专利名称：一种眼镜架用纯钛丝材及其制造方法
技术领域：
本发明涉及一种纯钛材料制造领域，具体是一种对强度有要求的纯钛丝材制造。
背景技术：
钛材料由于比强度高、耐腐蚀性好等优点而广泛应用于航天、航空、医用等领域， 近年来随着钛材料生产技术的发展而价格大幅度降低，钛材料逐步应用于民用产业，其中 采用钛材料制备的眼镜框架已经步入普通人的生活。目前应用于眼镜框架的钛材料主要 有纯钛和钛合金，由于钛合金强度高、加工成型困难，而且普通人对贵重金属纯度的信赖心 理，纯钛丝材在眼镜框架上的应用仍占到70%以上的份额。按杂质含量的不同纯钛丝材可以划分为四个等级(GB3620-2007)，其中杂质元素 主要有C、N、H、0、Fe,由于杂质元素对钛材料的强化效果，不同等级的纯钛材料对应不同等 级的强度，其中一级纯钛TAl的强度为240MPa以上，而四级纯钛TA4的强度要求580MPa 以上，较宽的强度范围为纯钛材料提供了较宽的应用空间，但同时由于钛材料标准给出的 杂质含量在较宽的范围，造成同一牌号的钛材料强度也在较大范围内波动，这就给一些特 殊用途的要求材料力学性能稳定的钛产品用原材料选择造成困难。一般纯钛眼镜框架由 边框、眼镜腿、铰链、锁紧块、鼻托、螺钉等20多个零件组成，不同的零部件对材料的强度、 塑性有不同要求，如眼镜腿为了满足成型和眼镜使用稳定性，要求钛材料具有较高的强度 和良好的塑性，而边框则要求材料塑性好，强度较低，铰链则要求丝材有较高的强度。同时 为了满足眼镜框架零部件加工过程的工艺性和质量稳定性，要求提供的原材料力学性能稳 定。因此用于眼镜框架的纯钛原材料一方面要有较宽的力学性能，满足不同零部件要求，另 一方面要求同一零部件用的原材料力学性能稳定，不会因为力学性能上的差异造成生产加 工的困难和产品性能的不稳定。
发明内容
为了满足纯钛眼镜架零部件产品对纯钛丝材力学性能的要求，解决现有市场产品 中材料力学性能波动大的问题，本发明提出了一种眼镜架用纯钛丝材及其制造方法。本发明提出的技术方案是在纯钛铸锭熔炼过程中添加入重量百分数为0 0. 20 的0元素和0 0.沈的狗元素。其中0元素以二氧化钛粉末状形式添加，狗元素为颗粒 状或碎屑状纯铁形式添加。对钛铸锭按本发明提出的工艺进行锻造、轧制、拉拔、退火等过 程，制备出强度可控的纯钛丝材，满足眼镜框架不同零部件对钛丝材性能的要求。纯钛铸锭材料中0元素和!^e元素添加量确定方法为步骤1，确定海绵钛强度；利用公式(1)得出原始海绵钛的强度σ ^ σ0 = 235+aFe+bO+cN+dC+eSi(1)式(1)中的Fe、0、N、C、Si分别表示各元素在海绵钛中含量的重量百分数；a、b、 c、d和e分别为!^e元素、0元素、N元素、C元素和Si元素的强化系数；a、b、c、d和e分别 为 72、1200、2000、720 和 200。
步骤2，确定补强需添加的狗、0元素量O1-O0 = aFe+bO(2)式⑵中01为预达到的抗拉强度；为海绵钛的强度。式O)Fe、0表示需要添 加Fe、O元素的在纯钛丝材中的重量百分数，a和b分别为狗元素和O元素的强化系数；a 和b分别为72和1200。根据式( 得到所需添加的Fe元素和0元素的增加量。步骤3，确定纯钛材料熔炼过程中狗和TW2的添加量。根据式( 计算结果和预 熔炼钛锭的重量，确定熔炼过程中狗和TW2的添加量。Fe元素添加重量为预熔炼钛锭的 重量与式( 元素含量增加量直接相乘Je元素以铁屑、铁粉等细小颗粒状、粉末状形式 添加，并且狗元素添加物纯度不低于99. 5%。0元素以TW2粉的形式加入，TW2粉的重量 为2. 5倍的0元素含量增加量乘以预熔炼钛锭的重量。本发明还提出了一种眼镜架用纯钛丝材的制备方法，具体过程为步骤1.制作电极；将海绵钛和需要添加的铁屑、TiO2粉置于自动混料机构中混合 均勻，得到混合体。通过压力机将混合体压制成电极块，该电极块的密度>3. 2g/cm3。压制 好的电极块在真空箱中等离子束拼焊成熔炼钛锭用的电极。步骤2.