一种近β型钛合金碟形弹簧的制备方法与流程

本发明涉及一种近β型钛合金碟形弹簧的制备方法，属于钛合金应用技术领域。

背景技术：

碟形弹簧因在变形很小的情况下能承受较大的载荷，且缓冲吸震能力强，所以适用于轴向空间要求紧凑的地方。目前，制作碟形弹簧使用最广的材料是60Si2MnA及50CrVA弹簧钢。由于钛合金密度小(4.5g/cm³，约为弹簧钢的57％)，比强度高，用钛合金代替钢材制作弹簧，可以显著减轻重量(钛合金弹簧比钢制弹簧轻60％～70％)；另一方面，在标准盐雾腐蚀疲劳试验中，一般钢质弹簧的疲劳寿命比在空气中下降50％，而在相同的试验中，钛弹簧的疲劳寿命仅比空气中下降4％。而且与钢质弹簧不同的是，由于耐蚀性优异，钛合金弹簧不需要施加防腐涂层。在重量和空间受到严格限制以及在腐蚀介质工作环境下，用钛合金做弹簧，可使其特性得到充分发挥，同时还可以提高效率，降低费用。

在海洋工程等领域，大量应用钛合金泵、阀(球阀、截止阀和通海阀等)，阀体安装时需配套碟形弹簧，通过小变形可实现较大载荷，从而提供足够的阀座密封力。因无钛合金碟簧可用，只能使用钢制碟簧。在海洋工况条件下，由于钛合金的电极电位较高，使得与其接触的钢制碟簧极易发生电偶腐蚀，造成零件的失效。如果用钛合金碟簧代替钢制碟簧，则可有效预防甚至消除潜在的安全隐患，提高零部件的使役寿命。

最常用的(α+β)型钛合金强度较低，近β及β型钛合金由于具有高强、高韧、加工性能好、耐蚀性优异且弹性模量高等优点，是制作钛合金弹簧的最理想材料。欧美等发达国家采用β钛合金制造的弹簧已获应用。美国Timet公司采用Timetal LCB钛合金制造法拉利汽车所有悬挂系弹簧、高性能赛车的阀门弹簧、雪地汽车的扭力弹簧以及大众LuPo汽车的悬吊弹簧。钛阀门弹簧可减重34％，用于雪地汽车的钛扭力弹簧可减重30％～50％。20世纪70年代，麦道公司采用冷加工加时效状态的Ti-13-11-3(Ti-13V-11Cr-3Al)合金制造弹簧，用在民用飞机上。与钢弹簧相比，它具有较低的弹性模量和密度，可减重70％，节约空间50％。

β-C(Ti-3Al-8V-6Cr-4Mo-4Zr)钛合金最初的商业应用也是航空弹簧，在20世纪80年代早中期取代Ti-13-11-3。从MD-11到MD-80，麦道公司使用了约300个Ti-13-11-3部件和150个Ti-38-6-44部件，而C-17上所有的钛弹簧都是Ti-38-6-44。波音公司也逐步用Ti-38-6-44取代不锈钢弹簧。空中客车A-330和A-340安装有该合金制作的弹簧(强度范围为1 240～1 450MPa)，包括起落架的上下锁弹簧、门平衡弹簧、控制限度和飞行高度的弹簧等。美国波音-777飞机上也装有β-C钛合金弹簧。

目前，国内外多家单位采用TB3、TB5、β-C和TC4等钛合金丝材绕制的螺旋弹簧，已在航空、汽车、石油化工等行业获得应用。然而，钛合金碟形弹簧仍缺少系统、成熟的制造工艺，尤其是β及近β型钛合金碟形弹簧，尚未见报道。

技术实现要素：

鉴于现有技术的不足，本发明人采用近β型高强高韧钛合金作为弹簧材料，研制出1.5mm、1.2mm和1.0mm厚度的钛合金碟形弹簧，从而提供一种近β型钛合金碟形弹簧的制备方法，以满足我国航空航天、汽车工业、海洋工程等领域对钛合金碟形弹簧日益迫切的需求。

