CN102489942B - 一种阴极辊用无缝钛筒制造方法 - Google Patents
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Abstract
一种阴极辊用无缝钛筒制造方法，选用的钛铸锭块的化学成分(重量百分比)为：Fe＜0.06，O＜0.06，C＜0.02，N＜0.02，H＜0.01，其它杂质元素单个＜0.05，其它元素含量总和＜0.2。对选用的钛铸锭块经过扩孔和拔长后得到钛筒的环轧成型前的毛坯件。将经过车加工的旋压毛坯加热，并经过3～4道次旋压得到初成型的阴极辊钛筒；对初成型的阴极辊钛筒退火热处理，最终得到成型后的阴极辊钛筒。本发明经过合理的参数控制，得到的钛筒的椭圆度≤3mm，直径公差≤2mm，壁厚公差≤0.5mm，微观组织金相检测晶粒度6～8级。
Description
技术领域
本发明属于钛材料加工领域，具体是一种大直径薄壁无缝钛筒的制造方法。
背景技术
阴极辊是电解铜箔设备的关键部件，被称为电解铜箔的心脏。阴极辊辊面材料，一方面要对电解液有很强的抗腐蚀能力，另一方面要提供铜箔生长的基础。因此要求辊面材料抗腐蚀性好，导电性好且导电均匀，微观组织均匀细小，只有这样才能保证生产出厚度均匀，表面平整的优质铜箔。随着材料生产加工技术的发展，目前阴极辊辊面材料已经淘汰了传统的不锈钢材料，取而代之的为抗腐蚀性更强的纯钛材料。而钛材料的微观组织结构均匀性决定于材料的成型过程，因此阴极辊辊面用钛筒制造方法成为制造高性能铜箔设备的关键。由于阴极辊钛筒直径一般都在1500mm以上，而壁厚在20mm以下，属于大直径薄壁件。要保证几何精度，又要保证材料组织的性能，阴极辊钛筒的制造存在很多难点。
阴极辊钛筒常采用两种基本方法制造，一种为钛板材圈焊成型，一种为环轧件旋压成型。由于圈焊成型时在钛筒上存在沿轴向的焊缝，阴极辊装配后生产出的铜箔上存在一条焊缝区产生的异常带，影响铜箔整体质量，因此无缝钛筒辊面的阴极辊更容易被用户接受。与圈板焊接成型的钛筒相比，无缝钛筒制造生产工艺复杂、工艺过程参数控制严格。目前阴极辊辊面用无缝钛筒存在的主要问题是：
a、对原材料钛铸锭成分要求满足工业一级纯钛，没有更严格的要求，由于一级纯钛杂质含量存在范围较大，如在GB3620-2007中规定氧元素含量小于0.18％，铁元素含量小于0.20％，这样宽泛的成分要求不仅影响最终钛筒的性能，而且由于杂质含量引起钛材料相变点的变化，进而影响到热加工过程工艺参数的精细化。
b、纯钛大直径薄壁件加工过程复杂，涉及锻造冲孔、扩孔、环轧等多个热加工和旋压温加工过程，过程工艺参数变化范围窄，加工过程失控极易造成整个钛筒质量下降，甚至报废。特别是钛筒的强力旋压壁厚减薄成型过程，温度参数的不合理，极易造成旋压过程钛筒开裂、失稳变形、表面起皮等缺陷。
发明内容
为克服现有技术中存在的纯钛大直径薄壁件加工过程复杂，工艺参数变化范围窄，易造成整个钛筒质量下降的不足，本发明提出了一种阴极辊用无缝钛筒制造方法。
本发明的具体过程如下：
步骤1、环轧毛坯的制备
钛铸锭块在燃气炉中加热，对钛铸锭块升温至550℃保温4小时；以80℃/h的升温速度，将钛铸锭块加热到1020℃，保温3小时；在钛铸锭块的中心冲直径为250mm的通孔；将冲孔后的钛铸锭块自然冷却至室温；打磨去除内外表面裂纹、划伤缺陷；经过打磨处理的钛铸锭块置于燃气炉中加热至550℃，并保温4小时，然后以80℃/h的升温速度加热到930℃，并保温2小时；通过马架扩孔将钛铸锭块的中心孔的孔径扩至800mm；将扩孔后的钛铸锭块重新装炉加热到930℃，保温1小时后拔长；将扩孔和拔长后的钛铸锭块自然冷却至室温，得到钛筒的环轧成型前的毛坯件；对得到的钛筒毛坯件进行表面打磨；
