論海綿鈦布氏硬度影響因素

2020-09-10 15:53:45劉東生

看世界·學術上半月 2020年3期

劉東生

摘要：海綿鈦的布氏硬度值是海綿鈦的重要指標，能夠反映海綿鈦的綜合質量。本文中研究了雜質元素、檢測手段、制樣過程對最終的海綿鈦布氏硬度的影響，提出了控制海綿鈦布氏硬度有效合理的措施。

關鍵詞：海綿鈦;布氏硬度;雜質元素;檢測手段;制樣方法

一、引言

近幾年隨著海綿鈦工業的快速發展，我國已經成為名副其實的海綿鈦生產大國，但仍不算是海綿鈦生產強國，航空、軍工級的產品比例不高。海綿鈦的標準是按照布氏硬度值和雜質含量的高低來確定海綿鈦質量的優劣。同一級別的海綿鈦布氏硬度與各種雜質含量成統計的關系，這種關系也是制定海綿鈦標準的主要依據。在實際生產中，也存在硬度和雜質含量不對應的情況，因布氏硬度的原因而造成產品質量降級。影響硬度的因素較多，本文中探討了雜質元素Fe、C、N、O含量與海綿鈦硬度值的關系，并且討論了檢測方法、實驗條件、制樣條件等因素對雜質含量的影響，從中找出控制海綿鈦硬度的有效方法。

二、結果與討論

（一）雜質元素對硬度的影響

雜質含量的數值也直接影響著硬度的值，隨著雜質含量的增加，硬度值也隨著變大。雜質元素Fe、C、N、O等元素在海綿鈦中會增加其硬度，海綿鈦的品級與硬度值和雜質含量有密切的關系。

布勞斯 [1]等人經過大量的數據統計證實在多種雜質存在時對鈦的硬度的影響具有加和性，其公式如下：

另外據其它的資料[2]介紹海綿鈦的綜合指標布氏硬度與海綿鈦中的N、O、Fe還存在如下的關系：

日本大阪鈦有限公司Vameji等人[3]研究了鈦中O2、Fe、N、C含量與布氏硬度的關系。通過將不同含量的雜質元素O、Fe、N、C，按不同重量百分比加入到海綿鈦中，每個分做兩個小錠，并經過爐子兩次熔化，生產出小錠。每個約80g，再制成樣品，測量其布氏硬度，然后分析雜質含量，利用回歸分析法，得到硬度與雜質關系式。得到的結果如下：

筆者通過大量數據統計分析，驗證了公式上述公式，海綿鈦指標數據取自朝陽金達鈦業，發現海綿鈦HB低于100時，公式1與公式2計算誤差較大，公式3較適合低硬度海綿鈦的硬度結果測算。公式3與實際測量出來的硬度值十分的匹配。

經過統計發現當公式中Fe含量在0.01-0.05%，O的含量在0.035%-0.055%時，應用公式所計算得到的硬度值與實際測量值相一致，誤差在±1范圍內。當Fe含量高于0.05%或O的含量高于0.055%時，計算硬度比實際測量的硬度偏小，誤差較大，說明了當Fe、O含量較高時，對硬度的影響明顯增大。因而可以利用公式3間接的判定一段時間內的海綿鈦質量是否相對穩定，當計算硬度與實際測量的影響相差較大時，說明海綿鈦雜質含量分布的均勻性差。

（二）檢測方法對硬度的影響

布氏硬度是指用一定直徑的淬火鋼球（硬質合金球），以規定的負荷壓入試樣表面，保持至規定時間后卸除負荷，測量試樣壓痕的表面積，計算出布氏硬度值，即：布氏硬度值

式中：F為試驗力;D為壓頭球直徑;d為壓痕平均直徑。

測量布氏硬度過程中，不同檢測人員的測量重復性、測量設備精度、測量結果進行數值修約都可對布氏硬度的測量結果造成一定的影響，許飛等[4-5]也對海綿鈦布氏硬度測量結果的不確定度進行研究。