为了实现本发明的目的，发明人通过大量试验研究并不懈努力，最终获得了如下技术方案：

一种利用近β型钛合金铸锭制备板材的方法，该方法的步骤如下：

步骤1：将近β型钛合金铸锭在温度1000～1100℃进行加热，开坯后锻成120～150mm厚的板坯；所述的近β型钛合金铸锭的各组分重量百分比组成为：Al为3.5～5.5％，V为4.0～8.0％，Cr为5.0～7.0％，Mo为3.0～7.0％，余量为Ti和不可避免的杂质；

步骤2：清理板坯表面缺陷后，加热至850～900℃轧制成40～50mm厚的板坯；

步骤3：将步骤2的板坯加热至800～850℃轧制成16～23mm厚的板坯；

步骤4：将步骤3的板坯继续加热至800～850℃轧制成3～5mm厚的板坯；

步骤5：将步骤4的板坯经750～800℃退火、修磨，冷轧至1.6～1.8mm厚的板坯，分料；

步骤6：将步骤5的板坯分别冷轧至1.1～1.6mm内的各种厚度，板坯经脱油、800～860℃固溶处理及碱酸洗后得到成品近β型钛合金板材。

优选地，如上所述利用近β型钛合金铸锭制备板材的方法，其特征在于，步骤6中所述的各种厚度包括1.6mm、1.3mm和1.1mm。

优选地，如上所述利用近β型钛合金铸锭制备板材的方法，其特征在于，步骤6中所述的成品近β型钛合金板材的厚度为和

一种将上述近β型钛合金板材制备碟形弹簧的方法，该方法的步骤如下：

步骤1：将成品近β型钛合金板材切割成试板；

步骤2：将切好的试板进行冲孔，加工成圆垫圈形毛坯；

步骤3：在车床上对步骤2的毛坯进行粗加工，使其外形几何尺寸达到设计要求；

步骤4：在专用模具上加工成型，使每种规格碟簧的锥度达到设计要求；

步骤5：将成型后的碟簧放入真空退火炉内进行时效处理，温度480～620℃，保温8～12h后空冷；

步骤6：采用酸洗液酸洗5-20min，将热处理后碟簧表面产生的氧化皮清理干净；

步骤7：在油压机上强压不少于5次，消除残余变形，稳定碟簧尺寸。

在本发明的一个最优选的实施例中，所述的酸洗液由50～80ml浓度为40％的氢氟酸和180～200ml浓度为68％的硝酸配制而成。

由于近β型钛合金强度高，若轧制时工艺参数选择不合适，例如轧制温度较低、变形量过大，则板坯容易开裂。若加工工艺参数选择不当，得到的板材组织均匀性差，会影响板材的力学性能。通常在加工时影响板材组织和性能的因素主要有：(1)热轧时的轧制温度、轧制速度和变形量；(2)冷轧时的轧制速度、冷轧变形量；(3)热处理时的加热温度、保温时间和冷却方式。通过对上述工艺参数进行大量的试验摸索，并进行优化研究，最终优选出合适的工艺参数。采用优化后的加工工艺和热处理工艺，研制出强度与塑性匹配最佳，且表面质量优良、尺寸精度符合要求的近β型钛合金成品板材，为碟形弹簧的研制奠定了坚实的技术基础。

与现有技术相比，本发明方法制备的碟形弹簧具有如下优点和显著的进步：强度高，韧性好，硬度大，缓冲吸振能力强，耐蚀性优异，适用于轴向空间要求较小的场合，且可以组合使用，有望在航空、航天、汽车工业、舰船、海洋工程等领域获得应用。

