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鈦及鈦合金的材料特性和加工性能

來源:鈦棒,鈦板,鈦管,鈦絲,鈦設備 發布時間:2012-8-29 11:06:02

一、及鈦合金的特性 
  鈦及鈦合金具有許多優良特性,主要體現在如下幾個方面: 
  1.強度高。鈦合金具有很高的強度,其抗拉強度為686—1176MPa,而密度僅為鋼的60%左右,所以比強度很高。 

   2.硬度較高。鈦合金(退火態)的硬度HRC為32—38。  
   3.彈性模量低。鈦合金(退火態)的彈性模量為1.078×10-1.176×10MPa,約為鋼和不銹鋼的一半。  
   4.高溫和低溫性能優良。在高溫下,鈦合金仍能保持良好的機械性能,其耐熱性遠高于鋁合金,且工作溫度范圍較寬,目前新型耐熱鈦合金的工作溫度可達550—600℃;在低溫下,鈦合金的強度反而比在常溫時增加,且具有良好的韌性,低溫鈦合金在-253℃時還能保持良好的韌性。  
   5.鈦的抗腐蝕性強。鈦在550℃以下的空氣中,表面會迅速形成薄而致密的氧化鈦膜,故在大氣、海水、硝酸和硫酸等氧化性介質及強堿中,其耐蝕性優于大多數不銹鋼。 
  二、鈦及鈦合金的加工性能 
  1.切削加工性能 
  鈦合金強度高、硬度大,所以要求加工設備功率大,模具、刀具應有較高的強度和硬度。切削加工時,切屑與前刀面接觸面積小,刀尖應力大。與45鋼相比,鈦合金的切削力雖然只有其2/3—3/4,可是切屑與前刀面的接觸面積卻更小(只有45鋼的1/2—2/3),所以刀具切削刃承受的應力反而更大,刀尖或切削刃容易磨損;鈦合金摩擦因數大,而熱導率低(分別僅為鐵和鋁的1/4和1/16);刀具與切屑的接觸長度短,切削熱積聚于切削刃附近的小面積內而不易散發,這些因素使得鈦合金的切削溫度很高,造成刀具磨損加快并影響加工質量。由于鈦合金彈性模量低,切削加工時工件回彈大,容易造成刀具后刀面磨損的加劇和工件變形;鈦合金高溫時化學活性很高,容易與空氣中的氫、氧等氣體雜質發生化學反應,生成硬化層,同時進一步加劇了刀具的磨損;鈦合金切削加工中,工件材料極易與刀具表面粘結,加上很高的切削溫度,所以刀具易于產生擴散磨損和粘結磨損。 
  2.磨削加工性能 
  鈦合金化學性質活潑、在高溫下易與磨料親和并粘附,堵塞砂輪,導致砂輪磨損加劇,磨削性能降低,磨削精度不易保證。砂輪磨損同時也增大了砂輪與工件之間的接觸面積,致使散熱條件惡化,磨削區溫度急劇升高,在磨削表面層形成較大的熱應力,造成工件的局部燒傷,產生磨削裂紋。鈦合金強度高、韌性大,使磨削時磨屑不易分離、磨削力增大、磨削功耗相應增加。鈦合金熱導率低、比熱小、磨削時熱傳導慢,致使熱量積聚在磨削弧區,造成磨削區溫度急劇升高。
  3.擠壓加工性能 
  對鈦及鈦合金進行擠壓加工時,要求擠壓溫度高,擠壓速度快,以防溫降過快,同時應盡量縮短高\溫坯錠與模具的接觸時間。因此擠壓模具應選用新型耐熱模具材料,坯錠由加熱爐到擠壓筒的輸送速度也要快。鑒于在加熱和擠壓過程中金屬易被氣體污染,故還應采用適當的保護措施。擠壓時應選擇合適的潤滑劑,以防粘結模具,如采用包套擠壓和玻璃潤滑擠壓。因鈦及鈦合金的變形熱效應較大,導熱性較差,故在擠壓變形時還要特別注意防止過熱現象。鈦合金的擠壓過程比鋁合金、銅合金、甚至鋼的擠壓過程更為復雜,這是由鈦合金特殊物理化學性能所決定的。鈦合金在常規熱反擠成形時,模具溫度低,與模具接觸的坯料表面溫度迅速下降,而坯料內部因變形熱而溫度升高。由于鈦合金熱導率低,表層溫度下降后,內層坯料熱量不能及時傳輸到表層補充,會出現表面硬化層,而使得變形難以繼續進行。同時,表層與內層會產生很大的溫度梯度,即使能成形,也容易造成變形和組織不均勻。 
  4.鍛壓加工性能 
  鈦合金對鍛造工藝參數非常敏感,鍛造溫度、變形量、變形及冷卻速度的改變都會引起鈦合金組織性能的變化。為更好地控制鍛件的組織性能,近幾年,熱模鍛造、等溫鍛造等先進的鍛造技術在鈦合金的鍛造生產中得到了廣泛應用。 
  鈦合金的塑性隨溫度升高而增大,在1000—1200℃溫度范圍內,塑性達到最大值,允許變形程度達70%—80%。鈦合金鍛造溫度范圍較窄,應嚴格按(α+β)/β轉變溫度進行掌握(鑄錠開坯除外),否則β晶粒會劇烈長大,降低室溫塑性;α鈦合金通常在(α+β)兩相區鍛造,因(α+β)/β相變線以上鍛造溫度過高,將導致β脆相,β鈦合金其始鍛和終鍛都必須高于(α+β)/β轉變溫度。鈦合金的變形抗力隨變形速度的增加提高較快,鍛造溫度對鈦合金變形抗力影響更大,因此常規鍛造必須在鍛模內冷卻最少的情況下完成。間隙元素(如O、N、C)的含量對
鈦合金的鍛造性也有顯著影響。

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