作 者：郑文虎 张明杰
单位名称：中车北京南口机械有限公司
文章来源：《金属加工》(冷加工)2017年第16期
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1.概述
钛合金具有密度小（约4.5g/cm3）、强度高以及耐腐蚀（酸、碱、海水和大气等介质）等一系列优良的力学和物理性能。因此在航空、航天、核能、化工、石油、冶金和医疗器械等工业中得到越来越广泛地应用。
（1）钛合金的分类。钛是同素异构体，溶点为1720℃，同素异构转变温度为882℃。在低于882℃时，钛呈密排六方晶格结构，称为α钛。在882℃以上时，呈体心立方晶格结构，称为β钛。利用上述两种结构的不同特点，添加不同的合金元素，使其相变温度及相分含量逐渐改变，从而得到不同组织的钛合金。
在室温下，钛合金有三种基本组织，可分为以下三类。①α钛合金。由α固溶体组成的单相合金。耐热性高于纯钛，组织稳定，抗氧化能力强，在500～600℃下仍保持其强度，抗蠕变能力强，但不能进行热处理强化，牌号有TA4～TA8。硬度为240～300HB，抗拉强度σb为340～981MPa，伸长率δ为10%～25%，冲击值ak为(29.43～58.86)×104J/m2，热导率к为7.54～10.47W/m·K。②β钛合金。由β相固溶体组成的单相合金。不经热处理就有较高的强度，淬火时效后，合金得到进一步强化，但热稳定性差，不宜在高温下使用，牌号有TB1、TB2。硬度为240～300HB，抗拉强度σb为1079～1373MPa，伸长率δ为18%，冲击值ak为29.43×104J/m2，热导率к为6.28W/m·K。③α+β钛合金。由α和β双向组成，既有α稳定元素，又有β稳定元素，如Cr、Co、Fe、Ni和Mn等β共析型元素，稳定了β相。Sn、Zr两种元素在α和β相中都具有相当大的固溶性，是有效的强化剂。这类合金组织稳定，有良好的高温变形性、韧性和塑性，能进行淬火和时效，使合金强化。热处理后的强度比退火状态提高50%～****。高温强度高，可在400～500℃下长期工作，热稳定性仅次于α钛合金。牌号有TC1～TC10。硬度为210～365HB，抗拉强σb为589～1059Mpa，伸长率δ为10%～15%，冲击值ak为(29.43～44.15)×104J/m2，热导率к为5.44～9.63W/m·K。
三种钛合金中，α钛合金的切削加工性相对较好，α+β钛合金次之，β钛合金***差。其中，***常用的是α钛合金和α+β钛合金。
（2）钛合金的性能特点。
①比强度高。钛合金的密度小，强度高，所以他的比强度（σb/ρ）大于超高强度钢。
公司在国内知名专家教授的引领带动下，组建了一支国内******的超精密技术研发团队，研发团队在超精密机床的单元技术、切削机理和工艺、成套技术及应用工艺方面具备丰富的技术经验和实践积累。可为北京精密零件加工，北京铝合金异型件加工制造相关产业提供优质的技术服务。
②热强性高。钛合金的热稳定性好，高温强度高，能在500℃下长期工作，而铝合金只能在200℃以下工作。钛合金在300～500℃温度下的强度比铝合金约高10倍。
③抗蚀性好。钛合金在潮湿大气和海水介质中能长期工作，其抗蚀能力远优于不锈钢。对点蚀、酸蚀和应力腐蚀的抵抗能力很强。对碱、氯化物、氯的有机化合物、硝酸以及硫酸等有优越的抗蚀能力。但钛对具有还原性氧及铬盐介质的抗蚀性差。
④化学活性大。钛与大气中的O、N、H、CO、CO2、水蒸气和氮气等产生强烈的化学反应。当含碳量大于0.2%时，会在钛合金中形成硬质TiC。温度较高时，与N作用，也会形成TiN硬质表层。在600℃以上时，钛能吸收氧形成硬度较高的硬化层。氢含量上升，也会形成硬化层。钛吸收气体而产生硬脆表层的深度可达0.1～0.15mm，硬化程度比基体硬度高20%～30%。钛的化学亲和性也大，易与摩擦表面产生粘结现象。