附图说明

图1为碟形弹簧外形简图；

图2为t＝1.0mm钛合金碟形弹簧实测特性曲线；

图3为t＝1.2mm钛合金碟形弹簧实测特性曲线；

图4为t＝1.5mm钛合金碟形弹簧实测特性曲线；

图5为不同规格钛合金碟形弹簧实物照片；a为1.0mm厚钛合金碟形弹簧；b为1.2mm厚钛合金碟形弹簧；c为1.5mm厚钛合金碟形弹簧。

具体实施方式

以下是本发明的具体实施例，对本发明的技术方案做进一步作描述，但是本发明的保护范围并不限于这些实施例。凡是不背离本发明构思的改变或等同替代均包括在本发明的保护范围之内。

本发明提供的钛合金采用常规的合金化熔炼工艺、加工工艺，有利于工业化生产。其中各组元主要采用中间合金的形式配入，经真空自耗电弧熔炼成锻造用的铸锭，在水压机上锻造成板坯，板坯在轧机上轧制成板材，板材再经冲孔、模具成型加工、热处理、表面处理、强压处理后制成不同厚度的碟形弹簧。碟形弹簧的外形简图见图1，不同规格碟簧的尺寸如表1所示。

表1碟形弹簧尺寸

钛合金碟形弹簧生产工艺流程为：

下料→冲制→机加工→模具加工成型→热处理→表面清理→强压处理→检测、检验(用测力机测试载荷)→包装入库。

实施例1：钛合金板材的制备

(1)按重量百分比配料，Al：4.0％，V：5.0％，Mo：5.0％，Cr:6.0％，Ti余量，经真空自耗电弧炉两次熔炼得到近β型钛合金铸锭；将铸锭在温度1000～1100℃进行加热，开坯后锻成120～150mm厚的板坯；

(2)清理板坯表面缺陷后，加热至850～900℃，在1200mm可逆式热轧机上轧制成45mm厚的板坯；

(3)将步骤(2)的板坯加热至800～850℃轧制成20mm厚的板坯；

(4)将步骤(3)的板坯继续加热至800～850℃轧制成4mm厚的板坯；

(5)将步骤(4)的板坯经750～800℃退火、修磨，在1200mm可逆式冷轧机上冷轧至1.6mm厚，分料；

步骤(6)将步骤(5)的板坯分别冷轧至1.3mm和1.1mm。将1.6mm、1.3mm和1.1mm板坯经脱油、800～860℃固溶处理及碱酸洗后得到和的成品板材，技术要求参照GJB 2505A-2008执行。

实施例2：1.0mm厚钛合金碟形弹簧的制备

(1)下料：用1.0mm厚钛合金薄板，下料规格为200mm×500mm；

(2)冲孔制坯：在模具内冲制成圆垫圈形；

(3)机加工：在车床上粗车两端面，车内圆到Φ14.2(极限偏差为H12)，表面粗糙度R_a≤12.5μm。倒内角1×45°，之后磨有倒角的面，表面粗糙度R_a≤3.2μm。再翻面磨至厚度尺寸表面粗糙度R_a≤3.2μm。最后将数片碟簧用Φ14.2的心轴穿起来，用螺栓固定，车外圆至Φ28(极限偏差为h12)，表面粗糙度R_a≤12.5μm，并倒与内角相对的外角1×45°，最后修光表面的毛刺；

(4)模具加工成型：在油压机上用专用模具加工成型，使每片碟簧的锥度达到设计要求。样件在中频加热炉上加热到800～860℃，放入专用模具内在油压机上压制成形，压制时间控制在15～20s；

