卷式冷轧法生产薄ta4钛材的方法
【专利摘要】本发明涉及一种卷式冷轧法生产薄TA4钛材的方法，通过合理设计成分、优化轧制过程和生产工艺，生产厚度不超过3mm的高质量薄TA4钛材；A4钛材中添加了含量更高的Fe和O，因此TA4强度更高，其成分要求Fe≤0.5%、O≤0.4%、N≤0.05%、C≤0.08%和H≤0.015%；其抗拉强度≥580MPa，延伸率≥20%；采用卷带式方法生产TA4钛材，每卷重量在4t以上、轧程变形量最大可达到45%，利用冷轧机和退火炉连续式生产，效率高、综合成本低、工艺简单；所得TA4钛材尺寸精度高、批次稳定性好，厚度精度不超过GB/T 3621?2007标准要求的一半、同板差控制不超过厚度公差的一半；钛材的性能批次一致性强、数值波动Cv≤3%，组织细小均匀，晶粒度能稳定实现≥7级。
【专利说明】
卷式冷$。去生产薄TA4铁材的方法
技术领域
[0001] 本发明设及薄TA4铁材的生产技术领域，具体的说是一种卷式冷社法生产薄TA4铁 材的方法。
【背景技术】
[0002] 铁由于具有高比强度、高初性、良好的耐蚀性、较低的弹性模量、良好的加工成形 性和优良的生物相容性等特点，在化工、航空及医疗等领域得到广泛应用。工业纯铁TA4相 当于国外Gr4纯铁(ASTM标准），具有较高的强度和良好的耐蚀性，不能进行热处理强化，成 形性能较好、易于焊接和针焊，广泛应用于各种化工石油设备、耐蚀结构件、宇航部件、外科 医疗植入物部件、医疗器械、固定件和装配件等，长期工作溫度在300°C W下。
[0003] 世界和中国人口老龄化趋势明显，65岁W上高龄者占世界人口的1/4,每年因各种 疾病需要更换人工关节的有5000万人W上，医疗器械产业的产值每年数千亿美元，其中生 物医学材料及制品约占40~50%，每年的市场增长率约为15%~20%。2012年我国生产销售的医 用纯铁和铁合金总量达到lOOOtW上，每年需求的医疗部件接骨板200万套W上、关节25万 W上、脊柱装置40万个W上，市场规模120亿W上，应用市场巨大，中国已经成为世界上临床 手术量仅次于美国的第二大国家。尽管我国目前已实现铁制骨螺钉、接骨板等常规产品国 产化，但整体水平不高，由于质量等问题医疗铁部件仍需大量进口。在生物医用方面，铁材 在临床医学中的应用主要包括骨科植入物、手术器械、血管外科、脑外科和口腔等;在骨科 植入物方面，包括各种人工关节、人工骨、各种内外固定器械、矫形、创伤和脊柱产品等。铁 及铁合金是制造骨科植入物的主要材料，由于良好的性能、高化学稳定性和良好生物相容 性，在人体植入件方面的应用获得极大成功，用量不断增加，具有巨大的潜在市场。
[0004] 外科植入物用纯铁材的相关标准主要有ASTM F67JS05832-2和GB/T 13810-2007 (外科植入物用铁及铁合金加工材)等，医用TA4纯铁在口腔和骨科植入物等生物材料领域 具有广泛的应用，在人体内受力较小的植入物部件可使用，杂质要求一般是Fe《0.5%、0《 0.4%、1^《0.05%、(：《0.08%和!1《0.015%少6和0在了44中是专口加进去的元素，含量越高则 TA4的强度越高、但同时塑性和初性降低、耐蚀性也有下降。随着医疗产品和器械使用要求 的提高，对医疗用铁板的尺寸精度、性能和组织的要求也越来越高、越来越苛刻，对性能指 标和波动范围限制越来越严格和精细化。
[0005] 国标GB/T 13810-2007和GB/T 3621-2007中对TA4铁板的尺寸精度要求较宽松，例 如，厚度>0.8~1.1mm铁板厚度公差要求是±0.09mm、厚度>1.1~1.5mm公差±0.11mm、厚度 > 1.5~2mm公差± 0.15mm、厚度> 2~3mm公差± 0.18mm。但是，越来越多的医疗铁材企业对厚 度公差的要求趋于严格，同时要求批量稳定性和组织均匀性良好，厚度公差要求较严格的 是不超过国标的一半，若采用单张板热社或冷社时，厚度精度、板形和批次稳定性都难W达 到要求，产品性能和组织波动性较大。
