本發(fā)明涉及一種近β型鈦合金碟形彈簧的制備方法，屬于鈦合金應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

碟形彈簧因在變形很小的情況下能承受較大的載荷，且緩沖吸震能力強，所以適用于軸向空間要求緊湊的地方。目前，制作碟形彈簧使用最廣的材料是60Si2MnA及50CrVA彈簧鋼。由于鈦合金密度小(4.5g/cm³，約為彈簧鋼的57％)，比強度高，用鈦合金代替鋼材制作彈簧，可以顯著減輕重量(鈦合金彈簧比鋼制彈簧輕60％～70％)；另一方面，在標(biāo)準(zhǔn)鹽霧腐蝕疲勞試驗中，一般鋼質(zhì)彈簧的疲勞壽命比在空氣中下降50％，而在相同的試驗中，鈦彈簧的疲勞壽命僅比空氣中下降4％。而且與鋼質(zhì)彈簧不同的是，由于耐蝕性優(yōu)異，鈦合金彈簧不需要施加防腐涂層。在重量和空間受到嚴(yán)格限制以及在腐蝕介質(zhì)工作環(huán)境下，用鈦合金做彈簧，可使其特性得到充分發(fā)揮，同時還可以提高效率，降低費用。

在海洋工程等領(lǐng)域，大量應(yīng)用鈦合金泵、閥(球閥、截止閥和通海閥等)，閥體安裝時需配套碟形彈簧，通過小變形可實現(xiàn)較大載荷，從而提供足夠的閥座密封力。因無鈦合金碟簧可用，只能使用鋼制碟簧。在海洋工況條件下，由于鈦合金的電極電位較高，使得與其接觸的鋼制碟簧極易發(fā)生電偶腐蝕，造成零件的失效。如果用鈦合金碟簧代替鋼制碟簧，則可有效預(yù)防甚至消除潛在的安全隱患，提高零部件的使役壽命。

最常用的(α+β)型鈦合金強度較低，近β及β型鈦合金由于具有高強、高韌、加工性能好、耐蝕性優(yōu)異且彈性模量高等優(yōu)點，是制作鈦合金彈簧的最理想材料。歐美等發(fā)達國家采用β鈦合金制造的彈簧已獲應(yīng)用。美國Timet公司采用Timetal LCB鈦合金制造法拉利汽車所有懸掛系彈簧、高性能賽車的閥門彈簧、雪地汽車的扭力彈簧以及大眾LuPo汽車的懸吊彈簧。鈦閥門彈簧可減重34％，用于雪地汽車的鈦扭力彈簧可減重30％～50％。20世紀(jì)70年代，麥道公司采用冷加工加時效狀態(tài)的Ti-13-11-3(Ti-13V-11Cr-3Al)合金制造彈簧，用在民用飛機上。與鋼彈簧相比，它具有較低的彈性模量和密度，可減重70％，節(jié)約空間50％。

β-C(Ti-3Al-8V-6Cr-4Mo-4Zr)鈦合金最初的商業(yè)應(yīng)用也是航空彈簧，在20世紀(jì)80年代早中期取代Ti-13-11-3。從MD-11到MD-80，麥道公司使用了約300個Ti-13-11-3部件和150個Ti-38-6-44部件，而C-17上所有的鈦彈簧都是Ti-38-6-44。波音公司也逐步用Ti-38-6-44取代不銹鋼彈簧。空中客車A-330和A-340安裝有該合金制作的彈簧(強度范圍為1 240～1 450MPa)，包括起落架的上下鎖彈簧、門平衡彈簧、控制限度和飛行高度的彈簧等。美國波音-777飛機上也裝有β-C鈦合金彈簧。

目前，國內(nèi)外多家單位采用TB3、TB5、β-C和TC4等鈦合金絲材繞制的螺旋彈簧，已在航空、汽車、石油化工等行業(yè)獲得應(yīng)用。然而，鈦合金碟形彈簧仍缺少系統(tǒng)、成熟的制造工藝，尤其是β及近β型鈦合金碟形彈簧，尚未見報道。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