步骤2、环轧加工钛筒的旋压毛坯
在钛筒毛坯表面刷涂一层水玻璃；将钛筒环轧前的毛坯件置于电炉中，并加热至550℃保温3小时；以80℃/h的升温速率将加热到钛筒毛坯820℃，保温3小时；在辗环机上一火次环轧至尺寸要求；环轧后在电炉内对钛筒毛坯进行退火处理，退火处理的温度为600℃；保温3小时出炉，自然冷却至室温；得到钛筒的旋压毛坯；
步骤3、旋压毛坯加工
通过机械加工去除钛筒的旋压毛坯表面形成的富氧层；
步骤4、旋压成型阴极辊钛筒
旋压成型的过程包括3～4道次旋压；将经过车加工的旋压毛坯置于电炉中加热到600℃，保温1小时后，热装在旋压机芯模上；对旋压毛坯外表面加热，当旋压毛坯的温度达到500℃后，开始对旋压毛坯进行第一道次旋压加工；完成第一道次旋压后，旋压轮退出并回位到初始旋压位置，开始第二道旋压；完成第二道次旋压后，旋压轮退出并回位到初始旋压位置；重复第二道次旋压的旋压过程，直至完成阴极辊钛筒的旋压成型；退出旋压轮，停止火焰加热，从旋压机上御下钛筒件，得到初成型的阴极辊钛筒；在旋压过程中，保持旋压钛筒温度在400-550℃；每道次的减薄量为7～10mm；
步骤5、旋压完钛筒的退火热处理
对初成型的阴极辊钛筒加热到600℃，保温2小时，随炉冷却至300℃以下出炉；切除初成型的阴极辊钛筒的起旋端和夹持端；最终得到成型后的阴极辊钛筒。
本发明选用的钛铸锭块的化学成分(重量百分比)为：Fe＜0.06，O＜0.06，C＜0.02，N＜0.02，H＜0.01，其它杂质元素单个＜0.05，其它元素含量总和＜0.2。经过合理的参数控制，得到的钛筒的椭圆度≤3mm，直径公差≤3mm，壁厚公差≤0.5mm，微观组织金相检测晶粒度6～8级。
具体实施方式
实施例一
本实施例是一种外径Ф1500mm阴极辊钛筒的制造方法。
本实施例选用直径为600mm、高度为800mm的车光钛铸锭块制造阴极辊用无缝钛筒。所用钛铸锭块化学成分(重量百分比)为：Fe 0.02，O 0.05，C 0.01，N 0.005，H 0.001，其它杂质元素单个＜0.05，其它元素含量总和＜0.2。
具体实施过程如下：
步骤1、环轧毛坯的制备
钛铸锭块在燃气炉中加热，对钛铸锭块升温至550℃保温4小时。以80℃/h的升温速度，将钛铸锭块加热到1020℃，保温3小时。通过液压机将钛铸锭块的高度压至500mm。在压扁后的钛铸锭块的中心冲直径为250mm的通孔。冲完孔后的钛铸锭块自然冷却至室温。
对冷却后的钛铸锭块表面进行检查，并打磨去除内外表面裂纹、划伤缺陷。
经过打磨处理的钛铸锭块置于燃气炉中加热至550℃，并保温4小时，然后以80℃/h的升温速度加热到930℃，并保温2小时。通过马架扩孔将钛铸锭块的中心孔的孔径扩至800mm，扩完孔后的钛铸锭块重新装炉加热到930℃，保温1小时，马架拔长至高度为720mm。将扩孔和拔长后的钛铸锭块自然冷却至室温，得到钛筒的环轧成型前的毛坯料，其尺寸为外径Ф1020mm×内径Ф800mm×高720mm。
车加工所述环形坯料的内表面、外表面及端面，去除环形坯料表面的氧化皮，局部车加工不到位的地方，打磨去除，打磨处圆滑过度，深宽比小于十分之一。得到阴极辊钛筒环轧前的毛坯件。
步骤2、环轧加工钛筒的旋压毛坯
在钛筒毛坯表面刷涂一层水玻璃。将钛筒环轧前的毛坯件置于电炉中，并加热至550℃保温3小时；以80℃/h的升温速率将加热到钛筒毛坯820℃，保温3小时。在辗环机上一火次环轧至尺寸要求。环轧后在电炉内对钛筒毛坯进行退火处理，退火处理的温度为600℃；保温3小时出炉，自然冷却至室温。得到钛筒的旋压毛坯，其外形尺寸为外径Ф1580mm×内径Ф1460mm×高720mm。
步骤3、旋压毛坯加工
