TC4钛合金碟形弹簧的制作工艺和力学性能

2020-08-14张二龙张丹丹史航殷莹

金属加工(热加工) 2020年8期

张二龙，张丹丹，史航，殷莹

西安泵阀总厂有限公司陕西西安 710025

1 序言

钛材阀门具有良好的耐蚀性，近年来，我厂针对化工行业应用的钛材球阀订单越来越多，为保障可靠的密封性能，对阀座密封提供支撑力的蝶形弹簧至关重要，要具备综合的力学性能。TC4（Ti-6Al-4V）钛合金抗腐蚀能力强，比强度高，变形抗力和变形回弹量大，重量轻，抗阻尼性能强[1]，使用温度范围广，制作的零部件可在-196～350℃内长期使用，是一种理想的弹簧用材料。

2 蝶形弹簧

碟形弹簧是在轴向呈锥形并承受负荷的特殊弹簧，应力分布由里到外均匀递减，承受负荷变形后反方向实现载荷效果。依据GB/T 1972—2005《碟形弹簧》用金属板料或锻压坯料成形加工的锥形截面碟形弹簧结构如图1所示。

图1 碟形弹簧结构

其结构特点具有刚度大，缓冲吸震能力强，以较小的变形承受较大的载荷[2]，适用于轴向空间较小的场合。按照厚度和使用条件分为无支承面碟形弹簧和有支承面碟形弹簧，其制造工艺方法见表1。

表1 GB/T 1972—2005《碟形弹簧》建议制造工艺方法

3 材料与性能

3.1 试验材料

TC4（Ti-6Al-4V）试验材料选用GB/T 2965—2007《钛及钛合金棒材》规定的棒料，退火态，试验材料的化学成分和力学性能分别见表2、表3。

表2 TC4φ60mm棒料化学成分（质量分数）（%）

表3 TC4φ60mm棒料的主要力学性能

3.2 试验方法

图2 不同热处理后的显微组织

锯床切割6根φ60×150mm规格的棒料进行2种制度的热处理试验，950℃以下加热与冷却方式对性能的影响较小，且合金具有较高的综合力学性能[2]，热处理制度见表4。

热处理后纵向取样制取拉伸试样与金相试样，用拉伸强度试验机测试室温拉伸性能，用奥林巴斯光学显微镜观察试样的显微组织。

表4 TC4棒料热处理制度[3]

3.3 热处理对显微组织的影响

TC4钛合金的组织形态和晶粒度取决于保温温度、保温时间以及冷却方式等[4]，不同热处理后的光学显微组织如图2所示。

图2中TC4钛合金经不同热处理后的显微组织均由α+β相组成。由图2a看出经900℃×1.5h水冷+500℃×6h炉冷的固溶+时效处理后，组织为双态组织（α+β），包括有球状α相，条形α相和β相，采用截点法计算晶粒度，3次测定的结果分别为13.0级、13.3级与12.8级，即其组织晶粒度为13.0级。

由图2b看出，经750℃×2h炉冷的退火处理后组织为网篮组织，主要为条状α相，还可以看到少量的球状α相，采用截点法计算晶粒度，3次测定的结果分别为11.6级、11.5级与11.8级，即退火后组织晶粒度为11.6级。

3.4 热处理对力学性能的影响

TC4钛合金经900℃×1.5h水冷+500℃×6h炉冷的固溶+时效处理，以及750℃×2h炉冷的退火处理后力学性能测试结果见表5。

表5数据表明，TC4棒料经固溶+时效处理后的抗拉强度和屈服强度明显高于退火态，伸长率低于退火态，材料硬度均值达到37.5HRC，满足了TC4钛合金碟形弹簧表面硬度≥35HRC的技术要求。

综上所述，TC4钛合金经固溶+时效处理后晶粒细小，材料的屈服强度和表面硬度高，更适合作为TC4钛合金碟形弹簧制备的热处理工艺。碟形弹簧在服役过程中受到持久的弹性应力，高的屈服强度能使材料在更大的弹性变形范围内服役[5]。

表5 TC4在不同热处理后的力学性能

图3 模具结构

4 碟形弹簧制造与测试

4.1 TC4钛合金碟形弹簧制造方法

根据碟形弹簧结构形式设计并计算模具工装的尺寸，模具的参数满足碟形弹簧的基本尺寸要求[5]，模具材质为35CrMo钢，图3所示为设计的模具工装结构。

车削φ60mm棒料得到φ59mm×5mm×1mm的垫片状坯料，用细砂纸轻抛去掉毛刺。放置一定数量的垫片状坯料于模具压槽中，采用扳手拧紧螺栓端部紧固螺母，使板状垫片坯料冷变形成碟形弹簧尺寸。

选择普通大气炉对模具工装和冷变形碟形弹簧整体进行900℃×1.5h水冷+500℃×6h炉冷形变热处理，为了防止TC4材料表面被氧化，可将工装整体埋置于石灰中或涂抹防氧化涂料，如果有条件放置于气氛保护炉或真空炉更佳。形变热处理后随炉自然冷却至室温，拆卸工装取出碟形弹簧并进行表面处理，碟形弹簧成品如图4所示。