异型截面丝材钛合金弹簧的制备方法
【专利摘要】本发明涉及一种异型截面丝材钛合金弹簧的制备方法，属于弹簧【技术领域】。弹簧由异型截面钛合金丝材绕制而成；按质量百分比计，钛合金丝的组分为Al：2～4、V：6～10、Cr：4～8、Mo：2～6、Zr：2～6、Fe：0.1～0.3、Si：0.03～0.15；Ti为余量。钛合金弹簧丝材的截面可以是长方形、正方形，正六边形或椭圆形。绕制弹簧的钛合金丝材通过锻压、热轧工艺制备，丝材绕制弹簧前要经过固溶处理，弹簧成品要进行时效强化处理。采用钛合金制备弹簧可以起到减重的作用，同时钛合金在海洋环境下具有良好的抗腐蚀能力、疲劳寿命长。使用异型截面丝材可以在丝材规格相近条件下增加截面积，提高弹簧刚度，以满足钛合金弹簧在高工作负荷下的使用需求。
【专利说明】异型截面丝材钛合金弹簧的制备方法
【技术领域】
[0001]本发明属于弹簧【技术领域】，具体为一种异型截面丝材钛合金弹簧的制备方法。
【背景技术】
[0002]由于弹簧具有形变恢复特性，因而在很多领域中得到了广泛应用。利用弹簧元件变形后会产生恢复力的特性，可以用来减震、夹紧、储能和测量，根据不同的用途，主要有压缩弹簧、拉神弹簧和扭转弹簧。所用材料主要为金属材料，而金属材料制备的弹簧中又以钢弹簧应用最广，包括碳素钢、合金钢和不锈钢，在航天航空、机械制造、汽车、船舶等领域已经得到了广泛应用。
[0003]目前，随着装备制造技术的发展和不断进步，弹簧的应用领域也日益扩展，作为机械设备用弹簧元件的作用更加突出。与此同时，对弹簧材料的选择和设计参数也提出了更高要求，从降低设备重量的角度出发，要求装配的弹簧元件重量尽可能轻。当弹簧在海洋和其它腐蚀环境下使用时，要求弹簧具有高抗腐蚀性以获得稳定的使用寿命，而现有的钢弹簧难以满足上述要求。
[0004]中国实用新型专利(专利号200820047637.6)公开一种钛弹簧，由钛合金线材绕成螺旋状，钛合金为β钛合金、T1-3Al-8V-6Cr-4Mo-4Zr、LCB FTB29等，与钢制弹簧相比具有重量较轻、较好的抗疲劳性、抗腐蚀性和灵敏性。中国实用新型专利(专利号200920032686.7)公开一种钛合金汽车弹簧，该弹簧为圆柱形，弹簧由直径为0.5mm?0.7mm的弹簧丝制成。上述两个专利中弹簧采用的是传统的圆形截面丝材，由于钛合金丝材弹性优于钢丝，导致绕制的弹簧，特别是旋绕比偏大的弹簧尺寸波动大，给弹簧尺寸的精确控制带来很大难度。此外，对于大节距弹簧，圆形截面丝材在绕制成型过程中容易发生偏转扭曲，导致丝材绕制过程中受力不均，绕制的弹簧不同部位反弹不均均，同样不利于弹簧尺寸的精确控制。采用异型截面丝材绕制弹簧可以解决上述问题，异型截面丝材截面可以是长方形、正方形、正六边形、椭圆形。通过沿选定的面绕制弹簧，避免了丝材绕制过程中发生扭转而导致受力不均匀的现象，提高了弹簧成型后的尺寸精度。
[0005]钛合金具有优异的耐工业腐蚀及耐海洋大气、海水腐蚀性能，其密度为4.5?4.8g/cm3。因此，与钢制弹簧相比，钛合金弹簧具有明显的减重作用和抗腐蚀能力。但钛合金的切变模量只是钢的一半，在相同结构尺寸的条件下，钛合金弹簧的刚度系数较小。使用异型截面丝材绕制弹簧，在丝材尺寸相近情况下，异型截面丝材的截面积大于圆形截面丝材，弹簧绕制后可以获得更大的刚度，这就有效弥补了钛合金切变模量偏低的缺点，提高了弹簧允许承受的负荷，增加了弹簧的疲劳寿命。
【发明内容】
[0006]针对钛合金弹性模量偏低的问题，本发明的目的在于提供一种异型截面丝材钛合金弹簧的制备方法。与圆形截面丝材相比，采用异型截面丝材可以在丝材尺寸相近情况下提闻丝材截面积，提闻了弹黃刚度，进而能够承受更闻的负荷。
[0007]本发明的技术方案是:
[0008]一种异型截面丝材钛合金弹簧的制备方法，弹簧由异型截面钛合金丝材绕制而成；按质量百分比计，钛合金丝的组分为Al:2?4、V:6?10、Cr:4?8、Mo:2?6、Zr:2?