[0006] 国标GB/T 13810-2007和GB/T 3621-2007中对TA4的性能要求是Rm>580M化、Rpo.2 为485~655MPa、A>20%，晶粒度要求不低于5级。TA4的强度和低合金含量的铁合金接近，因 此，TA4铁材在化工、石油、结构件和耐蚀结构件方面也有广泛使用，高强度、高质量的TA4铁 板能适应多领域的用途。
[0007] -般来说，TA4工业纯铁板的生产方法，采用锻造后单张社制的方法生产，3mmW上 板材用单张板热社法生产，厚度公差最多能控制在±0.18mm范围、同板差最好水平控制在 0.2mmW内；3mmW下的薄板材用单张板冷社生产、最小厚度一般在ImmW上，厚度公差能满 足国标、同板差至多控制在O.lmmW内。单张板社制生产效率低、成本高、组织和性能波动明 显，热社精度差、表面质量差，冷社板的板形差、批次间波动明显。
[0008] 目前还没有见到卷式冷牵LTA4产品的相关报道，由于TA4铁材的强度较高、塑性不 太高，使用卷式冷社法还有一些技术难关需要解决。
【发明内容】
[0009] 本发明的目的是提供卷式冷社法生产薄TA4铁材的方法，通过合理设计成分、优化 社制过程和生产工艺，生产厚度不超过3mm的高质量薄TA4铁材。
[0010] 为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为： 一种卷式冷社法生产薄TA4铁材的方法，该方法包括W下步骤： 1) 选用0级海绵铁，添加纯铁粉或铁片和纯度不低于99%的二氧化铁粉末均匀混合后压 制电极，进行电极的真空焊接，然后采用真空自耗电弧炉进行不少于2次的烙炼，烙炼后切 除冒口，去除表皮获得良好铸锭，然后进行锻造获得方形板巧； 2) 板巧在步进式加热炉中退火，加热溫度850~900°C、加热介质为天然气或煤气，保溫 时间根据板巧厚度计算，即板巧厚度乘W系数0.8~1.5min/mm，热社的道次变形率为5~40%， 最终获得厚度为3~5mm的热社铁卷； 3) 热社铁卷采用连续退火的方式，退火溫度700~780°C、保溫时间5~30min;退火后进行 抛丸和酸洗处理，酸洗后铁材厚度减薄不小于0.03mm，酸洗后铁卷进行切边，去除不规则和 碎裂的边部区域，铁卷的宽度900~1300mm; 4) 铁卷冷社的道次变形量为3~10%，社程变形量不超过45%，随后进行罩式炉真空退火， 保溫溫度为650~750°C ; 5) 对于厚度小于1mm的成品铁卷，成品冷社后采用真空罩式炉退火，退火溫度为650~ 750°C，保溫时间40~eOOmin;随后进行平整和矫直，然后分切为板带材使用;对于厚度1~3mm 的成品铁卷，可使用真空罩式炉退火结合平整和矫直获得铁板带，也可W在成品阶段冷社 后，分切为适宜的规格进行大气退火，然后碱酸洗或喷砂酸洗获得成品。
[0011] 所述步骤1)中0级海绵铁的粒度优先选择3~12.7mm。
[0012] 所述步骤1)铸锭中化《〇.5%、0《0.4%、1^《0.05%、(：《0.08%和!1《0.015〇/〇。
[001引所述Fe含量为0.25~0.38%，0含量为0.2~0.330/0。
[0014] 所述步骤1)中铸锭直径不小于400mm，板巧锻造后锐面并倒角，表面缺陷修磨干 净、外观合格、探伤合格，板巧重量4~8t，宽度为900~1300mm，厚度为140~210mm。
[0015] 所述步骤3)中采用氨氣酸和硝酸的混酸进行酸洗，溫度40~60°C，去除铁材表面的 氧化皮并白化。
[0016] 所述步骤4)中对于厚度较薄的TA4卷带材，社程数和退火处理为2~4次。
[0017] 所述步骤4)中冷社时采用可逆社机、两侧带张力、社制速度30~200m/min、AGC控制 社制，社制时社漉喷乳化液。
[0018] 所述步骤5)中对于厚度^3mm的铁板，单张板退火后再成摄压矫形的退火溫度450 ~650°C、保溫时间2~化，铁板堆煤高度不超过150mm、所用的压矫形钢板为总厚度50~200mm 的单块或多块平直钢板。
