TC4鈦合金碟形彈簧的制作工藝和力學性能

張二龍，張丹丹，史航，殷瑩

西安泵閥總廠有限公司 陜西西安 710025

1 序言

鈦材閥門具有良好的耐蝕性，近年來，我廠針對化工行業應用的鈦材球閥訂單越來越多，為保障可靠的密封性能，對閥座密封提供支撐力的蝶形彈簧至關重要，要具備綜合的力學性能。TC4（Ti-6Al-4V）鈦合金抗腐蝕能力強，比強度高，變形抗力和變形回彈量大，重量輕，抗阻尼性能強[1]，使用溫度范圍廣，制作的零部件可在-196～350℃內長期使用，是一種理想的彈簧用材料。

2 蝶形彈簧

碟形彈簧是在軸向呈錐形并承受負荷的特殊彈簧，應力分布由里到外均勻遞減，承受負荷變形后反方向實現載荷效果。依據GB/T 1972—2005《碟形彈簧》用金屬板料或鍛壓坯料成形加工的錐形截面碟形彈簧結構如圖1所示。

圖1 碟形彈簧結構

其結構特點具有剛度大，緩沖吸震能力強，以較小的變形承受較大的載荷[2]，適用于軸向空間較小的場合。按照厚度和使用條件分為無支承面碟形彈簧和有支承面碟形彈簧，其制造工藝方法見表1。

表1 GB/T 1972—2005《碟形彈簧》建議制造工藝方法

3 材料與性能

3.1 試驗材料

TC4（Ti-6Al-4V）試驗材料選用GB/T 2965—2007《鈦及鈦合金棒材》規定的棒料，退火態，試驗材料的化學成分和力學性能分別見表2、表3。

表2 TC4φ60mm棒料化學成分（質量分數） （%）

表3 TC4φ60mm棒料的主要力學性能

3.2 試驗方法

圖2 不同熱處理后的顯微組織

鋸床切割6根φ60×150mm規格的棒料進行2種制度的熱處理試驗，950℃以下加熱與冷卻方式對性能的影響較小，且合金具有較高的綜合力學性能[2]，熱處理制度見表4。

熱處理后縱向取樣制取拉伸試樣與金相試樣，用拉伸強度試驗機測試室溫拉伸性能，用奧林巴斯光學顯微鏡觀察試樣的顯微組織。

表4 TC4棒料熱處理制度[3]

3.3 熱處理對顯微組織的影響

TC4鈦合金的組織形態和晶粒度取決于保溫溫度、保溫時間以及冷卻方式等[4]，不同熱處理后的光學顯微組織如圖2所示。

圖2中TC4鈦合金經不同熱處理后的顯微組織均由α+β相組成。由圖2a看出經900℃×1.5h水冷+500℃×6h爐冷的固溶+時效處理后，組織為雙態組織（α+β），包括有球狀α相，條形α相和β相，采用截點法計算晶粒度，3次測定的結果分別為13.0級、13.3級與12.8級，即其組織晶粒度為13.0級。

由圖2b看出，經750℃×2h爐冷的退火處理后組織為網籃組織，主要為條狀α相，還可以看到少量的球狀α相，采用截點法計算晶粒度，3次測定的結果分別為11.6級、11.5級與11.8級，即退火后組織晶粒度為11.6級。

3.4 熱處理對力學性能的影響

TC4鈦合金經900℃×1.5h水冷+500℃×6h爐冷的固溶+時效處理，以及750℃×2h爐冷的退火處理后力學性能測試結果見表5。

表5數據表明，TC4棒料經固溶+時效處理后的抗拉強度和屈服強度明顯高于退火態，伸長率低于退火態，材料硬度均值達到37.5HRC，滿足了TC4鈦合金碟形彈簧表面硬度≥35HRC的技術要求。

綜上所述，TC4鈦合金經固溶+時效處理后晶粒細小，材料的屈服強度和表面硬度高，更適合作為TC4鈦合金碟形彈簧制備的熱處理工藝。碟形彈簧在服役過程中受到持久的彈性應力，高的屈服強度能使材料在更大的彈性變形范圍內服役[5]。

表5 TC4在不同熱處理后的力學性能

圖3 模具結構

4 碟形彈簧制造與測試

4.1 TC4鈦合金碟形彈簧制造方法

根據碟形彈簧結構形式設計并計算模具工裝的尺寸，模具的參數滿足碟形彈簧的基本尺寸要求[5]，模具材質為35CrMo鋼，圖3所示為設計的模具工裝結構。

車削φ60mm棒料得到φ59mm×5mm×1mm的墊片狀坯料，用細砂紙輕拋去掉毛刺。放置一定數量的墊片狀坯料于模具壓槽中，采用扳手擰緊螺栓端部緊固螺母，使板狀墊片坯料冷變形成碟形彈簧尺寸。

選擇普通大氣爐對模具工裝和冷變形碟形彈簧整體進行900℃×1.5h水冷+500℃×6h爐冷形變熱處理，為了防止TC4材料表面被氧化，可將工裝整體埋置于石灰中或涂抹防氧化涂料，如果有條件放置于氣氛保護爐或真空爐更佳。形變熱處理后隨爐自然冷卻至室溫，拆卸工裝取出碟形彈簧并進行表面處理，碟形彈簧成品如圖4所示。

圖4 成品碟形彈簧

4.2 TC4鈦合金碟形彈簧測試

依據GB/T 1972—2005《碟形彈簧》，使用彈簧拉壓試驗機對碟形彈簧進行性能測試，自制的碟形彈簧外形尺寸與壓縮彈力滿足技術要求，碟形彈簧的力學性能測試結果見表6。

表6 TC4碟形彈簧尺寸與壓縮彈力

5 結束語

1）固溶+時效熱處理工藝（900℃×1.5h水冷+500℃×6h爐冷）更適合于TC4鈦合金碟形彈簧生產制備。

2）TC4鈦合金經過（900℃×1.5h水冷+500℃×6h爐冷）處理后晶粒細小，其組織晶粒度達到13.0級。

3）經過固溶+時效熱處理后TC4鈦合金碟形彈簧具有較高的屈服強度，良好的塑韌性，表面硬度＞35HRC。

4）該方法制備TC4鈦合金碟形彈簧工藝簡單、成本低、易于實現、成品率高，可用于不同規格尺寸的小批量自用生產。