TC4钛合金汽车连杆的精密模锻(1)

Ti 钛工业进展Tanium Industry Progress 收稿日期 : 2003 - 08 - 27 作者简介 : 熊震国 , 男 , 1975 年生 , 学士 , 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 师 , 北京 81 信箱 69 分箱 , 北京 100095 , 电话 : 010 - 62450231 TC4 钛合金汽车连杆的精密模锻 熊震国 (北京百慕航材高科技股份有限公司 , 北京 　100095) 摘 　要 : 以汽车连杆的开发实例 , 简要阐述了对 TC4 采用不同锻造工艺的特点 , 并采用 TC4 钛合金的α2β预制坯和β 终锻的复合工艺在 1600 T 曲柄压力机上实现汽车连杆的精密锻造。 关键词 : 精密模锻 ; TC4 钛合金 ; 汽车连杆 1 　前　言 钛及钛合金是 20 世纪 50 年代兴起的 1 种重要金 属结构 材料 关于××同志的政审材料调查表环保先进个人材料国家普通话测试材料农民专业合作社注销四查四问剖析材料 , 它与其它金属结构材料相比较 , 具有 3 个显著的优点 : 比强度高、中温性能好和耐腐蚀[1 ] 。 因此 , 钛合金在航空、航天领域首先得到应用 , 从 20 世纪 80 年代中期开始 , 世界发达国家如美国、西 欧、日本等研制的飞机发动机、空间试验舱、航天 飞机、导弹等开始大量采用钛合金锻件。以美国最 先进的第 4 代主力战机 F 22 (猛禽号) 为例 , 其用 钛量已达到整机结构质量的 41 % , 其中后机身的用 钛比例达 55 %。国内某新型号导弹的部分零件也采 用了钛合金。在生物医学和人体康复领域 , 由于钛 合金良好的生物相容性、耐蚀性、耐磨性和无磁性 等方面较其它合金更加优越 , 已经被大量用于制造 人体假肢、人工关节、骨科内固定器械等[2 ] 。20 世 纪 90 年代以来 , 钛合金锻件被大量推广到民用领 域 , 如环保设备、汽车、石油化工、电力、生物医 学、建筑、体育休闲等行业 , 且市场需求越来越大。 钛合金零件具备质量轻、减噪、减震、寿命长等优 点 , 因此钛还是汽车结构件的理想材料 , 连杆、气 门、消音器、排气管等部件都适宜用钛合金制造。 按照室温下主要的同素异构体存在形式 , 钛合 金分为 3 大类 : ①α合金及近α合金 ; ②α2β合金 , 如 : TC4 ; ③β合金及近β合金。钛合金中运用范围 最广的是 TC4[3 ] , 约占现有钛合金用量的一半。 我公司承制的美国某公司的汽车连杆使用的就 是 TC4 合金 , 外形尺寸见图 1。 图 1 　Matrix 汽车连杆示意 2 　对 TC4 采用不同锻造工艺的特点 锻造热力学规范是指锻造时的一些热力学参数 , 包括锻造温度、变形程度、应变速率、应力状态、 加热和冷却速度等。这些工艺参数将直接影响着金 属材料的可锻性及锻件的组织性能[4 ] 。由此可见 , 热工艺规范的选定应考虑以下 2 个方面 : ①工艺参 数对锻件组织性能和机械性能的影响 ; ②工艺参数 对金属可锻性的影响。 这里主要讨论锻造温度对 TC4 钛合金的影响。 根据锻造温度的不同 , TC4 锻造可分为α2β锻和β 锻。 211 　锻造温度对组织和机械性能的影响 TC4 合金在一般锻造中多在α2β两相区锻造 , 即 β相变点 (990 ℃左右) 以下 30 ℃～50 ℃的温区内锻 造 , 其目的是要获得含一定比例α等轴晶粒的α+β 第 21 卷 第 1 期 2004 年 2 月 Vol121 No11 February 　2004 © 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 组织 , 该组织具有较好的综合机械性能。β锻是指 TC4 或其它钛合金在β相变点以上进行锻造。TC4 合金在β区锻造比在α2β区域锻造延伸率有所降低 , 虽然断面收缩率下降较多 , 但不低于一般高强合金钢 , 重要的是经β锻造 , TC4 合金的断裂韧性、高周疲劳性能和高温抗蠕变性能较好 , 见表 1 [5 ] 。 表 1 　锻造工艺对退火状态下的 TC4 钛合金力学性能影响 锻造相区 T/ ℃ δ/ % ψ/ % σs/ MPa σb/ MPa 疲劳强度 , σf/ MPa 1 ×104 次 1 ×105 次 1 ×107 次 1 ×109 次 α2β 954 1117 3513 89315 99615 975 81518 65410 49913 β 1 027 917 1812 90917 1 00118 92813 80117 69612 63219 β 1 065 916 1213 93212 1 01116 95614 72413 66110 60418 β 1 149 917 1917 88012 96818 91412 78016 68912 56216 　　疲劳性能对于长期处在应力循环作用下的汽车 连杆零件来说是很重要的 1 个技术指标。为取得较 好的高温抗蠕变性能和疲劳性能 , 国内的某些型号 的飞机发动机压气机盘件也已经采用了β锻造工艺 制造。 212 　锻造温度对金属可锻性的影响 可锻性是指金属材料在锻造时的难易程度 , 一 般包括工艺塑性和变形抗力。 在低温下的晶体中 , 滑移系数目有限 , 塑性变 形困难 , 随着温度的升高 , 滑移系增加使得位错容 易运动、滑移更容易进行 , 金属的变形抗力会逐步 降低。当温度超过βt 后 , 密排六方晶格的α相将全 部转变为塑性较好的体心立方晶格的β相 , TC4 的 塑性进一步提高 , 锻造抗力则大大降低。TC4 的变 形抗力σ在 950 ℃为 20 MPa 左右 , 而在 1 040 ℃能降 至 10 MPa。