作 者：鄭文虎 張明傑（jié）
單位名稱：中車北（běi）京南口機（jī）械有限公司
文章來源：《金屬加工》(冷加工)2017年第（dì）16期
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1.概述
鈦合金具有密度小（約4.5g/cm3）、強度高以及耐腐（fǔ）蝕（酸、堿、海水和大氣（qì）等介質）等一係列優良的力學和物理（lǐ）性能。因此在航空、航天、核能、化工、石油（yóu）、冶金和醫療器械等（děng）工業中得到越來越廣泛地應用。
（1）鈦合（hé）金的分類。鈦是同素異構體，溶點為1720℃，同素異（yì）構轉變溫度（dù）為882℃。在低（dī）於（yú）882℃時，鈦呈密排六方晶格（gé）結構（gòu），稱為α鈦。在882℃以上時，呈（chéng）體心立方晶格結構（gòu），稱為β鈦。利用上（shàng）述兩（liǎng）種結構的不同特點，添加不同的合金（jīn）元素，使其（qí）相變溫度及相分含量逐漸改變，從而得到不同（tóng）組織的鈦合金。
在室溫下，鈦合金有三種基本組（zǔ）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（gāo）於純鈦（tài），組織穩定，抗氧化能力強，在500～600℃下仍保持其強度，抗蠕（rú）變能力強，但不能進行熱處理強化，牌號有TA4～TA8。硬度為（wéi）240～300HB，抗拉強度σb為340～981MPa，伸長（zhǎng）率（lǜ）δ為（wéi）10%～25%，衝（chōng）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（yóu）β相固溶體組成的單相合金。不經熱處理就有較高的強度，淬火（huǒ）時效（xiào）後，合金得到進一步強化，但熱穩定性差，不宜在高溫下使用，牌號有TB1、TB2。硬度（dù）為240～300HB，抗拉強度σb為1079～1373MPa，伸長率δ為18%，衝擊值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（shuāng）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（dìng）了β相（xiàng）。Sn、Zr兩種元素在α和β相中都具（jù）有相當大的固溶性，是有效的強化劑。這類（lèi）合金組織（zhī）穩（wěn）定，有良好的高溫變形性、韌（rèn）性（xìng）和塑性，能進行淬火（huǒ）和（hé）時效，使合金強（qiáng）化。熱處理後的（de）強度比退火狀態（tài）提高50%～****。高溫強度高，可在400～500℃下長（zhǎng）期工作，熱穩定（dìng）性僅次於α鈦合金。牌號有TC1～TC10。硬度為210～365HB，抗拉（lā）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（hé）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（jīn）***差。其中，***常用的是α鈦合金和（hé）α+β鈦合金。
（2）鈦合（hé）金的性能特點。
①比強度高（gāo）。鈦合金的密度小，強度高，所（suǒ）以他的比強度（σb/ρ）大於超高強度鋼。
公司在國內知名專（zhuān）家教授的引領帶動（dòng）下，組建了一支國內******的超精（jīng）密技術研發團隊，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（yīng）用工藝方麵具備豐富（fù）的技術經驗和（hé）實踐積累。可為北京精（jīng）密零（líng）件（jiàn）加工，北京鋁（lǚ）合（hé）金異型件加工製造相（xiàng）關產業提供優質的技術服務。
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（gōng）作，而鋁合金隻能在（zài）200℃以下工作（zuò）。鈦合金在（zài）300～500℃溫度下的強度比（bǐ）鋁合金約（yuē）高（gāo）10倍（bèi）。
③抗蝕性好。鈦合金（jīn）在潮濕大氣和海水介質中能長期工作，其抗蝕能力遠優於（yú）不鏽鋼。對點蝕、酸蝕和應力腐（fǔ）蝕的抵抗能力（lì）很強。對堿、氯化物（wù）、氯的有機化（huà）合物（wù）、硝酸以及硫酸等有優越的（de）抗蝕能力。但（dàn）鈦對具有還原性（xìng）氧及鉻鹽介質的抗蝕性差。
