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          常見(jiàn)問(wèn)題/ Common encyclopedia

          鈦合金的切削

          切削特點(diǎn)   

          鈦合金的硬度大于HB350時(shí)切削加工特別困難,小于HB300時(shí)則容易出現(xiàn)粘刀現(xiàn)象,也難于切削。但鈦合金的硬度只是難于切削加工的一個(gè)方面,關(guān)鍵在于鈦合金本身化學(xué)、物理、力學(xué)性能間的綜合對(duì)其切削加工性的影響。

          鈦合金有如下切削特點(diǎn):   

          (1)變形系數(shù)?。哼@是鈦合金切削加工的顯著特點(diǎn),變形系數(shù)小于或接近于1。切屑在前刀面上滑動(dòng)摩擦的路程大大增大,加速刀具磨損。   

          (2)切削溫度高:由于鈦合金的導(dǎo)熱系數(shù)很小(只相當(dāng)于45號(hào)鋼的1/5~1/7),切屑與前刀面的接觸長(zhǎng)度極短,切削時(shí)產(chǎn)生的熱不易傳出,集中在切削區(qū)和切削刃附近的較小范圍內(nèi),切削溫度很高。在相同的切削條件下,切削溫度可比切削45號(hào)鋼時(shí)高出一倍以上。  

          (3)單位面積上的切削力大:主切削力比切鋼時(shí)約小20%,由于切屑與前刀面的接觸長(zhǎng)度極短,單位接觸面積上的切削力大大增加,容易造成崩刃。同時(shí),由于鈦合金的彈性模量小,加工時(shí)在徑向力作用下容易產(chǎn)生彎曲變形,引起振動(dòng),加大刀具磨損并影響零件的精度。因此,要求工藝系統(tǒng)應(yīng)具有較好的剛性。   

          (4)冷硬現(xiàn)象嚴(yán)重:由于鈦的化學(xué)活性大,在高的切削溫度下,很容易吸收空氣中的氧和氮形成硬而脆的外皮;同時(shí)切削過(guò)程中的塑性變形也會(huì)造成表面硬化。冷硬現(xiàn)象不僅會(huì)降低零件的疲勞強(qiáng)度,而且能加劇刀具磨損,是切削鈦合金時(shí)的一個(gè)很重要特點(diǎn)。   

          (5)刀具易磨損:毛坯經(jīng)過(guò)沖壓、鍛造、熱軋等方法加工后,形成硬而脆的不均勻外皮,極易造成崩刃現(xiàn)象,使得切除硬皮成為鈦合金加工中最困難的工序。另外,由于鈦合金對(duì)刀具材料的化學(xué)親和性強(qiáng),在切削溫度高和單位面積上切削力大的條件下,刀具很容易產(chǎn)生粘結(jié)磨損。車(chē)削鈦合金時(shí),有時(shí)前刀面的磨損甚至比后刀面更為嚴(yán)重;進(jìn)給量f<0 1="" mm="" r="" f="">0.2 mm/r時(shí),前刀面將出現(xiàn)磨損;用硬質(zhì)合金刀具精車(chē)和半精車(chē)時(shí),后刀面的磨損以VBmax<0.4 mm較合適。  

           刀具材料   切削加工鈦合金應(yīng)從降低切削溫度和減少粘結(jié)兩方面出發(fā),選用紅硬性好、抗彎強(qiáng)度高、導(dǎo)熱性能好、與鈦合金親和性差的刀具材料,YG類(lèi)硬質(zhì)合金比較合適。由于高速鋼的耐熱性差,因此應(yīng)盡量采用硬質(zhì)合金制作的刀具。常用的硬質(zhì)合金刀具材料有YG8、YG3、YG6X、YG6A、813、643、YS2T和YD15等。   涂層刀片和YT類(lèi)硬質(zhì)合金會(huì)與鈦合金產(chǎn)生劇烈的親和作用,加劇刀具的粘結(jié)磨損,不宜用來(lái)切削鈦合金;對(duì)于復(fù)雜、多刃刀具,可選用高釩高速鋼(如W12Cr4V4Mo)、高鈷高速鋼(如W2Mo9Cr4VCo8)或鋁高速鋼(如W6Mo5Cr4V2Al、M10Mo4Cr4V3Al)等刀具材料,適于制作切削鈦合金的鉆頭、鉸刀、立銑刀、拉刀、絲錐等刀具。   采用金剛石和立方氮化硼作刀具切削鈦合金,可取得顯著效果。如用天然金剛石刀具在乳化液冷卻的條件下,切削速度可達(dá)200 m/min;若不用切削液,在同等磨損量時(shí),允許的切削速度僅為100m/min。   

