Способ получения двутавра из титанового сплава Российский патент 2023 года по МПК B21B3/00 B21B1/08 B21B1/88 C22F1/16 

Изобретение относится прокатному производству и может быть использовано при прокатке двутавров из титановых сплавов на обжимных станах.

Известно изобретение [1] (Патент RU №2487955 С1 МПК С22С 14/00; С22F1/18; F28F3/00, опубликовано 20/07/2013, бюл. №20): где лист из чистого титана, содержащий титан и неизбежные примеси, имеет предел текучести 215 МПа или выше, лист из чистого титана имеет средний размер d зерна его структуры 25 мкм или больше и 75 мкм или меньше, и лист из чистого титана имеет гексагональную кристаллическую структуру, при этом соответствующие зерна в гексагональной кристаллической структуре имеют среднее значение коэффициентов Шмидта (SF) двойников (11-22) с направлением прокатки в качестве их осей.

Недостатком данного способа является то, что оно предназначено для листового проката титановых сплавов.

Известен способ изготовления двутавра для шахтных монорельсовых дорог [2] (Патент RU №2425896 C1, МПК С21D8/00, С21D1/02, опубликовано 10.08.2011, бюл. №22), включающий нагрев заготовки, прокатку при температуре 1040-1100°С, предварительное ускоренное охлаждение отдельных элементов профиля с температуры конца прокатки, выдержку, прерванную закалку до среднемассовой температуры 740-790°С и окончательное охлаждение на воздухе, при этом прокатку проводят до суммарного обжатия 80-85% от площади поперечного сечения раската с последующей выдержкой в течение 12-18 с и формированием готового профиля, после чего одновременно, в течение 0,35-0,45 с, осуществляют предварительное ускоренное охлаждение полок по центру с внешней стороны и в местах сопряжения полок со стенкой профиля, а затем, после выдержки в течение 0,05-0,07 с, проводят прерванную закалку полок одновременно с внутренней и внешней сторон в течение 0,60-0,75 с.

Недостатком данного изобретения является то, что оно предназначено для прокатки стальных двутавров.

Известен способ прокатки заготовок из титановых сплавов на реверсивном стане [3] (патент RU 2025153 C1 МПК В21В3/00, опубликовано 30.12.1994), включающий обжатие металла валками с получением недоката. При этом недокат получают с обжатием при угле захвата до 30^o, соразмерном углу трения, и с длиной деформируемой части, равной 1,5 - 2,0 длинам очага деформации, а затем устанавливают дополнительное обжатие величиной до 0,6 первоначального и катают слиток на всю длину со стороны обжатого конца с соответствующим суммарным обжатием.

Недостатком данного способа является то, что предназначено для прокатки простых сортовых заготовок, где возможна кантовка на 90⁰.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является способ получения сортового проката из титановых сплавов [4] (патент RU №2175581 C2 МПК В21В3/00, опубликовано10.112001, бюл.№31), включающий нагрев предварительно деформированной заготовки и многопроходовую радиально-сдвиговую деформацию, отличающийся тем, что нагрев заготовки осуществляют до температуры на 20 - 60°С ниже температуры полного полиморфного превращения, а многопроходовую прокатку ведут при постоянной скорости вращения валков в установившемся режиме деформирования, причем обжатие в каждом проходе назначают в зависимости от величины снижения температуры прокатываемого металла и определяют согласно выражению

где ε1- логарифмическая степень деформации;
Δtd - приращение температуры прокатываемого металла за счет энергии деформации, °С;
С - теплоемкость металла при температуре деформации, Дж/(кг•°С);
ρ - плотность металла, кг/м3;
Рc- среднее удельное давление, МПа.

Недостатком известного способа является то, что описанная технология рассчитана на прокатку, которая происходит в разнополярном направлении (радиально-сдвиговая), с применением кантовок сортового профиля, а также температуры прокатки соответствовали более низким температурам прокатки (с однородной полиморфной α фазой).