因此对于锻件成型、降低锻造设备吨位 和减少能耗都较为有利。 3 　锻件试制与结果 锻件加上飞边的投影面积为 14 76416mm2 , 在设 计计算设备吨位时 , 按照公式[5 ]计算 : 　P =σ[ (115 + b2 h) F飞 + (115 + bh + D12 h) F锻 (1) 式 (1)中 , P 为 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 的设备所需的最小吨位值 (N) ; F锻为锻件在分模面上的投影面积 ( mm2) ; F飞为毛边 在分模面上的投影面积 ( mm2 ) ; h 为毛边桥部高度 ( mm) ; b 为毛边桥部宽度 ( mm) ; D 为锻件直径 (mm) , 由投影面积折算 ;σ为金属的变形抗力 (MPa) 。 如果在α2β区锻造 , σ按照 20 MPa 计算[6 ] , 将 F锻、F飞、h、b、D 值分别代入式 (1) 中 , 计算得 到 P = 1 988 31117 N (2 02817 t) , 即设备至少应选 用 2 150 t 曲柄压力机。 但是在β单相区下锻造 , 经计算设备吨位只需 要 1 014 t , 即在 1600 T 热模锻曲柄压力机上就能实 现该连杆的锻造。 在进行该连杆锻件的试制时工艺流程为 : 下料 →制坯 (α2β相区) →终锻 (β相区) →退火 →表面吹 砂清理。选择在 960 ℃ (α2β相区内) 制出坯形 , 然 后加热到 1 040 ℃ (β相区) 下进行终锻的锻造工艺。 由于经过α2β相区锻造的合金在β相区变形时 , 会出现新晶粒的一次再结晶 , 加之缩短了在β相高 温区加热时间 , 从而防止了再结晶晶粒的长大 , 使 得在β相区变形比在α2β相区变形对合金的晶粒细化 更为有效。 此次试验共试制了 15 件样件 , 外形尺寸都达到 了客户的要求 , 在终锻后经过 710 ℃, 115 h 的退火 处理 , 经高倍组织观察 , 该批锻件的组织为典型的β 相组织 , 所有的针状α′相交错分布 , 无明显晶界。 连杆锻件的机械性能检测结果见表 2。由表 2 可见 , 该批锻件的强度和塑性等各指标均较好。 20　　　 Ti 钛工业进展Tanium Industry Progress 第 21 卷 © 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 表 2 　连杆锻件的机械性能 试验 编号 试验 温度 规定非比例 伸长应力 σ0. 2 / MPa 抗拉强度 σb/ MPa 断后伸长率 δ5/ % 断面收缩率 ψ/ % 冲击韧性 αk/ J·cm - 2 2475 室温 918 994 911 3119 — 2476 室温 908 984 1211 3114 — 2477 400 ℃ — 625 915 4619 — 2478 400 ℃ — 617 1210 4810 — 2479 室温 — — — — 32 2480 室温 — — — — 32 4 　结　论 TC4 钛合金的α2β预制坯与β终锻相结合的锻造 工艺 , 不但能降低设备吨位、节约能耗 , 还能够利 用 TC4 在β相区极好的塑性 , 使复杂零件成型性好。 只要锻件在β相区终锻变形量足够大 , 就能达到细 化晶粒、提高制件的断裂韧性、高温抗蠕变性能和 高温疲劳性能的目的。 参考文献 [1 ] 　《中国航空材料手册》编委会. 中国航空材料手册 [M]. 北京 : 中国 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 出版社 , 1989 : 539 [2 ] 　何保明 , 吴大卫. 钛及钛合金在外科植入物及医疗器械 方面的应用 [J ]. 稀有金属 , 1997 , 21 (增刊) : 558 [3 ] 　刘 　勇等 1 稀有金属材料与工程 [J ] , 2003 , 32 (8) : 643～646 [4 ] 　郭鸿镇等. 合金钢与有色合金锻造 [ M ] 1 西安 : 西北 工业大学出版社 , 1999 : 273 [5 ] 　陆 　索 , 吴世德等译 . 现代锻造 —设备、材料和工艺 [ M ] . 北京 : 国防工业出版社 , 1982 : 282 [6 ] 　《锻压技术手册》编委会. 锻压技术手册 [ M ] . 北京 : 国防工业出版社 , 1988 : 1 158 Precision Forging of TC4 Titanium Alloy Connecting Rod for Motorcar Xiong Zhenguo (Baimtec Material Corporation , Beijing 100095 , China) Abstract : The characteristics of two different forging methods for fabricating conneting rod are presented. By using the forging methods , automobile rods were successfully forged on 1600 T mechanical press machine. Key words : precision forging ; TC4 titanium alloy ; motorcar connecting rod 第 1 期 熊震国 : TC4 钛合金汽车连杆的精密模锻 21　　　 © 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net