[0019] 本发明的有益效果： 本发明提供的卷式冷社法生产薄TA4铁材的方法，通过在铁材中添加纯铁粉或铁片，提 高了 A4铁材中Fe的含量，提高了 TA4铁材的强度，采用卷带式方法生产TA4铁材，每卷重量在 4tW上、社程变形量最大可达到45%，利用冷社机和退火炉连续式生产，效率高、综合成本 低、工艺简单;所得TA4铁材尺寸精度高、批次稳定性好，厚度精度不超过GB/T 3621-2007标 准要求的一半、同板差控制不超过厚度公差的一半;铁材的性能批次一致性强、数值波动Cv 《3%，组织细小均匀，晶粒度能稳定实现>7级;根据生产设备和工艺条件，铁材的不平度最 好能达到《3mm/m、一般能实现不平度《5mm;A4铁材中添加了含量更高的化和0,因此TA4强 度更高，其成分要求。6《0.5%、0《0.4%、1^《0.05%、(：《0.0柳和!1《0.015%;其抗拉强度> 580MPa，延伸率 >20%。
【具体实施方式】
[0020] 下面结合【具体实施方式】对本发明做进一步的阐述。
[0021] -种卷式冷社法生产薄TA4铁材的方法，该方法包括W下步骤： 1) 选用0级海绵铁，粒度为3~12.7mm，添加纯铁粉或铁片和纯度不低于99%的二氧化铁 粉末均匀混合后压制电极，进行电极的真空焊接，然后采用真空自耗电弧炉进行不少于2次 的烙炼，烙炼后切除冒口，去除表皮获得良好铸锭，然后进行锻造获得方形板巧，铸锭中Fe 《0.5%、0《0.4%、N《0.05%、C《0. ora和H《0.015%;铸锭直径不小于400mm，板巧锻造后锐 面并倒角，表面缺陷修磨干净、外观合格、探伤合格，板巧重量4~8t，宽度为900~1300mm，厚 度为140~210mm; 2) 板巧在步进式加热炉中退火，加热溫度850~900°C、加热介质为天然气或煤气，保溫 时间根据板巧厚度计算，即板巧厚度乘W系数0.8~1.5min/mm，热社的道次变形率为5~40%， 最终获得厚度为3~5mm的热社铁卷； 3) 热社铁卷采用连续退火的方式，退火溫度700~780°C、保溫时间5~30min;退火后进行 抛丸和酸洗处理，采用氨氣酸和硝酸的混酸进行酸洗，溫度40~60°C，去除铁材表面的氧化 皮并白化，酸洗后铁材厚度减薄不小于0.03mm，酸洗后铁卷进行切边，去除不规则和碎裂的 边部区域，铁卷的宽度900~1300mm; 4) 铁卷冷社的道次变形量为3~10%，社程变形量不超过45%，随后进行罩式炉真空退火， 保溫溫度为650~750°C，对于厚度较薄的TA4卷带材，社程数和退火处理为2~4次;冷社时采 用可逆社机、两侧带张力、社制速度30~200m/min、AGC控制社制，社制时社漉喷乳化液，工作 漉推荐使用不低于0.03mm凸度的凸漉并施加适当的弯漉力，控制铁卷的板形和尺寸精度 等;要根据成品铁材的厚度选择和设计热社卷的厚度及冷社社程，若铁卷的社程变形量过 小，则生产效率低且不利于退火后获得细小均匀的组织;铁卷社程变形量过大，则铁材表面 会产生裂纹甚至断裂造成事故，道次变形量过大也可能会造成铁卷表面裂纹、板形差甚至 断裂;真空罩式炉退火时，保溫溫度为650~750°C，保溫时间根据卷材卷径和壁厚计算； 5)对于厚度小于1mm的成品铁卷，成品冷社后采用真空罩式炉退火，退火溫度为650~ 750°C，保溫时间40~eOOmin;随后进行平整和矫直，然后分切为板带材使用;对于厚度1~3mm 的成品铁卷，可使用真空罩式炉退火结合平整和矫直获得铁板带，也可W在成品阶段冷社 后，分切为适宜的规格进行大气退火，成摄压钢板退火，或单张退火+成摄压钢板矫形退火， 然后碱酸洗或喷砂酸洗获得成品;对于厚度^3皿的铁板，单张板退火后再成摄压矫形的退 火溫度450~650°C、保溫时间2~化，一般铁板堆煤高度不超过150mm、所用的压矫形钢板为总 厚度50~200mm的单块或多块平直钢板。成品状态:生产的TA4产品，可W为卷材产品，也可W 为板带材产品，依据GB/T5193-2007进行超声波探伤检验合格。
