專利名稱：一種眼鏡架用純鈦絲材及其制造方法
技術領域：
本發明涉及一種純鈦材料制造領域，具體是一種對強度有要求的純鈦絲材制造。
背景技術：
鈦材料由于比強度高、耐腐蝕性好等優點而廣泛應用于航天、航空、醫用等領域， 近年來隨著鈦材料生產技術的發展而價格大幅度降低，鈦材料逐步應用于民用產業，其中 采用鈦材料制備的眼鏡框架已經步入普通人的生活。目前應用于眼鏡框架的鈦材料主要 有純鈦和鈦合金，由于鈦合金強度高、加工成型困難，而且普通人對貴重金屬純度的信賴心 理，純鈦絲材在眼鏡框架上的應用仍占到70%以上的份額。按雜質含量的不同純鈦絲材可以劃分為四個等級(GB3620-2007)，其中雜質元素 主要有C、N、H、0、Fe,由于雜質元素對鈦材料的強化效果，不同等級的純鈦材料對應不同等 級的強度，其中一級純鈦TAl的強度為240MPa以上，而四級純鈦TA4的強度要求580MPa 以上，較寬的強度范圍為純鈦材料提供了較寬的應用空間，但同時由于鈦材料標準給出的 雜質含量在較寬的范圍，造成同一牌號的鈦材料強度也在較大范圍內波動，這就給一些特 殊用途的要求材料力學性能穩定的鈦產品用原材料選擇造成困難。一般純鈦眼鏡框架由 邊框、眼鏡腿、鉸鏈、鎖緊塊、鼻托、螺釘等20多個零件組成，不同的零部件對材料的強度、 塑性有不同要求，如眼鏡腿為了滿足成型和眼鏡使用穩定性，要求鈦材料具有較高的強度 和良好的塑性，而邊框則要求材料塑性好，強度較低，鉸鏈則要求絲材有較高的強度。同時 為了滿足眼鏡框架零部件加工過程的工藝性和質量穩定性，要求提供的原材料力學性能穩 定。因此用于眼鏡框架的純鈦原材料一方面要有較寬的力學性能，滿足不同零部件要求，另 一方面要求同一零部件用的原材料力學性能穩定，不會因為力學性能上的差異造成生產加 工的困難和產品性能的不穩定。
發明內容
為了滿足純鈦眼鏡架零部件產品對純鈦絲材力學性能的要求，解決現有市場產品 中材料力學性能波動大的問題，本發明提出了一種眼鏡架用純鈦絲材及其制造方法。本發明提出的技術方案是在純鈦鑄錠熔煉過程中添加入重量百分數為0 0. 20 的0元素和0 0.沈的狗元素。其中0元素以二氧化鈦粉末狀形式添加，狗元素為顆粒 狀或碎屑狀純鐵形式添加。對鈦鑄錠按本發明提出的工藝進行鍛造、軋制、拉拔、退火等過 程，制備出強度可控的純鈦絲材，滿足眼鏡框架不同零部件對鈦絲材性能的要求。純鈦鑄錠材料中0元素和!^e元素添加量確定方法為步驟1，確定海綿鈦強度；利用公式(1)得出原始海綿鈦的強度σ ^ σ0 = 235+aFe+bO+cN+dC+eSi(1)式(1)中的Fe、0、N、C、Si分別表示各元素在海綿鈦中含量的重量百分數；a、b、 c、d和e分別為!^e元素、0元素、N元素、C元素和Si元素的強化系數；a、b、c、d和e分別 為 72、1200、2000、720 和 200。