鑒于現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明人采用近β型高強高韌鈦合金作為彈簧材料，研制出1.5mm、1.2mm和1.0mm厚度的鈦合金碟形彈簧，從而提供一種近β型鈦合金碟形彈簧的制備方法，以滿足我國航空航天、汽車工業(yè)、海洋工程等領(lǐng)域?qū)︹伜辖鸬螐椈扇找嫫惹械男枨蟆?/p>

為了實現(xiàn)本發(fā)明的目的，發(fā)明人通過大量試驗研究并不懈努力，最終獲得了如下技術(shù)方案：

一種利用近β型鈦合金鑄錠制備板材的方法，該方法的步驟如下：

步驟1：將近β型鈦合金鑄錠在溫度1000～1100℃進行加熱，開坯后鍛成120～150mm厚的板坯；所述的近β型鈦合金鑄錠的各組分重量百分比組成為：Al為3.5～5.5％，V為4.0～8.0％，Cr為5.0～7.0％，Mo為3.0～7.0％，余量為Ti和不可避免的雜質(zhì)；

步驟2：清理板坯表面缺陷后，加熱至850～900℃軋制成40～50mm厚的板坯；

步驟3：將步驟2的板坯加熱至800～850℃軋制成16～23mm厚的板坯；

步驟4：將步驟3的板坯繼續(xù)加熱至800～850℃軋制成3～5mm厚的板坯；

步驟5：將步驟4的板坯經(jīng)750～800℃退火、修磨，冷軋至1.6～1.8mm厚的板坯，分料；

步驟6：將步驟5的板坯分別冷軋至1.1～1.6mm內(nèi)的各種厚度，板坯經(jīng)脫油、800～860℃固溶處理及堿酸洗后得到成品近β型鈦合金板材。

優(yōu)選地，如上所述利用近β型鈦合金鑄錠制備板材的方法，其特征在于，步驟6中所述的各種厚度包括1.6mm、1.3mm和1.1mm。

優(yōu)選地，如上所述利用近β型鈦合金鑄錠制備板材的方法，其特征在于，步驟6中所述的成品近β型鈦合金板材的厚度為和

一種將上述近β型鈦合金板材制備碟形彈簧的方法，該方法的步驟如下：

步驟1：將成品近β型鈦合金板材切割成試板；

步驟2：將切好的試板進行沖孔，加工成圓墊圈形毛坯；

步驟3：在車床上對步驟2的毛坯進行粗加工，使其外形幾何尺寸達到設(shè)計要求；

步驟4：在專用模具上加工成型，使每種規(guī)格碟簧的錐度達到設(shè)計要求；

步驟5：將成型后的碟簧放入真空退火爐內(nèi)進行時效處理，溫度480～620℃，保溫8～12h后空冷；

步驟6：采用酸洗液酸洗5-20min，將熱處理后碟簧表面產(chǎn)生的氧化皮清理干凈；

步驟7：在油壓機上強壓不少于5次，消除殘余變形，穩(wěn)定碟簧尺寸。

在本發(fā)明的一個最優(yōu)選的實施例中，所述的酸洗液由50～80ml濃度為40％的氫氟酸和180～200ml濃度為68％的硝酸配制而成。

由于近β型鈦合金強度高，若軋制時工藝參數(shù)選擇不合適，例如軋制溫度較低、變形量過大，則板坯容易開裂。若加工工藝參數(shù)選擇不當(dāng)，得到的板材組織均勻性差，會影響板材的力學(xué)性能。通常在加工時影響板材組織和性能的因素主要有：(1)熱軋時的軋制溫度、軋制速度和變形量；(2)冷軋時的軋制速度、冷軋變形量；(3)熱處理時的加熱溫度、保溫時間和冷卻方式。通過對上述工藝參數(shù)進行大量的試驗摸索，并進行優(yōu)化研究，最終優(yōu)選出合適的工藝參數(shù)。采用優(yōu)化后的加工工藝和熱處理工藝，研制出強度與塑性匹配最佳，且表面質(zhì)量優(yōu)良、尺寸精度符合要求的近β型鈦合金成品板材，為碟形彈簧的研制奠定了堅實的技術(shù)基礎(chǔ)。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明方法制備的碟形彈簧具有如下優(yōu)點和顯著的進步：強度高，韌性好，硬度大，緩沖吸振能力強，耐蝕性優(yōu)異，適用于軸向空間要求較小的場合，且可以組合使用，有望在航空、航天、汽車工業(yè)、艦船、海洋工程等領(lǐng)域獲得應(yīng)用。

