冷轧工业纯钛卷的真空退火方法
【专利摘要】本发明公开了一种冷轧工业纯钛卷的真空退火方法，包括以下步骤：将表面清洗后的工业纯钛卷装入真空退火炉内，对真空炉预抽真空至真空度≤3.5×10-3Pa；然后以110～150℃/h的升温速率将炉温升至500～550℃，保温3～6小时；继续以100～150℃/h的升温速率将炉温升至650～720℃后，再向炉内充入纯度≥99.99％的惰性气体至压强为5.0～8.0kPa，保温2～4小时；关闭加热系统，以50～100℃/h的冷却速率将炉温冷却至330～370℃后，开启强制冷却系统,直至炉温≤150℃后取出钛卷。既可以保证退火后，钛卷整卷晶粒度一致、组织均匀，获得优良的力学性能，又不会大幅度延长工艺时间。
【专利说明】冷轧工业纯钛卷的真空退火方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及纯钛的热处理方法，尤其是一种纯钛卷的真空退火方法。
【背景技术】
[0002] 工业纯钛根据所含杂质成分和冷变形率的不同，具有介于450?550°C范围内的 不同的再结晶温度，钛卷的退火温度应高于再结晶温度，才能保证钛卷的再结晶完全进行， 其中，退火温度是指退火时应加热达到的温度。钛的化学性质活跃，在高温下易与空气中的 〇、Η、N等元素发生反应而生成氧化层，使理化性能变差，不仅硬度和脆性增大，塑性和弹性 降低，而且高温下工业纯钛的吸附性也较强，清洗后钛卷表面的残留物、退火升温气氛中的 碳化物和粉尘可能被吸附至钛卷表面，形成退火黑斑，由此影响钛卷的表面质量。
[0003] 目前，国内纯钛卷的退火方式主要有真空炉退火、罩式炉退火和连续退火三种。其 中，罩式炉主要用于钢卷退火，对于钛卷，罩式炉退火是采用充惰性气体保护的措施防止氧 化，但是该方法置换空气能力有限，残留的空气容易使钛表面与空气中N、H、0等元素反应， 影响表面质量，同时清洗后的钛卷表面残留物也不能通过真空系统排出；采用连续退火具 有生产效率高的显著特点，但是退火后表面氧化严重，必须进行酸洗或碱洗等表面处理才 能满足要求；真空退火是在加热前将炉内空气排出，在低真空度状态的环境下进行加热，并 且通过真空泵将表面挥发物排到炉外，然后在某个阶段充入惰性气体保护，直至冷却出炉， 因此能保证钛卷表面的综合质量，故常采用真空退火对成品钛卷进行热处理。
[0004] 一方面，钛卷轧制过程中使用的润滑油使扎制后的钛卷表面形成一层油印，即使 经过脱脂清洗，一般也会留下油膜；另一方面，扎制后的钛卷硬度高，加工困难，因此真空退 火的作用实质上就是脱除钛卷表面的残留物和使其软化、降低硬度、改善切削加工性。退火 方法不当会影响表面光洁度和组织均匀度，由于钛导热性较差，成卷退火与板带退火存在 较大差别，钛板与钛带的退火方法不能直接用于钛卷的退火。
[0005] CN101654767A公开了一种工业纯钛卷的真空保护气氛退火方法，能大大缩短退火 周期，但退火后钛卷的表面清洁度还不够高、整卷的组织不够均匀。
【发明内容】
[0006] 经过研究发现，CN101654767A公开的工业纯钛卷的真空保护气氛退火方法，其方 法中采用了较快的升温和降温速率，保温时间也比较短，对于热传导较慢的纯钛卷，退火 后，钛卷的表面清洁度不够高，整卷组织不够均匀。
[0007] 本发明所要解决的技术问题是提供一种冷轧工业纯钛卷的真空退火方法，即能保 证退火后钛卷表面光洁度一致、清洁度高、整卷晶粒度一致、组织均匀，又不会大幅度延长 工艺时间。
[0008] 本发明解决其技术问题所采用的技术方案：
[0009] 冷轧工业纯钛卷的真空退火方法，包括以下步骤：
[0010] A、将表面清洗后的工业纯钛卷装入真空退火炉内，对真空炉预抽真空至真空度 彡3. 5X10_3Pa ;然后以110?150°C /h的升温速率将炉温升至500?550°C，保温3?6 小时；
