【技術(shù)領(lǐng)域】

本發(fā)明屬于鈦合金返回料重熔技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種鈦合金返回料重熔方法。

背景技術(shù)：

鈦材具有獨(dú)特的高比強(qiáng)度、耐腐蝕等優(yōu)異性能，在航空航天、化工、醫(yī)療、電子等領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用，鈦及鈦合金已是關(guān)乎國(guó)防、民生的重要資源。另一個(gè)現(xiàn)實(shí)是，鈦材因其工藝限制，金屬收得率較低，一般只能達(dá)到50％左右。因此，對(duì)鈦廢料的回收循環(huán)利用具有非常重要的社會(huì)意義和經(jīng)濟(jì)效益。

在規(guī)模生產(chǎn)實(shí)踐中，鈦廢料的回收常采用真空自耗重熔法。具體做法是：對(duì)外形尺寸比較規(guī)整，容易處理的返回料(即鈦合金廢料)，如冷熱軋板邊、長(zhǎng)管材、長(zhǎng)棒材、鑄錠冒口等。將同一合金牌號(hào)的廢料以一定比例捆扎成自耗電極，通過(guò)真空自耗熔煉多次重熔可以得到鑄錠。這種方法的廢料添加量可達(dá)100％，且操作簡(jiǎn)單，生產(chǎn)成本較低。

采用此方法得到的鑄錠只能應(yīng)用于要求不高的場(chǎng)合，因?yàn)槠渲锌赡艽嬖谝恍┤毕荩旱谝?，雖然返回料為同一牌號(hào)，但可能屬于不同廠家，不同爐次，不同時(shí)期。不加區(qū)別地簡(jiǎn)單熔合，鑄錠的化學(xué)成分存在不均勻性。第二，雜質(zhì)元素的含量不可控，尤其是fe、c、o等元素，不能像熔煉新錠一樣，可以合理配比。返回料重熔只能事后檢測(cè)，有可能超標(biāo)。第三，雖然返回料的尺寸比較整齊，但由于焊點(diǎn)較多，堆放捆扎的過(guò)程可能存在松散的地方，就會(huì)在熔煉中出現(xiàn)掉塊的現(xiàn)象。掉塊區(qū)域不能同周?chē)锪铣浞只?，遺留下來(lái)，形成組織偏析。

因此，怎樣合理利用好鈦返回料，消除其中可能存在的缺陷，提高鑄錠的品質(zhì)，滿足軍工、醫(yī)療等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，仍是一個(gè)鈦材應(yīng)用領(lǐng)域的重要研究方向。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種鈦合金返回料重熔方法，以解決存在的重熔均勻性差、雜質(zhì)含量不可控、生產(chǎn)成本高的問(wèn)題。

本發(fā)明采用以下技術(shù)方案，一種鈦合金返回料重熔方法，包括以下步驟：

步驟1、將返回料制成自耗電極，并經(jīng)過(guò)2次重熔得到原錠，并測(cè)量其化學(xué)成分；

步驟2、將原錠經(jīng)二火次鍛造、機(jī)加制得芯棒；

步驟3、根據(jù)芯棒尺寸制造出模具；

步驟4、以0級(jí)海綿鈦、中間合金為新料，根據(jù)原錠化學(xué)成分、待制備新錠的成分配比，配置新料混合料，將新料混合料倒入裝有模具的模具型腔內(nèi)，并壓制成電極塊；

步驟5、將步驟4中得出的電極塊與芯棒組焊成新自耗電極，并進(jìn)行至少3次真空自耗重熔得到新錠。

進(jìn)一步地，步驟1具體采用以下方法：

步驟1.1、將返回料切割成可焊接尺寸，經(jīng)酸洗、清洗，將同一合金牌號(hào)的廢料捆扎，制成自耗電極，自耗電極的直徑為220mm；

步驟1.2、將步驟1.1中的自耗電極進(jìn)行經(jīng)過(guò)兩次重熔得到原錠，并測(cè)量得出原錠的化學(xué)成分，原錠的參數(shù)為φ380-600kg。

進(jìn)一步地，步驟2具體采用以下方法：

步驟2.1、將原錠經(jīng)過(guò)二火次鍛造，得出鍛坯，具體參數(shù)為：

當(dāng)一火次鍛造時(shí)，加熱溫度1050-1150℃，保溫3-3.5h，變形φ380→□180，鍛后六等分；

當(dāng)二火次鍛造時(shí)，加熱溫度850-1000℃，保溫1.5-2h，變形□180→□100-□130，且鍛造方坯截面對(duì)角線的差值不大于10mm；

