作 者：鄭文虎（hǔ） 張（zhāng）明傑（jié）
單位名稱：中（zhōng）車北京南口機械有限公司
文章來源：《金（jīn）屬加工》(冷加（jiā）工)2017年第16期
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1.概述
鈦合（hé）金具有密度小（約4.5g/cm3）、強（qiáng）度高以及耐腐蝕（酸、堿、海水和大氣等介（jiè）質）等一係（xì）列優（yōu）良的力學和物理性能。因此在航空、航（háng）天、核能、化工、石油、冶金和（hé）醫療器械等工業中得到越（yuè）來越廣泛地應用。
（1）鈦合金（jīn）的分類。鈦是同素異構體，溶點為（wéi）1720℃，同素異（yì）構（gòu）轉變溫度為882℃。在低於882℃時，鈦呈密排（pái）六方（fāng）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（diǎn），添加不同的合金元素，使其相（xiàng）變溫度（dù）及相分含量逐漸（jiàn）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（jī）本組（zǔ）織，可分為以下三類。①α鈦合金。由α固溶體組（zǔ）成的單相合金。耐熱性高於純鈦，組織穩定，抗（kàng）氧化（huà）能力強，在500～600℃下仍保持其（qí）強度，抗蠕變能力強，但不能進行（háng）熱處（chù）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%，衝擊值ak為(29.43～58.86)×104J/m2，熱（rè）導率к為（wéi）7.54～10.47W/m·K。②β鈦合金（jīn）。由β相固溶體（tǐ）組成的單（dān）相合金。不經熱處（chù）理就（jiù）有較高的（de）強度，淬火時效後，合金得到進一（yī）步強化，但熱穩定性差，不宜在高溫下使用，牌（pái）號有TB1、TB2。硬度為240～300HB，抗拉強度σb為1079～1373MPa，伸長率δ為18%，衝擊值ak為（wéi）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穩定元素，又有（yǒu）β穩定元素，如Cr、Co、Fe、Ni和Mn等β共析型元素，穩定了β相。Sn、Zr兩種元素在（zài）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（zhī）穩定，有良好的高（gāo）溫變形性、韌性和塑性，能進行淬火和時效，使合金強化。熱處理後的強度比退火狀（zhuàng）態提高50%～****。高溫強度高，可在400～500℃下長期工作，熱（rè）穩（wěn）定性僅次於α鈦合（hé）金。牌（pái）號（hào）有TC1～TC10。硬度為210～365HB，抗拉強σb為589～1059Mpa，伸長率δ為10%～15%，衝（chōng）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（jīn）中，α鈦合金的切削加工性相（xiàng）對較好，α+β鈦合金次之（zhī），β鈦合金***差。其中，***常用（yòng）的（de）是（shì）α鈦合金和α+β鈦合金。
（2）鈦合金的性能特點。
①比強度（dù）高。鈦（tài）合金（jīn）的（de）密度小，強度高，所以他（tā）的比強度（σb/ρ）大（dà）於超高強度鋼。
公司在國內知名專家教授的引領帶動下，組建了一支國內******的（de）超精（jīng）密技術研發團（tuán）隊，研發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（yì）方麵具備豐富的技術經驗和實踐積累。可為北京精密（mì）零件加（jiā）工，北京鋁合金異型件加（jiā）工製造相關產業提供（gòng）優質的技術服（fú）務。
②熱強性高。鈦合金的熱穩定（dìng）性好，高溫強（qiáng）度高，能在500℃下長期工作（zuò），而鋁合（hé）金（jīn）隻（zhī）能在200℃以下工作。鈦合金在300～500℃溫度下的強度比鋁合（hé）金約高（gāo）10倍。
③抗蝕性好。鈦合金在潮濕大氣和海水介質中能長期工（gōng）作，其（qí）抗（kàng）蝕能力遠優於不（bú）鏽鋼。對點蝕、酸蝕和應（yīng）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（yǒu）優越的抗蝕能力。但鈦對具（jù）有還原性氧及鉻鹽介質的抗蝕性（xìng）差。
④化學（xué）活（huó）性大。鈦與大氣中（zhōng）的O、N、H、CO、CO2、水蒸氣和（hé）氮氣等產生強烈的化學反應。當含碳（tàn）量大於（yú）0.2%時，會在（zài）鈦合金中形成硬質TiC。溫度較高（gāo）時，與N作用，也會形（xíng）成TiN硬質表層。在600℃以上時，鈦能吸收氧形成硬度較（jiào）高的硬化層。氫（qīng）含（hán）量上（shàng）升，也會形成硬化層。鈦吸（xī）收氣體而產生硬脆表層的深度可達0.1～0.15mm，硬化（huà）程度比（bǐ）基體（tǐ）硬度高20%～30%。鈦的化學親和性也大，易與摩擦表麵產生粘結現象。