⑤热导率低，弹性模量小。钛的热导率很低，为15.24W/m·K，是镍的1/4，铁的1/5，铝的1/4。而各种钛合金的热导率更低，一般为钛的50%。如TC4的к为7.95W/m·K，TC9的к为7.12W/m·K。钛和钛合金的弹性模量E为110 000MPa，约为一般钢材的1/2，故刚度差，易变形。⑥低温性能好。钛合金在低温和超低温（-100～-253℃）条件下，仍保持其力学性能,是一种重要的低温结构材料。
2.钛合金的切削特点
钛的溶点高（1720℃），激活能大，晶格原子不易脱离其平衡位置，故在切削加工时，切离成切屑所消耗的能量大。加入的合金元素愈多，则合金的强度、硬度愈高，愈难于切削加工。试验证明，钛合金的硬度大于350HB时，切削加工越困难。而硬度小于300HB时，易出现粘刀，也难于切削。钛合金***好的切削加工硬度是300～350HB。钛合金难于切削的原因不只是硬度这一项，还因他本身的其他力学性能、物理性能和化学性能等因素的影响。其切削特点如下。
（1）变形系数小。切削钛合金的切屑变形系数略小于1或接近于1，这是切削钛合金时一大显著特点。其塑形变形小和切屑收缩率小，是因为在切削高温时，钛由α向β转变，而β钛的体积增大，引起切屑增长，在高温的作用下，钛屑吸收空气中的O、H和N，使钛屑丧失了塑性，切屑不再收缩。
（2）切削温度高。由于钛合金的热导率低，切削热传出困难，致使切削区温度增高。所以在相同的切削条件下，他的切削温度比切削45钢高将近1倍。还因其塑性变形小，切屑与前刀面接触短，切削热集中于切削刃狭小区域内，不易传出而造成。
（3）单位面积上的切削力大。切削钛合金的主切削力比切削一般钢材小20%左右。但由于刀具与切屑的接触的长度短，使单位面积上的切削大大增加，容易造成刀具崩刃。
（4）刀具易磨损。钛合金毛坯经过锻造、热轧等方法加工后，形成硬而脆的不均匀外皮，极易造成刀具磨损。再由于他的切削温度高，切屑与刀具前刀面接触短，散热条件差，加之其弹性模量小，弹性恢复大（约为切削不锈钢的2～3倍），与刀具后刀面的摩擦面积大，亲和性大，易造成刀具磨料、粘结、扩散和氧化磨损。
（5）易产生表面变质污染层。由于钛合金的化学活性大，易与各种气体杂质产生强烈的化学反应。如O、N、H、C等侵入钛合金表层，易形成TiC、TiN硬质表层，致使表层的硬度和脆性上升。
3.切削钛合金加工条件的选择
（1）切削钛合金的刀具材料。切削加工钛合金时，应选用硬度高、耐磨性好、抗弯强度高、热导率高和与钛合金亲和作用小的刀具材料。①高速钢。应******含铝、含钴超硬高速钢和高钒高速钢，因其常温和高温硬度比普通高速钢高6～8HRC，刀具耐用度可提高4倍以上。牌号有W6Mo5Cr4Ν2Al、W2Mo9Cr4ΝCo8以及W12Mo3Cr4Ν3Co5Si等。②硬质合金。应选用添加TaC或NbC的YG类细晶粒或超细晶粒硬质合金。这类合金不仅硬度高、耐磨性好，而且刀具耐用度也高几倍。牌号有YS2、YG813、YD15和YG6x等。涂层硬质合金不宜选TiN和TiC涂层，应选TiAlN和TiAlSi涂层及金刚石涂层。③超硬刀具材料。如人造聚晶金刚石（PCD）、人造厚膜钎焊金刚石（CΝD）和立方氮化硼（PCBN）。他们均可高速（Νc≥200m/min）切削钛合金，其刀具耐用度是硬质合金的几十倍至几百倍，且加工质量好。
（2）切削钛合金的刀具几何参数。