④化學活性大。鈦與大氣中（zhōng）的O、N、H、CO、CO2、水蒸氣和氮氣等產生強烈的化學反應。當含碳量大於0.2%時，會在鈦合金中（zhōng）形成硬質TiC。溫度較高時，與N作用，也會（huì）形（xíng）成TiN硬質表層。在600℃以上時，鈦能吸（xī）收氧形成硬度較高的硬化層（céng）。氫含（hán）量上升（shēng），也會形成硬化層。鈦吸收氣體而產生硬脆表層的深（shēn）度可達0.1～0.15mm，硬化程（chéng）度比基體硬度高20%～30%。鈦的化（huà）學親和性也大，易與摩擦表麵產生粘結現（xiàn）象。
⑤熱導率低，彈性模量小。鈦（tài）的熱導率（lǜ）很低（dī），為15.24W/m·K，是鎳的1/4，鐵的（de）1/5，鋁的1/4。而各（gè）種鈦合金的熱導率（lǜ）更低，一般（bān）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（wēn）性能好。鈦合金在低溫（wēn）和超（chāo）低溫（-100～-253℃）條件下，仍保持其力（lì）學性能,是一種重要的低溫結構材料。
2.鈦合金（jīn）的（de）切削特點
鈦的溶點高（1720℃），激活能大（dà），晶格原子不易脫離其平（píng）衡位置，故在切削加工時，切離成切屑所消耗的能（néng）量（liàng）大。加（jiā）入的（de）合金元素愈多，則合金的強度（dù）、硬度愈高，愈難於切削加工。試驗證明，鈦合金的硬度大於350HB時，切削加工越困難。而硬度小於300HB時，易出（chū）現粘刀，也難於切削（xuē）。鈦合金（jīn）***好的切削加工硬度是300～350HB。鈦合金（jīn）難於切削的原因（yīn）不隻（zhī）是硬度這一（yī）項，還因他本身的其他力學性能、物理性能和化學性能等因（yīn）素的影響（xiǎng）。其切削特點如下。
（1）變形係數小。切削鈦合金的切屑變形係數略小於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（lǜ）小，是因為在切削高溫時，鈦由α向（xiàng）β轉變，而β鈦（tài）的（de）體（tǐ）積增大，引起切屑增長，在高溫的作用下，鈦屑吸收空氣（qì）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）。由於鈦合金的熱導率低，切削熱傳出困難，致使切削區溫度增高。所以在相同的切削條件下，他的切削溫度（dù）比切削45鋼高（gāo）將近1倍。還因其塑性變形小，切屑與前刀（dāo）麵接觸短，切削熱集中於切削刃狹小（xiǎo）區域內，不易傳出而造成。
（3）單位麵（miàn）積上的切削力大。切削鈦合金的主切削力比切（qiē）削一般鋼材小20%左右。但由於刀具與（yǔ）切屑的接（jiē）觸的長（zhǎng）度（dù）短，使單位麵積上的切削大大增加，容易造（zào）成刀具崩（bēng）刃。
（4）刀具易磨損。鈦合金毛坯經過（guò）鍛造、熱軋等（děng）方法加工後，形成硬而脆的不均勻外皮，極易造成（chéng）刀具（jù）磨（mó）損。再由於他的切削溫度高，切屑與刀具（jù）前刀麵接觸短，散熱條件差，加之其彈性模量小，彈性恢複大（dà）（約為切削不鏽鋼的2～3倍），與（yǔ）刀具後刀麵的摩擦（cā）麵積大，親和性大，易造成刀具磨料、粘結、擴（kuò）散和氧化磨損。
（5）易產生表麵變質汙染層（céng）。由於鈦合金的化學活性大，易與各種氣體雜（zá）質產（chǎn）生強烈的化學反應。如O、N、H、C等侵入（rù）鈦合金（jīn）表（biǎo）層，易形成TiC、TiN硬質表層，致使表層的（de）硬度和脆性上升。
3.切削鈦合金加工條件的選擇
（1）切（qiē）削鈦合（hé）金的刀（dāo）具材料。切削加工鈦合（hé）金時，應選用硬度（dù）高、耐磨性好、抗彎強度高、熱導率高和與鈦合金親和作（zuò）用（yòng）小的刀具材料。①高速鋼。應（yīng）******含鋁、含鈷超硬高速鋼（gāng）和高釩高（gāo）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（gāo）4倍以（yǐ）上。牌號有W6Mo5Cr4Ν2Al、W2Mo9Cr4ΝCo8以及W12Mo3Cr4Ν3Co5Si等（děng）。②硬質（zhì）合金。應選用添加TaC或（huò）NbC的YG類細晶粒或超細晶粒硬質合金。這類合金不（bú）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。塗層硬質合金不宜選TiN和TiC塗層，應選TiAlN和（hé）TiAlSi塗層及金剛（gāng）石塗層。③超硬刀具材料。如人造聚晶金剛石（PCD）、人造厚（hòu）膜（mó）釺焊金剛石（CΝD）和立方氮化硼（PCBN）。他們均可高速（Νc≥200m/min）切削鈦合金，其刀具耐用度是硬質合（hé）金的幾十倍至幾百倍，且（qiě）加工質量好。