步驟2，確定補強需添加的狗、0元素量O1-O0 = aFe+bO(2)式⑵中01為預達到的抗拉強度；為海綿鈦的強度。式O)Fe、0表示需要添 加Fe、O元素的在純鈦絲材中的重量百分數，a和b分別為狗元素和O元素的強化系數；a 和b分別為72和1200。根據式( 得到所需添加的Fe元素和0元素的增加量。步驟3，確定純鈦材料熔煉過程中狗和TW2的添加量。根據式( 計算結果和預 熔煉鈦錠的重量，確定熔煉過程中狗和TW2的添加量。Fe元素添加重量為預熔煉鈦錠的 重量與式( 元素含量增加量直接相乘Je元素以鐵屑、鐵粉等細小顆粒狀、粉末狀形式 添加，并且狗元素添加物純度不低于99. 5%。0元素以TW2粉的形式加入，TW2粉的重量 為2. 5倍的0元素含量增加量乘以預熔煉鈦錠的重量。本發明還提出了一種眼鏡架用純鈦絲材的制備方法，具體過程為步驟1.制作電極；將海綿鈦和需要添加的鐵屑、TiO2粉置于自動混料機構中混合 均勻，得到混合體。通過壓力機將混合體壓制成電極塊，該電極塊的密度>3. 2g/cm3。壓制 好的電極塊在真空箱中等離子束拼焊成熔煉鈦錠用的電極。步驟2.制備鑄錠；將電極置于真空電弧爐中熔煉，熔煉時穩弧后電流為10-17KA， 電壓為^_38V，預抽真空到5 X KT1Pa,熔煉過程中保持真空度不小于1. 5Pa，穩弧電流IOA0 熔煉至電極塊完全熔化。一次熔煉結束后，保持真空度不變，鈦錠隨爐冷卻到200°C出爐。 將熔煉完的一次鈦錠重置真空爐中，以相同的工藝參數進行二次熔煉，得到二次鈦鑄錠。對 二次鈦鑄錠進行機械加工去除表面雜質層，超聲波探傷切除冒口，分別在車光鈦鑄錠頭部 和尾部取樣進行化學成分檢測。步驟3.鍛造與軋制；對經過表面處理的鈦錠鍛造開坯，鈦錠加熱至1050°C并保溫 3 6小時后，在油壓機上開坯，鍛造成方坯；方坯加熱至900°C保溫2 4小時后，對方坯 料進行鍛造，加工成棒料；對得到的棒料表面處理；通過打磨清理、去除棒料表面缺陷。對 棒料進行軋制時，將棒料加熱至850°C保溫1 2小時后軋制，使棒料直徑減小。軋制盤條， 對棒料加熱至820°C保溫1小時，軋制成盤條，對盤條整體退火，退火溫度680°C。步驟4.拉拔絲材；多次修磨去除盤條表面缺陷，采用絲模或輥模拉拔成絲材，拉 拔中當盤條的變形量40 50%時，進行中間退火，退火溫度為650°C，保溫1小時后繼續拉 拔，直至達到成品尺寸；對拉拔得到的絲材進行退火，退火溫度為650°C，保溫1小時。步驟5.截取兩根試樣進行力學性能測試。鈦材料力學性能主要決定于材料的內部組織結構和化學成分。鈦材料的加工過程 中，通過優化工藝和工藝參數而形成穩定的加工工藝，從而可以保證鈦材料成品中形成一 致的內部組織結構，此時鈦材料的化學成分成為影響鈦材料性能的唯一因素。純鈦材料中 除98%以上的鈦元素外，還有少量的C、N、H、0、Fe等雜質元素，雖然這些元素的含量很少， 但由于強烈的強化作用，這些元素的含量對純鈦材料性能的起著決定性作用。本發明正是 基于這一原理，根據純鈦絲材的強度要求，計算得出純鈦絲材中的需要添加的元素含量。在 純鈦材料制備的熔煉過程中添加精確量的狗元素和0元素，控制純鈦絲材中的化學元素含 量，從而實現對純鈦絲材強度的精確控制。對于常用于眼鏡邊框和眼鏡腿的純鈦材料，通常采用TA2純鈦絲材，絲材的抗拉
5強度在350 510MI^之間，不同批次間TA2絲材的強度偏差可能達到150MPa以上，給眼鏡 邊框和眼鏡腿的塑性成型加工造成很大困難，產品質量難為穩定。而采用本發明中的控制 TA2純鈦絲材中化學元素含量，可以把不同批次生產的TA2純鈦絲材強度偏差控制在40MPa 以內，遠遠高于現在同一牌號TA2絲材的強度范圍。同時依照本發明還可以生產出有具體 強度要求的純鈦絲材，而按目前純鈦絲材的加工手段生產的純鈦絲材是無法精確預算和控 制強度的。