6、Fe:0.I ?0.3、Si:0.03 ?0.15 ；Ti 为余量。
[0009]所述的异型截面丝材钛合金弹簧的制备方法，异型截面钛合金丝材的截面形状为长方形、正方形、正六边形或椭圆形。
[0010]所述的异型截面丝材钛合金弹簧的制备方法，异型截面钛合金丝材通过锻压、热轧工艺制备，具体工艺参数如下:
[0011](I)在1130°C?1200°C，保温3?4小时，采用锻压工艺，将钛合金铸锭锻造成棒材；
[0012](2)在870°C?920°C，保温I?2小时，采用热轧工艺，将钛合金锻棒轧制成异型截面钛合金丝材。
[0013]所述的异型截面丝材钛合金弹簧的制备方法，异型截面钛合金丝材经固溶处理后绕制弹簧，对绕制后的弹簧进行时效强化处理，具体工艺参数如下:
[0014](I)固溶处理温度在820°C?840°C之间，保温时间1min?18min ；
[0015](2)时效强化处理温度在520?530°C之间，保温时间8h?1h。
[0016]本发明的设计思想是:
[0017]与钢材料相比，钛合金具比强度高、密度小、重量轻、抗腐蚀性强等优点，但缺点是抗拉强度比钢偏低，在丝材尺寸相同的情况下绕制的弹簧强度偏低难以满足使用要求。为解决这一问题，本发明使用经过锻压、热轧工艺制备的异型截面钛合金丝材，丝材经固溶处理后绕制弹簧，绕制后的弹簧经过时效强化处理，使强度得到大幅提升，能够满足使用要求，替代钢弹簧后还可以起到减重作用。同时，由于钛合金抗腐蚀能力强、抗疲劳性好等优点，制备的弹簧具有更高的使用寿命。
[0018]在钛合金材料制备过程中添加适量的Fe，目的是Fe元素可以引起合金基体晶格畸变，形成应力场，从而提高材料强度，引入少量的Si可以在合金中形成弥散分布的硅化物，当合金固溶处理时硅化物能够起到抑制晶粒长大的作用，有助于控制晶粒尺寸，从而提高合金的强度和塑性。
[0019]本发明的优点及有益效果如下:
[0020]1、与传统的钢弹簧相比，采用钛合金丝材制备弹簧可以大幅度的降低弹簧的重量。在特殊应用环境(如:海洋和其它腐蚀环境)下具有良好的抗腐蚀能力，进而提高弹簧使用寿命。
[0021]2、与传统的圆丝截面螺旋弹簧相比，异型截面丝材弹簧有其突出的特点。在弹簧绕制过程中，传统的圆形截面丝材容易发生扭转造成丝材绕制过程中受力不均匀，弹簧成型后尺寸偏差大，弹簧精度不易控制，使弹簧成品合格率降低。将弹簧用丝材截面设计为异型，异型截面丝材截面可以是长方形、正方形、正六边形、椭圆形。在弹簧绕制时可以沿选定的面缠绕，避免了丝材绕制过程中因发生扭转而导致受力不均匀的现象，提高了弹簧成型后的尺寸精度。
[0022]3、本发明异型截面丝材弹簧所用丝材，其截面对称面间距与圆丝截面直径长度相同情况下面积增加，在丝材单位面积受到的应力相同时，可以承受更高的负荷。由于采用异型截面丝材增加了丝材截面积，提高了弹簧使用过程中的工作负荷，进而提高了弹簧的稳定性。对于扭转弹簧，在相同扭转角度下，可以使弹簧产生更高的扭矩。
[0023]4、本发明异型截面丝材弹簧形变恢复能力更强，不易松弛，性能更稳定。由于弹簧绕制过程中沿着丝材某一固定的平面成型，不易使丝材产生扭转，所以减小了弹簧绕制后尺寸反弹偏差，更易实现外径、节距、高度等尺寸的精确控制；使成品弹簧具有更稳定的刚度，可以实现更高的设计载荷。
[0024]5、本发明异型截面丝材弹簧不易发生松弛，提高了使用过程中的稳定性，进而提升了疲劳寿命，异型截面丝材钛合金弹簧具备上述优势使其能够替代圆形截面丝材钛合金弹黃和钢弹黃。
[0025]总之，使用异型截面丝材绕制弹簧，在丝材尺寸相近情况下，异型截面丝材的截面积大于圆形截面丝材，弹簧绕制后可以获得更大的刚度，这就有效弥补了钛合金切变模量偏低的缺点，提高了弹簧允许承受的负荷，增加了弹簧的疲劳寿命。
【具体实施方式】
[0026]本发明采用锻造、热轧工艺制备异型截面钛合金丝材，通过数控绕簧机绕制弹簧，异型截面钛合金丝材为长方形、正方形、正六边形或椭圆形。按质量百分比计，所用钛合金丝其组分为，Al:2 ?4、V:6 ?10、Cr:4 ?8、Mo:2 ?6、Zr:2 ?6、Fe:0.1 ?0.3、S1:0.03?0.15 ；Ti为余量。所述的异型截面钛合金丝材通过锻造、热轧工艺制备而成，钛合金丝材经固溶处理后，通过数控绕簧机绕制弹簧，再对弹簧进行时效强化处理。
[0027]实施例1
[0028]本实施例中，将钛合金铸锭锻造成Φ70_的锻棒，锻棒经异型型材轧制设备轧制成截面12.5mmX 12.5mm正方形丝材。