①前角。钛合金在切削时，切屑与刀具前刀面接触很短，前角小时，可增大切屑与前刀面的接触面积，使切削力和切削热不致过分集中在刀具刃口上，改善散热条件的同时保护刀刃，减少了崩刃的可能性。一般γ0=5°～15°。高速钢刀具，γ0=10°～15°。超硬刀具材料的刀具，γ0=0°～5°。
②后角。由于钛合金的弹性模量小，为一般钢材的1/2，所以在切削时，切削表面和已加工表面的弹性恢复大，为了减小刀具后刀面和工件的摩擦和磨损，一般α0≥15°。
③主、副偏角。钛合金在切削时，切削温度高，刀屑接触短，为增大刀尖强度、改善散热条件并减小刀刃单位长度负荷，在粗加工时，κr≤45°，κr=10°～15°；精加工时，κr>75°。
④刃倾角。由于毛坯表皮组织不均匀和硬皮，为了增大刀尖强度，粗加工时，λs=-5°～-3°；精加工时，λs=0°～3°。
⑤刀尖圆弧半径。一般取rε=0.8～1.2mm。
（3）切削钛合金的切削用量。由于钛合金的性能和切削特点，影响刀具耐用度的主要因素为切削温度。因此，力求选用***佳切削温度下相对应的切削速度。高速钢刀具的***佳切削温度为480～540℃，相对应的切削速度为νc=8～12m/min；硬质合金刀具的***佳切削温度为650～750℃，相对应的切削速度为Νc=25～54m/min。但进给量对钛合金的切削温度也影响比较大，ƒ大切削温度高，所以一般ƒ不宜大于0.3mm/r。PCD、CΝD刀具的Νc=100～200m/min，但一般干切取小值，湿切取中偏大值。切削钛合金时，应避免高速微量干切削，以免微小的钛屑在空气中发生自燃。
（4）切削钛合金的切削液。为了降低切削温度，应在切削区浇注大量以冷却为主的切削液。对切削液的热导率、比热、热容量、汽化热、汽化速度、流量和流速要求较高。一般是水比油的热导率高3～5倍，比热大1倍，汽化热大约10倍，故水溶性冷却性能***好。在车削、铣削和钻削时，常采用乳化液或采用添加极压添加剂（含S、P和Cl）的水溶液。
极压水溶液的配方是：氯化脂肪酸、聚氯乙烯0.5%～0.8%，磷酸三钠0.5%，三乙醇胺1%～2%，亚硝酸钠1.2%，其余为水。
在扩孔、铰孔、拉削和攻丝时，应采用润滑性能好的极压切削油、蓖麻油、油酸、硫化油和氯化油等。
（5）切削钛合金应注意的问题。
①切削钛合金时应避免微量切削，以避免自燃现象发生。一旦着火，应采用滑石粉、石灰粉和干砂灭火。严禁使用四氯化碳、二氧化碳灭火器，不能浇水，以免加速燃烧，导致氢爆炸。
②在铣削时，应尽量采用顺铣和不对称铣，这样在切离时切屑很薄，不易粘在刀刃上，避免在切入时损坏刀刃。不对称铣的偏心距ｅ=(0.04～0.1)d0，d0为铣刀直径。
③由于钛合金的弹性模量为钢材的1/2，在夹紧时易产生变形，直接影响加工精度。所以在安装工件时，夹紧力要适当而不宜过大，必要时增加辅助支撑。
④采用高速钢钻头钻孔时，钻型尽可能采用三尖七刃的群钻，锋角2φ=135°～140°，横刃宽度b=(0.05～0.1)d0，有利于排屑和减小轴向力及改善散热条件。Νc≤12m/min，Νc偏高会加快钻头磨损。⑤攻丝是切削钛合金***困难的工序，特别是小直径螺纹。因其弹性模量小，回弹大，丝锥与工件接触面积大，造成摩擦扭矩增大，一般约为攻45钢的1倍，造成丝锥磨损过快，甚至被咬死折断在螺孔中。为了改变这种不良现象，应在攻丝前把丝锥的后角用金刚石什锦锉加大到约15°，且适当加大螺纹底孔直，使牙高率为70%左右。
4.结语
虽然钛合金属于难切削材料，但只要熟知他的性能和切削特点，合理选择刀具材料、刀具几何参数、切削用量、切削液和注意在切削中的问题，就一定能顺利完成对他的各种切削加工。
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