異型截面絲材鈦合金彈簧的制備方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種異型截面絲材鈦合金彈簧的制備方法，屬于彈簧【技術(shù)領(lǐng)域】。彈簧由異型截面鈦合金絲材繞制而成；按質(zhì)量百分比計(jì)，鈦合金絲的組分為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為余量。鈦合金彈簧絲材的截面可以是長(zhǎng)方形、正方形，正六邊形或橢圓形。繞制彈簧的鈦合金絲材通過(guò)鍛壓、熱軋工藝制備，絲材繞制彈簧前要經(jīng)過(guò)固溶處理，彈簧成品要進(jìn)行時(shí)效強(qiáng)化處理。采用鈦合金制備彈簧可以起到減重的作用，同時(shí)鈦合金在海洋環(huán)境下具有良好的抗腐蝕能力、疲勞壽命長(zhǎng)。使用異型截面絲材可以在絲材規(guī)格相近條件下增加截面積，提高彈簧剛度，以滿足鈦合金彈簧在高工作負(fù)荷下的使用需求。
【專利說(shuō)明】異型截面絲材鈦合金彈簧的制備方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于彈簧【技術(shù)領(lǐng)域】，具體為一種異型截面絲材鈦合金彈簧的制備方法。

【背景技術(shù)】
[0002]由于彈簧具有形變恢復(fù)特性，因而在很多領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用。利用彈簧元件變形后會(huì)產(chǎn)生恢復(fù)力的特性，可以用來(lái)減震、夾緊、儲(chǔ)能和測(cè)量，根據(jù)不同的用途，主要有壓縮彈簧、拉神彈簧和扭轉(zhuǎn)彈簧。所用材料主要為金屬材料，而金屬材料制備的彈簧中又以鋼彈簧應(yīng)用最廣，包括碳素鋼、合金鋼和不銹鋼，在航天航空、機(jī)械制造、汽車、船舶等領(lǐng)域已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用。
[0003]目前，隨著裝備制造技術(shù)的發(fā)展和不斷進(jìn)步，彈簧的應(yīng)用領(lǐng)域也日益擴(kuò)展，作為機(jī)械設(shè)備用彈簧元件的作用更加突出。與此同時(shí)，對(duì)彈簧材料的選擇和設(shè)計(jì)參數(shù)也提出了更高要求，從降低設(shè)備重量的角度出發(fā)，要求裝配的彈簧元件重量盡可能輕。當(dāng)彈簧在海洋和其它腐蝕環(huán)境下使用時(shí)，要求彈簧具有高抗腐蝕性以獲得穩(wěn)定的使用壽命，而現(xiàn)有的鋼彈簧難以滿足上述要求。
[0004]中國(guó)實(shí)用新型專利(專利號(hào)200820047637.6)公開(kāi)一種鈦彈簧，由鈦合金線材繞成螺旋狀，鈦合金為β鈦合金、T1-3Al-8V-6Cr-4Mo-4Zr、LCB FTB29等，與鋼制彈簧相比具有重量較輕、較好的抗疲勞性、抗腐蝕性和靈敏性。中國(guó)實(shí)用新型專利(專利號(hào)200920032686.7)公開(kāi)一種鈦合金汽車彈簧，該彈簧為圓柱形，彈簧由直徑為0.5mm?0.7mm的彈簧絲制成。上述兩個(gè)專利中彈簧采用的是傳統(tǒng)的圓形截面絲材，由于鈦合金絲材彈性優(yōu)于鋼絲，導(dǎo)致繞制的彈簧，特別是旋繞比偏大的彈簧尺寸波動(dòng)大，給彈簧尺寸的精確控制帶來(lái)很大難度。此外，對(duì)于大節(jié)距彈簧，圓形截面絲材在繞制成型過(guò)程中容易發(fā)生偏轉(zhuǎn)扭曲，導(dǎo)致絲材繞制過(guò)程中受力不均，繞制的彈簧不同部位反彈不均均，同樣不利于彈簧尺寸的精確控制。采用異型截面絲材繞制彈簧可以解決上述問(wèn)題，異型截面絲材截面可以是長(zhǎng)方形、正方形、正六邊形、橢圓形。通過(guò)沿選定的面繞制彈簧，避免了絲材繞制過(guò)程中發(fā)生扭轉(zhuǎn)而導(dǎo)致受力不均勻的現(xiàn)象，提高了彈簧成型后的尺寸精度。