附圖說明

圖1為碟形彈簧外形簡圖；

圖2為t＝1.0mm鈦合金碟形彈簧實測特性曲線；

圖3為t＝1.2mm鈦合金碟形彈簧實測特性曲線；

圖4為t＝1.5mm鈦合金碟形彈簧實測特性曲線；

圖5為不同規(guī)格鈦合金碟形彈簧實物照片；a為1.0mm厚鈦合金碟形彈簧；b為1.2mm厚鈦合金碟形彈簧；c為1.5mm厚鈦合金碟形彈簧。

具體實施方式

以下是本發(fā)明的具體實施例，對本發(fā)明的技術(shù)方案做進一步作描述，但是本發(fā)明的保護范圍并不限于這些實施例。凡是不背離本發(fā)明構(gòu)思的改變或等同替代均包括在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。

本發(fā)明提供的鈦合金采用常規(guī)的合金化熔煉工藝、加工工藝，有利于工業(yè)化生產(chǎn)。其中各組元主要采用中間合金的形式配入，經(jīng)真空自耗電弧熔煉成鍛造用的鑄錠，在水壓機上鍛造成板坯，板坯在軋機上軋制成板材，板材再經(jīng)沖孔、模具成型加工、熱處理、表面處理、強壓處理后制成不同厚度的碟形彈簧。碟形彈簧的外形簡圖見圖1，不同規(guī)格碟簧的尺寸如表1所示。

表1碟形彈簧尺寸

鈦合金碟形彈簧生產(chǎn)工藝流程為：

下料→沖制→機加工→模具加工成型→熱處理→表面清理→強壓處理→檢測、檢驗(用測力機測試載荷)→包裝入庫。

實施例1：鈦合金板材的制備

(1)按重量百分比配料，Al：4.0％，V：5.0％，Mo：5.0％，Cr:6.0％，Ti余量，經(jīng)真空自耗電弧爐兩次熔煉得到近β型鈦合金鑄錠；將鑄錠在溫度1000～1100℃進行加熱，開坯后鍛成120～150mm厚的板坯；

(2)清理板坯表面缺陷后，加熱至850～900℃，在1200mm可逆式熱軋機上軋制成45mm厚的板坯；

(3)將步驟(2)的板坯加熱至800～850℃軋制成20mm厚的板坯；

(4)將步驟(3)的板坯繼續(xù)加熱至800～850℃軋制成4mm厚的板坯；

(5)將步驟(4)的板坯經(jīng)750～800℃退火、修磨，在1200mm可逆式冷軋機上冷軋至1.6mm厚，分料；

步驟(6)將步驟(5)的板坯分別冷軋至1.3mm和1.1mm。將1.6mm、1.3mm和1.1mm板坯經(jīng)脫油、800～860℃固溶處理及堿酸洗后得到和的成品板材，技術(shù)要求參照GJB 2505A-2008執(zhí)行。

實施例2：1.0mm厚鈦合金碟形彈簧的制備

(1)下料：用1.0mm厚鈦合金薄板，下料規(guī)格為200mm×500mm；

(2)沖孔制坯：在模具內(nèi)沖制成圓墊圈形；

(3)機加工：在車床上粗車兩端面，車內(nèi)圓到Φ14.2(極限偏差為H12)，表面粗糙度R_a≤12.5μm。倒內(nèi)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。最后將數(shù)片碟簧用Φ14.2的心軸穿起來，用螺栓固定，車外圓至Φ28(極限偏差為h12)，表面粗糙度R_a≤12.5μm，并倒與內(nèi)角相對的外角1×45°，最后修光表面的毛刺；

(4)模具加工成型：在油壓機上用專用模具加工成型，使每片碟簧的錐度達到設(shè)計要求。樣件在中頻加熱爐上加熱到800～860℃，放入專用模具內(nèi)在油壓機上壓制成形，壓制時間控制在15～20s；