Технический результат на достижение которого направлено предлагаемое изобретение является: изготовление двутавра из титанового сплава, а также улучшение качества прокатываемого профиля за счет исключения кривизны, тем самым получение профиля с более точной геометрией и тем самым снижение КИМ (коэффициента использования металла) при металлообработке у потребителя.

Указанный технический результат обеспечивается благодаря тому, что в способе получения двутавра из титанового сплава, включающий нагрев и многопроходную деформацию в двухвалковых калибрах, в соответствии с изобретением прокатку производят в горячем состоянии, при температуре начала проката 1050⁰С-1100⁰С, где для разрушения межкристаллических связей поверхности заготовки с α – фазой, в начальных проходах, используют степень деформации ε менее 10%, а по мере снижения сопротивления деформации увеличивают степень деформации ε до 20%.

Кроме этого, в зависимости от размера сечения и времени нагрева заготовки количество проходов с деформацией ε менее 10% составляет от 1 до 12 проходов.

Кроме этого, для ускорения разрушения межкристаллических связей поверхности заготовки с α – фазой, производят кантовку заготовки на 180⁰, через каждый 1-2 прохода.

Кроме этого, прокатку производят без прямого водяного охлаждения валков.

Кроме этого, после прокатки заготовки ее неподвижно фиксируют и удерживают в зоне между двух взаимно-параллельных плоскостей не менее 15 мин.

Сущность изобретения поясняется следующими чертежами, на которых изображены:

ФИГ.1. – график сопротивления деформации стали Ст3;

ФИГ.2. – график коэффициентов сопротивления деформации Ст3.

Степенной k_ε и температурный k_т;

ФИГ.3. – график кривы течения титановых сплавов;

ФИГ.4. - Монтажная схема;

ФИГ.5. - Схема прокатки в обжимной клети двутавра 20К из стали;

ФИГ.6. Схема прокатки в обжимной клети двутавра 20К из титана.

ФИГ.7. Схема прокатки в обжимной клети двутавра 134x530x24 из титаносодержащего сплава.

Экспериментально установлено, что степень деформации ε более 20% при снижении сопротивления, при указанных температурах прокатки может привести к снижению вытяжки металла и получению превышенного уширения. Для обеспечения разрушения межкристаллических связей поверхности заготовки с α – фазой при температурах ниже 1050⁰С будет затруднителен, т.к. заданная температура не позволит прогреть внутреннюю часть металла с β-фазой для получения пластических свойств. Для обеспечения разрушения межкристаллических связей поверхности заготовки с α – фазой при температурах выше 1100⁰С произойдет перегрев поверности металла, что приведет к необратимым последствиям и создании трудноразрушаемого альфированного слоя.

В начальных проходах, для разрушения межкристаллических связей поверхности заготовки с α – фазой, используют степень деформации ε менее 10%, потому, что повышенное значение деформации приведет к защемлению металла, который имеет низкую пластичность и как следствие к поломке буртов на валках.

Прокатку производят без прямого водяного охлаждения валков для исключения окисления поверхности и образования новых межкристаллических связей α – фазы.

После прокатки заготовки ее неподвижно фиксируют и удерживают в зоне между двух взаимно-параллельных плоскостей не менее 15 мин. для снижения остаточных напряжений и исключения кривизны заготовки при остывании и образовании α – фазы на поверхности заготовки.

Сущность изобретения заключается в следующем.

Известно, [5] (Целиков А.И. Теория прокатки. А.И. Целиков, А.Д. Томлено и др. / Металлургия. -1982. – 335с.), что при прокатке стальных профилей сопротивление деформации с повышением температуры непрерывно падает по логарифмической зависимости (ФИГ.1) [5].