具體實施例方式實例一一種眼鏡架用Φ6πιπι純鈦絲材原材料，力學性能要求抗拉強度440 460MPa，采 用的海綿鈦為零級海綿鈦，其中各元素含量重量百分比為C 0.01，H 0. 007, 0 0.045，N 0. 004，Fe 0. 028，Si 0.009。本實施例在純鈦鑄錠熔煉過程中添加重量百分比為0. 112的0元素和0. 112的Fe 元素。其中0元素以二氧化鈦粉末狀形式添加，Fe元素為顆粒狀或碎屑狀純鐵形式添加。 狗和0元素的添加量為整個純鈦鑄錠的重量百分比。對鈦鑄錠按本發明提出的工藝進行鍛 造、軋制、拉拔、退火等過程，制備出強度可控的Φ6πιπι純鈦絲材，滿足眼鏡架用純鈦絲材的 要求。本實施例確定純鈦鑄錠材料中0元素和！^元素添加量方法為步驟一計算海綿鈦強度根據原始海綿鈦的成分計算出原始海綿鈦的強度ο…計算公式如下σ0 = 235+aFe+bO+cN+dC+eSi(1)式⑴中ο Q計算結果單位為MPa。式(1)中的i^e、0、N、C、Si分別表示各元素在 海綿鈦中含量的重量百分數；a、b、c、d和e分別為狗元素、0元素、N元素、C元素和Si元 素的強化系數；a、b、c、d禾口 e分別為72、1200、2000、720和200。將C = 0. 01、H = 0. 007、0 = 0. 045、N = 0. 004、Fe = 0. 028 和 Si = 0. 009 代入
式(1)中，得到海綿鈦的強度Oci為307MPa。本實施例中眼鏡架用純鈦絲材強度要求440 460MPa,預達到目標的抗拉強度σ工按中間值450MPa計算，需要補強143MPa。步驟二計算補強需添加的Fe、0元素量Q1-O0 = aFe+bO(2)式O)中σ工為預達到的抗拉強度；σ ^為海綿鈦的強度。式O)Fe、0表示需要添 加Fe、0元素的在純鈦絲材中的重量百分數，a和b分別為狗元素和0元素的強化系數；a 和b分別為72和1200。σ ！ = 450MPa, σ Q = 307MPa, a = 72，b = 1200 代入式(2)中，Fe、0 元素添加含 量百分比按1 1，計算得出Fe、0兩元素需要添加量的重量百分比同為0.112。步驟三確定純鈦材料熔煉過程中!^e和TW2的添加重量根據式(2)得到需要添加OJe元素兩種元素的重量百分數同為0. 112，其中0元 素以TW2形式添加，TiO2的添加重量為添加氧重量的2. 5倍。熔錠重量為lOOOKg，需要添 加TiO2粉重量為1000X0. 112% X2. 5 = 2. 8Kg，需要添加純鐵屑的重量為1000X0. 112% =1. Hg，其中添加TiO2粉和鐵屑的純度為99. 5%以上。
