TC16鈦合金冷滾壓外螺紋微觀組織及性能研究

藥曉江 王 鍇 * 高 磊 張曉斌 劉 暢

(1、中海油田服務股份有限公司，天津 300459 2、航天精工股份有限公司，天津 300300 3、天津工業大學機械工程學院，天津市現代化機電裝備技術重點實驗室，天津 300387)

1 概述

石油是“國民經濟的血液”，也是國家的重要能源和戰略資源。隨著對石油資源需求的不斷增加，石油勘探從近海、淺海逐步走向遠海、深海。同時，遠海和深海處的溫度、壓力和腐蝕條件也導致石油勘探環境更加惡。這對石油勘探設備的材料性能也有了更高的要求[1]。鈦合金以其高比強度、抗腐蝕和耐高溫等優異特性受到了石油勘探工業界的廣泛關注，成為了石油勘探設備的首選工業材料[2]。雖然鈦是活性較高的金屬，但是鈦表面形成的氧化鈦膜為鈦合金提供了良好的抗腐蝕性能。與1Cr18Ni9、LF2和B30等耐腐蝕金屬材料相比，鈦合金在流動海水中的腐蝕速率是極低的[1]。這保證了石油勘探設備可靠性，降低了維修成本，延長了使用壽命。

鈦合金緊固件在石油勘探設備中有著大量的應用。緊固件是機械制造行業中的一種關鍵零件，它的制造工藝和質量對各類機械產品的壽命有著直接影響。緊固件上的螺紋加工方法主要有切削螺紋、滾壓螺紋、套螺紋和攻絲等。在中小型緊固件的制造方法中，滾壓螺紋技術憑借其低成本、高效率、高材料利用率等優點有著很好的經濟優勢，在批量加工外螺紋中得到了廣泛的應用[3]，并正在逐步淘汰切削螺紋。滾壓螺紋相比于切削螺紋還包括以下優點：因應變硬化提高了硬度，同時引入了殘余壓應力，提高了材料的疲勞強度[4]。

國內外的學者們對滾壓螺紋在解析建模、數值模擬和實驗研究等方面做了大量的研究。在數值模擬方面，程明龍等人[5]基于Abaqus/standard模塊建立了滾壓螺紋的三維有限元模型，得到了滾輪參數對螺栓殘余應力的影響規律，并通過實驗驗證了該模型的有效性。Domblesky和Feng[6]利用DEFORM軟件建立了外螺紋滾壓的二維和三維有限元模型，模擬的顯微硬度分布、金屬流動和螺紋輪廓與實驗結果吻合良好。Zhang等人[7]基于晶體塑性有限元法(CPFEM)和Voronoi多面體理論，建立了螺紋滾壓成形的多晶體模型，研究了金屬的流動性。在解析建模方面，崔鑫和趙永強[8]對三滾絲輪滾壓螺紋時工件的直徑和受力進行了分析。鄭向周[9]對滾絲輪與螺紋的嚙合過程和運動過程進行了分析。在實驗研究方面，趙慶云等人[10]研究了螺紋滾壓對高強鈦合金螺栓性能的影響，實驗結果發現與冷滾壓相比，溫滾壓螺紋更適用于高強鈦合金螺栓。大連理工大學的袁喜林[11]研究了滾壓參數對螺栓表面粗糙度和顯微硬度的影響，并利用方差分析和回歸分析得到了它們的關系模型。王曉鋒等人[12]分析了304不銹鋼滾壓螺紋的微觀組織和力學性能，并和套絲加工的螺紋進行了對比研究。研究結果表明滾壓螺紋的力學性能優于套絲加工的螺紋。

可以看出學者們對滾壓螺紋進行了許多研究，但是對于立式和臥式滾壓外螺紋的微觀組織及性能還研究較少。因此，本文研究了TC16鈦合金臥式和立式冷滾壓外螺紋的微觀組織及性能，對滾壓螺紋不同位置處的金相組織和顯微硬度進行了觀察和測量分析，探究了牙頂折疊的形成原因。