[0011] B、继续以100?150°C /h的升温速率将炉温升至650?720°C后，再向炉内充入 纯度彡99. 99%的惰性气体至压强为5. 0?8. OkPa，保温2?4小时；
[0012] C、关闭加热系统，以50?100°C /h的冷却速率将炉温冷却至330?370°C后，开 启强制冷却系统，直至炉温< 150°C后取出钛卷。
[0013] 优选的，步骤A中，升温速率为120?150°C /h。
[0014] 优选的，步骤A中，将炉温升至520?530°C，保温3?3. 5小时。
[0015] 优选的，步骤B中，将炉温升至700?720°C，保温2?3小时。
[0016] 优选的，步骤B中，惰性气体的纯度彡99. 999%。
[0017] 优选的，步骤C中，以60?80°C /h的冷却速率将炉温冷却至330?370°C后，开 启强制冷却系统。
[0018] 优选的，步骤C中，将炉温冷却至350°C后，开启强制冷却系统。
[0019] 优选的，步骤B中，充入惰性气体后开启循环风机。
[0020] 优选的，在步骤A之前，通过化学碱洗方法对钛卷的表面进行脱脂处理。
[0021 ] 优选的，在步骤A之前，钛卷轧制过程中，采用油溶性矿物油作为润滑油。
[0022] 本发明的有益效果是：采用本发明的冷轧工业纯钛卷的真空退火方法，本步骤A 中，保持真空度< 3. 5Xl(T3Pa，即能防止钛卷表面被氧化，又有利于钛卷表面杂质挥发排 出，使钛卷表面清洁度高；步骤B中，充入惰性气体在炉内循环，可以促进介质传热，有利于 钛卷内外圈退火温度均匀性；升温过程中热量是从钛卷外圈往内圈传输，而冷却过程中热 量又从内圈往外圈传输，由于钛的导热性能较差，通过将升温速率、保温时间、降温速率和 出炉温度等工艺参数控制在特定的范围内，既可以保证退火后，钛卷整卷晶粒度一致、组织 均匀，获得优良的力学性能，又不会大幅度延长工艺时间。得到的钛卷适用于冲压、焊接、弯 曲等成形工艺，也适用于建筑、医疗、体育和工艺品等领域，具有较大前景。
【具体实施方式】
[0023] 本发明的冷轧工业纯钛卷的真空退火方法，包括以下步骤：
[0024] A、将表面清洗后的工业纯钛卷装入真空退火炉内，对真空炉预抽真空至真空度 彡3. 5X10_3Pa ;然后以110?150°C /h的升温速率将炉温升至500?550°C，保温3?6 小时；在退火过程中，为了降低吨钛成本，通常情况下，一次性装入2个或3个钛卷到真空炉 中；保持真空度< 3. 5X l(T3Pa，即能防止钛卷表面被氧化，又有利于钛卷表面的油污和杂 质挥发排出，使钛卷表面清洁度高；
[0025] B、继续以100?150°C /h的升温速率将炉温升至650?720°C后，再向炉内充入纯 度彡99. 99%的惰性气体至压强为5. 0?8. OkPa，保温2?4小时；充惰性气体后有利于加 快热传导，从而缩短加热时间，但是充入惰性气体后炉内的挥发物就停止外排，若真空时间 不足，就充惰性气体，表面可能会出现残留油污；为了保证钛卷表面清洁度，有必要延长炉 内真空状态的时间；因此，先将炉内温度升至600?680°C后，再向炉内充入纯度彡99. 99% 的惰性气体。
[0026] C、关闭加热系统，以50?100°C /h的冷却速率将炉温冷却至330?370°C后，开启 强制冷却系统，直至炉温< 150°C后取出钛卷。强制冷却系统包括换热器和循环风机，开启 强制冷却系统后，强制冷却过程是通过换热器加速炉内温度冷却的，通过冷却炉内的惰性 气体，促进钛卷冷却，开启循环风机的目的是加强搅拌，促进散热；开启强制冷却系统后，可 以使温度更均匀地快速冷却。冷却速率越低，可以防止强烈的热胀冷缩导致表面出现粘结， 即层间基体原子在热胀冷缩过程中在拉应力和压应力的作用下产生扩散，从而避免退火结 束后，在开卷过程中发生表面基体分离，产生凹坑、撕裂，甚至孔洞等缺陷出现。
[0027] 优选的，在上述实施方式中，步骤A中，升温速率为120?150°C /h。
