作    者：鄭文虎 張明杰

單位名稱：中車北京南口機械有限公司

文章來源：《金屬加工》(冷加工)2017年第16期

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1.概述

鈦合金具有密度?。s4.5g/cm³）、強度高以及耐腐蝕（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)中得到越來越廣泛地應用。

（1）鈦合金的分類。鈦是同素異構體，溶點為1720℃，同素異構轉變溫度為882℃。在低于882℃時，鈦呈密排六方晶格結構，稱為α鈦。在882℃以上時，呈體心立方晶格結構，稱為β鈦。利用上述兩種結構的不同特點，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。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，在500～600℃下仍保持其強度，抗蠕變能力強，但不能進行熱處理強化，牌號有TA4～TA8。硬度為240～300HB，抗拉強度σb為340～981MPa，伸長率δ為10%～25%，沖擊值ak為(29.43～58.86)×104J/m2，熱導率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度，淬火時效后，合金得到進一步強化，但熱穩(wěn)定性差，不宜在高溫下使用，牌號有TB1、TB2。硬度為240～300HB，抗拉強度σb為1079～1373MPa，伸長率δ為18%，沖擊值ak為29.43×104J/m2，熱導率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相中都具有相當大的固溶性，是有效的強化劑。這類合金組織穩(wěn)定，有良好的高溫變形性、韌性和塑性，能進行淬火和時效，使合金強化。熱處理后的強度比退火狀態(tài)提高50%～****。高溫強度高，可在400～500℃下長期工作，熱穩(wěn)定性僅次于α鈦合金。牌號有TC1～TC10。硬度為210～365HB，抗拉強σb為589～1059Mpa，伸長率δ為10%～15%，沖擊值ak為(29.43～44.15)×104J/m2，熱導率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較好，α+β鈦合金次之，β鈦合金***差。其中，***常用的是α鈦合金和α+β鈦合金。

（2）鈦合金的性能特點。

①比強度高。鈦合金的密度小，強度高，所以他的比強度（σb/ρ）大于超高強度鋼。

公司在國內(nèi)知名專家教授的引領帶動下，組建了一支國內(nèi)******的超精密技術研發(fā)團隊，研發(fā)團隊在超精密機床的單元技術、切削機理和工藝、成套技術及應用工藝方面具備豐富的技術經(jīng)驗和實踐積累?？蔀?a href="http://uomoo.com.cn/">北京精密零件加工，北京鋁合金異型件加工制造相關產(chǎn)業(yè)提供優(yōu)質(zhì)的技術服務。

②熱強性高。鈦合金的熱穩(wěn)定性好，高溫強度高，能在500℃下長期工作，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)中能長期工作，其抗蝕能力遠優(yōu)于不銹鋼。對點蝕、酸蝕和應力腐蝕的抵抗能力很強。對堿、氯化物、氯的有機化合物、硝酸以及硫酸等有優(yōu)越的抗蝕能力。但鈦對具有還原性氧及鉻鹽介質(zhì)的抗蝕性差。

④化學活性大。鈦與大氣中的O、N、H、CO、CO2、水蒸氣和氮氣等產(chǎn)生強烈的化學反應。當含碳量大于0.2%時，會在鈦合金中形成硬質(zhì)TiC。溫度較高時，與N作用，也會形成TiN硬質(zhì)表層。在600℃以上時，鈦能吸收氧形成硬度較高的硬化層。氫含量上升，也會形成硬化層。鈦吸收氣體而產(chǎn)生硬脆表層的深度可達0.1～0.15mm，硬化程度比基體硬度高20%～30%。鈦的化學親和性也大，易與摩擦表面產(chǎn)生粘結現(xiàn)象。

⑤熱導率低，彈性模量小。鈦的熱導率很低，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，仍保持其力學性能,是一種重要的低溫結構材料。