[0022] 实施例1: 选用优质0级小颗粒(3~12.7mm粒度)海绵铁，筛选挑出细铁粉、边皮、发蓝发黑颗粒和 硬块等缺陷海绵铁，在自动布料系统上均匀添加小块纯铁片和Ti化粉末(纯度>99%)，压制 电极后在真空焊室内进行电极焊接。采用德国ALD真空自耗电弧炉进行Ξ次烙炼，化皮车 光，锻造和整形获得方形板巧，锐面后超声探伤检测为A级，板巧名义规格为200 X 1060 X 5500mm，TA4 板巧的名义成分 Ti-0.3%Fe-0.25〇/〇0; 板巧在步进式炉中天然气加热，控制炉溫870~920°C，在炉溫稳定达到>880°C的条件 下保溫200~320min后出炉社制，使用粗社机和炉卷精社机社制为3.5mm厚的热社卷;随后进 行退火、抛丸和酸洗，退火溫度740°C、酸洗后铁卷材厚度减薄约0.05mm;酸洗后铁卷切边， 热社卷规格为3.5mm XI 050mm X约300m; 0.8mm冷社卷的生产：热社卷经表面局部修磨去除缺陷后进行冷社卷的生产，对于 0.8mm的成品卷带材，生产设计为热社卷3.5mm厚^一社程变形37%到2.2mm厚^690°C真空 罩式炉卷退火^二社程变形41%到1.3mm厚^690°C真空罩式炉退火社程变形38%到 0.8mm成品^68(TC真空罩式炉退火^平整^拉弯矫直^矫直分切为需要的卷带材，在第一 社程和第二社程退火后进行半成品卷材的表面局部缺陷抛光修磨。
[0023] 0.8mm成品TA4卷带材的尺寸精度、性能和组织状况见表1，拉伸试样标距为50mm。
[0024] 从表中看出，0.8mmTA4的横纵向抗拉强度差异较小，不超过20MPa。
[0025] 表1 0.8mmTA4卷带材测试结果
实施例2: 选用优质0级海绵铁，筛选挑出细铁粉、边皮、发蓝发黑颗粒和硬块等缺陷海绵铁，烙炼 和锻造与实施例1相同，锻造和整形获得方形板巧，锐面后超声探伤检测为A级，板巧名义规 格为 200 X 1060 X 5500mm，TA4 板巧的名义成分 Ti-0.32%Fe-0.25〇/〇0。
[00%] 热社卷的生产:生产过程与实施例1相同，热社卷规格为3.5mmX1050mmX约300m。 [0027]冷社卷的生产:热社卷经表面局部修磨去除缺陷后进行冷社卷的生产，对于1.2mm 的成品卷带材，生产设计为热社卷3.5mm厚^一社程变形41%到2.05mm厚^690°C真空罩式 炉卷退火^二社程变形41%到1.2mm厚^分切为需要规格板材^60张铁板巧0mm钢板670°C 成摄压矫形退火^碱酸洗^定尺，成品，在第一社程退火后进行中间品的表面局部缺陷抛 光修磨。
[002引1.2mm成品TA4板材的尺寸精度、性能和组织状况见表2，拉伸试样标距为50mm。
[0029] 表2 1.2mmTA4板材测试结果
实施例3: 选用优质0级海绵铁，筛选挑出细铁粉、边皮、发蓝发黑颗粒和硬块等缺陷海绵铁，烙炼 和锻造与实施例1相同，锻造和整形获得方形板巧、锐面后超声探伤检测为A级，板巧名义规 格为200 X 1060 X 5500mm，TA4板巧的名义成分Ti-0.32%Fe-0. 25〇/〇0。
[0030] 热社卷的生产:生产过程与实施例1相同，热社卷规格为5mmX 1050mmX约300m。
[0031] 冷社卷的生产：热社卷经表面局部修磨去除缺陷后进行冷社卷的生产，对于3mm (要求厚度公差0~+0.15mm)的成品卷带材，生产设计为热社卷5mm厚^一社程变形38%到 3.12mm厚一分切为需要规格板材一 25张铁板巧0mm钢板670°C成摄压矫形退火一喷砂酸洗 ^定尺为成品。
[0032] 喷砂时采用40#栋刚玉沙，喷砂压力约0.5M化，将板材表面氧化皮去除；接着进行 酸洗，酸液由氨氣酸（约3%)、硝酸（约15%)及水组成、酸洗溫度40~50°C，酸洗速度3~5m/ min，最终得到酸洗面的成品TA4板材。