[0028] 优选的，在上述实施方式中，步骤A中，将炉温升至520?530°C，保温3?3. 5小 时。
[0029] 优选的，在上述实施方式中，步骤B中，将炉温升至700?720°C，保温2?3小时。
[0030] 如果惰性气体纯度不够高，则可能因其中掺杂有氧气而对退火后的钛卷表面质量 产生不利影响，优选的，在上述实施方式中，步骤B中，惰性气体的纯度> 99. 999%。
[0031] 优选的，在上述实施方式中，步骤C中，以60?80°C /h的冷却速率将炉温冷却至 330?370°C后，开启强制冷却系统。
[0032] 优选的，在上述实施方式中，步骤C中，将炉温冷却至350°C后，开启强制冷却系 统。
[0033] 优选的，在上述实施方式中，步骤B中，充入惰性气体后开启循环风机。循环风机 对惰性气体进行搅拌，可以促进钛卷均匀传热。
[0034] 为获得更好的钛卷表面质量，作为优选的实施方式，在步骤A之前，通过化学碱洗 方法对钛卷的表面进行脱脂处理。脱脂过程中采用专用的碱液配方，并配合电解工艺，可以 有效去除油印，其中，脱脂处理过程中，通过两个清洗槽对其清洗两遍，两个清洗槽内的碱 液均为NaOH溶液，清洗第一遍的NaOH溶液的浓度为4?5wt %，清洗第二遍的NaOH溶液的 浓度为3?4wt% ;电解电流为250A。
[0035] 为了提高表面光泽度，优选的，在步骤A之前，钛卷轧制过程中，采用油溶性矿物 油作为润滑油。
[0036] 上述实施方式中，优选米用氦气作为惰性气体。
[0037] 采用本发明的冷轧工业纯钛卷的真空退火方法，通过将升温速率、保温时间、降温 速率和出炉温度等方法参数控制在特定的范围内，即可以在保证钛卷表面光洁度的同时使 整卷晶粒度一致、组织均匀，获得优良的力学性能，又不会大幅度延长工艺时间。
[0038] 下面结合实施例对本发明的【具体实施方式】做进一步的描述，并不因此将本发明限 制在所述的实施例范围之中。
[0039] 在下面的实施例1至实施例4中，强制冷却系统包括：两套换热器，每套功率为 75kW ;三台循环风机，每台功率为1. 5kW。
[0040] 实施例1
[0041] A、将重量分别为6. 21t\6. 37t\6. 79t的三个钛卷表面清洗后装入真空退火炉内， 预抽真空至3. 5 X 10_3Pa后，然后以150°C /h的升温速率将炉温升至550°C，保温4. 5小时；
[0042] B、继续以100°C /h的升温速率将炉温升至650°C后，开始向炉内充入纯度为 99. 99%的氩气至压强为6. 5kPa，开启循环风机，并保温4小时；
[0043] C、关闭加热，以80°C /h的冷却速率将炉温冷却至350°C后，开启强制冷却系统， 直至炉温冷却到150°C后出炉。
[0044] 经检测，得到的钛卷，表面金属光泽度均匀，清洁度高；钛卷外圈、中部和内圈晶粒 度均为7. 5,屈服强度平均值分别为215Mpa、223Mpa和218Mpa，工艺时间约为21h，由此可 见，退火后的钛卷表面光洁度一致，钛卷外圈、中部和内圈的晶粒度大小一致、组织均匀、力 学性能良，且不会大幅度延长工艺时间。
[0045] 实施例2
[0046] A、将重量分别为6. 26t\6. 40t\6. 52t的三个钛卷表面清洗后装入真空退火炉内， 预抽真空至3. 5X l(T3Pa后，然后以120°C /h的升温速率将炉温升至500°C，保温5小时；
[0047] B、继续以150°C /h的升温速率将炉温升至700°C后，开始向炉内充入纯度为 99. 99%的氩气至压强为7. OkPa，开启循环风机，并保温3小时；
[0048] C、关闭加热，以60°C /h的冷却速率将炉温冷却至350°C后，开启强制冷却系统， 直至炉温冷却到150°C后出炉。