制备铸锭；将电极置于真空电弧炉中熔炼，熔炼时稳弧后电流为10-17KA， 电压为^_38V，预抽真空到5 X KT1Pa,熔炼过程中保持真空度不小于1. 5Pa，稳弧电流IOA0 熔炼至电极块完全熔化。一次熔炼结束后，保持真空度不变，钛锭随炉冷却到200°C出炉。 将熔炼完的一次钛锭重置真空炉中，以相同的工艺参数进行二次熔炼，得到二次钛铸锭。对 二次钛铸锭进行机械加工去除表面杂质层，超声波探伤切除冒口，分别在车光钛铸锭头部 和尾部取样进行化学成分检测。步骤3.锻造与轧制；对经过表面处理的钛锭锻造开坯，钛锭加热至1050°C并保温 3 6小时后，在油压机上开坯，锻造成方坯；方坯加热至900°C保温2 4小时后，对方坯 料进行锻造，加工成棒料；对得到的棒料表面处理；通过打磨清理、去除棒料表面缺陷。对 棒料进行轧制时，将棒料加热至850°C保温1 2小时后轧制，使棒料直径减小。轧制盘条， 对棒料加热至820°C保温1小时，轧制成盘条，对盘条整体退火，退火温度680°C。步骤4.拉拔丝材；多次修磨去除盘条表面缺陷，采用丝模或辊模拉拔成丝材，拉 拔中当盘条的变形量40 50%时，进行中间退火，退火温度为650°C，保温1小时后继续拉 拔，直至达到成品尺寸；对拉拔得到的丝材进行退火，退火温度为650°C，保温1小时。步骤5.截取两根试样进行力学性能测试。钛材料力学性能主要决定于材料的内部组织结构和化学成分。钛材料的加工过程 中，通过优化工艺和工艺参数而形成稳定的加工工艺，从而可以保证钛材料成品中形成一 致的内部组织结构，此时钛材料的化学成分成为影响钛材料性能的唯一因素。纯钛材料中 除98%以上的钛元素外，还有少量的C、N、H、0、Fe等杂质元素，虽然这些元素的含量很少， 但由于强烈的强化作用，这些元素的含量对纯钛材料性能的起着决定性作用。本发明正是 基于这一原理，根据纯钛丝材的强度要求，计算得出纯钛丝材中的需要添加的元素含量。在 纯钛材料制备的熔炼过程中添加精确量的狗元素和0元素，控制纯钛丝材中的化学元素含 量，从而实现对纯钛丝材强度的精确控制。对于常用于眼镜边框和眼镜腿的纯钛材料，通常采用TA2纯钛丝材，丝材的抗拉
5强度在350 510MI^之间，不同批次间TA2丝材的强度偏差可能达到150MPa以上，给眼镜 边框和眼镜腿的塑性成型加工造成很大困难，产品质量难为稳定。而采用本发明中的控制 TA2纯钛丝材中化学元素含量，可以把不同批次生产的TA2纯钛丝材强度偏差控制在40MPa 以内，远远高于现在同一牌号TA2丝材的强度范围。同时依照本发明还可以生产出有具体 强度要求的纯钛丝材，而按目前纯钛丝材的加工手段生产的纯钛丝材是无法精确预算和控 制强度的。
具体实施例方式实例一一种眼镜架用Φ6πιπι纯钛丝材原材料，力学性能要求抗拉强度440 460MPa，采 用的海绵钛为零级海绵钛，其中各元素含量重量百分比为C 0.01，H 0. 007, 0 0.045，N 0. 004，Fe 0. 028，Si 0.009。本实施例在纯钛铸锭熔炼过程中添加重量百分比为0. 112的0元素和0. 112的Fe 元素。其中0元素以二氧化钛粉末状形式添加，Fe元素为颗粒状或碎屑状纯铁形式添加。 狗和0元素的添加量为整个纯钛铸锭的重量百分比。对钛铸锭按本发明提出的工艺进行锻 造、轧制、拉拔、退火等过程，制备出强度可控的Φ6πιπι纯钛丝材，满足眼镜架用纯钛丝材的 要求。本实施例确定纯钛铸锭材料中0元素和！^元素添加量方法为步骤一计算海绵钛强度根据原始海绵钛的成分计算出原始海绵钛的强度ο…计算公式如下σ0 = 235+aFe+bO+cN+dC+eSi(1)式⑴中ο Q计算结果单位为MPa。式(1)中的i^e、0、N、C、Si分别表示各元素在 海绵钛中含量的重量百分数；a、b、c、d和e分别为狗元素、0元素、N元素、C元素和Si元 素的强化系数；a、b、c、d禾口 e分别为72、1200、2000、720和200。将C = 0. 01、H = 0. 007、0 = 0. 045、N = 0. 004、Fe = 0. 028 和 Si = 0. 009 代入