(5)热处理：将成型后的碟簧放入真空退火炉内进行时效处理，温度480～620℃，保温8～12h后空冷；

(6)表面清理：采用60ml浓度为40％的氢氟酸和200ml浓度为68％的硝酸的酸洗液，酸洗10min，将热处理后碟簧表面的氧化皮清洗干净；

(7)强压处理：在油压机上用不小于f＝1.2N的负荷压缩碟簧，压缩次数不少于5次，消除残余变形，稳定其尺寸；

(8)载荷检测：在CMT 5105电子万能试验机上(精度不低于1％)，测试碟簧负荷情况，得到位移-负荷特性曲线，见图2。

实施例3：1.2mm厚钛合金碟形弹簧的制备

(1)下料：用1.2mm厚钛合金薄板，下料规格为200mm×500mm；

(2)冲孔制坯：在专用模具内冲孔，冲制成圆垫圈形；

(3)机加工：在车床上粗车两端面，车内圆到Φ14.2(极限偏差为H12)，表面粗糙度R_a≤12.5μm。倒内角1×45°，之后磨有倒角的面，表面粗糙度R_a≤3.2μm。再翻面磨至厚度尺寸表面粗糙度R_a≤3.2μm。最后将数片碟簧用Φ14.2的心轴穿起来，用螺栓固定，车外圆至Φ28(极限偏差为h12)，表面粗糙度R_a≤12.5μm，并倒与内角相对的外角1×45°，最后修光表面的毛刺；

(4)模具加工成型：在油压机上用专用模具加工成型，使每片碟簧的锥度达到设计要求。样件在中频加热炉上加热到800～860℃，放入专用模具内在油压机上压制成形，压制时间控制在15～20s；

(5)热处理：将成型后的碟簧放入真空退火炉内进行时效处理，温度480～620℃，保温8～12h后空冷；

(6)表面清理：采用60ml浓度为40％的氢氟酸和200ml浓度为68％的硝酸的酸洗液，酸洗10min，将热处理后碟簧表面的氧化皮清洗干净；

(7)强压处理：在油压机上用不小于f＝1.35N的负荷压缩碟簧，压缩次数不少于5次，消除残余变形，稳定其尺寸；

(8)载荷检测：在CMT 5105电子万能试验机上(精度不低于1％)，测试碟簧负荷情况，得到位移-负荷特性曲线，见图3。

实施例4：1.5mm厚钛合金碟形弹簧制备方法

(1)下料：用1.5mm厚钛合金薄板，下料规格为200mm×500mm；

(2)冲孔制坯：在专用模具内冲孔，冲制成圆垫圈形；

(3)机加工：在车床上车两端面，车内圆到Φ14.2(极限偏差为H12)，表面粗糙度R_a≤6.3μm。倒内角1×45°，之后磨有倒角的面，表面粗糙度R_a≤6.3μm。再翻面磨至厚度尺寸表面粗糙度R_a≤6.3μm。最后将数片碟簧用Φ14.2的心轴穿起来，用螺栓固定，车外圆至Φ28(极限偏差为h12)，表面粗糙度R_a≤6.3μm，并倒与内角相对的外角1×45°，最后修光表面的毛刺；

(4)模具加工成型：在油压机上用专用模具加工成型，使每片碟簧的锥度达到设计要求。样件在中频加热炉上加热到800～860℃，放入专用模具内在油压机上压制成形，压制时间控制在25～30s；

(5)热处理：将成型后的碟簧放入真空退火炉内进行时效处理，温度480～620℃，保温8～12h后空冷；

(6)表面清理：采用60ml浓度为40％的氢氟酸和200ml浓度为68％的硝酸的酸洗液，酸洗10min，将热处理后碟簧表面的氧化皮清洗干净；

(7)强压处理：在油压机上用不小于f＝0.975N的负荷压缩碟簧，压缩次数不少于5次，消除残余变形，稳定其尺寸；

(8)载荷检测：在CMT 5105电子万能试验机上(精度不低于1％)，测试碟簧负荷情况，得到位移-负荷特性曲线，见图4。

对不同规格钛合金碟形弹簧进行力学性能测试，测试结果如表2所示。不同规格钛合金碟形弹簧的实物照片见图5。

表2不同规格钛合金碟形弹簧室温力学性能