步驟2.2、將步驟2.1中得到的鍛坯加工成方形坯料，作為芯棒。

進(jìn)一步地，芯棒的橫截面為方形，且尺寸為□90-□120，芯棒與新錠的重量比小于等于40％。

進(jìn)一步地，模具為凸形，且凸形底部安裝在模具型腔的內(nèi)部底面上，凸形底部長(zhǎng)度與模具型腔的底面長(zhǎng)度相等，模具突起部寬度與芯棒的邊長(zhǎng)相等，模具突起部高度為芯棒邊長(zhǎng)的二分之一。

進(jìn)一步地，步驟4中制得的電極塊為u形，且其u形開(kāi)口的長(zhǎng)度與芯棒的邊長(zhǎng)相等。

進(jìn)一步地，步驟5中得出新自耗電極的過(guò)程具體為：將2個(gè)電極塊的u形開(kāi)口相對(duì)，且開(kāi)口內(nèi)部包裹1個(gè)芯棒，并進(jìn)行組焊，得到新電極塊，將多個(gè)新電極塊組焊為新自耗電極；

新電極塊的尺寸為□220×300，新電極塊單重為45kg。

進(jìn)一步地，步驟4中通過(guò)2000t液壓機(jī)進(jìn)行壓制新電極塊。

本發(fā)明的有益效果是：采用將鈦返回料重熔的原錠作為芯棒，與新料配比再次熔煉成新錠的方法，可以有效地消除原錠中可能存在的冶金缺陷，提高化學(xué)成分的均勻性。新錠的品質(zhì)可以達(dá)到軍工、醫(yī)療等高端應(yīng)用領(lǐng)域的要求，本發(fā)明方法適合于外形尺寸較規(guī)整的鈦及鈦合金廢料的回收再利用，尤其是規(guī)模生產(chǎn)中，對(duì)外形統(tǒng)一的大批量返回料集中處理的方法，該方法具有鑄錠均勻性好、雜質(zhì)元素含量可控、生產(chǎn)成本較低等特征。

【附圖說(shuō)明】

圖1為本發(fā)明中模具的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明中新電極塊橫截面示意圖。

【具體實(shí)施方式】

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。

本發(fā)明公開(kāi)了一種鈦合金返回料重熔方法，先將鈦返回料(即廢料)重熔制成原錠，經(jīng)鍛造、機(jī)加成方形的芯棒，與新料一起壓制成電極，再進(jìn)行不少于3次的真空自耗熔煉制備出新錠。

芯棒的設(shè)計(jì)是本發(fā)明的關(guān)鍵，根據(jù)電極塊的形狀，芯棒與周?chē)牧系南鄬?duì)位置分布，達(dá)到較好的均勻性；且便于裝配、焊接。將芯棒的截面設(shè)計(jì)為方形，使其與周?chē)系姆植枷鄬?duì)均勻。同時(shí)考慮到鑄錠成分的均勻性，雜質(zhì)元素含量的有效控制，電極塊壓制的密實(shí)性，自耗電極的焊接強(qiáng)度，整體返回料回收的成本控制等方面的因素，返回料的重量比例控制在40％以內(nèi)。具體地，作為芯棒的方形坯料的斷面尺寸最小為□90(即截面邊長(zhǎng)為90mm的方形坯料，占重約22％)，最大為□120(即截面邊長(zhǎng)為120mm的方形坯料，占重約37％)，便于生產(chǎn)過(guò)程中靈活選擇。

返回料原錠制成的芯棒同新原材料混合，再行重熔成新錠的思路主要目的就在于提高合金成分的均勻性，有效控制雜質(zhì)元素的含量，盡量消除原錠中可能存在的一些冶金缺陷，最終實(shí)現(xiàn)符合軍工、醫(yī)療應(yīng)用的新錠。

具體步驟如下：

步驟1、將返回料(即廢料)制成自耗電極，并經(jīng)過(guò)2次重熔得到原錠，并測(cè)量其化學(xué)成分；

具體采用以下方法：

步驟1.1、將返回料切割成可焊接尺寸，經(jīng)酸洗、清洗，將同一合金牌號(hào)的廢料捆扎，制成自耗電極，所述自耗電極的直徑為220mm；

步驟1.2、將步驟1.1中的所述自耗電極進(jìn)行經(jīng)過(guò)兩次重熔得到原錠，并測(cè)量得出原錠的化學(xué)成分，所述原錠的參數(shù)為φ380-600kg(即原錠為截面直徑為380mm，重量為600kg)。

鈦返回料主要針對(duì)外形尺寸比較整齊的鈦管材、鈦棒材、冷熱軋板邊、鑄錠冒口等。預(yù)先將返回料切割成可焊接尺寸(鑄錠冒口)、酸洗、清洗后，采用捆扎的方法將同一合金牌號(hào)的廢料以一定比例制成廢料自耗電極，通過(guò)真空自耗熔煉兩次重熔得到原錠(或稱初始錠)。具體參數(shù)為：返回料捆扎自耗電極的直徑為220mm，經(jīng)熔煉兩次，得到φ380-600kg的原錠。取樣測(cè)試所述原錠化學(xué)成分，將其結(jié)果將作為新料配比的依據(jù)。