          注意事項(xiàng)   

          在切削鈦合金的過(guò)程中,應(yīng)注意的事項(xiàng)有:   

          (1)由于鈦合金的彈性模量小,工件在加工中的夾緊變形和受力變形大,會(huì)降低工件的加工精度;工件安裝時(shí)夾緊力不宜過(guò)大,必要時(shí)可增加輔助支承。   

          (2)如果使用含氯的切削液,切削過(guò)程中在高溫下將分解釋放出氫氣,被鈦吸收引起氫脆;也可能引起鈦合金高溫應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂。   

          (3)切削液中的氯化物使用時(shí)還可能分解或揮發(fā)有毒氣體,使用時(shí)宜采取安全防護(hù)措施,否則不應(yīng)使用;切削后應(yīng)及時(shí)用不含氯的清洗劑徹底清洗零件,清除含氯殘留物。   

          (4)禁止使用鉛或鋅基合金制作的工、夾具與鈦合金接觸,銅、錫、鎘及其合金也同樣禁止使用。   

          (5)與鈦合金接觸的所有工、夾具或其他裝置都必須潔凈;經(jīng)清洗過(guò)的鈦合金零件,要防止油脂或指印污染,否則以后可能造成鹽(氯化鈉)的應(yīng)力腐蝕。   

          (6)一般情況下切削加工鈦合金時(shí),沒(méi)有發(fā)火危險(xiǎn),只有在微量切削時(shí),切下的細(xì)小切屑才有發(fā)火燃燒現(xiàn)象。為了避免火災(zāi),除大量澆注切削液之外,還應(yīng)防止切屑在機(jī)床上堆積,刀具用鈍后立即進(jìn)行更換,或降低切削速度,加大進(jìn)給量以加大切屑厚度。若一旦著火,應(yīng)采用滑石粉、石灰石粉末、干砂等滅火器材進(jìn)行撲滅,嚴(yán)禁使用四氯化碳、二氧化碳滅火器,也不能澆水,因?yàn)樗芗铀偃紵?,甚至?dǎo)致氫爆炸。


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          鈦合金的硬度和基礎(chǔ)理論知識(shí)

