晶粒尺寸30.2μm(图5(b))。对比分析,拉矫前后材料平均晶粒尺寸没有明显的变化,主要是由于材料拉矫变形量较小,拉矫变形按延伸率不超过0.8%的参数设定,材料临界拉矫变形后,材料内部晶粒未达到变形条件,故在0.8%拉矫变形条件下,材料内部组织基本未没有发生变化。

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3.2拉矫对钛箔材拉伸性能的影响

厚度0.25mmTA1拉矫前后的拉伸性能对比分析见表3,材料通过成品退火,在线退火温度750~780℃,速度12~15m/min后,材料发生恢复再结晶,因轧制变形引起的加工硬化效果完全消除,拉矫前材料测量的横向拉伸强度Rm值为312MPa,屈服强度Rp0.2值为224MPa,延伸率A50为36.5%,测量的纵向拉伸强度Rm值300MPa,屈服强度Rp0.2值为198MPa,延伸率A50为46%。拉矫后材料横向和纵向的抗拉强度测量结果比较接近,抗拉强度Rm范围为300~312MPa。纵向屈服强度Rp0.2值比横向的略低,延伸率A50比横向高9.5%。结果表明,在线退火温度750~780℃,速度12~15m/min,成品退火材料发生恢复再结晶,材料成品横、纵拉伸性能基本恢复轧制变形前状态,横纵屈服强度差异,是因钛箔材卷式单向轧制变形,造成晶粒取向的各向异性(图5(a))。在23辊拉矫机上拉矫,拉矫张力设定30~50kN,控制拉伸变形量在0.6%~0.8%,拉矫过程采用的拉矫速度为50~60m/min厚度0.25mm,钛箔材抗拉强度Rm和屈服强度Rp0.2值略有提高,延伸率基本无变化。

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4、结论

1)设定合理的拉矫矫直工艺参数,不仅可以改善成品纯钛箔单边浪板型问题,同时经过拉矫直轻微变形,还可以降低表面粗糙度,使表面质量得到提高。

2)成品退火纯钛箔材轻微拉矫前后,材料内部平均晶粒尺寸大小基本不变。

3)在线退火的纯钛箔材,经过轻微的拉矫变形矫直工艺后,纯钛箔材硬度、强度略有提高,延伸率A50基本变化不大。

参考文献:

[1]李伟,李争显,刘林涛,等.氢燃料电池中钛双极板研究进展[J].钛工业进展,2018,35(6):10-15.

[2]温方明,李渤渤,陶会发,等.精密钛箔带材制备及应用[J].材料开发与应用,2021,36(2):58-61.

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