（三）制樣方法對硬度的影響

海綿鈦制樣過程中同樣可能對海綿鈦的硬度造成影響。試樣首先壓制成鈦棒，利用真空自耗爐熔煉成鈦錠，再按要求制備樣塊，測量樣塊的硬度。在實際測量過程中，發現真空自耗爐的工藝，冷卻時間和速度對海綿鈦測量硬度造成影響。表2和表3中數據都是來自同一批海綿鈦樣品1，具體指標如下：Fe（0.032%），C（0.009%），N（0.004%），O（0.048%）。

表2中的數據為樣品1所測得的硬度值。分別采用兩種方式冷卻，即方式1：冷卻水溫10℃;方式2：冷卻水溫20℃，兩種方式在相同冷卻時間為25分鐘，和相同流速下進行對比，按照國標方法測量得到了硬度值。為了保證數據的穩定性，各做兩次重復實驗。圖1是待測硬度點位置示意圖，A1，A2是在R/2處測量的硬度值，B1，B2為2/3R處所測得的硬度數據。從表2中可以看到采用方式1比方式2的硬度值明顯偏高。同時靠近鈦錠邊緣處的硬度要高于鈦錠中心處的硬度，主要是因為靠近結晶器壁處冷卻速度過快，成分還沒有進行均勻化的過程就開始成核長大，開始凝固，成分不均勻。而距離結晶器壁較遠處，海綿鈦通過形核、長大、形成成分均勻的柱狀晶，雜質元素相對較少，硬度值低。因而合理選擇冷卻時間和冷卻速度對準確測量海綿鈦硬度是十分必要的。

表3數據是海綿鈦所熔煉成鈦錠后，不同部位硬度的測量結果。圖2為具體測量截面位置的示意圖，每個界面間的距離為20mm，在按照國標的方法來取點，其中截面1為國標規定取點位置，依次來研究鈦錠在不同部位的硬度關系。從結果中可以看到截面3位置的硬度明顯高于截面1位置的硬度，說明了越靠近坩堝底部處的硬度越高，通過分析這種現象主要是由于在熔煉過程中發生區域熔煉作用所導致的，鈦錠在凝固過程中的成分出現了偏析，一些在自耗爐中較難出去的雜質元素如Fe、Mn等元素偏析在鈦錠下部，所以出現了底部硬度高于上部硬度的現象。截面1所處的位置成分較為均勻，能夠很好的反應出海綿鈦的質量。

最后對硬度測量結果進行分析，得出結論，按照國標的取樣方法比較合理，能夠代表整個產品的硬度情況，所以在實際的檢測制樣過程中要制定合理的熔煉工藝，嚴格按照國標要求的方法來制樣和取點測量，以此減少對硬度的測量誤差。

三、控制硬度主要措施

根據以上討論內容來研究控制海綿鈦硬度的方法，具體措施如下：

（1）對Fe的控制主要是通過合理控制反應點的最高溫度，控制好還原和蒸餾階段各段溫度避免超溫，合理的制定熔鎂的溫度和時間也十分的重要，以減少鐵元素向反應器內擴散。

（2）對O和N的控制主要避免還原和蒸餾階段進氣，保證反應器的氣密性，尤其是在夏季潮濕的環境中，制定合理的脫氣工藝。

合理控制加料量和加料速度，避免破碎時物料溫度過高，導致破碎工序物料的氧化。

（3）海綿鈦試樣布氏硬度的測量硬度計示值也受到儀器使用的重復性、操作水平影響，今后對儀器需加強維護保養，定期檢定和校準，同時應加強操作人員的培訓，提高檢測結果的穩定性。

（4）在海綿鈦制樣時采用適當的真空自耗爐的工藝，控制冷卻時間、冷卻速度等條件，嚴格按照國標的方法來進行制樣、取樣。

四、結論

（一）采取合理的措施降低海綿鈦的Fe、O、N的含量，海綿鈦雜質含量穩定、分布均勻，海綿鈦的硬度測量值誤差小。

（二）制樣工藝統一、規范，海綿鈦硬度測量值重復性好。

參考文獻：