[0005]鈦合金具有優(yōu)異的耐工業(yè)腐蝕及耐海洋大氣、海水腐蝕性能，其密度為4.5?4.8g/cm3。因此，與鋼制彈簧相比，鈦合金彈簧具有明顯的減重作用和抗腐蝕能力。但鈦合金的切變模量只是鋼的一半，在相同結(jié)構(gòu)尺寸的條件下，鈦合金彈簧的剛度系數(shù)較小。使用異型截面絲材繞制彈簧，在絲材尺寸相近情況下，異型截面絲材的截面積大于圓形截面絲材，彈簧繞制后可以獲得更大的剛度，這就有效彌補(bǔ)了鈦合金切變模量偏低的缺點(diǎn)，提高了彈簧允許承受的負(fù)荷，增加了彈簧的疲勞壽命。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]針對(duì)鈦合金彈性模量偏低的問(wèn)題，本發(fā)明的目的在于提供一種異型截面絲材鈦合金彈簧的制備方法。與圓形截面絲材相比，采用異型截面絲材可以在絲材尺寸相近情況下提聞絲材截面積，提聞了彈黃剛度，進(jìn)而能夠承受更聞的負(fù)荷。
[0007]本發(fā)明的技術(shù)方案是:
[0008]一種異型截面絲材鈦合金彈簧的制備方法，彈簧由異型截面鈦合金絲材繞制而成；按質(zhì)量百分比計(jì)，鈦合金絲的組分為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 為余量。
[0009]所述的異型截面絲材鈦合金彈簧的制備方法，異型截面鈦合金絲材的截面形狀為長(zhǎng)方形、正方形、正六邊形或橢圓形。
[0010]所述的異型截面絲材鈦合金彈簧的制備方法，異型截面鈦合金絲材通過(guò)鍛壓、熱軋工藝制備，具體工藝參數(shù)如下:
[0011](I)在1130°C?1200°C，保溫3?4小時(shí)，采用鍛壓工藝，將鈦合金鑄錠鍛造成棒材；
[0012](2)在870°C?920°C，保溫I?2小時(shí)，采用熱軋工藝，將鈦合金鍛棒軋制成異型截面鈦合金絲材。
[0013]所述的異型截面絲材鈦合金彈簧的制備方法，異型截面鈦合金絲材經(jīng)固溶處理后繞制彈簧，對(duì)繞制后的彈簧進(jìn)行時(shí)效強(qiáng)化處理，具體工藝參數(shù)如下:
[0014](I)固溶處理溫度在820°C?840°C之間，保溫時(shí)間1min?18min ；
[0015](2)時(shí)效強(qiáng)化處理溫度在520?530°C之間，保溫時(shí)間8h?1h。
[0016]本發(fā)明的設(shè)計(jì)思想是:
[0017]與鋼材料相比，鈦合金具比強(qiáng)度高、密度小、重量輕、抗腐蝕性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，但缺點(diǎn)是抗拉強(qiáng)度比鋼偏低，在絲材尺寸相同的情況下繞制的彈簧強(qiáng)度偏低難以滿足使用要求。為解決這一問(wèn)題，本發(fā)明使用經(jīng)過(guò)鍛壓、熱軋工藝制備的異型截面鈦合金絲材，絲材經(jīng)固溶處理后繞制彈簧，繞制后的彈簧經(jīng)過(guò)時(shí)效強(qiáng)化處理，使強(qiáng)度得到大幅提升，能夠滿足使用要求，替代鋼彈簧后還可以起到減重作用。同時(shí)，由于鈦合金抗腐蝕能力強(qiáng)、抗疲勞性好等優(yōu)點(diǎn)，制備的彈簧具有更高的使用壽命。
[0018]在鈦合金材料制備過(guò)程中添加適量的Fe，目的是Fe元素可以引起合金基體晶格畸變，形成應(yīng)力場(chǎng)，從而提高材料強(qiáng)度，引入少量的Si可以在合金中形成彌散分布的硅化物，當(dāng)合金固溶處理時(shí)硅化物能夠起到抑制晶粒長(zhǎng)大的作用，有助于控制晶粒尺寸，從而提高合金的強(qiáng)度和塑性。
[0019]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)及有益效果如下:
[0020]1、與傳統(tǒng)的鋼彈簧相比，采用鈦合金絲材制備彈簧可以大幅度的降低彈簧的重量。在特殊應(yīng)用環(huán)境(如:海洋和其它腐蝕環(huán)境)下具有良好的抗腐蝕能力，進(jìn)而提高彈簧使用壽命。
[0021]2、與傳統(tǒng)的圓絲截面螺旋彈簧相比，異型截面絲材彈簧有其突出的特點(diǎn)。在彈簧繞制過(guò)程中，傳統(tǒng)的圓形截面絲材容易發(fā)生扭轉(zhuǎn)造成絲材繞制過(guò)程中受力不均勻，彈簧成型后尺寸偏差大，彈簧精度不易控制，使彈簧成品合格率降低。將彈簧用絲材截面設(shè)計(jì)為異型，異型截面絲材截面可以是長(zhǎng)方形、正方形、正六邊形、橢圓形。在彈簧繞制時(shí)可以沿選定的面纏繞，避免了絲材繞制過(guò)程中因發(fā)生扭轉(zhuǎn)而導(dǎo)致受力不均勻的現(xiàn)象，提高了彈簧成型后的尺寸精度。