2 實驗

2.1 試樣制備

如圖1所示，選用了立式和臥式這兩種滾絲方式成形的緊固件進行分析。實驗中緊固件試樣的材料為TC16，材料經熱鐓、熱處理、車削、磨削、滾絲等主要工序后成形。為了觀察緊固件螺紋處的微觀組織，利用線切割將緊固件沿著軸線方向切開，對試樣進行鑲嵌，并對鑲嵌試樣進行研磨、拋光和腐蝕。腐蝕溶液為2ml HF+4 ml HNO3+100 ml H2O，腐蝕時間為5s-15s。

圖1 實驗所用螺栓

2.2 實驗方法

利用掃描電子顯微鏡（型號：ZEISS Sigma300）對立式滾絲和臥式滾絲兩種緊固件的微觀組織進行觀察分析。利用顯微硬度計（型號：HV-1000）對螺紋的牙頂、牙側、牙根和牙底的顯微硬度進行測量，試驗力為0.05 kgf，加載時間為10s，每個測量點的相鄰步長為20μm。

3 實驗結果及分析

3.1 微觀組織

TC16鈦合金螺栓的金相組織形貌如圖2所示。從圖中可以觀察到初生α相和轉變β相基體，并且β相基體中存在部分次生α相。圖3所示為立式和臥式滾壓螺紋牙底位置處的晶粒流線。可以發現沿著滾絲輪的進給方向上，晶粒被拉長或擠壓變形成長條狀或纖維狀，并且排布更加緊密。立式和臥式滾壓螺紋牙底處的變形層厚度分別為150.7 μm和83.6 μm。變形層厚度的區別是由于牙底曲率的不同。當牙底的曲率增加時，牙底變形層的厚度相應增加，同時晶粒流線的曲率也會增加。在滾絲輪擠壓材料的過程中，材料的微觀組織結構發生了形變，發生冷態塑性變形，進而引起位錯增殖，同時位錯密度增加[10]。而變形層處的晶格畸變造成局部微觀應力提高，阻礙了位錯滑移的進一步形成。當位錯受到阻礙時，材料的塑性變形抗力得到提高，導致材料的硬度和強度增加，從而產生了加工硬化的現象。從圖3中進一步觀察可以發現，隨著距離牙底的距離逐漸增加，晶粒變形的程度也逐漸降低。

圖2 TC16的微觀組織結構

圖3 滾絲螺紋牙底處晶粒流線(a)立式(b)臥式

圖4所示為立式和臥式滾壓螺紋不同位置處的微觀組織結構。可以發現在牙頂、牙側和牙根處都出現了變形層，但是螺紋不同位置的變形程度有所不同。在變形區內選取五個位置測量其厚度，并將五次結果取平均值來量化螺紋不同位置的變形區厚度，測量結果如表1所示。可以發現立式和臥式滾壓對螺紋不同位置變形區的厚度幾乎沒有影響，但是螺紋不同位置變形區的厚度存在較大差異。變形層厚度大小依次為：牙底>牙根>牙側>牙頂。對螺紋不同位置變形區中的晶粒進一步觀察可以發現不同位置的晶粒細化程度也不同。晶粒細化程度大小依次為：牙底>牙根>牙側>牙頂。出現這種現象是由于在滾絲過程中螺栓不同位置受力大小不同，因此晶粒細化程度也不盡相同。基于最小阻力定律，在滾絲過程中，材料內部的微觀組織會向阻力最小的地方流動[12]。如圖3所示，牙底處的材料只能向螺栓芯部或牙底兩側流動；如圖4所示，牙側處的材料會沿著滾絲輪牙形流動，而受牙底、牙根和牙側處材料流動方向的影響，部分材料自然而然地流向滾絲輪牙底處從而形成螺栓的牙頂。