步驟2、將原錠經(jīng)二火次鍛造、機(jī)加制得芯棒；選用設(shè)備為2000t鍛壓機(jī)。

具體的，步驟2.1、將原錠經(jīng)過(guò)二火次鍛造，得出鍛坯，具體參數(shù)為：

當(dāng)一火次鍛造時(shí)，加熱溫度1050-1150℃，保溫3-3.5h，變形φ380→□180(即將截面直徑為380mm的圓形坯料鍛造為截面邊長(zhǎng)為180mm的方形坯料)，可適當(dāng)回火，鍛后六等分；

當(dāng)二火次鍛造時(shí)，加熱溫度850-1000℃，保溫1.5-2h，變形□180→□100-□130(即將截面邊長(zhǎng)為180mm的方形坯料鍛造為截面邊長(zhǎng)為100-130mm的方形坯料)，可適當(dāng)回火，注意鍛造方坯一定要平整，且鍛造方坯截面對(duì)角線的差值不大于10mm；

步驟2.2、將步驟2.1中得到的鍛坯加工成方形坯料，作為芯棒。

采用銑床、車(chē)床等設(shè)備，將鍛坯加工成□90-□120(即將截面邊長(zhǎng)為90mm的方形坯料鍛造為截面邊長(zhǎng)為120mm的方形坯料)的方形坯料，將作為后續(xù)自耗電極的芯棒。

步驟3、根據(jù)芯棒尺寸制造出模具；

如圖1所示，模具為凸形，且凸形底部安裝在模具型腔的內(nèi)部底面上，為適應(yīng)原有模具型腔，凸形底部長(zhǎng)度與模具型腔的底面長(zhǎng)度相等，模具突起部寬度b與芯棒的邊長(zhǎng)相等，模具突起部高度h為芯棒邊長(zhǎng)的二分之一，即h＝1/2b。

步驟4、以0級(jí)海綿鈦、中間合金為新料，根據(jù)原錠化學(xué)成分、待制備新錠的成分配比，配置新料混合料，將新料混合料倒入裝有模具的模具型腔內(nèi)，并壓制成電極塊。

依據(jù)原錠的化學(xué)成分，調(diào)整新料的配比(芯棒的重量占新電極塊重量的20-40％)。將新料混合，倒入模具中，壓制一次得到的電極塊為u形，且u形開(kāi)口的長(zhǎng)度與芯棒的邊長(zhǎng)相等，需要兩個(gè)電極塊對(duì)焊，中間與芯棒焊接才形成新電極塊。將2個(gè)所述電極塊的u形開(kāi)口相對(duì)，且開(kāi)口內(nèi)部包裹1個(gè)芯棒，并進(jìn)行組焊，得到新電極塊，將多個(gè)新電極塊組焊為新自耗電極；新電極塊的尺寸為□220×300(即截面邊長(zhǎng)為220mm，長(zhǎng)度為300mm)，新電極塊單重為45kg。且在新電極塊中芯棒所占重量百分比小于等于40％。

如圖2所示，為新電極塊的橫截面示意圖，且壓制時(shí)選用設(shè)備為2000t液壓機(jī)。

步驟5、將步驟4中得出的電極塊與芯棒組焊成新自耗電極，并進(jìn)行至少3次真空自耗重熔得到新錠。經(jīng)3次真空自耗重熔得到φ560-2160kg新錠。取樣測(cè)試化學(xué)成分。選用設(shè)備為3t真空自耗熔煉爐。

實(shí)施例1ta2純鈦返回料重熔φ560-2160kg鑄錠的制備方法：純鈦返回料主要包括較高等級(jí)的ta1、ta2管材、棒材、冷熱軋板邊、鑄錠冒口等。預(yù)先將返回料切割成可焊接尺寸(鑄錠冒口)、酸洗、清洗后，捆扎成φ220mm的自耗電極，通過(guò)真空自耗熔煉兩次重熔得到φ380-600kg(即截面直徑為380mm、重量為600kg)的原錠。

原錠的化學(xué)成分表明：元素含量的不均勻性很大，o元素含量超標(biāo)，c、n元素含量較高。

原錠的鍛造：采用兩火次鍛造工藝，選用設(shè)備為2000t鍛壓機(jī)。

一火次：加熱溫度1050-1100℃，保溫3-3.5h，變形φ380→□180(即將截面直徑為380mm的圓形坯料鍛造為截面邊長(zhǎng)為180mm的方形坯料)?；鼗鹨淮?，鍛后六等分。

二火次：加熱溫度850-900℃，保溫1.5-2h，變形□180→□130(即將截面邊長(zhǎng)為180mm的方形坯料鍛造為截面邊長(zhǎng)為130mm的方形坯料)?；鼗鹨淮?，鍛造方坯外形平整，截面對(duì)角線的差值不大于10mm。