[0022]3、本發(fā)明異型截面絲材彈簧所用絲材，其截面對(duì)稱面間距與圓絲截面直徑長(zhǎng)度相同情況下面積增加，在絲材單位面積受到的應(yīng)力相同時(shí)，可以承受更高的負(fù)荷。由于采用異型截面絲材增加了絲材截面積，提高了彈簧使用過(guò)程中的工作負(fù)荷，進(jìn)而提高了彈簧的穩(wěn)定性。對(duì)于扭轉(zhuǎn)彈簧，在相同扭轉(zhuǎn)角度下，可以使彈簧產(chǎn)生更高的扭矩。
[0023]4、本發(fā)明異型截面絲材彈簧形變恢復(fù)能力更強(qiáng)，不易松弛，性能更穩(wěn)定。由于彈簧繞制過(guò)程中沿著絲材某一固定的平面成型，不易使絲材產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)，所以減小了彈簧繞制后尺寸反彈偏差，更易實(shí)現(xiàn)外徑、節(jié)距、高度等尺寸的精確控制；使成品彈簧具有更穩(wěn)定的剛度，可以實(shí)現(xiàn)更高的設(shè)計(jì)載荷。
[0024]5、本發(fā)明異型截面絲材彈簧不易發(fā)生松弛，提高了使用過(guò)程中的穩(wěn)定性，進(jìn)而提升了疲勞壽命，異型截面絲材鈦合金彈簧具備上述優(yōu)勢(shì)使其能夠替代圓形截面絲材鈦合金彈黃和鋼彈黃。
[0025]總之，使用異型截面絲材繞制彈簧，在絲材尺寸相近情況下，異型截面絲材的截面積大于圓形截面絲材，彈簧繞制后可以獲得更大的剛度，這就有效彌補(bǔ)了鈦合金切變模量偏低的缺點(diǎn)，提高了彈簧允許承受的負(fù)荷，增加了彈簧的疲勞壽命。

【具體實(shí)施方式】
[0026]本發(fā)明采用鍛造、熱軋工藝制備異型截面鈦合金絲材，通過(guò)數(shù)控繞簧機(jī)繞制彈簧，異型截面鈦合金絲材為長(zhǎng)方形、正方形、正六邊形或橢圓形。按質(zhì)量百分比計(jì)，所用鈦合金絲其組分為，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為余量。所述的異型截面鈦合金絲材通過(guò)鍛造、熱軋工藝制備而成，鈦合金絲材經(jīng)固溶處理后，通過(guò)數(shù)控繞簧機(jī)繞制彈簧，再對(duì)彈簧進(jìn)行時(shí)效強(qiáng)化處理。
[0027]實(shí)施例1
[0028]本實(shí)施例中，將鈦合金鑄錠鍛造成Φ70_的鍛棒，鍛棒經(jīng)異型型材軋制設(shè)備軋制成截面12.5mmX 12.5mm正方形絲材。
[0029](I)鍛造:在1170°C，保溫3小時(shí)，采用鍛壓工藝，將鈦合金鑄錠鍛壓成Φ 70mm棒材；
[0030](2)熱軋:在900°C保溫I小時(shí)，采用熱軋工藝，將鈦合金鍛棒通過(guò)軋制設(shè)備軋制成截面12.5mmX 12.5mm正方形絲材。
[0031](3)固溶處理:在830°C保溫1min對(duì)軋棒進(jìn)行固溶處理，測(cè)定固溶態(tài)絲材的拉伸性能，具體結(jié)果見(jiàn)表I。
[0032]表I絲材固溶處理后的拉伸性能
[0033]
抗拉強(qiáng)度~延伸率J~斷面收縮率Z

會(huì)扁號(hào).(N/mm2)(%)(%)
191720.059.1
291223.560.8
[0034]從表I看出，絲材經(jīng)固溶處理后塑性良好，特別是斷面收縮率超過(guò)50%，高斷面收縮率有利于彈簧繞制成型。
[0035](4)時(shí)效處理:在520°C保溫10小時(shí)，對(duì)固溶態(tài)絲材進(jìn)行時(shí)效強(qiáng)化處理，時(shí)效后的拉伸性能見(jiàn)表2。
[0036]表2時(shí)效處理后鈦合金絲材的室溫拉伸性能
[0037]
諞號(hào)抗拉強(qiáng)度延伸率2 斷面收縮率Z
(N/mm2)(%)(%)
1128511.827.1
2128112 626.5
[0038]從表2可以看出，絲材經(jīng)時(shí)效處理后強(qiáng)度得到大幅度提高，抗拉強(qiáng)度超過(guò)1280MPa，力學(xué)性能能夠滿足用作彈簧的性能要求。