圖4 立式和臥式滾絲螺紋的微觀組織結構(a)牙頂（立式）(b)牙中（立式）(c)牙根（立式）(d)牙頂（臥式）(e)牙中（臥式）(f)牙根（臥式）

表1 立式和臥式滾絲螺紋不同位置的變形區厚度

目前，采用螺紋冷滾壓工藝會產生一些加工缺陷，如主要發生在螺紋根徑的發紋和螺紋頂部的折疊，并且這些缺陷比較普遍[13]。如圖5所示，根據缺陷出現的位置不同，有些發紋和折疊是允許發生的（如圖5中的虛線）。但是由于缺陷會引起螺栓強度弱化，在承載面及中徑以下或超過一定深度的缺陷是不允許的（如圖5中的實線）。如圖6所示，在立式和臥式兩種螺栓的牙頂處都發現了折疊的缺陷，折疊的深度分別為19.4 μm和17.9 μm，該缺陷滿足允許發生的要求。在螺栓的中徑和牙根等其他部位沒有觀察到缺陷發生。對折疊處進一步觀察可以發現在折疊邊緣的晶粒也被拉長變形。圖7給出了牙頂折疊形成原理示意圖。如圖7(a)所示，出現這種現象的原因可能是當滾絲輪與工件接觸時，滾絲輪的牙頂擠壓工件形成螺栓的牙底，同時在這個過程中金屬材料向滾絲輪的牙底方向移動；如圖7(b)所示，當滾絲輪進一步擠壓工件材料時，工件材料與滾絲輪螺紋牙兩側的摩擦力不同，導致滾絲輪的單個螺紋牙中的工件材料出現了不同高度；如圖7(c)所示，當滾絲輪擠壓完成時，工件材料的高低不同最終造成了螺栓牙頂折疊的發生。

圖5 滾壓螺紋缺陷示意圖

圖6 牙頂折疊(a)立式(b)臥式

圖7 牙頂折疊形成原理示意圖

3.2 顯微硬度

由于材料內部塑性變形的影響，顯微硬度會發生變化，出現加工硬化的現象。經測量，螺栓芯部的顯微硬度為336±8 HV。圖8給出了立式和臥式滾壓螺紋不同位置處的顯微硬度變化曲線。可以看出滾壓后螺紋不同位置的顯微硬度均高于螺栓芯部的。隨著距離牙頂、牙側、牙根和牙底越遠，顯微硬度大致呈現降低的趨勢。滾壓螺紋時，滾絲輪的牙頂擠壓工件形成螺栓牙底，同時在這個過程中金屬材料向上移動最終形成螺栓牙頂。越靠近螺栓牙頂處金屬材料的流動性越低，這就造成了牙頂處的微觀組織變形最小，因此硬化程度最低。而牙底處的微觀組織變形和積聚最為嚴重，因此牙底處的硬化程度最為顯著。此外，顯微硬化程度也與晶粒細化程度有關。因此，螺紋各個位置顯微硬化程度大小依次為：牙底>牙根>牙側>牙頂。

圖8 滾絲螺紋不同位置的顯微硬度梯度曲線

4 結論

4.1 在TC16鈦合金螺栓滾壓螺紋過程中，晶粒被擠壓變形，且排布更加緊密，形成了一定厚度的變形層。當牙底的曲率增加時，牙底變形層的厚度相應增加，同時晶粒流線的曲率也會增加。螺紋不同位置的變形層厚度大小依次為：牙底>牙根>牙側>牙頂。

4.2 出現牙頂折疊的現象可能是由于滾絲輪的單個螺紋牙兩側的摩擦力不同，進而擠壓過程中滾絲輪的單個螺紋牙中的工件材料出現了不同高度，最終造成了螺栓牙頂折疊的現象。

4.3 滾壓螺紋的不同位置均出現了硬化的現象，隨著距離牙頂、牙側、牙根和牙底越遠，顯微硬度大致呈現降低的趨勢。螺紋各個位置顯微硬化程度大小依次為：牙底>牙根>牙側>牙頂。