鈦合金具有密度小(約4.5 g/cm3)、強(qiáng)度高以及耐腐蝕(酸、堿、海水和大氣等介質(zhì))等一系列優(yōu)良的力學(xué)和物理性能。因此在航空、航天、核能、化工、石油、冶金和醫(yī)療器械等工業(yè)中得到越來(lái)越廣泛地應(yīng)用。
(1)鈦合金的分類(lèi)。鈦是同素異構(gòu)體,溶點(diǎn)為1720℃,同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變溫度為882℃。
在低于882℃時(shí),鈦呈密排六方晶格結(jié)構(gòu),稱為α鈦。在882℃以上時(shí),呈體心立方晶格結(jié)構(gòu),稱為β鈦。利用上述兩種結(jié)構(gòu)的不同特點(diǎn),添加不同的合金元素,使其相變溫度及相分含量逐漸改變,從而得到不同組織的鈦合金。
在室溫下,鈦合金有三種基本組織,可分為以下三類(lèi)。①α鈦合金。由α固溶體組成的單相合金。耐熱性高于純鈦,組織穩(wěn)定,抗氧化能力強(qiáng),在500~600℃下仍保持其強(qiáng)度,抗蠕變能力強(qiáng),但不能進(jìn)行熱處理強(qiáng)化,牌號(hào)有TA4~TA8。硬度為240~300HB,抗拉強(qiáng)度σb為340~981MPa,伸長(zhǎng)率δ為10%~25%,沖擊值ak為(29.43~58.86)×104J/m2,熱導(dǎo)率к為7.54~10.47W/m·K。②β鈦合金。由β相固溶體組成的單相合金。不經(jīng)熱處理就有較高的強(qiáng)度,淬火時(shí)效后,合金得到進(jìn)一步強(qiáng)化,但熱穩(wěn)定性差,不宜在高溫下使用,牌號(hào)有TB1、TB2。硬度為240~300HB,抗拉強(qiáng)度σb為1 079~1 373MPa,伸長(zhǎng)率δ為18%,沖擊值ak為29.43×104J/m2,熱導(dǎo)率к為6.28W/m·K。③α+β鈦合金。由α和β雙向組成,既有α穩(wěn)定元素,又有β穩(wěn)定元素,如Cr、Co、Fe、Ni和Mn等β共析型元素,穩(wěn)定了β相。Sn、Zr兩種元素在α和β相中都具有相當(dāng)大的固溶性,是有效的強(qiáng)化劑。這類(lèi)合金組織穩(wěn)定,有良好的高溫變形性、韌性和塑性,能進(jìn)行淬火和時(shí)效,使合金強(qiáng)化。熱處理后的強(qiáng)度比退火狀態(tài)提高50%~100%。高溫強(qiáng)度高,可在400~500℃下長(zhǎng)期工作,熱穩(wěn)定性僅次于α鈦合金。牌號(hào)有TC1~TC10。硬度為210~365HB,抗拉強(qiáng)σb為589~1 059MPa,伸長(zhǎng)率δ為10%~15%,沖擊值ak為(29.43~44.15)×104J/m2,熱導(dǎo)率к為5.44~9.63W/m·K。
三種鈦合金中,α鈦合金的切削加工性相對(duì)較好,α+β鈦合金次之,β鈦合金最差。其中,最常用的是α鈦合金和α+β鈦合金。
(2)鈦合金的性能特點(diǎn)。①比強(qiáng)度高。鈦合金的密度小,強(qiáng)度高,所以他的比強(qiáng)度(σb/ρ)大于超高強(qiáng)度鋼。②熱強(qiáng)性高。鈦合金的熱穩(wěn)定性好,高溫強(qiáng)度高,能在500℃下長(zhǎng)期工作,而鋁合金只能在200℃以下工作。鈦合金在300~500℃溫度下的強(qiáng)度比鋁合金約高10倍。③抗蝕性好。鈦合金在潮濕大氣和海水介質(zhì)中能長(zhǎng)期工作,其抗蝕能力遠(yuǎn)優(yōu)于不銹鋼。對(duì)點(diǎn)蝕、酸蝕和應(yīng)力腐蝕的抵抗能力很強(qiáng)。對(duì)堿、氯化物、氯的有機(jī)化合物、硝酸以及硫酸等有優(yōu)越的抗蝕能力。但鈦對(duì)具有還原性氧及鉻鹽介質(zhì)的抗蝕性差。④化學(xué)活性大。鈦與大氣中的O、N、H、CO、CO2、水蒸氣和氮?dú)獾犬a(chǎn)生強(qiáng)烈的化學(xué)反應(yīng)。當(dāng)含碳量大于0.2%時(shí),會(huì)在鈦合金中形成硬質(zhì)TiC。溫度較高時(shí),與N作用,也會(huì)形成TiN硬質(zhì)表層。