论海绵钛布氏硬度影响因素

刘东生

摘要：海绵钛的布氏硬度值是海绵钛的重要指标，能够反映海绵钛的综合质量。本文中研究了杂质元素、检测手段、制样过程对最终的海绵钛布氏硬度的影响，提出了控制海绵钛布氏硬度有效合理的措施。

关键词：海绵钛;布氏硬度;杂质元素;检测手段;制样方法

一、引言

近几年随着海绵钛工业的快速发展，我国已经成为名副其实的海绵钛生产大国，但仍不算是海绵钛生产强国，航空、军工级的产品比例不高。海绵钛的标准是按照布氏硬度值和杂质含量的高低来确定海绵钛质量的优劣。同一级别的海绵钛布氏硬度与各种杂质含量成统计的关系，这种关系也是制定海绵钛标准的主要依据。在实际生产中，也存在硬度和杂质含量不对应的情况，因布氏硬度的原因而造成产品质量降级。影响硬度的因素较多，本文中探讨了杂质元素Fe、C、N、O含量与海绵钛硬度值的关系，并且讨论了检测方法、实验条件、制样条件等因素对杂质含量的影响，从中找出控制海绵钛硬度的有效方法。

二、结果与讨论

（一）杂质元素对硬度的影响

雜质含量的数值也直接影响着硬度的值，随着杂质含量的增加，硬度值也随着变大。杂质元素Fe、C、N、O等元素在海绵钛中会增加其硬度，海绵钛的品级与硬度值和杂质含量有密切的关系。

布劳斯 [1]等人经过大量的数据统计证实在多种杂质存在时对钛的硬度的影响具有加和性，其公式如下：

另外据其它的资料[2]介绍海绵钛的综合指标布氏硬度与海绵钛中的N、O、Fe还存在如下的关系：

日本大阪钛有限公司Vameji等人[3]研究了钛中O2、Fe、N、C含量与布氏硬度的关系。通过将不同含量的杂质元素O、Fe、N、C，按不同重量百分比加入到海绵钛中，每个分做两个小锭，并经过炉子两次熔化，生产出小锭。每个约80g，再制成样品，测量其布氏硬度，然后分析杂质含量，利用回归分析法，得到硬度与杂质关系式。得到的结果如下：

笔者通过大量数据统计分析，验证了公式上述公式，海绵钛指标数据取自朝阳金达钛业，发现海绵钛HB低于100时，公式1与公式2计算误差较大，公式3较适合低硬度海绵钛的硬度结果测算。公式3与实际测量出来的硬度值十分的匹配。

经过统计发现当公式中Fe含量在0.01-0.05%，O的含量在0.035%-0.055%时，应用公式所计算得到的硬度值与实际测量值相一致，误差在±1范围内。当Fe含量高于0.05%或O的含量高于0.055%时，计算硬度比实际测量的硬度偏小，误差较大，说明了当Fe、O含量较高时，对硬度的影响明显增大。因而可以利用公式3间接的判定一段时间内的海绵钛质量是否相对稳定，当计算硬度与实际测量的影响相差较大时，说明海绵钛杂质含量分布的均匀性差。

（二）检测方法对硬度的影响

布氏硬度是指用一定直径的淬火钢球（硬质合金球），以规定的负荷压入试样表面，保持至规定时间后卸除负荷，测量试样压痕的表面积，计算出布氏硬度值，即：布氏硬度值

式中：F为试验力;D为压头球直径;d为压痕平均直径。

测量布氏硬度过程中，不同检测人员的测量重复性、测量设备精度、测量结果进行数值修约都可对布氏硬度的测量结果造成一定的影响，许飞等[4-5]也对海绵钛布氏硬度测量结果的不确定度进行研究。

（三）制样方法对硬度的影响

海绵钛制样过程中同样可能对海绵钛的硬度造成影响。试样首先压制成钛棒，利用真空自耗炉熔炼成钛锭，再按要求制备样块，测量样块的硬度。在实际测量过程中，发现真空自耗炉的工艺，冷却时间和速度对海绵钛测量硬度造成影响。表2和表3中数据都是来自同一批海绵钛样品1，具体指标如下：Fe（0.032%），C（0.009%），N（0.004%），O（0.048%）。