По графикам коэффициентов влияния степени деформации k_ε и температуры k_т (ФИГ.2.) на сопротивление деформации видна обратно-пропорциональная зависимость, другими словами, для достижения равновесного состояния сопротивления деформации необходимо при увеличении степени деформации на коэффициент k_ε, увеличивать температуру, для снижения коэффициента k_т. Такой процесс применяется при горячей прокатке практически всех сталей, и при расчете режимов обжатий на первых проходах, когда температура выше, а уширение минимально, применяются максимальные степени обжатия, соответственно, когда температура логарифмически снижается, а уширение пропорционально увеличивается, степень обжатия задается меньше.

Известно [6] (Столяров В.В. Влияние комбинированных схем деформации на структуру и механические свойства титановых сплавов / В.В. Столяров // Actual Problems in Machine Building. 2015. - №2. – С. 358-362), что при прокатке титановых сплавов существует кардинальное отличие в том, что сопротивление деформации в зависимости от температуры имеет полиноминальную зависимость с зонами падения и роста сопротивления деформации от температуры. Для прокатки простых профилей из титановых сплавов используют комбинированные схемы деформации.

Согласно аналитическому исследованию [7] (Потапов А.И. Сопротивление деформации титановых сплавов при температурах тёплой и горячей обработки металлов давлением / А.И. Потапов, С.В. Харитонин // Заготовительные производства в машиностроении - №3. – 2013. – С.18-22.) подтверждается полиноминальная зависимость влияния температуры, в качестве примера на ФИГ.3 представлены зависимости сопротивления деформации для сплава ВТ6, при разных скоростях и температурах деформации, однако данное исследование проводилось для одноосного нагружения (штамповке со свободным уширением), при которой по мере обжатия контактная площадь между пуансоном (матрицей) и заготовкой непрерывно увеличивается. Согласно теории пластической деформации любые металлы (за исключением температурных зон фазовых переходов), при увеличении температуры имеют большую подвижность атомов, а соответственно увеличение пластических свойств. Непропорциональная зависимость для титановых сплавов объясняется в работе [8] (Колачёв Б.А. Влияние водорода на окисление титанового сплава ВТ6Ч / Б.А. Колачев, Ю.Б, Егорова. // Известия вузов. Цветная металлургия. - №2. – 2008.), где на примере титанового сплава ВТ6Ч (на котором это свойство ярко проявляется), представлено исследование, что при температурах выше 800⁰С, при длительном нагреве в печи (в качестве примера 3 часа), на поверхности заготовки образуется α фаза, с устойчивыми межкристаллическими связями и повышенной микротвердостью, при этом в сердцевине заготовки преобладает область β фазы, поэтому структура сердцевины достаточно пластичная. Соответственно при прокатке титановых сплавов необходимо учитывать данное свойство и разрабатывать калибровку с учётом низкой пластичности заготовки первых проходах, а также повышенного уширения металла.

При прокатке двутавров в обжимной клети, для закрытых и открытых калибров (ФИГ.4.) расчет степени обжатия производится с расчетом уширения полок и обжатия стенки, поэтому относительные обжатия определяются отношением суммарных обжатий по поверхности профиля из предыдущего и последующего проходов.

Для прокатки фасонных профилей (в том числе двутавров), использование комбинированных схем, как описано в работе [6], или непрерывной кантовки как в изобретении [4], для смены вектора деформации, из-за особенностей профиля не представляется возможным.

Также производить прокатку с постоянным уширением, как описано в работе [7] на примере осадки (одноосном нагружении) в силу особенности конструкции двутавра и необходимости получения готового профиля с определенной толщиной полки также невозможно.

Согласно монтажной схемы (на ФИГ.4 в качестве примера монтажная схема для двутавра 20К), необходимость получения профиля в обжимной клети, соответствующего чистовому калибру III, для стальных профилей производится с расчетом обжатий по логарифмической зависимости (на ФИГ.5 в качестве примера схема обжатий подката для двутавра 20К из стали).