在600℃以上時(shí),鈦能吸收氧形成硬度較高的硬化層。氫含量上升,也會(huì)形成硬化層。鈦吸收氣體而產(chǎn)生硬脆表層的深度可達(dá)0.1~0.15mm,硬化程度比基體硬度高20%~30%。鈦的化學(xué)親和性也大,易與摩擦表面產(chǎn)生粘結(jié)現(xiàn)象。⑤熱導(dǎo)率低,彈性模量小。鈦的熱導(dǎo)率很低,為15.24W/m·K,是鎳的1/4,鐵的1/5,鋁的1/4。而各種鈦合金的熱導(dǎo)率更低,一般為鈦的50%。如TC4的к為7.95W/m·K,TC9的к為7.12W/m·K。鈦和鈦合金的彈性模量E為110 000MPa,約為一般鋼材的1/2,故剛度差,易變形。⑥低溫性能好。鈦合金在低溫和超低溫(-100~-253℃)條件下,仍保持其力學(xué)性能,是一種重要的低溫結(jié)構(gòu)材料。
鈦的溶點(diǎn)高(1 720℃),激活能大,晶格原子不易脫離其平衡位置,故在切削加工時(shí),切離成切屑所消耗的能量大。加入的合金元素愈多,則合金的強(qiáng)度、硬度愈高,愈難于切削加工。試驗(yàn)證明,鈦合金的硬度大于350HBW時(shí),切削加工越困難。而硬度小于300HBW時(shí),易出現(xiàn)粘刀,也難于切削。鈦合金最好的切削加工硬度是300~350HBW。鈦合金難于切削的原因不只是硬度這一項(xiàng),還因他本身的其他力學(xué)性能、物理性能和化學(xué)性能等因素的影響。其切削特點(diǎn)如下。
(1)變形系數(shù)小。切削鈦合金的切屑變形系數(shù)略小于1或接近于1,這是切削鈦合金時(shí)一大顯著特點(diǎn)。其塑形變形小和切屑收縮率小,是因?yàn)樵谇邢鞲邷貢r(shí),鈦由α向β轉(zhuǎn)變,而β鈦的體積增大,引起切屑增長(zhǎng),在高溫的作用下,鈦屑吸收空氣中的O、H和N,使鈦屑喪失了塑性,切屑不再收縮。
(2)切削溫度高。由于鈦合金的熱導(dǎo)率低,切削熱傳出困難,致使切削區(qū)溫度增高。所以在相同的切削條件下,他的切削溫度比切削45鋼高將近1倍。還因其塑性變形小,切屑與前刀面接觸短,切削熱集中于切削刃狹小區(qū)域內(nèi),不易傳出而造成。
(3)單位面積上的切削力大。切削鈦合金的主切削力比切削一般鋼材小20%左右。但由于刀具與切屑的接觸的長(zhǎng)度短,使單位面積上的切削大大增加,容易造成刀具崩刃。
(4)刀具易磨損。鈦合金毛坯經(jīng)過(guò)鍛造、熱軋等方法加工后,形成硬而脆的不均勻外皮,極易造成刀具磨損。再由于他的切削溫度高,切屑與刀具前刀面接觸短,散熱條件差,加之其彈性模量小,彈性恢復(fù)大(約為切削不銹鋼的2~3倍),與刀具后刀面的摩擦面積大,親和性大,易造成刀具磨料、粘結(jié)、擴(kuò)散和氧化磨損。
(5)易產(chǎn)生表面變質(zhì)污染層。由于鈦合金的化學(xué)活性大,易與各種氣體雜質(zhì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的化學(xué)反應(yīng)。如O、N、H、C等侵入鈦合金表層,易形成TiC、TiN硬質(zhì)表層,致使表層的硬度和脆性上升。
(1)切削鈦合金的刀具材料。切削加工鈦合金時(shí),應(yīng)選用硬度高、耐磨性好、抗彎強(qiáng)度高、熱導(dǎo)率高和與鈦合金親和作用小的刀具材料。①高速鋼。應(yīng)首選含鋁、含鈷超硬高速鋼和高釩高速鋼,因其常溫和高溫硬度比普通高速鋼高6~8HRC,刀具耐用度可提高4倍以上。牌號(hào)有W6Mo5Cr4Ν2Al、W2Mo9Cr4ΝCo8以及W12Mo3Cr4Ν3Co5Si等。②硬質(zhì)合金。應(yīng)選用添加TaC或NbC的YG類(lèi)細(xì)晶粒或超細(xì)晶粒硬質(zhì)合金。這類(lèi)合金不僅硬度高、耐磨性好,而且刀具耐用度也高幾倍。牌號(hào)有YS2、YG813、YD15和YG6x等。涂層硬質(zhì)合金不宜選TiN和TiC涂層,應(yīng)選TiAlN和TiAlSi涂層及金剛石涂層。③超硬刀具材料。如人造聚晶金剛石(PCD)、人造厚膜釬焊金剛石(CΝD)和立方氮化硼(PCBN)。他們均可高速(Νc≥200m/min)切削鈦合金,其刀具耐用度是硬質(zhì)合金的幾十倍至幾百倍,且加工質(zhì)量好。