(5)熱處理：將成型后的碟簧放入真空退火爐內(nèi)進行時效處理，溫度480～620℃，保溫8～12h后空冷；

(6)表面清理：采用60ml濃度為40％的氫氟酸和200ml濃度為68％的硝酸的酸洗液，酸洗10min，將熱處理后碟簧表面的氧化皮清洗干凈；

(7)強壓處理：在油壓機上用不小于f＝1.2N的負(fù)荷壓縮碟簧，壓縮次數(shù)不少于5次，消除殘余變形，穩(wěn)定其尺寸；

(8)載荷檢測：在CMT 5105電子萬能試驗機上(精度不低于1％)，測試碟簧負(fù)荷情況，得到位移-負(fù)荷特性曲線，見圖2。

實施例3：1.2mm厚鈦合金碟形彈簧的制備

(1)下料：用1.2mm厚鈦合金薄板，下料規(guī)格為200mm×500mm；

(2)沖孔制坯：在專用模具內(nèi)沖孔，沖制成圓墊圈形；

(3)機加工：在車床上粗車兩端面，車內(nèi)圓到Φ14.2(極限偏差為H12)，表面粗糙度R_a≤12.5μm。倒內(nèi)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。最后將數(shù)片碟簧用Φ14.2的心軸穿起來，用螺栓固定，車外圓至Φ28(極限偏差為h12)，表面粗糙度R_a≤12.5μm，并倒與內(nèi)角相對的外角1×45°，最后修光表面的毛刺；

(4)模具加工成型：在油壓機上用專用模具加工成型，使每片碟簧的錐度達到設(shè)計要求。樣件在中頻加熱爐上加熱到800～860℃，放入專用模具內(nèi)在油壓機上壓制成形，壓制時間控制在15～20s；

(5)熱處理：將成型后的碟簧放入真空退火爐內(nèi)進行時效處理，溫度480～620℃，保溫8～12h后空冷；

(6)表面清理：采用60ml濃度為40％的氫氟酸和200ml濃度為68％的硝酸的酸洗液，酸洗10min，將熱處理后碟簧表面的氧化皮清洗干凈；

(7)強壓處理：在油壓機上用不小于f＝1.35N的負(fù)荷壓縮碟簧，壓縮次數(shù)不少于5次，消除殘余變形，穩(wěn)定其尺寸；

(8)載荷檢測：在CMT 5105電子萬能試驗機上(精度不低于1％)，測試碟簧負(fù)荷情況，得到位移-負(fù)荷特性曲線，見圖3。

實施例4：1.5mm厚鈦合金碟形彈簧制備方法

(1)下料：用1.5mm厚鈦合金薄板，下料規(guī)格為200mm×500mm；

(2)沖孔制坯：在專用模具內(nèi)沖孔，沖制成圓墊圈形；

(3)機加工：在車床上車兩端面，車內(nèi)圓到Φ14.2(極限偏差為H12)，表面粗糙度R_a≤6.3μm。倒內(nèi)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。最后將數(shù)片碟簧用Φ14.2的心軸穿起來，用螺栓固定，車外圓至Φ28(極限偏差為h12)，表面粗糙度R_a≤6.3μm，并倒與內(nèi)角相對的外角1×45°，最后修光表面的毛刺；

(4)模具加工成型：在油壓機上用專用模具加工成型，使每片碟簧的錐度達到設(shè)計要求。樣件在中頻加熱爐上加熱到800～860℃，放入專用模具內(nèi)在油壓機上壓制成形，壓制時間控制在25～30s；

(5)熱處理：將成型后的碟簧放入真空退火爐內(nèi)進行時效處理，溫度480～620℃，保溫8～12h后空冷；

(6)表面清理：采用60ml濃度為40％的氫氟酸和200ml濃度為68％的硝酸的酸洗液，酸洗10min，將熱處理后碟簧表面的氧化皮清洗干凈；

(7)強壓處理：在油壓機上用不小于f＝0.975N的負(fù)荷壓縮碟簧，壓縮次數(shù)不少于5次，消除殘余變形，穩(wěn)定其尺寸；

(8)載荷檢測：在CMT 5105電子萬能試驗機上(精度不低于1％)，測試碟簧負(fù)荷情況，得到位移-負(fù)荷特性曲線，見圖4。

對不同規(guī)格鈦合金碟形彈簧進行力學(xué)性能測試，測試結(jié)果如表2所示。不同規(guī)格鈦合金碟形彈簧的實物照片見圖5。

表2不同規(guī)格鈦合金碟形彈簧室溫力學(xué)性能