В качестве решения поставленной задачи, для прокатки титановых сплавов, после нагрева заготовки под прокатку, с учетом времени нагрева и температуры, в предлагаемом изобретении, предлагается задавать меньшие значения относительных обжатий, для снижения сопротивления деформации и повышенного уширения в первых проходах. После снижения степени деформации, за счёт «размягчения» α фазы поверхности заготовки и тем самым повышения пластичности, относительные обжатия увеличиваются и в последних проходах, по мере прохождения прокатки, обратно снижаются, другими словами график относительных обжатий также будет обратно-пропорционален графику температур, относительно сопротивления деформации.

Для прокатки заготовки из титановых сплавов предлагается схема обжатий, без изменения калибровки валков, с получением аналогичного профиля, за счет изменения режимов обжатий, при учете прямого или обратно-пропорционального температурного коэффициента, в зависимости от температуры (на ФИГ. 6. в качестве примера схема обжатий подката для двутавра 20К из титана).

В отличии от прототипа, где прокатка происходит в разнополярном направлении (радиально-сдвиговая), как описано в работе [6] с применением кантовок сортового профиля, а также температуры прокатки соответствовали более низким температурам прокатки (с однородной полиморфной α фазой), в предлагаемом изобретении данная зависимость недопустима, т.к. прокатка фасонного профиля происходит в двухплоскостном деформировании с кантовкой на 180 градусов, и отсутствует «размягчение» (перекристализация) α структуры на поверхности металла, за счет отсутствия смены плоскости обжатия. В предлагаемом изобретении режим обжатия определяется полиноминальной зависимостью, а не логарифмической, также в предлагаемом изобретении за счет высоких температур внутренняя часть заготовки после нагрева и с отсутствием окисления поверхности имеет β фазу, которая обладает большей пластичностью.

Испытание по технологии предлагаемого изобретения были осуществлены в цехе широкополочных балок АО «ЕВРАЗ Нижнетагильский металлургический комбинат».

Исходную заготовку для двутавра сечением 290 х 380 мм нагревали до температуры 1050⁰С-1100⁰С, где для разрушения межкристаллических связей поверхности заготовки с α – фазой, в начальных проходах использовали степень деформации ε менее 10%, а по мере снижения сопротивления деформации увеличивают степень деформации ε до 20%. (ФИГ.6)

Пример 1:

Прокатку ведут в обжимной клети в трех калибрах согласно ФИГ.4 за 19 проходов по следующей схеме (ФИГ.6):

- 2 прохода в I-м калибре с относительным обжатием 8% и 8,5%, кантовка на 180º;

- 2 прохода в I-м калибре с относительным обжатием 1,5% и 4,8 %, кантовка на 180º;

- 2 прохода в I-м калибре с относительным обжатием 1,7% и 5,0 %, кантовка на 180º;

- 2 прохода в I-м калибре с относительным обжатием 1,8% и 5,5 %, кантовка на 180º;

- 2 прохода в I-м калибре с относительным обжатием 2,0% и 6,0 %, кантовка на 180º;

- 2 прохода в I-м калибре с относительным обжатием 4,3% и 9,0 %, кантовка на 180º;

- 2 прохода в I-м калибре с относительным обжатием в 13-м проходе 4,8%, в 14-м проходе обжатие увеличивают до 35 %, кантовка на 180º;

- 2 прохода в I-м калибре с относительным обжатием в 15-м проходе 23%, в 16-м проходе - 40 %, кантовка на 180º;

- 2 прохода в II-м калибре, с уменьшением относительного обжатия в 17-м проходе до 8%, и увеличением в 18- м проходе до 27%;

- 1 проход в III-м калибре с относительным обжатием 5%.