采用普通的机加方法对旋压毛坯进行车加工，以完全去除热加工过程中表面形成的富氧层，车加工后尺寸为外径Ф1560mm×内径Ф1480mm×高700mm
步骤4、旋压成型阴极辊钛筒
旋压成型的过程包括3道次旋压。
将经过车加工的旋压毛坯置于电炉中加热到600℃，保温1小时后，热装在旋压机芯模上。采用乙炔火焰对装在旋压机芯模上的旋压毛坯外表面加热，当旋压毛坯的温度达到500℃后，开始对旋压毛坯进行第一道次旋压加工，第一道次旋压钛筒壁厚减薄10mm。完成第一道次旋压后，旋压轮退出并回位到初始旋压位置，开始第二道旋压。第二道次壁厚减薄仍为10mm。完成第二道次旋压后，旋压轮退出并回位到初始旋压位置，开始第三道旋压。三道次旋压完成后，退出旋压轮，停止火焰加热，从旋压机上御下钛筒件，得到初成型的阴极辊钛筒。旋压过程中，旋压机的进给比为1，转速为80转/分；保持旋压钛筒温度在400-550℃。
步骤5、初成型的阴极辊钛筒的退火热处理
在电炉中对得到的初成型的阴极辊钛筒进行退火处理。将初成型的阴极辊钛筒置于电炉中加热到600℃，保温2小时，随炉冷却至300℃以下出炉。
切除初成型的阴极辊钛筒的起旋端和夹持端。最终得到成型后的阴极辊钛筒。
检测本实施例得到的阴极辊钛筒的几何尺寸和金相组织。对钛筒中间直线段部分进行几何尺寸检测，并从切除部分取样进行金属检测。实测钛筒直线段部分尺寸精度如下：钛筒长度1420mm，外径Ф1501-1503mm，椭圆度2mm，壁厚15.5-15.9mm。微观组织金相检测晶粒度7～8级。
实施例二
本实施例是一种外径Ф2000mm阴极辊钛筒的制造方法。
本实施例选用直径为800mm、高度为660mm的车光钛铸锭块制造阴极辊用无缝钛筒。所用钛铸锭块化学成分(重量百分比)为：Fe 0.05，O 0.04，C 0.01，N 0.001，H 0.001，其它杂质元素单个＜0.05，其它元素含量总和＜0.2。
具体实施过程如下：
步骤1、环轧毛坯的制备
钛铸锭块在燃气炉中加热，对钛铸锭块升温至550℃保温4小时。以80℃/h的升温速度，将钛铸锭块加热到1020℃，保温3小时。通过液压机将钛铸锭块的高度压至500mm。在压扁后的钛铸锭块的中心冲直径为250mm的通孔。冲完孔后的钛铸锭块自然冷却至室温。
对冷却后的钛铸锭块表面进行检查，打磨去除内外表面裂纹、划伤缺陷。
经过打磨处理的钛铸锭块置于燃气炉中加热至550℃，并保温4小时，然后以80℃/h的升温速度加热到930℃，并保温2小时。通过马架扩孔将钛铸锭块的中心孔的孔径扩至800mm，扩完孔后的钛铸锭块重新装炉加热到930℃，保温1小时，马架拔长至高度为720mm。将扩孔和拔长后的钛铸锭块自然冷却至室温，得到钛筒环轧成型前的毛坯料，其尺寸为外径Ф1100mm×内径Ф800mm×高720mm。
车加工所述环形坯料的内表面、外表面及端面，去除环形坯料表面的氧化皮，局部车加工不到位的地方，打磨去除，打磨处圆滑过度，深宽比小于十分之一。得到阴极辊钛筒环轧前的毛坯件。
步骤2、环轧加工钛筒的旋压毛坯
在钛筒毛坯表面刷涂一层水玻璃。将钛筒环轧前的毛坯件置于电炉中，并加热至550℃保温3小时；以80℃/h的升温速率将加热到钛筒毛坯820℃，保温3小时。在辗环机上一火次环轧至尺寸要求。环轧后在电炉内对钛筒毛坯进行退火处理，退火处理的温度为600℃；保温3小时出炉，自然冷却至室温。得到钛筒的旋压毛坯，其外形尺寸为外径Ф2070mm×内径Ф1946mm×高720mm。
步骤3、旋压毛坯加工
采用普通的机加方法对旋压毛坯进行车加工，以完全去除热加工过程中表面形成的富氧层，车加工后尺寸为外径Ф2060mm×内径Ф1966mm×高700mm
步骤4、旋压成型阴极辊钛筒
旋压成型的过程包括4道次旋压。