[0029](I)锻造:在1170°C，保温3小时，采用锻压工艺，将钛合金铸锭锻压成Φ 70mm棒材；
[0030](2)热轧:在900°C保温I小时，采用热轧工艺，将钛合金锻棒通过轧制设备轧制成截面12.5mmX 12.5mm正方形丝材。
[0031](3)固溶处理:在830°C保温1min对轧棒进行固溶处理，测定固溶态丝材的拉伸性能，具体结果见表I。
[0032]表I丝材固溶处理后的拉伸性能
[0033]
抗拉强度~延伸率J~断面收缩率Z
会扁号.(N/mm2)(%)(%)
191720.059.1
291223.560.8
[0034]从表I看出，丝材经固溶处理后塑性良好，特别是断面收缩率超过50%，高断面收缩率有利于弹簧绕制成型。
[0035](4)时效处理:在520°C保温10小时，对固溶态丝材进行时效强化处理，时效后的拉伸性能见表2。
[0036]表2时效处理后钛合金丝材的室温拉伸性能
[0037]
谝号抗拉强度延伸率2 断面收缩率Z
(N/mm2)(%)(%)
1128511.827.1
2128112 626.5
[0038]从表2可以看出，丝材经时效处理后强度得到大幅度提高，抗拉强度超过1280MPa，力学性能能够满足用作弹簧的性能要求。
[0039]实施例2
[0040]本实施例中，将钛合金铸锭锻造成Φ60_的锻棒，锻棒经异型型材轧制设备轧制成边长7.5mm的六边形丝材。
[0041](I)锻造:在1140°C，保温4小时，采用锻压工艺，将钛合金铸锭锻压成Φ60πιπι棒材；
[0042](2)热轧:在880°C保温2小时，采用热轧工艺，将钛合金锻棒通过轧制设备轧制成边长为7.5mm的六边形丝材；
[0043](3)固溶处理:在820°C保温15min，对丝材进行固溶处理，测定固溶态丝材的拉伸性能，具体结果见表3。
[0044]表3丝材固溶处理后的拉伸性能
[0045]
抗拉强度^延伸率J^断面收缩率Z
会扁#
(N/mm2)(%)(%)
192622.756.4
292123.5、3 6
[0046]从表3看出，丝材经固溶处理后塑性良好，特别是断面收缩率超过50%。高断面收缩率有利于弹簧绕制成型。
[0047](4)时效处理:在530°C保温9小时，对固溶态丝材进行时效强化处理，时效后的拉伸性能见表4。
[0048]表4时效处理后钛合金丝材的室温拉伸性能
[0049]
抗拉强度I ~延伸率J~断面收缩率Z
编号
(N/mm2)(%)(%)
1129712.2 -26,3
2129213.124.9
[0050]从表4可以看出，丝材经时效处理后强度得到大幅度提高，抗拉强度接近1300MPa，力学性能能够满足用作弹簧的性能要求。
[0051]实施例结果表明，与钢弹簧相比，本发明使用特定的异型截面丝材绕制钛合金弹簧具有密度小、比强度高、耐蚀性强等优点，用特定的钛合金制备弹簧可以起到降低重量的作用。同时，钛合金在海洋环境下具有良好的抗腐蚀能力，性能稳定，疲劳寿命长，能够当前市场需求。
【权利要求】
1.一种异型截面丝材钛合金弹簧的制备方法，其特征在于，弹簧由异型截面钛合金丝材绕制而成；按质量百分比计，钛合金丝的组分为Al:2?4、V:6?10、Cr:4?8、Mo:2?6、Zr:2 ?6、Fe:0.1 ?0.3、Si:0.03 ?0.15 ；Ti 为余量。
2.按照权利要求1所述的异型截面丝材钛合金弹簧的制备方法，其特征在于，异型截面钛合金丝材的截面形状为长方形、正方形、正六边形或椭圆形。
3.按照权利要求1或2所述的异型截面丝材钛合金弹簧的制备方法，其特征在于，异型截面钛合金丝材通过锻压、热轧工艺制备，具体工艺参数如下: (1)在1130°C?1200°C，保温3?4小时，采用锻压工艺，将钛合金铸锭锻造成棒材； (2)在870°C?920°C，保温I?2小时，采用热轧工艺，将钛合金锻棒轧制成异型截面钛合金丝材。
4.按照权利要求3所述的异型截面丝材钛合金弹簧的制备方法，其特征在于，异型截面钛合金丝材经固溶处理后绕制弹簧，对绕制后的弹簧进行时效强化处理，具体工艺参数如下: (1)固溶处理温度在820°C?840°C之间，保温时间1min?18min； (2)时效强化处理温度在520?530°C之间，保温时间8h?10h。
【文档编号】B21F35/00GK104174791SQ201410352794
【公开日】2014年12月3日 申请日期:2014年7月22日 优先权日:2014年7月22日
【发明者】王健, 景绿路, 金伟 申请人:中国科学院金属研究所