Пример 2:

Прокатку ведут в обжимной клети в четырех калибрах за 11 проходов по следующей схеме (ФИГ.7):

- 2 прохода в I-м калибре с относительным обжатием 6% и 4,8%, кантовка на 360º;

- 2 прохода в I-м калибре с относительным обжатием 25% и 27%, кантовка на 360º;

- 2 прохода в I-м калибре с относительным обжатием 27% и 31%, кантовка на 360º;

- 2 прохода в II-м калибре с уменьшением относительного обжатия до 2% в 7-м проходе и увеличением до 19% в 8-м проходе, кантовка на 180º;

- 2 прохода в III-м калибре с уменьшением относительного обжатия до 2,3% в 9-м проходе и увеличением до 14% в 10-м проходе, кантовка на 180º;

- 1 проход в IV-м калибре с относительным обжатием 2,7 %.

С помощью предлагаемого изобретения можно изготавливать двутавровые профили из титановых сплавов.

Технико-экономический эффект способа прокатки двутавров из титанистых сплавов, заключается в улучшении качества прокатываемого профиля за счет исключения кривизны, получении профиля с более точной геометрией и тем самым снижение КИМ (коэффициента использования металла) при металлообработке у потребителя.

Анализ патентов и научно-технической информации не выявил использования новых существенных признаков, используемых в предлагаемом решении. Следовательно, предлагаемое изобретение соответствует критерию «изобретательский уровень».

Источники информации

[1] Патент RU №2487955 С1 МПК С22С 14/00; С22F1/18; F28F3/00, опубликовано 20/07/2013 ,бюл. №20;

[2] Патент RU №2425896 C1, МПК С21D8/00, С21D1/02, опубликовано 10.08.2011, бюл. №22;

[3] Патент RU 2025153 C1 МПК В21В3/00, опубликовано 30.12.1994;

[4] Патент RU №2175581 C2 МПК В21В3/00, опубликовано10.112001, бюл. №31;

[5] Целиков А.И. Теория прокатки. А.И. Целиков, А.Д. Томлено и др. / Металлургия. -1982. – 335с.

[6] Столяров В.В. Влияние комбинированных схем деформации на структуру и механические свойства титановых сплавов / В.В. Столяров // Actual Problems in Machine Building. 2015. - №2. – С. 358-362.

[7] Потапов А.И. Сопротивление деформации титановых сплавов при температурах тёплой и горячей обработки металлов давлением / А.И. Потапов, С.В. Харитонин // Заготовительные производства в машиностроении - №3. – 2013. – С.18-22.

[8] Колачёв Б.А. Влияние водорода на окисление титанового сплава ВТ6Ч / Б.А. Колачев, Ю.Б, Егорова. // Известия вузов. Цветная металлургия. - №2. – 2008.

Изобретение относится к способу получения двутавра из титанового сплава. Осуществляют нагрев и многопроходную деформацию в двухвалковых калибрах. Прокатку производят в горячем состоянии при температурах начала проката 1050-1100°С, при этом для разрушения межкристаллических связей поверхности заготовки титанового сплава с α–фазой в начальных проходах используют степень деформации ε менее 10%. По мере снижения сопротивления деформации увеличивают степень деформации ε до 20%. В результате исключается кривизна, и получают профиль с точной геометрией. 4 з.п. ф-лы, 7 ил., 2 пр.

1. Способ получения двутавра из титанового сплава, включающий нагрев и многопроходную деформацию в двухвалковых калибрах, отличающийся тем, что прокатку производят в горячем состоянии при температурах начала проката 1050-1100°С, при этом для разрушения межкристаллических связей поверхности заготовки титанового сплава с α–фазой в начальных проходах используют степень деформации ε менее 10%, а по мере снижения сопротивления деформации увеличивают степень деформации ε до 20%.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в зависимости от размера сечения и времени нагрева заготовки количество проходов с деформацией ε менее 10% составляет от 1 до 12 проходов.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что для ускорения разрушения межкристаллических связей поверхности заготовки титанового сплава с α–фазой производят кантовку заготовки на 180° через каждый 1-2 прохода.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что прокатку производят без прямого водяного охлаждения валков.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что после прокатки заготовки ее неподвижно фиксируют и удерживают в зоне между двумя взаимно параллельными плоскостями не менее 15 мин.