（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），切屑與刀具前刀麵接觸很短，前角小時，可增大切屑與前刀麵的接觸麵積，使切削力（lì）和切削熱不致過分集（jí）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（rèn）的可能（néng）性。一般γ0=5°～15°。高（gāo）速鋼刀具，γ0=10°～15°。超硬刀具材料的（de）刀具，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恢複大，為（wéi）了減小刀具後刀麵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（dāo）尖強度、改善散熱條件（jiàn）並減小刀（dāo）刃單位長度負荷，在粗加工時（shí），κr≤45°，κr=10°～15°；精加工時，κr>75°。
④刃傾（qīng）角。由於毛坯表皮組織不均勻（yún）和硬皮，為了增大刀尖強度，粗加工時，λs=-5°～-3°；精加（jiā）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（yóu）於鈦合（hé）金的性能和切削特點，影響刀具耐（nài）用度的主（zhǔ）要因素為切（qiē）削（xuē）溫度。因此，力（lì）求選（xuǎn）用***佳切削（xuē）溫度下相對應的切削速度。高速鋼刀具的（de）***佳切削溫度為480～540℃，相對（duì）應的切削速度（dù）為νc=8～12m/min；硬（yìng）質合金刀具的***佳切削溫度為650～750℃，相對應（yīng）的切削（xuē）速度為Νc=25～54m/min。但（dàn）進給量對鈦合金（jīn）的切削溫度也影（yǐng）響比較大（dà），ƒ大切削溫度高（gāo），所以一般ƒ不宜大於0.3mm/r。PCD、CΝD刀具的Νc=100～200m/min，但一般幹切（qiē）取（qǔ）小值，濕切取（qǔ）中偏大（dà）值。切削鈦合金時，應避免高速微量幹切削，以免微小的鈦屑在空氣（qì）中發生自燃。
（4）切削鈦合（hé）金（jīn）的切削液。為了降低（dī）切削溫度，應（yīng）在切削區澆注大量以冷卻為主的切削液。對切削液的熱導率、比熱、熱容量、汽化熱、汽化速（sù）度、流（liú）量和流速要求較高。一般是水比（bǐ）油的熱導率高3～5倍，比熱大1倍，汽化熱大約（yuē）10倍，故水溶性冷卻性能（néng）***好。在車削、銑削和鑽（zuàn）削（xuē）時，常采用乳化（huà）液（yè）或采用添加（jiā）極（jí）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（suān）、聚氯乙烯0.5%～0.8%，磷酸三鈉0.5%，三乙醇胺1%～2%，亞硝（xiāo）酸鈉1.2%，其（qí）餘（yú）為（wéi）水（shuǐ）。
在擴孔（kǒng）、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（lǜ）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（yǐ）避免自燃現象（xiàng）發生。一旦著火（huǒ），應采用滑石粉、石灰粉和幹砂（shā）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（sǔn）壞刀刃。不對稱銑的偏心距ｅ=(0.04～0.1)d0，d0為銑刀（dāo）直徑。
③由於鈦合金的彈性模量為鋼材的1/2，在夾緊時易產（chǎn）生變（biàn）形，直接影響加工精度。所以在（zài）安裝工件時，夾緊力要適當而不宜過大，必要（yào）時增加輔助支撐。
④采用高速鋼鑽頭鑽孔時，鑽型盡可能采用三尖七刃的群鑽，鋒角2φ=135°～140°，橫刃寬度（dù）b=(0.05～0.1)d0，有利於排屑和減小軸（zhóu）向力及改（gǎi）善散熱條（tiáo）件。Νc≤12m/min，Νc偏（piān）高會加快（kuài）鑽頭磨損。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（zhuī）與工件接觸麵積大，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（luó）孔中（zhōng）。為了改變這種不良現象，應在攻絲前把絲錐的後角用金剛石什錦銼加大（dà）到約15°，且適當加大螺（luó）紋底孔直，使牙高率為70%左右。
4.結語
雖然鈦合（hé）金屬於難切削材（cái）料，但隻要熟知他（tā）的（de）性能和切削（xuē）特點，合理選擇刀具材料、刀具幾何參數、切削用量、切削液（yè）和注意在切削中的問題，就一定能順（shùn）利完成對他的各種切削加工。
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