[0039]實(shí)施例2
[0040]本實(shí)施例中，將鈦合金鑄錠鍛造成Φ60_的鍛棒，鍛棒經(jīng)異型型材軋制設(shè)備軋制成邊長(zhǎng)7.5mm的六邊形絲材。
[0041](I)鍛造:在1140°C，保溫4小時(shí)，采用鍛壓工藝，將鈦合金鑄錠鍛壓成Φ60πιπι棒材；
[0042](2)熱軋:在880°C保溫2小時(shí)，采用熱軋工藝，將鈦合金鍛棒通過(guò)軋制設(shè)備軋制成邊長(zhǎng)為7.5mm的六邊形絲材；
[0043](3)固溶處理:在820°C保溫15min，對(duì)絲材進(jìn)行固溶處理，測(cè)定固溶態(tài)絲材的拉伸性能，具體結(jié)果見(jiàn)表3。
[0044]表3絲材固溶處理后的拉伸性能
[0045]
抗拉強(qiáng)度^延伸率J^斷面收縮率Z

會(huì)扁#
(N/mm2)(%)(%)
192622.756.4
292123.5、3 6
[0046]從表3看出，絲材經(jīng)固溶處理后塑性良好，特別是斷面收縮率超過(guò)50%。高斷面收縮率有利于彈簧繞制成型。
[0047](4)時(shí)效處理:在530°C保溫9小時(shí)，對(duì)固溶態(tài)絲材進(jìn)行時(shí)效強(qiáng)化處理，時(shí)效后的拉伸性能見(jiàn)表4。
[0048]表4時(shí)效處理后鈦合金絲材的室溫拉伸性能
[0049]
抗拉強(qiáng)度I ~延伸率J~斷面收縮率Z
編號(hào)
(N/mm2)(%)(%)
1129712.2 -26,3
2129213.124.9
[0050]從表4可以看出，絲材經(jīng)時(shí)效處理后強(qiáng)度得到大幅度提高，抗拉強(qiáng)度接近1300MPa，力學(xué)性能能夠滿足用作彈簧的性能要求。
[0051]實(shí)施例結(jié)果表明，與鋼彈簧相比，本發(fā)明使用特定的異型截面絲材繞制鈦合金彈簧具有密度小、比強(qiáng)度高、耐蝕性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，用特定的鈦合金制備彈簧可以起到降低重量的作用。同時(shí)，鈦合金在海洋環(huán)境下具有良好的抗腐蝕能力，性能穩(wěn)定，疲勞壽命長(zhǎng)，能夠當(dāng)前市場(chǎng)需求。
【權(quán)利要求】
1.一種異型截面絲材鈦合金彈簧的制備方法，其特征在于，彈簧由異型截面鈦合金絲材繞制而成；按質(zhì)量百分比計(jì)，鈦合金絲的組分為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 為余量。
2.按照權(quán)利要求1所述的異型截面絲材鈦合金彈簧的制備方法，其特征在于，異型截面鈦合金絲材的截面形狀為長(zhǎng)方形、正方形、正六邊形或橢圓形。
3.按照權(quán)利要求1或2所述的異型截面絲材鈦合金彈簧的制備方法，其特征在于，異型截面鈦合金絲材通過(guò)鍛壓、熱軋工藝制備，具體工藝參數(shù)如下: (1)在1130°C?1200°C，保溫3?4小時(shí)，采用鍛壓工藝，將鈦合金鑄錠鍛造成棒材； (2)在870°C?920°C，保溫I?2小時(shí)，采用熱軋工藝，將鈦合金鍛棒軋制成異型截面鈦合金絲材。
4.按照權(quán)利要求3所述的異型截面絲材鈦合金彈簧的制備方法，其特征在于，異型截面鈦合金絲材經(jīng)固溶處理后繞制彈簧，對(duì)繞制后的彈簧進(jìn)行時(shí)效強(qiáng)化處理，具體工藝參數(shù)如下: (1)固溶處理溫度在820°C?840°C之間，保溫時(shí)間1min?18min； (2)時(shí)效強(qiáng)化處理溫度在520?530°C之間，保溫時(shí)間8h?10h。
【文檔編號(hào)】B21F35/00GK104174791SQ201410352794
【公開(kāi)日】2014年12月3日 申請(qǐng)日期:2014年7月22日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月22日
【發(fā)明者】王健, 景綠路, 金偉 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院金屬研究所