[0049] 经检测，得到的钛卷，表面金属光泽度均匀，清洁度高；钛卷外圈、中部和内圈晶粒 度均为7. 5,屈服强度平均值分别为212Mpa、215Mpa和208Mpa，工艺时间约为21h，由此可 见，退火后的钛卷表面光洁度一致，钛卷外圈、中部和内圈的晶粒度大小一致、组织均匀、力 学性能良好，且不会大幅度延长工艺时间。
[0050] 实施例3
[0051] A、将重量分别为6. 33t\6. 50t\6. 82t的三个钛卷表面清洗后装入真空退火炉内， 预抽真空至3. 5 X 10_3Pa后，然后以120°C /h的升温速率将炉温升至520°C，保温3. 5小时；
[0052] B、继续以100°C /h的升温速率将炉温升至720°C后，开始向炉内充入纯度为 99. 99%的氩气至压强为5. OkPa，开启循环风机，并保温2. 5小时；
[0053] C、关闭加热，以60°C /h的冷却速率将炉温冷却至350°C后，开启强制冷却系统， 直至炉温冷却到150°C后出炉。
[0054] 经检测，得到的钛卷，表面金属光泽度均匀，清洁度高；钛卷外圈、中部和内圈晶粒 度均为7. 5,屈服强度平均值分别为210Mpa、217Mpa和212Mpa，工艺时间约为22h，由此可 见，退火后的钛卷表面光洁度一致，钛卷外圈、中部和内圈的晶粒度大小一致、组织均匀、力 学性能良好，且不会大幅度延长工艺时间。
[0055] 实施例4
[0056] A、将重量分别为6. 68t\6. 35t\6. 48t的三个钛卷表面清洗后装入真空退火炉内， 预抽真空至3. 5X l(T3Pa后，然后以120°C /h的升温速率将炉温升至530°C，保温3小时；
[0057] B、继续以100°C /h的升温速率将炉温升至680°C后，开始向炉内充入纯度为 99. 99%的氩气至压强为7. 5kPa，开启循环风机，并保温3小时；
[0058] C、关闭加热，以80°C /h的冷却速率将炉温冷却至350°C后，开启强制冷却系统， 直至炉温冷却到150°C后出炉。
[0059] 经检测，得到的钛卷，表面金属光泽度均匀，清洁度高；钛卷外圈、中部和内圈晶粒 度均为7. 5,屈服强度平均值分别为207Mpa、211Mpa和208Mpa，工艺时间约为20h，由此可 见，退火后的钛卷表面光洁度一致，钛卷外圈、中部和内圈的晶粒度大小一致、组织均匀、力 学性能良好，且不会大幅度延长工艺时间。
[0060] 对比例1
[0061] (1)将质量分别为6. 78t/6. 54t/6. 76t的三个冷轧钛卷表面清洗后装入真空保护 气氛退火炉内，抽真空至真空度达到1.0Xl(T3Pa后，开始以150°C /h的升温速率将炉温升 至450°C，保温2小时；
[0062] (2)采用纯度为99. 99 %的氩气、在压强为_5kPa条件下在炉内进行循环，以 100°C /h的升温速率将炉温升至680°C，保温4小时；
[0063] (3)保温结束后，关闭加热系统，以150°C /h的冷却速率将炉温冷却至540°C后，开 启带有换热气的强制冷却系统，冷却到170°C后出炉。
[0064] 经检测，得到的钛卷，边部见少许油印，钛卷外圈、中部和内圈晶粒度分别为6. 5、 5. 5和6. 0 ;屈服强度平均值分别为197MPa、176MPa和186MPa，工艺时间约为17h。
[0065] 对比例2
[0066] (1)将质量分别为6. 18t/6. 34t/6. 49t的三个冷轧钛卷表面清洗后装入真空保护 气氛退火炉内，抽真空至真空度达到1.0Xl(T3Pa后，开始以100°C /h的升温速率将炉温升 至500°C，保温1.5小时；
[0067] (2)采用纯度为99. 99 %的氩气、在压强为_7kPa条件下在炉内进行循环，以 150°C /h的升温速率将炉温升至740°C，保温2小时；
[0068] (3)保温结束后，关闭加热系统，以140°C /h的冷却速率将炉温冷却至460°C后，开 启带有换热气的强制冷却系统，冷却到170°C后出炉。