表2中的数据为样品1所测得的硬度值。分别采用两种方式冷却，即方式1：冷却水温10℃;方式2：冷却水温20℃，两种方式在相同冷却时间为25分钟，和相同流速下进行对比，按照国标方法测量得到了硬度值。为了保证数据的稳定性，各做两次重复实验。图1是待测硬度点位置示意图，A1，A2是在R/2处测量的硬度值，B1，B2为2/3R处所测得的硬度数据。从表2中可以看到采用方式1比方式2的硬度值明显偏高。同时靠近钛锭边缘处的硬度要高于钛锭中心处的硬度，主要是因为靠近结晶器壁处冷却速度过快，成分还没有进行均匀化的过程就开始成核长大，开始凝固，成分不均匀。而距离结晶器壁较远处，海绵钛通过形核、长大、形成成分均匀的柱状晶，杂质元素相对较少，硬度值低。因而合理选择冷却时间和冷却速度对准确测量海绵钛硬度是十分必要的。

表3数据是海绵钛所熔炼成钛锭后，不同部位硬度的测量结果。图2为具体测量截面位置的示意图，每个界面间的距离为20mm，在按照国标的方法来取点，其中截面1为国标规定取点位置，依次来研究钛锭在不同部位的硬度关系。从结果中可以看到截面3位置的硬度明显高于截面1位置的硬度，说明了越靠近坩埚底部处的硬度越高，通过分析这种现象主要是由于在熔炼过程中发生区域熔炼作用所导致的，钛锭在凝固过程中的成分出现了偏析，一些在自耗炉中较难出去的杂质元素如Fe、Mn等元素偏析在钛锭下部，所以出现了底部硬度高于上部硬度的现象。截面1所处的位置成分较为均匀，能够很好的反应出海绵钛的质量。

最后对硬度测量结果进行分析，得出结论，按照国标的取样方法比较合理，能够代表整个产品的硬度情况，所以在实际的检测制样过程中要制定合理的熔炼工艺，严格按照国标要求的方法来制样和取点测量，以此减少对硬度的测量误差。

三、控制硬度主要措施

根据以上讨论内容来研究控制海绵钛硬度的方法，具体措施如下：

（1）对Fe的控制主要是通过合理控制反应点的最高温度，控制好还原和蒸馏阶段各段温度避免超温，合理的制定熔镁的温度和时间也十分的重要，以减少铁元素向反应器内扩散。

（2）对O和N的控制主要避免还原和蒸馏阶段进气，保证反应器的气密性，尤其是在夏季潮湿的环境中，制定合理的脱气工艺。

合理控制加料量和加料速度，避免破碎时物料温度过高，导致破碎工序物料的氧化。

（3）海绵钛试样布氏硬度的测量硬度计示值也受到仪器使用的重复性、操作水平影响，今后对仪器需加强维护保养，定期检定和校准，同时应加强操作人员的培训，提高检测结果的稳定性。

（4）在海绵钛制样时采用适当的真空自耗炉的工艺，控制冷却时间、冷却速度等条件，严格按照国标的方法来进行制样、取样。

四、结论

（一）采取合理的措施降低海绵钛的Fe、O、N的含量，海绵钛杂质含量稳定、分布均匀，海绵钛的硬度测量值误差小。

（二）制样工艺统一、规范，海绵钛硬度测量值重复性好。

参考文献：

[1]陈文广.浅谈海绵钛布氏硬度与杂质关系[J]稀有金属，1983，2：30-32.

[2]莫畏，邓国珠，罗方承.钛冶金[M].冶金工业出版社，1998.

[3]袁成安.钛布氏硬度与杂质含量的关系[J]钛工业进展，1993，2：30-31.

[4]许飞，周善林，石科学.海绵钛布氏硬度测量结果不确定度的评定[J]钛工业进展，2009，26（1）：23-25.

[5]周飞.布氏硬度测量误差分析[J]计量与测试技术，2011，38 （3）：32.