式(1)中，得到海绵钛的强度Oci为307MPa。本实施例中眼镜架用纯钛丝材强度要求440 460MPa,预达到目标的抗拉强度σ工按中间值450MPa计算，需要补强143MPa。步骤二计算补强需添加的Fe、0元素量Q1-O0 = aFe+bO(2)式O)中σ工为预达到的抗拉强度；σ ^为海绵钛的强度。式O)Fe、0表示需要添 加Fe、0元素的在纯钛丝材中的重量百分数，a和b分别为狗元素和0元素的强化系数；a 和b分别为72和1200。σ ！ = 450MPa, σ Q = 307MPa, a = 72，b = 1200 代入式(2)中，Fe、0 元素添加含 量百分比按1 1，计算得出Fe、0两元素需要添加量的重量百分比同为0.112。步骤三确定纯钛材料熔炼过程中!^e和TW2的添加重量根据式(2)得到需要添加OJe元素两种元素的重量百分数同为0. 112，其中0元 素以TW2形式添加，TiO2的添加重量为添加氧重量的2. 5倍。熔锭重量为lOOOKg，需要添 加TiO2粉重量为1000X0. 112% X2. 5 = 2. 8Kg，需要添加纯铁屑的重量为1000X0. 112% =1. Hg，其中添加TiO2粉和铁屑的纯度为99. 5%以上。
本实施例还提出了一种眼镜架用纯钛丝材的制备方法，具体过程为步骤1.制作电极；电子天平称取已经确认重量的铁屑和TiO2粉，重量误差小于 1克，将海绵钛和需要添加的铁屑、TiO2粉置于自动混料机构中混合均勻，得到混合体。用 3000T液压机压制成电极块，电极块的尺寸为MOmmX ^OmmX 400mm，重量约80Kg，电极块 密度> 3.2g/cm3。压制好的电极块在真空箱中等离子束拼焊成熔炼钛锭用的电极。步骤2.制备铸锭；将电极置于VCF3000真空电弧炉中熔炼，熔炼过程中稳弧后 电流控制在12-17KA，电压^_38V，预抽真空到5 X KT1Pa,熔炼过程中保持真空度不小于 1. 5Pa，稳弧电流10A，熔炼至电极块完全熔化。一次熔炼结束后，保持真空度不变，钛锭随 炉冷却到200°C出炉。将熔炼完的一次钛锭重置真空炉中，以相同的工艺参数进行二次 熔炼，得到二次钛铸锭。对得到的二次钛铸锭进行机械加工去除表面杂质层；超声波探伤 切除冒口，车光锭净尺寸为Φ480mmX 1150mm，重量为928Kg。分别在车光钛铸锭头部和 尾部取样进行化学成分检测，各元素含量重量百分比为C0.01/0.01，H 0. 001/0. 001, 0 0.165/0.160，N 0. 003/0. 004，Fe 0.13/0.15。步骤3.锻造与轧制；对经过表面处理的钛锭锻造开坯，钛锭加热至1050°C并保温 6小时后，在1500T油压机上开坯，锻造成250mmX250mm的方坯。方坯加热至900°C保温3 小时后，对方坯料进行锻造，加工成Φ120πιπι的棒料。对得到的棒料表面处理，清理去除表 面裂纹、深坑。对棒料进行轧制时，将棒料加热至850°C保温1. 5小时后轧制Φ 50mm的棒料。 对棒料加热至820°C保温1小时，轧制成Φ Ilmm盘条；对盘条整体退火，退火温度680°C。步骤4.拉拔丝材；盘条经多次修磨去除表面缺陷后，采用室温辊模拉拔加工成丝 材，拉拔至Φ8πιπι时中间真空退火，退火温度650°C，保温1小时继续拉拔，直至达到成品尺 寸。对拉拔得到的丝材进行退火，退火温度为650°C，保温1小时，得到最终成品Φ6πιπι丝材 650 0C步骤5.力学性能测试；截取两根完全退火后的丝材试样进行力学性能测试。测试 结果如表1所示。表1 Φ 6丝材力学性能
权利要求
1.一种眼镜架用纯钛丝材，其特征在于，在纯钛铸锭熔炼过程中添加入重量百分数为 O 0. 20的O元素和0 0. 26的Fe元素。
2.如权利要求书1述一种眼镜架用纯钛丝材，其特征在于，O元素以二氧化钛粉末状形 式添加，Fe元素为颗粒状或碎屑状纯铁形式添加。