⑤熱導率低，彈性模（mó）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（jīn）的熱導率更低，一（yī）般為鈦的50%。如TC4的к為7.95W/m·K，TC9的（de）к為7.12W/m·K。鈦和鈦合金（jīn）的彈性模量E為110 000MPa，約為一般鋼材（cái）的（de）1/2，故剛度差，易變形（xíng）。⑥低溫（wēn）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（néng）,是一（yī）種重要的低溫（wēn）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（jiā）工時，切離成切屑所消（xiāo）耗的能量大。加入的合金元（yuán）素愈多，則合金的強度（dù）、硬度愈高，愈（yù）難（nán）於切削加工。試驗證明（míng），鈦合金的硬度大於350HB時，切削加工越困難。而硬度小於300HB時（shí），易出現粘刀，也難於（yú）切削。鈦合金***好的（de）切削加（jiā）工硬度（dù）是300～350HB。鈦合金難於切削（xuē）的原因不隻是硬度這一（yī）項，還因（yīn）他（tā）本（běn）身的其他力（lì）學性能、物理性能和化學（xué）性能等（děng）因素的影響。其切削特點如下。
（1）變形係數小。切削鈦合金的切屑（xiè）變形係數略小於1或接近於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（tài）由α向β轉變，而β鈦的體積增大，引起切屑增長，在高溫（wēn）的作用（yòng）下（xià），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（gāo）。由於（yú）鈦合（hé）金的熱導率（lǜ）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（jiàn）下，他的切削溫度比切削45鋼高將近（jìn）1倍。還因其塑性變形小，切屑與前刀麵（miàn）接觸短，切削熱集中於切削刃（rèn）狹小區域內，不易傳出而造成。
（3）單位麵積上的切削力大。切削鈦合金的主切削力比切削一（yī）般鋼（gāng）材（cái）小20%左右。但（dàn）由於刀具與切（qiē）屑的接觸的長度短，使單位麵積上（shàng）的切削大大增加，容（róng）易造成刀具崩刃（rèn）。
（4）刀具易磨損。鈦合金毛坯經（jīng）過鍛造、熱軋等方法加（jiā）工後，形（xíng）成硬而脆（cuì）的不均勻外皮，極易（yì）造成刀具（jù）磨損。再由於他的切削溫度高，切（qiē）屑與刀（dāo）具前刀麵接觸短，散（sàn）熱條件差（chà），加之其（qí）彈性模量小，彈（dàn）性恢複大（約為切削不鏽鋼的2～3倍），與刀具後刀麵的（de）摩擦麵積大，親和性大，易造成（chéng）刀具磨料、粘結、擴散和氧化（huà）磨損。
（5）易產生表麵變質汙染層。由於鈦合金的化（huà）學活性大，易與各種氣體雜質產生強烈的化學（xué）反應。如O、N、H、C等侵入鈦合金表層，易形成TiC、TiN硬質表層，致使表層的硬度和脆性上升。
3.切（qiē）削鈦合金加工條件的選擇（zé）
（1）切削（xuē）鈦合金的刀具（jù）材料。切削（xuē）加工鈦合金時，應選用（yòng）硬度高、耐（nài）磨性好、抗彎強度高、熱導率高和與鈦合金（jīn）親和作用小的刀具材料。①高速鋼。應（yīng）******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（dāo）具耐用度可提（tí）高4倍以上。牌號有W6Mo5Cr4Ν2Al、W2Mo9Cr4ΝCo8以及W12Mo3Cr4Ν3Co5Si等。②硬質合（hé）金。應選（xuǎn）用添加TaC或NbC的YG類（lèi）細晶粒或超細晶粒（lì）硬質合金。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（pái）號有YS2、YG813、YD15和YG6x等。塗層硬質合金不宜選TiN和TiC塗（tú）層，應選TiAlN和TiAlSi塗層及金剛石塗層。③超硬刀具材料。如人造聚晶金剛石（PCD）、人造厚膜釺焊金剛石（CΝD）和立方氮化硼（PCBN）。他們均可高速（Νc≥200m/min）切削鈦合（hé）金，其刀具耐（nài）用度（dù）是（shì）硬質合金（jīn）的幾十（shí）倍（bèi）至幾百倍，且加工質量好。
（2）切削鈦合金的刀具幾何參數。
①前角。鈦合金在切削時（shí），切屑與刀具（jù）前刀麵接觸很短，前角（jiǎo）小時，可增大切屑與前刀麵的接觸麵積，使切削力和切削熱不致過分集中在刀具刃（rèn）口上，改（gǎi）善散（sàn）熱條件的同（tóng）時保護刀刃，減少了（le）崩刃的可能性。一般（bān）γ0=5°～15°。高速鋼刀具，γ0=10°～15°。超硬刀具材料的刀具（jù），γ0=0°～5°。