          鈦合金是以鈦為基加入其他元素組成的合金。鈦有兩種同質(zhì)異晶體:882℃以下為密排六方結(jié)構(gòu)α鈦,882℃以上為體心立方的β鈦。
            合金元素根據(jù)它們對(duì)相變溫度的影響可分為三類(lèi):
           ?、俜€(wěn)定α相、提高相轉(zhuǎn)變溫度的元素為α穩(wěn)定元素,有鋁、碳、氧和氮等。其中鋁是鈦合金主要合金元素,它對(duì)提高合金的常溫和高溫強(qiáng)度、降低比重、增加彈性模量有明顯效果。
           ?、诜€(wěn)定β相、降低相變溫度的元素為β穩(wěn)定元素,又可分同晶型和共析型二種。前者有鉬、鈮、釩等;后者有鉻、錳、銅、鐵、硅等。
           ?、蹖?duì)相變溫度影響不大的元素為中性元素,有鋯、錫等。 
            氧、氮、碳和氫是鈦合金的主要雜質(zhì)。氧和氮在α相中有較大的溶解度,對(duì)鈦合金有顯著強(qiáng)化效果,但卻使塑性下降。通常規(guī)定鈦中氧和氮的含量分別在0.15~0.2%和0.04~0.05%以下。氫在α相中溶解度很小,鈦合金中溶解過(guò)多的氫會(huì)產(chǎn)生氫化物,使合金變脆。通常鈦合金中氫含量控制在 0.015%以下。氫在鈦中的溶解是可逆的,可以用真空退火除去。 
            鈦合金的分類(lèi)
            鈦是同素異構(gòu)體,熔點(diǎn)為1720℃,在低于882℃時(shí)呈密排六方晶格結(jié)構(gòu),稱(chēng)為α鈦;在882℃以上呈體心立方品格結(jié)構(gòu),稱(chēng)為β鈦。利用鈦的上述兩種結(jié)構(gòu)的不同特點(diǎn),添加適當(dāng)?shù)暮辖鹪?,使其相變溫度及相分含量逐漸改變而得到不同組織的鈦合金(titanium alloys)。室溫下,鈦合金有三種基體組織,鈦合金也就分為以下三類(lèi):α合金,(α+β)合金和β合金。中國(guó)分別以TA、TC、TB表示。
            α鈦合金,通常民用很少用到。
            它是α相固溶體組成的單相合金,不論是在一般溫度下還是在較高的實(shí)際應(yīng)用溫度下,均是α相,組織穩(wěn)定,耐磨性高于純鈦,抗氧化能力強(qiáng)。在500℃~600℃的溫度下,仍保持其強(qiáng)度和抗蠕變性能,但不能進(jìn)行熱處理強(qiáng)化,室溫強(qiáng)度不高。 
            β鈦合金
            它是β相固溶體組成的單相合金,未熱處理即具有較高的強(qiáng)度,淬火、時(shí)效后合金得到進(jìn)一步強(qiáng)化,室溫強(qiáng)度可達(dá)1372~1666 MPa;但熱穩(wěn)定性較差,不宜在高溫下使用。