(2)切削鈦合金的刀具幾何參數(shù)。①前角。鈦合金在切削時(shí),切屑與刀具前刀面接觸很短,前角小時(shí),可增大切屑與前刀面的接觸面積,使切削力和切削熱不致過(guò)分集中在刀具刃口上,改善散熱條件的同時(shí)保護(hù)刀刃,減少了崩刃的可能性。一般γ0=5°~15°。高速鋼刀具,γ0=10°~15°。超硬刀具材料的刀具,γ0=0°~5°。②后角。由于鈦合金的彈性模量小,為一般鋼材的1/2,所以在切削時(shí),切削表面和已加工表面的彈性恢復(fù)大,為了減小刀具后刀面和工件的摩擦和磨損,一般α0≥15°。③主、副偏角。鈦合金在切削時(shí),切削溫度高,刀屑接觸短,為增大刀尖強(qiáng)度、改善散熱條件并減小刀刃單位長(zhǎng)度負(fù)荷,在粗加工時(shí),κr≤45°,κr'=10°~15°;精加工時(shí),κr>75°。④刃傾角。由于毛坯表皮組織不均勻和硬皮,為了增大刀尖強(qiáng)度,粗加工時(shí),λs=-5°~-3°;精加工時(shí),λs=0°~3°。⑤刀尖圓弧半徑。一般取rε=0.8~1.2mm。
(3)切削鈦合金的切削用量。由于鈦合金的性能和切削特點(diǎn),影響刀具耐用度的主要因素為切削溫度。因此,力求選用最佳切削溫度下相對(duì)應(yīng)的切削速度。高速鋼刀具的最佳切削溫度為480~540℃,相對(duì)應(yīng)的切削速度為νc=8~12m/min;硬質(zhì)合金刀具的最佳切削溫度為650~750℃,相對(duì)應(yīng)的切削速度為Νc=25~54m/min。但進(jìn)給量對(duì)鈦合金的切削溫度也影響比較大,?大切削溫度高,所以一般?不宜大于0.3mm/r。PCD、CΝD刀具的Νc=100~200m/min,但一般干切取小值,濕切取中偏大值。切削鈦合金時(shí),應(yīng)避免高速微量干切削,以免微小的鈦屑在空氣中發(fā)生自燃。
(4)切削鈦合金的切削液。為了降低切削溫度,應(yīng)在切削區(qū)澆注大量以冷卻為主的切削液。對(duì)切削液的熱導(dǎo)率、比熱、熱容量、汽化熱、汽化速度、流量和流速要求較高。一般是水比油的熱導(dǎo)率高3~5倍,比熱大1倍,汽化熱大約10倍,故水溶性冷卻性能最好。在車(chē)削、銑削和鉆削時(shí),常采用乳化液或采用添加極壓添加劑(含S、P和Cl)的水溶液。
極壓水溶液的配方是:氯化脂肪酸、聚氯乙烯0.5%~0.8%,磷酸三鈉0.5%,三乙醇胺1%~2%,亞硝酸鈉1.2%,其余為水。
在擴(kuò)孔、鉸孔、拉削和攻絲時(shí),應(yīng)采用潤(rùn)滑性能好的極壓切削油、蓖麻油、油酸、硫化油和氯化油等。
(5)切削鈦合金應(yīng)注意的問(wèn)題。①切削鈦合金時(shí)應(yīng)避免微量切削,以避免自燃現(xiàn)象發(fā)生。一旦著火,應(yīng)采用滑石粉、石灰粉和干砂滅火。嚴(yán)禁使用四氯化碳、二氧化碳滅火器,不能澆水,以免加速燃燒,導(dǎo)致氫爆炸。②在銑削時(shí),應(yīng)盡量采用順銑和不對(duì)稱銑,這樣在切離時(shí)切屑很薄,不易粘在刀刃上,避免在切入時(shí)損壞刀刃。不對(duì)稱銑的偏心距e=(0.04~0.1)d0,d0為銑刀直徑。③由于鈦合金的彈性模量為鋼材的1/2,在夾緊時(shí)易產(chǎn)生變形,直接影響加工精度。所以在安裝工件時(shí),夾緊力要適當(dāng)而不宜過(guò)大,必要時(shí)增加輔助支撐。④采用高速鋼鉆頭鉆孔時(shí),鉆型盡可能采用三尖七刃的群鉆,鋒角2φ=135°~140°,橫刃寬度b=(0.05~0.1)d0,有利于排屑和減小軸向力及改善散熱條件。Νc≤12m/min,Νc偏高會(huì)加快鉆頭磨損。⑤攻絲是切削鈦合金最困難的工序,特別是小直徑螺紋。因其彈性模量小,回彈大,絲錐與工件接觸面積大,造成摩擦扭矩增大,一般約為攻45鋼的1倍,造成絲錐磨損過(guò)快,甚至被咬死折斷在螺孔中。為了改變這種不良現(xiàn)象,應(yīng)在攻絲前把絲錐的后角用金剛石什錦銼加大到約15°,且適當(dāng)加大螺紋底孔直,使牙高率為70%左右。
雖然鈦合金屬于難切削材料,但只要熟知他的性能和切削特點(diǎn),合理選擇刀具材料、刀具幾何參數(shù)、切削用量、切削液和注意在切削中的問(wèn)題,就一定能順利完成對(duì)他的各種切削加工。