②後角。由於鈦合金的彈性模量小，為一般鋼材的1/2，所（suǒ）以在切削時，切削表麵和已加工表麵的彈性（xìng）恢複（fù）大，為了減（jiǎn）小刀具後刀麵和工件的摩擦（cā）和磨損，一般α0≥15°。
③主、副偏（piān）角。鈦合金在切（qiē）削時，切削溫度高，刀屑接觸短，為增大刀尖強（qiáng）度、改善散熱條件並減小刀刃單位長（zhǎng）度負（fù）荷，在粗加工時，κr≤45°，κr=10°～15°；精加工時，κr>75°。
④刃傾角。由於毛坯表皮組織（zhī）不（bú）均勻和硬皮，為了增大刀（dāo）尖強度，粗加工時，λs=-5°～-3°；精加工時，λs=0°～3°。
⑤刀尖圓弧半（bàn）徑。一般取（qǔ）rε=0.8～1.2mm。
（3）切削鈦合金的切削用量（liàng）。由（yóu）於鈦（tài）合金的性能和切削特點，影響（xiǎng）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（gāo）速鋼刀具的***佳切（qiē）削溫度為480～540℃，相對應的切削速度（dù）為νc=8～12m/min；硬質合金（jīn）刀具的***佳切削溫（wēn）度為650～750℃，相對應的（de）切削速度為（wéi）Νc=25～54m/min。但進給量對鈦合金的切削溫度也影響比較大（dà），ƒ大（dà）切削溫度高，所（suǒ）以一般ƒ不宜大於0.3mm/r。PCD、CΝD刀具的Νc=100～200m/min，但一般幹切取小值，濕切取中偏大值。切削鈦合金時，應（yīng）避免高速（sù）微量（liàng）幹切削，以免微小的鈦屑在空氣（qì）中發生自燃。
（4）切削鈦合金的（de）切削液。為了降低切削溫度，應（yīng）在切削區澆注大量以冷卻為主的切削液。對切削液（yè）的熱導率、比熱、熱容量、汽化熱、汽化速度（dù）、流量和流速要求較高。一般是（shì）水（shuǐ）比油（yóu）的熱導率高3～5倍，比熱大1倍（bèi），汽化熱大約10倍，故水溶性冷卻性能***好。在車（chē）削、銑削和鑽削時（shí），常采用乳化液（yè）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（huà）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%，其餘為水。
在（zài）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（yóu）和氯化油等（děng）。
（5）切（qiē）削鈦合金應注意的（de）問題。
①切削鈦（tài）合金時（shí）應避免微量切（qiē）削（xuē），以避免自（zì）燃現象發生。一（yī）旦著（zhe）火，應采用滑石粉、石灰粉（fěn）和幹砂滅（miè）火。嚴禁使用四氯化（huà）碳、二氧化碳滅（miè）火器，不（bú）能澆水，以（yǐ）免加速（sù）燃燒（shāo），導致氫爆炸（zhà）。
②在銑削（xuē）時，應盡量采用順銑（xǐ）和不對稱銑，這樣在（zài）切（qiē）離時切屑很薄，不易粘在（zài）刀（dāo）刃（rèn）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由於（yú）鈦合金的彈性模量為鋼材的1/2，在夾緊時易產生變形，直接影響（xiǎng）加工精度。所（suǒ）以在安裝工件時，夾緊（jǐn）力要適當（dāng）而不宜（yí）過大，必要（yào）時增加輔助（zhù）支撐。
④采（cǎi）用（yòng）高速鋼鑽頭（tóu）鑽孔（kǒng）時，鑽型盡可能采用三尖七刃的群鑽，鋒角2φ=135°～140°，橫刃寬度b=(0.05～0.1)d0，有利於（yú）排屑和（hé）減（jiǎn）小軸向力（lì）及改善散熱條件。Νc≤12m/min，Νc偏高會加快鑽頭磨（mó）損。⑤攻絲（sī）是切（qiē）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（dà），絲（sī）錐（zhuī）與工件接（jiē）觸麵（miàn）積（jī）大，造成摩（mó）擦扭矩增大，一般（bān）約為攻45鋼（gāng）的1倍，造（zào）成絲錐磨損過快，甚至被咬死折斷在螺孔（kǒng）中。為了改變這種不良現象，應在攻絲前把絲錐的後角（jiǎo）用金剛石什錦銼加大到約15°，且適當加大螺紋底孔直（zhí），使牙（yá）高率為70%左右。
4.結語
雖（suī）然鈦合金（jīn）屬於難切（qiē）削材料，但隻要（yào）熟知他的性能和切削特點，合理選擇刀具材料、刀具幾何（hé）參數、切削用（yòng）量（liàng）、切（qiē）削液和注意在切削中的問題，就一定能順利完成（chéng）對他的（de）各種切（qiē）削加工。
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