2.鈦合金的切削特點

鈦的溶點高（1720℃），激活能大，晶格原子不易脫離其平衡位置，故在切削加工時，切離成切屑所消耗的能量大。加入的合金元素愈多，則合金的強度、硬度愈高，愈難于切削加工。試驗證明，鈦合金的硬度大于350HB時，切削加工越困難。而硬度小于300HB時，易出現(xiàn)粘刀，也難于切削。鈦合金***好的切削加工硬度是300～350HB。鈦合金難于切削的原因不只是硬度這一項，還因他本身的其他力學性能、物理性能和化學性能等因素的影響。其切削特點如下。

（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，這是切削鈦合金時一大顯著特點。其塑形變形小和切屑收縮率小，是因為在切削高溫時，鈦由α向β轉變，而β鈦的體積增大，引起切屑增長，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、擴散和氧化磨損。

（5）易產(chǎn)生表面變質(zhì)污染層。由于鈦合金的化學活性大，易與各種氣體雜質(zhì)產(chǎn)生強烈的化學反應。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。

3.切削鈦合金加工條件的選擇

（1）切削鈦合金的刀具材料。切削加工鈦合金時，應選用硬度高、耐磨性好、抗彎強度高、熱導率高和與鈦合金親和作用小的刀具材料。①高速鋼。應******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。牌號有W6Mo5Cr4Ν2Al、W2Mo9Cr4ΝCo8以及W12Mo3Cr4Ν3Co5Si等。②硬質(zhì)合金。應選用添加TaC或NbC的YG類細晶?；虺毦ЯＳ操|(zhì)合金。這類合金不僅硬度高、耐磨性好，而且刀具耐用度也高幾倍。牌號有YS2、YG813、YD15和YG6x等。涂層硬質(zhì)合金不宜選TiN和TiC涂層，應選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（Ν_c≥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，切屑與刀具前刀面接觸很短，前角小時，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分集中在刀具刃口上，改善散熱條件的同時保護刀刃，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，切削表面和已加工表面的彈性恢復大，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，切削溫度高，刀屑接觸短，為增大刀尖強度、改善散熱條件并減小刀刃單位長度負荷，在粗加工時，κr≤45°，κr=10°～15°；精加工時，κr>75°。

④刃傾角。由于毛坯表皮組織不均勻和硬皮，為了增大刀尖強度，粗加工時，λs=-5°～-3°；精加工時，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，影響刀具耐用度的主要因素為切削溫度。因此，力求選用***佳切削溫度下相對應的切削速度。高速鋼刀具的***佳切削溫度為480～540℃，相對應的切削速度為ν_c=8～12m/min；硬質(zhì)合金刀具的***佳切削溫度為650～750℃，相對應的切削速度為Ν_c=25～54m/min。但進給量對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Ν_c=100～200m/min，但一般干切取小值，濕切取中偏大值。切削鈦合金時，應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，應在切削區(qū)澆注大量以冷卻為主的切削液。對切削液的熱導率、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***好。在車削、銑削和鉆削時，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。

在擴孔、鉸孔、拉削和攻絲時，應采用潤滑性能好的極壓切削油、蓖麻油、油酸、硫化油和氯化油等。

（5）切削鈦合金應注意的問題。

①切削鈦合金時應避免微量切削，以避免自燃現(xiàn)象發(fā)生。一旦著火，應采用滑石粉、石灰粉和干砂滅火。嚴禁使用四氯化碳、二氧化碳滅火器，不能澆水，以免加速燃燒，導致氫爆炸。

②在銑削時，應盡量采用順銑和不對稱銑，這樣在切離時切屑很薄，不易粘在刀刃上，避免在切入時損壞刀刃。不對稱銑的偏心距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，在夾緊時易產(chǎn)生變形，直接影響加工精度。所以在安裝工件時，夾緊力要適當而不宜過大，必要時增加輔助支撐。

④采用高速鋼鉆頭鉆孔時，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偏高會加快鉆頭磨損。⑤攻絲是切削鈦合金***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，造成絲錐磨損過快，甚至被咬死折斷在螺孔中。為了改變這種不良現(xiàn)象，應在攻絲前把絲錐的后角用金剛石什錦銼加大到約15°，且適當加大螺紋底孔直，使牙高率為70%左右。

4.結語

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，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題，就一定能順利完成對他的各種切削加工。

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