将经过车加工的旋压毛坯置于电炉中加热到600℃，保温1小时后，热装在旋压机芯模上。采用乙炔火焰对装在旋压机芯模上的旋压毛坯外表面加热，当旋压毛坯的温度达到500℃后，开始对旋压毛坯进行第一道次旋压加工，第一道次旋压钛筒壁厚减薄8mm。完成第一道次旋压后，旋压轮退出并回位到初始旋压位置，开始第二道旋压。第二道次壁厚减薄仍为8mm。完成第二道次旋压后，旋压轮退出并回位到初始旋压位置，进行第三、四道次旋压。四道次旋压完成后，退出旋压轮，停止火焰加热，从旋压机上御下钛筒件，得到初成型的阴极辊钛筒。旋压过程中，旋压机的进给比为1.5，转速为60转/分；保持旋压钛筒温度在400-550℃。
步骤5、旋压完钛筒的退火热处理
在电炉中对得到的初成型的阴极辊钛筒进行退火处理。将初成型的阴极辊钛筒置于电炉中加热到600℃，保温2小时，随炉冷却至300℃以下出炉。
切除初成型的阴极辊钛筒的起旋端和夹持端。最终得到成型后的阴极辊钛筒。
检测本实施例得到的阴极辊钛筒的几何尺寸和金相组织。对钛筒中间直线段部分进行几何尺寸检测，并从切除部分取样进行金属检测。实测钛筒直线段部分尺寸精度如下：钛筒长度1440mm，外径Ф1998-2000mm，椭圆度2mm，壁厚14.8-15.1mm。微观组织金相检测晶粒度7～8级。
实施例三
本实施例是一种Ф2700mm阴极辊钛筒的制造方法。
本实施例选用直径为800mm、高度为900mm的车光钛铸锭块制造阴极辊用无缝钛筒。所用钛铸锭块化学成分(重量百分比)为：Fe 0.05，O 0.06，C 0.01，N 0.004，H 0.001，其它杂质元素单个＜0.05，其它元素含量总和＜0.2。
具体实施过程如下：
步骤1、环轧毛坯的制备
钛铸锭块在燃气炉中加热，对钛铸锭块升温至550℃保温4小时。以80℃/h的升温速度，将钛铸锭块加热到1020℃，保温3小时。通过液压机将钛铸锭块的高度压至600mm。在压扁后的钛铸锭块的中心冲直径为250mm的通孔。冲完孔后的钛铸锭块自然冷却至室温。
对冷却后的钛铸锭块表面进行检查，打磨去除内外表面裂纹、划伤缺陷。
经过打磨处理的钛铸锭块置于燃气炉中加热至550℃，并保温4小时，然后以80℃/h的升温速度加热到930℃，并保温2小时。通过马架扩孔将钛铸锭块的中心孔的孔径扩至800mm，扩完孔后的钛铸锭块重新装炉加热到930℃，保温1小时，马架拔长至高度为720mm。将扩孔和拔长后的钛铸锭块自然冷却至室温，得到钛筒环轧成型前的毛坯料，其尺寸为外径Ф1160mm×内径Ф800mm×高720mm。
车加工所述环形坯料的内表面、外表面及端面，去除环形坯料表面的氧化皮，局部车加工不到位的地方，打磨去除，打磨处圆滑过度，深宽比小于十分之一。得到阴极辊钛筒环轧前的毛坯件。
步骤2、环轧加工钛筒的旋压毛坯
在钛筒毛坯表面刷涂一层水玻璃。将钛筒环轧前的毛坯件置于电炉中，并加热至550℃保温3小时；以80℃/h的升温速率将加热到钛筒毛坯820℃，保温3小时。在辗环机上一火次环轧至尺寸要求。环轧后在电炉内对钛筒毛坯进行退火处理，退火处理的温度为600℃；保温3小时出炉，自然冷却至室温。得到钛筒的旋压毛坯，其外形尺寸为外径Ф2795mm×内径Ф2660mm×高720mm。
步骤3、旋压毛坯加工
采用普通的机加方法对旋压毛坯进行车加工，以完全去除热加工过程中表面形成的富氧层，车加工后尺寸为外径Ф2769mm×内径Ф2680mm×高700mm。
步骤4、旋压成型阴极辊钛筒
旋压成型的过程包括4道次旋压。