本實施例還提出了一種眼鏡架用純鈦絲材的制備方法，具體過程為步驟1.制作電極；電子天平稱取已經確認重量的鐵屑和TiO2粉，重量誤差小于 1克，將海綿鈦和需要添加的鐵屑、TiO2粉置于自動混料機構中混合均勻，得到混合體。用 3000T液壓機壓制成電極塊，電極塊的尺寸為MOmmX ^OmmX 400mm，重量約80Kg，電極塊 密度> 3.2g/cm3。壓制好的電極塊在真空箱中等離子束拼焊成熔煉鈦錠用的電極。步驟2.制備鑄錠；將電極置于VCF3000真空電弧爐中熔煉，熔煉過程中穩弧后 電流控制在12-17KA，電壓^_38V，預抽真空到5 X KT1Pa,熔煉過程中保持真空度不小于 1. 5Pa，穩弧電流10A，熔煉至電極塊完全熔化。一次熔煉結束后，保持真空度不變，鈦錠隨 爐冷卻到200°C出爐。將熔煉完的一次鈦錠重置真空爐中，以相同的工藝參數進行二次 熔煉，得到二次鈦鑄錠。對得到的二次鈦鑄錠進行機械加工去除表面雜質層；超聲波探傷 切除冒口，車光錠凈尺寸為Φ480mmX 1150mm，重量為928Kg。分別在車光鈦鑄錠頭部和 尾部取樣進行化學成分檢測，各元素含量重量百分比為C0.01/0.01，H 0. 001/0. 001, 0 0.165/0.160，N 0. 003/0. 004，Fe 0.13/0.15。步驟3.鍛造與軋制；對經過表面處理的鈦錠鍛造開坯，鈦錠加熱至1050°C并保溫 6小時后，在1500T油壓機上開坯，鍛造成250mmX250mm的方坯。方坯加熱至900°C保溫3 小時后，對方坯料進行鍛造，加工成Φ120πιπι的棒料。對得到的棒料表面處理，清理去除表 面裂紋、深坑。對棒料進行軋制時，將棒料加熱至850°C保溫1. 5小時后軋制Φ 50mm的棒料。 對棒料加熱至820°C保溫1小時，軋制成Φ Ilmm盤條；對盤條整體退火，退火溫度680°C。步驟4.拉拔絲材；盤條經多次修磨去除表面缺陷后，采用室溫輥模拉拔加工成絲 材，拉拔至Φ8πιπι時中間真空退火，退火溫度650°C，保溫1小時繼續拉拔，直至達到成品尺 寸。對拉拔得到的絲材進行退火，退火溫度為650°C，保溫1小時，得到最終成品Φ6πιπι絲材 650 0C步驟5.力學性能測試；截取兩根完全退火后的絲材試樣進行力學性能測試。測試 結果如表1所示。表1 Φ 6絲材力學性能
權利要求
1.一種眼鏡架用純鈦絲材，其特征在于，在純鈦鑄錠熔煉過程中添加入重量百分數為 O 0. 20的O元素和0 0. 26的Fe元素。
2.如權利要求書1述一種眼鏡架用純鈦絲材，其特征在于，O元素以二氧化鈦粉末狀形 式添加，Fe元素為顆粒狀或碎屑狀純鐵形式添加。
3.一種確定權利要求1所述眼鏡架用純鈦絲材中O元素和Fe元素添加量的方法，其特 征在于，具體過程包括以下步驟步驟1，確定海綿鈦強度；利用公式(1)得出原始海綿鈦的強度O ^ σ0 = 235+aFe+bO+cN+dC+eSi(1)式(1)中的Fe、0、N、C、Si分別表示各元素在海綿鈦中含量的重量百分數；a、b、c、d和 e分別為Fe元素、O元素、N元素、C元素和Si元素的強化系數；a、b、c、d和e分別為72、 1200,2000,720 和 200 ；步驟2，確定補強需添加的Fe、O元素量 O1-O0 = aFe+bO(2)式(2)中％為預達到的抗拉強度；％為海綿鈦的強度；式(2)Fe、0表示需要添加Fe、 0元素的在純鈦絲材中的重量百分數，a和b分別為Fe元素和0元素的強化系數； 根據式(2)得到所需添加的Fe元素和0元素的增加量；步驟3，確定純鈦材料熔煉過程中Fe和TiO2的添加量；根據Fe元素、0元素的增加量 和預熔煉鈦錠的重量，確定熔煉過程中Fe和TiO2的添加量。