[0033] 3mm成品TA4板材的尺寸精度、性能和组织状况见表3,拉伸试样标距为50mm。
[0034] 3mm板材的厚度精度可控制在0~+0.15mm，比GB/T 3621-2007标准的一半还要小 些，同板差也能控制在0.1mm W内。
[0035] 表3 3mmTA4板材测试结果
【主权项】
1. 一种卷式冷乳法生产薄TA4钛材的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤： 1) 选用〇级海绵钛，添加纯铁粉或铁片和纯度不低于99%的二氧化钛粉末均匀混合后压 制电极，进行电极的真空焊接，然后采用真空自耗电弧炉进行不少于2次的熔炼，熔炼后切 除冒口，去除表皮获得良好铸锭，然后进行锻造获得方形板坯； 2) 板坯在步进式加热炉中退火，加热温度850~900°C、加热介质为天然气或煤气，保温 时间根据板还厚度计算，即板还厚度乘以系数〇. 8~1.5min/mm，热乳的道次变形率为5~40%， 最终获得厚度为3~5mm的热乳钛卷； 3) 热乳钛卷采用连续退火的方式，退火温度700~780°C、保温时间5~30min;退火后进行 抛丸和酸洗处理，酸洗后钛材厚度减薄不小于〇. 〇3mm，酸洗后钛卷进行切边，去除不规则和 碎裂的边部区域，钛卷的宽度900~1300mm; 4) 钛卷冷乳的道次变形量为3~10%，乳程变形量不超过45%，随后进行罩式炉真空退火， 保温温度为650~750 °C; 5) 对于厚度小于1mm的成品钛卷，成品冷乳后采用真空罩式炉退火，退火温度为650~ 750 °C，保温时间40~600min;随后进行平整和矫直，然后分切为板带材使用;对于厚度1~3mm 的成品钛卷，可使用真空罩式炉退火结合平整和矫直获得钛板带，也可以在成品阶段冷乳 后，分切为适宜的规格进行大气退火，然后碱酸洗或喷砂酸洗获得成品。2. 如权利要求1所述的卷式冷乳法生产薄TA4钛材的方法，其特征在于:所述步骤1)中0 级海绵钛的粒度为3~12.7mm。3. 如权利要求1所述的卷式冷乳法生产薄TA4钛材的方法，其特征在于:所述步骤1)铸 锭中Fe彡0.5%、0 彡0·4%、Ν 彡0.05%、C 彡0.08% 和 Η 彡0.015%。4. 如权利要求3所述的卷式冷乳法生产薄ΤΑ4钛材的方法，其特征在于:所述Fe含量为 0 · 25~0 · 38%，0 含量为 0 · 2~0 · 33%。5. 如权利要求1所述的卷式冷乳法生产薄TA4钛材的方法，其特征在于:所述步骤1)中 铸锭直径不小于400mm，板坯锻造后铣面并倒角，表面缺陷修磨干净、外观合格、探伤合格， 板还重量4~8t，宽度为900~1300mm，厚度为140~210mm。6. 如权利要求1所述的卷式冷乳法生产薄TA4钛材的方法，其特征在于:所述步骤3)中 采用氢氟酸和硝酸的混酸进行酸洗，温度40~60°C，去除钛材表面的氧化皮并白化。7. 如权利要求1所述的卷式冷乳法生产薄TA4钛材的方法，其特征在于:所述步骤4)中 对于厚度较薄的TA4卷带材，乳程数和退火处理为2~4次。8. 如权利要求1所述的卷式冷乳法生产薄TA4钛材的方法，其特征在于:所述步骤4)中 冷乳时采用可逆乳机、两侧带张力、乳制速度30~200m/min、AGC控制乳制，乳制时乳辊喷乳 化液。9. 如权利要求1所述的卷式冷乳法生产薄TA4钛材的方法，其特征在于:所述步骤5)中 对于厚度1~3mm的钛板，单张板退火后再成摞压矫形的退火温度450~650 °C、保温时间2~6h， 钛板堆垛高度不超过150mm、所用的压矫形钢板为总厚度50~200mm的单块或多块平直钢板。
【文档编号】C22F1/18GK106011714SQ201610381450
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年6月1日
【发明人】刘喜波, 王树军, 刘茵琪
【申请人】洛阳双瑞精铸钛业有限公司