将经过车加工的旋压毛坯置于电炉中加热到600℃，保温1小时后，热装在旋压机芯模上。采用乙炔火焰对装在旋压机芯模上的旋压毛坯外表面加热，当旋压毛坯的温度达到500℃后，开始对旋压毛坯进行第一道次旋压加工，第一道次旋压钛筒壁厚减薄7mm。完成第一道次旋压后，旋压轮退出并回位到初始旋压位置，开始第二道旋压。第二道次壁厚减薄仍为7mm。完成第二道次旋压后，旋压轮退出并回位到初始旋压位置，进行第三、四道次旋压。四道次旋压完成后，退出旋压轮，停止火焰加热，从旋压机上御下钛筒件，得到初成型的阴极辊钛筒。旋压过程中，旋压机的进给比为2，转速为50转/分；保持旋压钛筒温度在400-550℃。
步骤5、旋压完钛筒的退火热处理
在电炉中对得到的初成型的阴极辊钛筒进行退火处理。将初成型的阴极辊钛筒置于电炉中加热到600℃，保温2小时，随炉冷却至300℃以下出炉。
切除初成型的阴极辊钛筒的起旋端和夹持端。最终得到成型后的阴极辊钛筒。
检测本实施例得到的阴极辊钛筒的几何尺寸和金相组织。对钛筒中间直线段部分进行几何尺寸检测，并从切除部分取样进行金属检测。实测钛筒直线段部分尺寸精度如下：钛筒长度1440mm，外径Ф2712-2715mm，椭圆度3mm，壁厚15.3-15.6mm。微观组织金相检测晶粒度6～8级。
Claims (1)
1.一种阴极辊用无缝钛筒制造方法，其特征在于，具体过程如下：
步骤1、环轧毛坯的制备
钛铸锭块在燃气炉中加热，对钛铸锭块升温至550℃保温4小时；以80℃/h的升温速度，将钛铸锭块加热到1020℃，保温3小时；在钛铸锭块的中心冲直径为250mm的通孔；将冲孔后的钛铸锭块自然冷却至室温；打磨去除内外表面裂纹、划伤缺陷；经过打磨处理的钛铸锭块置于燃气炉中加热至550℃，并保温4小时，然后以80℃/h的升温速度加热到930℃，并保温2小时；通过马架扩孔将钛铸锭块的中心孔的孔径扩至800mm；将扩孔后的钛铸锭块重新装炉加热到930℃，保温1小时后拔长；将扩孔和拔长后的钛铸锭块自然冷却至室温，得到钛筒的环轧成型前的毛坯件；对得到的钛筒毛坯件进行表面打磨；
步骤2、环轧加工钛筒的旋压毛坯
在钛筒毛坯表面刷涂一层水玻璃；将钛筒环轧前的毛坯件置于电炉中，并加热至550℃保温3小时；以80℃/h的升温速率将钛筒毛坯加热到820℃，保温3小时；在辗环机上一火次环轧至尺寸要求；环轧后在电炉内对钛筒毛坯进行退火处理，退火处理的温度为600℃；保温3小时出炉，自然冷却至室温；得到钛筒的旋压毛坯；
步骤3、旋压毛坯加工
通过车加工去除钛筒的旋压毛坯表面形成的富氧层；
步骤4、旋压成型阴极辊钛筒
旋压成型的过程包括3～4道次旋压；将经过车加工的旋压毛坯置于电炉中加热到600℃，保温1小时后，热装在旋压机芯模上；对旋压毛坯外表面加热，当旋压毛坯的温度达到500℃后，开始对旋压毛坯进行第一道次旋压加工；完成第一道次旋压后，旋压轮退出并回位到初始旋压位置，开始第二道旋压；完成第二道次旋压后，旋压轮退出并回位到初始旋压位置；重复第二道次旋压的旋压过程，直至完成阴 极辊钛筒的旋压成型；退出旋压轮，停止火焰加热，从旋压机上卸下钛筒件，得到初成型的阴极辊钛筒；在旋压过程中，保持旋压钛筒温度在400－550℃；每道次的减薄量为7～10mm；
步骤5、旋压完钛筒的退火热处理
对初成型的阴极辊钛筒加热到600℃，保温2小时，随炉冷却至300℃以下出炉；切除初成型的阴极辊钛筒的起旋端和夹持端；最终得到成型后的阴极辊钛筒。
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| 杨英丽等.钛旋压技术研究进展.《稀有金属材料与工程》.2008,第37卷(第4期),625-629. |
| 钛旋压技术研究进展;杨英丽等;《稀有金属材料与工程》;20081031;第37卷(第4期);625-629 * |
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