4.如權利要求3所述一種眼鏡架用純鈦絲材，其特征在于，Fe元素添加重量為預熔煉 鈦錠的重量與式(2) Fe元素含量增加量直接相乘；Fe元素添加物純度不低于99. 5% ;0元 素以TiO2粉的形式加入，TiO2粉的重量為2. 5倍的0元素含量增加量乘以預熔煉鈦錠的重 量。
5.一種制備如權利要求1所述眼鏡架用純鈦絲材的方法，其特征在于，具體制備過程為步驟1.制作電極；將海綿鈦和需要添加的鐵屑、TiO2粉置于自動混料機構中混合均 勻，得到混合體；通過壓力機將混合體壓制成電極塊，該電極塊的密度> 3. 2g/cm3 ；壓制好 的電極塊在真空箱中等離子束拼焊成熔煉鈦錠用的電極；步驟2.制備鑄錠；將電極置于真空電弧爐中熔煉，熔煉時穩弧后電流為10-17KA，電壓 為29-38V，預抽真空到5 X KT1Pa,熔煉過程中保持真空度不小于1. 5Pa,穩弧電流IOA ；熔煉 至電極塊完全熔化；一次熔煉結束后，保持真空度不變，鈦錠隨爐冷卻到200°C出爐；將熔 煉完的一次鈦錠重置真空爐中，以相同的工藝參數進行二次熔煉，得到二次鈦鑄錠；對二次 鈦鑄錠進行機械加工去除表面雜質層，超聲波探傷切除冒口，分別在車光鈦鑄錠頭部和尾 部取樣進行化學成分檢測；步驟3.鍛造與軋制；對經過表面處理的鈦錠鍛造開坯，鈦錠加熱至1050°C并保溫3 6小時后，在油壓機上開坯，鍛造成方坯；方坯加熱至900°C保溫2 4小時后，對方坯料進 行鍛造，加工成棒料；對得到的棒料表面處理；通過打磨清理、去除棒料表面缺陷；對棒料 進行軋制時，將棒料加熱至850°C保溫1 2小時后軋制，使棒料直徑減小；軋制盤條，對棒 料加熱至820°C保溫1小時，軋制成盤條，對盤條整體退火，退火溫度為680°C ；步驟4.拉拔絲材；多次修磨去除盤條表面缺陷，采用絲模或輥模拉拔成絲材，拉拔中當盤條的 變形量40 50%時，進行中間退火，退火溫度為650°C，保溫1小時后繼續拉拔， 直至達到成品尺寸；對拉拔得到的絲材進行退火，退火溫度為650°C，保溫1小時； 步驟5.截取兩根試樣進行力學性能測試。
全文摘要
一種眼鏡架用純鈦絲材及其制造方法。在純鈦鑄錠熔煉過程中添加入重量百分數為0～0.20的O元素和0～0.26的Fe元素。根據原始海綿鈦的強度σ0得到補強需添加的Fe、O元素量，進而確定純鈦材料熔煉過程中Fe和TiO2的添加量。經過鍛造、軋制、拉拔和退火過程，制備出強度可控的純鈦絲材，滿足眼鏡框架不同零部件對鈦絲材性能的要求。本發明在純鈦材料制備的熔煉過程中添加精確量的Fe元素和O元素，控制純鈦絲材中的化學元素含量，從而實現對純鈦絲材強度的精確控制，將不同批次生產的TA2純鈦絲材強度偏差控制在40MPa以內，生產出有具體強度要求的純鈦絲材。
文檔編號C22C14/00GK102094136SQ20101058430
公開日2011年6月15日 申請日期2010年12月9日 優先權日2010年12月9日
發明者吉毅松, 呂尚寧, 吳占軍, 張 成, 張科全, 李建康, 王瑞 申請人:西安航天博誠新材料有限公司