3.一种确定权利要求1所述眼镜架用纯钛丝材中O元素和Fe元素添加量的方法，其特 征在于，具体过程包括以下步骤步骤1，确定海绵钛强度；利用公式(1)得出原始海绵钛的强度O ^ σ0 = 235+aFe+bO+cN+dC+eSi(1)式(1)中的Fe、0、N、C、Si分别表示各元素在海绵钛中含量的重量百分数；a、b、c、d和 e分别为Fe元素、O元素、N元素、C元素和Si元素的强化系数；a、b、c、d和e分别为72、 1200,2000,720 和 200 ；步骤2，确定补强需添加的Fe、O元素量 O1-O0 = aFe+bO(2)式(2)中％为预达到的抗拉强度；％为海绵钛的强度；式(2)Fe、0表示需要添加Fe、 0元素的在纯钛丝材中的重量百分数，a和b分别为Fe元素和0元素的强化系数； 根据式(2)得到所需添加的Fe元素和0元素的增加量；步骤3，确定纯钛材料熔炼过程中Fe和TiO2的添加量；根据Fe元素、0元素的增加量 和预熔炼钛锭的重量，确定熔炼过程中Fe和TiO2的添加量。
4.如权利要求3所述一种眼镜架用纯钛丝材，其特征在于，Fe元素添加重量为预熔炼 钛锭的重量与式(2) Fe元素含量增加量直接相乘；Fe元素添加物纯度不低于99. 5% ;0元 素以TiO2粉的形式加入，TiO2粉的重量为2. 5倍的0元素含量增加量乘以预熔炼钛锭的重 量。
5.一种制备如权利要求1所述眼镜架用纯钛丝材的方法，其特征在于，具体制备过程为步骤1.制作电极；将海绵钛和需要添加的铁屑、TiO2粉置于自动混料机构中混合均 勻，得到混合体；通过压力机将混合体压制成电极块，该电极块的密度> 3. 2g/cm3 ；压制好 的电极块在真空箱中等离子束拼焊成熔炼钛锭用的电极；步骤2.制备铸锭；将电极置于真空电弧炉中熔炼，熔炼时稳弧后电流为10-17KA，电压 为29-38V，预抽真空到5 X KT1Pa,熔炼过程中保持真空度不小于1. 5Pa,稳弧电流IOA ；熔炼 至电极块完全熔化；一次熔炼结束后，保持真空度不变，钛锭随炉冷却到200°C出炉；将熔 炼完的一次钛锭重置真空炉中，以相同的工艺参数进行二次熔炼，得到二次钛铸锭；对二次 钛铸锭进行机械加工去除表面杂质层，超声波探伤切除冒口，分别在车光钛铸锭头部和尾 部取样进行化学成分检测；步骤3.锻造与轧制；对经过表面处理的钛锭锻造开坯，钛锭加热至1050°C并保温3 6小时后，在油压机上开坯，锻造成方坯；方坯加热至900°C保温2 4小时后，对方坯料进 行锻造，加工成棒料；对得到的棒料表面处理；通过打磨清理、去除棒料表面缺陷；对棒料 进行轧制时，将棒料加热至850°C保温1 2小时后轧制，使棒料直径减小；轧制盘条，对棒 料加热至820°C保温1小时，轧制成盘条，对盘条整体退火，退火温度为680°C ；步骤4.拉拔丝材；多次修磨去除盘条表面缺陷，采用丝模或辊模拉拔成丝材，拉拔中当盘条的 变形量40 50%时，进行中间退火，退火温度为650°C，保温1小时后继续拉拔， 直至达到成品尺寸；对拉拔得到的丝材进行退火，退火温度为650°C，保温1小时； 步骤5.截取两根试样进行力学性能测试。
全文摘要
一种眼镜架用纯钛丝材及其制造方法。在纯钛铸锭熔炼过程中添加入重量百分数为0～0.20的O元素和0～0.26的Fe元素。根据原始海绵钛的强度σ0得到补强需添加的Fe、O元素量，进而确定纯钛材料熔炼过程中Fe和TiO2的添加量。经过锻造、轧制、拉拔和退火过程，制备出强度可控的纯钛丝材，满足眼镜框架不同零部件对钛丝材性能的要求。本发明在纯钛材料制备的熔炼过程中添加精确量的Fe元素和O元素，控制纯钛丝材中的化学元素含量，从而实现对纯钛丝材强度的精确控制，将不同批次生产的TA2纯钛丝材强度偏差控制在40MPa以内，生产出有具体强度要求的纯钛丝材。
文档编号C22C14/00GK102094136SQ20101058430
公开日2011年6月15日 申请日期2010年12月9日 优先权日2010年12月9日
发明者吉毅松, 吕尚宁, 吴占军, 张 成, 张科全, 李建康, 王瑞 申请人:西安航天博诚新材料有限公司