专利名称：高硬度钛合金及其制造方法
技术领域：
本发明涉及一种钛合金，特别是一种比现有工业钛合金硬度更高而制造成本更低的钛合金及其制造方法。
背景技术：
目前工业钛合金可使用硬度不超过HRC48，通常为HRC25-47，通过热处理达到更高硬度将造成不可使用的脆性，如北京有色金属研究总院研发的TB2合金(Ti-5Mo-5V-8Cr-3Al)、上海钢铁研究所研发的TB4合金(Ti-7Mo-10V-2Fe-1Zr-4Al)、TC12合金(Ti-4Mo-4Cr-2Zr-2Sn-1Nb-5Al)、美国研发的Ti-15-3合金(Ti-15V-3Sn-3Cr-3Al)、BetaCEZ合金(Ti-4Mo-2Cr-1Fe-5Al)、Timetal LCB合金(Ti-6.8Mo-4.5Fe-1.5Al)，以及日本研发的Ti-15Mo-5Zr-3Al合金等高强度钛合金，它们的硬度都不超过HRC48，这就限制了目前工业钛合金在需要更高硬度场合的应用。人们希望钛合金的可使用硬度能达到马氏体不锈钢如1Cr13、2Cr13、3Cr13、4Cr13、3Cr13Mo等特殊钢相当的硬度即HRC≥48，使钛合金的应用领域更加扩大，如适合于制造刀具、齿轮、摩擦件、地质钻探工具、气门、阀门等需要高硬度、低成本的场合。此外，由于目前工业钛合金用合金化元素以昂贵的金属V、Mo、Nb、Ta、Ni、Sn等为主，造成了较高的制作成本，人们期待找出能有效降低钛合金制作成本的途径。
发明内容
为了克服现有钛合金存在的上述弊病，本发明的目的是提供一种可以使用低成本的廉价合金元素与钛进行熔炼经锻造、轧制成钛合金材，硬度达HRC48-54，σb达980-1420Mpa，δ％达2-6。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案，是通过合金成份和制作方法的优化，在钛中加入Fe、Cr、Al、B、N、Si、C、Zr八种能降低制作成本的廉价合金元素，其含量的重量百分数为Fe0.1-5％，Cr≤20％，Al≤8％，B≤1％，N0.006-0.5％，Si0.05-5％，C0.05-5％，Zr≤4％，余量为Ti及其它不可避免的杂质。
本发明组成的钛合金可以用真空电弧炉熔炼，经锻造、轧制成钛合金材，或用粉末冶金、喷射成型、原位生成硬化质点复合方法以及表面冶金的任意一种方法进行熔炼制作。
本发明的钛合金为了达到所需要的高硬度采用以下热处理方式对钛合金材进行淬火工艺处理，根据合金的准确成份测定其α+ββ相变温度，按此温度±100℃以内加热0.5-2小时后冷却，冷却方式可以空气冷却、风冷却、水冷却等其中一种。
本发明的钛合金为了达到所需要的高硬度采用进一步的热处理方式对冷却后的钛合金材进行固溶加时效工艺处理，在350℃-550℃区间进行1-48小时时效处理，测试结果如下硬度HRC在48-54之间，抗拉强度σb在980-1420MPa之间，δ％在2-6之间本发明采用上述方案后，通过对上述合金成份和制作方法的优化进行熔炼，经淬火或固溶加时效工艺处理，使钛合金材的硬度HRC可达到48以上，抗拉强度σb可达到980MPa以上，δ％可达到2以上，全面超过现有钛合金使用的上述指标，不仅大大降低了钛合金的制造成本，而且钛合金的应用范围得到进一步扩大。
具体实施例方式
下面结合具体实施方案对本发明高硬度钛合金及其制造方法简述如下实施例1在钛中配入成份为1.3％Fe+5％Cr+0.006％N+0.05％Si+1％C+2％Zr，在真空电弧炉中熔炼成铸锭，经锻造、轧制成板材，经900℃1小时加热后水冷却，测试结果如下HRC＝50-51、σb＝1050MPa、δ％＝4。
实施例2在钛中配入成份为3％Fe+6％Cr+3％Al+0.5％B+0.006％N+0.05％Si+0.8％C，在真空电弧炉中熔炼成铸锭，经锻造、轧制成板材，经900℃1小时加热后水冷却，测试结果如下HRC＝51-52、σb＝1200MPa、δ％＝3。