          ...
          鈦金屬材料的廣泛應(yīng)用領(lǐng)域

          鈦是英國(guó)科學(xué)家格內(nèi)戈?duì)栍?791年首先從鈦鐵礦石中發(fā)現(xiàn)的,1795年德國(guó)化學(xué)家克拉普洛特也從金紅石中發(fā)現(xiàn)了這一元素,并命名為“鈦”。由于鈦的化學(xué)活性高,在它被發(fā)現(xiàn)的120年后的1910年才首次提煉出金屬鈦,1940年用鎂還原法制得了海綿鈦,從此奠定了鈦的工業(yè)生產(chǎn)方法的基礎(chǔ)。    鈦在地殼中的儲(chǔ)量非常豐富,它僅次于鐵、鋁、鎂,居第四位,比常用金屬銅、鎳、鉛、鋅的總和還多十幾倍。工業(yè)上用來(lái)生產(chǎn)鈦的礦石有金紅石、鈦鐵礦和鈦磁鐵礦。    金屬鈦具有很多優(yōu)良的性能:鈦的比重為4.5g/cm3,僅為普通結(jié)構(gòu)鋼的56%,而強(qiáng)度與普通結(jié)構(gòu)鋼相當(dāng)或更高,在金屬結(jié)構(gòu)材料中,鈦的比強(qiáng)度是最高的。    鈦的熔點(diǎn)為1668℃,比鐵、鎳稍高,比鋁、鎂的熔點(diǎn)高1000℃以上。因此,作為輕金屬結(jié)構(gòu)材料,鈦合金具有比鋁、鎂合金好得多的熱強(qiáng)性,最高使用溫度可達(dá)600℃。    鈦在氧化性氣氛中極易在表面與氧形成一層堅(jiān)固的氧化物薄膜,是其在氧化性酸、堿、鹽介質(zhì),特別是在濕氯氣和海水中,具有優(yōu)異的抗腐蝕性能。    鈦具有同素異構(gòu)的結(jié)晶構(gòu)造,885℃以上為密排六方晶格的β相,以下為體心立方晶格的α相。因此,加入不同的合金元素后,鈦合金可分成α-、β-和α+β三類(lèi)。鈦的同素異構(gòu)性使其在加入不同合金元素時(shí)能得到性能截然不同的合金和具有大的熱處理效應(yīng)。    鈦的膨脹系數(shù)為8.2×10-6/℃,較一般結(jié)構(gòu)金屬小,在急冷急熱時(shí)應(yīng)力小,適于在溫度變化的環(huán)境中使用。    鈦具有好的韌性和抗疲勞性能,焊接性能也很好。鈦的低溫性能好,在-196℃下,也不呈現(xiàn)低溫脆性,這些性能都非常適合結(jié)構(gòu)運(yùn)用。    鈦的導(dǎo)熱系數(shù)小、無(wú)磁,某些鈦合金還具有超導(dǎo)性能、記憶性能和貯氫性能等功能。    由于鈦所具有的一系列優(yōu)良性能,資源又很豐富,鈦的工業(yè)生產(chǎn)問(wèn)世后,立即受到世界普遍高度重視。1947年美國(guó)率先實(shí)現(xiàn)海綿鈦生產(chǎn)工業(yè)化,當(dāng)年生產(chǎn)2噸海綿鈦,1957年就發(fā)展到15000多噸。日本在1952年、前蘇聯(lián)在1954年均相繼開(kāi)始了海綿鈦的生產(chǎn)。中國(guó)也于1958年開(kāi)始了海綿鈦的試生產(chǎn),現(xiàn)在已形成了完整的鈦工業(yè)體系。當(dāng)前,世界上有鈦工業(yè)的國(guó)家主要是美國(guó)、獨(dú)聯(lián)體、日本、英國(guó)、中國(guó)和德國(guó)。    鈦的應(yīng)用首先是從軍工和航空工業(yè)開(kāi)始的。早在1951年美國(guó)就將鈦材用于飛機(jī)上,到1961年美國(guó)用于飛機(jī)制造的鈦材達(dá)3940噸,占鈦材總用量的77%,如果加上導(dǎo)彈和空間技術(shù)用鈦,占鈦材用量的95%。前蘇聯(lián)、英國(guó)的鈦材也主要用在軍事和航空工業(yè)。進(jìn)入70年代后,鈦的優(yōu)良性能逐步在民用工業(yè)中得到普遍認(rèn)識(shí),鈦在冶金、化工、電力等民用工業(yè)上的應(yīng)用逐年增加,用量也穩(wěn)步增長(zhǎng)?,F(xiàn)在,美國(guó)非宇航用鈦已超過(guò)30%,獨(dú)聯(lián)體為50%,日本由于歷史原因,鈦材幾乎全部用于民用工業(yè)。    中國(guó)是一個(gè)鈦資源十分豐富的國(guó)家,經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展,目前已形成從鈦礦、海綿鈦、鈦冶煉和鈦材生產(chǎn)、鈦設(shè)備制造的整體工業(yè)體系。中國(guó)的鈦工業(yè)同樣是為航空而興起的,我國(guó)在上世紀(jì)80年代確定了大力推廣鈦材民用的方針,國(guó)家又適時(shí)地采取了扶持的政策,鈦工業(yè)才走上了穩(wěn)定發(fā)展的道路。但是,目前中國(guó)鈦工業(yè)的規(guī)模和鈦材的產(chǎn)量與世界發(fā)達(dá)國(guó)家還有很大的差距,在民用工業(yè)上鈦的用量也還較小,其原因是鈦金屬材料的優(yōu)越性還沒(méi)有被廣泛認(rèn)識(shí),再加上鈦材料昂貴的價(jià)格使很多企業(yè)不能承受,直接影響了鈦材料的推廣使用。要使中國(guó)的鈦工業(yè)得到高速發(fā)展,必須大力宣傳和推廣使用鈦金屬材料,使鈦金屬材料的優(yōu)越性和使用鈦材料可帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益廣為人知。 

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          鈦合金的硬度

          ?鈦合金的密度一般在4.5g/cm3左右,僅為鋼的60%,純鈦的強(qiáng)度才接近普通鋼的強(qiáng)度,一些高強(qiáng)度鈦合金超過(guò)了許多合金結(jié)構(gòu)鋼的強(qiáng)度。因此鈦合金的比強(qiáng)度(強(qiáng)度/密度)遠(yuǎn)大于其他金屬結(jié)構(gòu)材料,見(jiàn)表,可制出單位強(qiáng)度高、剛性好、質(zhì)輕的零、部件。目前飛機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)件、骨架、蒙皮、緊固件及起落架等都使用鈦合金。

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