[0069] 经检测，得到的钛卷，边部颜色较深，钛卷外圈、中部和内圈晶粒度分别为6. 5、6. 0 和7. 0 ;屈服强度平均值分别为200MPa、182MPa和216MPa，工艺时间约为17h。
[0070] 对比例3
[0071] (1)将质量分别为6. 25t/6. 33t/6. 71t的三个冷轧钛卷表面清洗后装入真空保护 气氛退火炉内，抽真空至真空度达到1. 0Xl(T3Pa后，开始以150°C /h的升温速率将炉温升 至430°C，保温2. 5小时；
[0072] (2)采用纯度为99. 99%的氩气、在压强为-10kPa条件下在炉内进行循环，以 100°C /h的升温速率将炉温升至620°C，保温6小时；
[0073] (3)保温结束后，关闭加热系统，以150°C/h的冷却速率将炉温冷却至500°C后，开 启带有换热气的强制冷却系统，冷却到170°C后出炉。
[0074] 经检测，得到的钛卷，中部有油印，钛卷外圈、中部和内圈晶粒度分别为6. 5、5. 5 和6. 5 ;屈服强度平均值分别为205MPa、175MPa和206MPa，工艺时间约为18h。
[0075] 通过上面各实施例及对比例可以看出，采用本发明的退火方法得到的钛卷，即能 保证退火后钛卷表面光洁度一致、清洁度高、整卷晶粒度一致、组织均匀，又不会大幅度延 长工艺时间。
【权利要求】
1. 冷轧工业纯钛卷的真空退火方法，其特征在于，包括以下步骤： A、 将表面清洗后的工业纯钛卷装入真空退火炉内，对真空炉预抽真空至真空度 彡3. 5X10_3Pa ;然后以110?150°C /h的升温速率将炉温升至500?550°C，保温3?6 小时； B、 继续以100?150°C /h的升温速率将炉温升至650?720°C后，再向炉内充入纯度 彡99. 99%的惰性气体至压强为5. 0?8. OkPa，保温2?4小时； C、 关闭加热系统，以50?100°C /h的冷却速率将炉温冷却至330?370°C后，开启强 制冷却系统，直至炉温< 150 C后取出钦卷。
2. 如权利要求1所述的冷轧工业纯钛卷的真空退火方法，其特征在于，步骤A中，升温 速率为120?150°C /h。
3. 如权利要求1或2所述的所述的冷轧工业纯钛卷的真空退火方法，其特征在于，步骤 A中，将炉温升至520?530°C，保温3?3. 5小时。
4. 如权利要求1至3中任一项权利要求所述的冷轧工业纯钛卷的真空退火方法，其特 征在于，步骤B中，将炉温升至700?720°C，保温2?3小时。
5. 如权利要求1至4中任一项权利要求所述的冷轧工业纯钛卷的真空退火方法，其特 征在于，步骤B中，惰性气体的纯度> 99. 999%。
6. 如权利要求1至5中任一项权利要求所述的冷轧工业纯钛卷的真空退火方法，其特 征在于，步骤C中，将炉温冷却至350°C后，开启强制冷却系统。
7. 如权利要求1至6中任一项权利要求所述的冷轧工业纯钛卷的真空退火方法，其特 征在于，步骤C中，以60?80°C /h的冷却速率将炉温冷却至330?370°C后，开启强制冷 却系统。
8. 如权利要求1至7中任一项权利要求所述的冷轧工业纯钛卷的真空退火方法，其特 征在于，步骤B中，充入惰性气体后开启循环风机。
9. 如权利要求1至8中任一项权利要求所述的冷轧工业纯钛卷的真空退火方法，其特 征在于，在步骤A之前，通过化学碱洗方法对钛卷的表面进行脱脂处理。
10. 如权利要求1至9中任一项权利要求所述的冷轧工业纯钛卷的真空退火方法，其特 征在于，在步骤A之前，钛卷轧制过程中，采用油溶性矿物油作为润滑油。
【文档编号】C22F1/02GK104152829SQ201410424109
【公开日】2014年11月19日 申请日期:2014年8月26日 优先权日:2014年8月26日
【发明者】肖聪, 李军, 彭琳, 向安平, 王莹, 卢东, 林崇智, 杨柳, 谢韶 申请人:攀钢集团攀枝花钢铁研究院有限公司