实施例3在钛中配入成份为0.1％Fe+8％Al+0.06％B+0.006％N+2％Si+1％C，在真空电弧炉中熔炼成铸锭，经锻造、轧制成板材，经960℃1小时加热后空气冷却，测试结果如下HRC＝49-50、σb＝980MPa、δ％＝6。
实施例4在钛中配入成份为2.5％Fe+8％Cr+3％Al+0.006％N+0.05％Si+1％C，在真空电弧炉中熔炼成铸锭，经锻造、轧制成板材，经950℃1小时加热后空气冷却，再在450℃经8小时时效，测试结果如下HRC＝50-51、σb＝1000MPa、δ％＝4。
实施例5在钛中配入成份为0.1％Fe+10％Cr+4％Al+0.006％N+0.05％Si+2％C，在真空电弧炉中熔炼成铸锭，经锻造、轧制成板材，经950℃1小时加热后水冷却，再在400℃经16小时时效，测试结果如下HRC＝52-53、σb＝1300MPa、δ％＝2。
实施例6在钛中配入成份为0.1％Fe+20％Cr+4％Al+0.5％B+0.06％N+0.05％Si+4％C，在真空电弧炉中熔炼成铸锭，经锻造、轧制成板材，经900℃1小时加热后空气冷却，再在500℃经10小时时效，测试结果如下HRC＝53-54、σb＝1420MPa、δ％＝2。
实施例7在钛中配入成份为0.1％Fe+15％Cr+6％Al+0.06％N+0.05％Si+0.05％C+2％Zr，在真空电弧炉中熔炼成铸锭，经锻造、轧制成板材，经900℃1小时加热后水冷却，再在500℃经4小时时效，测试结果如下HRC＝49-50、σb＝1050MPa、δ％＝5。
实施例8在钛中配入成份为5％Fe+5％Cr+0.6％B+0.3％N+0.05％Si+0.05％C+4％Zr，在真空电弧炉中熔炼成铸锭，经锻造、轧制成板材，经880℃1小时加热后水冷却，再在550℃经1-5小时时效，测试结果如下HRC＝50-51、σb＝980-1150MPa、δ％＝3-6。
权利要求
1.一种高硬度钛合金，其特征是在钛中加入 Fe、Cr、Al、B、N、Si、C、Zr八种能降低制作成本的廉价合金元素，其含量的重量百分数为Fe0.1-5％，Cr≤20％，Al≤8％，B≤1％，N0.006-0.5％，Si0.05-5％，C0.05-5％，Zr≤4％，余量为Ti及其它不可避免的杂质。
2.一种高硬度钛合金的制造方法，其特征是对权利要求1组成的钛合金用真空电弧炉熔炼，经锻造、轧制成钛合金材，或用粉末冶金、喷射成型、原位生成硬化质点复合方法以及表面冶金的任意一种方法进行熔炼制作。
3.根据权利要求2所述的高硬度钛合金的制造方法，其特征是对钛合金材进行淬火工艺处理，根据合金的准确成份测定其α+ββ相变温度，按此温度±100℃以内加热0.5-2小时后冷却。
4.根据权利要求3所述的高硬度钛合金的制造方法，其特征是对冷却后的钛合金型材进行固溶加时效工艺处理，在350℃-550℃区间进行1-48小时时效处理，测试结果如下硬度HRC在48-54之间，抗拉强度σb在980-1420MPa之间，δ％在2-6之间。
全文摘要
本发明提供了一种高硬度钛合金及其制作方法，在钛中加入Fe、Cr、Al、B、N、Si、C、Zr八种能降低制作成本的廉价合金元素，其含量的重量百分数为Fe0.1－5％，Cr≤20％，Al≤8％，B≤1％，N0.006－0.5％，Si0.05－5％，C0.05－5％，Zr≤4％，余量为Ti及其它不可避免的杂质，可以用真空电弧炉熔炼、粉末冶金、喷射成型等常规方法，也可以用原位生成硬化质点复合方法以及表面冶金等方法制作，并通过热处理硬化后达到HRC＝48－54、σb＝980－1420Mpa、δ％＝2－6，全面超过现有钛合金使用的上述指标，不仅大大降低了钛合金的制造成本，而且钛合金的应用范围得到进一步扩大。
文档编号C22C1/02GK1962912SQ20061015469
公开日2007年5月16日 申请日期2006年11月14日 优先权日2006年11月14日
发明者方平伟 申请人:永康市民泰钛业科技有限公司