鍛坯的機(jī)加：采用銑床、車(chē)床等設(shè)備，將鍛坯加工成□120的方形坯料(即截面邊長(zhǎng)為120mm的方形坯料)。

□120方形坯料作為自耗電極的芯棒，占重約37％。

ta2的名義配比為ti-0.25fe-0.20o(wt％)，原材料選用0級(jí)海綿鈦、工業(yè)純fe釘，鈦白粉。根據(jù)原錠的化學(xué)成分及芯棒所占比例，為控制新錠的雜質(zhì)元素含量，新料配比按照ti-0.27fe-0.16o(wt％)成分。

電極塊的壓制：根據(jù)芯棒的尺寸，加工壓料模具。將新料混合，倒入模具中，壓制電極塊，共96塊。新料電極塊與原錠加工的芯棒組焊成自耗電極。電極塊的尺寸為□220×300(即截面邊長(zhǎng)為220mm、長(zhǎng)度為300mm)。單重為45kg(包括芯棒)，共48塊，組焊為4個(gè)自耗電極。選用設(shè)備為2000t液壓機(jī)。

經(jīng)過(guò)真空自耗熔煉3次，獲得φ560-2160kg鑄錠(即為新錠)。選用設(shè)備為3t真空自耗熔煉爐。新錠的化學(xué)成分表明：元素含量具有良好的均勻性，o、c、n元素含量明顯降低，符合國(guó)標(biāo)。該錠號(hào)材料在后續(xù)加工過(guò)程中，未發(fā)現(xiàn)內(nèi)部存在組織與成分偏析的現(xiàn)象。

表1ta2返回料重熔的化學(xué)成分

實(shí)施例2tc4(ti-6al-4v)鈦合金返回料重熔φ560-2160kg鑄錠的制備方法：返回料主要包括較高等級(jí)的tc4棒材、冷熱軋板邊、鑄錠冒口等。預(yù)先將返回料切割成可焊接尺寸(鑄錠冒口)、酸洗、清洗后，捆扎成φ220mm的自耗電極，通過(guò)真空自耗熔煉兩次重熔得到φ380-600kg的原錠。

原錠的化學(xué)成分表明：元素含量的不均勻性很大，o元素含量超標(biāo)。

原錠的鍛造：采用兩火次鍛造工藝，選用設(shè)備為2000t鍛壓機(jī)。

一火次：加熱溫度1100-1150℃，保溫3-3.5h，變形φ380→□180(即將截面直徑為380mm的圓形坯料鍛造為截面邊長(zhǎng)為180mm的方形坯料)?；鼗鹨淮危懞罅确?。

二火次：加熱溫度950-1000℃，保溫1.5-2h，變形□180→□100(即將截面邊長(zhǎng)為180mm的方形坯料鍛造為截面邊長(zhǎng)為100mm的方形坯料)?；鼗鹨淮?，鍛造方坯外形平整，截面對(duì)角線的差值不大于10mm。

鍛坯的機(jī)加：采用銑床、車(chē)床等設(shè)備，將鍛坯加工成□90(截面邊長(zhǎng)為90mm)的方形坯料。

□90方形坯料作為自耗電極的芯棒，占重約22％。

tc4的名義配比為ti-6.2al-4.0v-0.15fe-0.16o(wt％)，原材料選用0級(jí)海綿鈦、工業(yè)純fe釘，alv55中間合金、工業(yè)純鋁豆，鈦白粉等。根據(jù)原錠化學(xué)成分及芯棒所占比例，新料配比按照ti-6.18al-3.96v-0.12fe-0.14o(wt％)，目的是為控制新錠雜質(zhì)元素的含量。

電極塊的壓制：根據(jù)芯棒的尺寸，加工壓料模具。將新料混合，倒入模具中，壓制電極塊，共96塊。新料電極塊與原錠加工的芯棒組焊成自耗電極。電極塊的尺寸為□220×300(即截面邊長(zhǎng)為220mm、長(zhǎng)度為300mm)。單重為45kg(包括芯棒)，共48塊，組焊為4個(gè)自耗電極。選用設(shè)備為2000t液壓機(jī)。

經(jīng)過(guò)真空自耗熔煉3次，獲得φ560-2160kg鑄錠(即新錠)。選用設(shè)備為3t真空自耗熔煉爐。新錠的化學(xué)成分表明：合金元素含量的均勻性較好，雜質(zhì)元素的含量得到有效控制，fe、o、c、n等元素含量明顯降低，達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求。該錠號(hào)材料在后續(xù)加工過(guò)程中，未發(fā)現(xiàn)內(nèi)部存在組織與成分偏析的現(xiàn)象。

表2tc4返回料重熔的化學(xué)成分