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随 着汽车工业的发展,安全、节能、环保已经成为汽车产品发展的3大主题,同时也对材料提出了高 强度、轻量化的要求。钛是一种稀有金属,其合金具有很高的比强度,很好的耐腐蚀性和高温力学性能。钛合金零部件具有自质量轻、减噪、减振、寿命长等特点。 从20世纪80年代开始,发达国家的汽车工业就将钛合金零部件应用于赛车上,取得了令人满意的效果。随着应用技术日渐成熟和低成本钛合金的开发,钛合金在 汽车领域的应用也将得到不断发展。钛是1795年发现的,由于冶炼困难,1948年才开始工业生产。我国的钛资源非常丰富,钛贮量为世界之冠,发展钛合金 具有广阔前景。我国从1958年开始钛及钛合金的工业化生产,钛的应用从航空航天的研究入手,逐渐扩大应用到化工轻工、电力、冶金、制药、造船、兵器、运 动休闲及建筑领域。现在,钛合金材料正在向汽车工业领域发展。目前,汽车用钛部件主要包括:①阀。利用钛合金制作汽车阀 ,不仅可以减轻自质量,延长使用寿命,而且可靠性高,还可节省燃油。通常,进气阀使用Ti6 Al4V合金,排气阀使用Ti6Al2Sn4Zn2Mo合金。②连杆。用钛合金制造连杆对减轻发动机自质量最有效,能大大提高发动机性能。连杆所用钛合金 主要是Ti6Al4V等材料。 ③曲轴及其他发动机部件。如摇臂、阀簧和连杆的螺栓等。另外,离合器圆盘、压力板等变速器零部件都可利用钛合金制造。采用旋转成型法制造的钛合金离合器外 壳,与钢制外壳相比,可以大大减轻飞轮的冲击破坏。1钛合金材料的性质钛在固态存在着同素异构体。在882℃产生同素异构转变,低于882℃时,钛为密排 六方结构(hcp),称之为“α-Ti”。这种晶体结构具备各向异性,对间隙元素的污染敏感,在低温下塑性逐渐降低。高于882℃时,钛为体心立方结构 (bcc),称之为“β-Ti”。这种类型的结构具有高的成形性能,在高温下的蠕变抗力较低 ,并有“塑性—脆性转变”的特性。在钛中加入合金元素,根据其对钛的同素异构转变影响的不同 ,钛合金可分为3类:①α相钛合金。α相钛合金属于密排六方结构,具有较高的强度和良好韧性 ,在高温下对氧的污染有较强的抵抗力,但成形性能差。典型的α相钛合金牌号有TA7(Ti5 Al2郾5Sn);②β相钛合金。β相钛合金属于体心立方结构,具有较好的成形性。这类合金在成形过程中,易受污染而损坏,使用相对较少;③(α+β)相 钛合金。这类合金具有良好的成形性和室温强度,但热强性较差。(α+β)相钛合金可以进行热处理强化。其典型牌号有TC4 (Ti6Al4V)合金,应用最广,用量最大。钛合金的抗拉强度为686～1176MPa, 最高达1764MPa。由于钛合金的密度仅为钢的60%,而强度较高,故钛合金的比强度很大 ,超过铝、镁合金和合金钢。抗压强度约为抗拉强度的1郾2～2倍;剪切强度一般为抗拉强度的 60%～70%;疲劳强度为抗拉强度的50%～65%。钛合金(退火处理)硬度为HRC32 ～38。抗拉弹性模量为107800～117600MPa;剪切弹性模量为42140～49 980MPa。在高温(550℃左右)下,钛合金仍保持其力学性能;在低温下,钛合金强度反而比常温时增加,且具有良好的韧性。钛对氧有极大的亲和力,在 含氧的环境中能形成坚固的氧化物保护膜,而且有优异的耐腐蚀性能。由于钛合金性能的特殊性,使钛合金的切削加工比较困难。 2钛合金切削加工性差的原因在一定的切削条件下,对工件材料进行切削加工的难易程度,为工件材料的切削加工性。切削加工性是一个相对性的概念。衡量切削加 工性的指标主要有:①以刀具耐用度来衡量;②以加工质量来衡量;③以断屑性能来衡量。钛合金硬度及强度按α相、(α+β) 相、β相的次序增加,而切削加工性按这个次序下降。钛合金切削加工性差的原因主要有:(1) 导热系数小,切削温度高。钛合金的热扩散率分别是铁、铝热扩散率的1/4和1/16。钛合金的导热系数比不锈钢、高温合金的导热系数还低,加工时几乎所有 的热量都集中在切削刃上,因此 ,切削过程中的切削温度非常高。(2)切屑与前刀面的接触长度短,刀尖应力大。相同切削条件下,钛合金的切削力虽然比45号钢小很多,但钛切屑与前刀面的 接触面积却更小,所以,单位切削刃上承受的应力就很大,是钢的1郾3～1郾5倍。由于刀尖附近应力集中,刀尖或切削刃容易磨损,甚至损伤。(3)钛合金的 强度高、硬度大、冲击韧性大,加工硬化非常严重,所以切削时刀具磨损也非常严重。工件加工时产生的不良应力,破坏了加工零件的精度。加工时要求加工设备功 率大,刀具应有较高的强度和硬度。(4)摩擦系数大,摩擦速度高。钛合金与刀具材料间的摩擦系数大于碳钢与刀具材料间的摩擦系数。而钛合金的切屑变形系数 远比其他金属材料小,因而钛合金切屑沿前刀面的摩擦速度高,结果是摩擦功大,摩擦界面温度高,切削热集中在刀刃上,易粘结,刀具易磨损、寿命低。(5)钛 和钛合金在高温时化学活性高,能与空气中的氢、氧和氮起化学反应,形成脆性层,降低塑性,并且使切屑与前刀面的接触长度减小,刀具磨损加剧。(6)弹性模 量小。钛合金的弹性模量约为钢的一半,这就意味着在切削加工时钛合金零件易产生较大的变形,且变形后易回弹,使切削时刀具的实际后角减小,则后刀面与零件 的摩擦将增大。(7)硬化倾向大,要恢复变形前的塑性,需要进行工序间退火或消除应力;对切口、划伤以及其他表面缺陷的敏感性高,易产生裂纹、擦伤;对变 形速度敏感,应在低速下进行加工。(8)塑性变形区小, 常温下加工困难。3改善钛合金切削加工性的措施(1)选择合适的刀具材料。尽可能使用硬质合金刀具,以提高生产率。在硬质合金刀具中,不宜采用YT类硬质 合金,因为这类硬质合金中的钛合金元素和加工材料中的钛元素之间的亲和力会产生严重的粘刀现象。这时切削温度高,摩擦系数大,因而会加剧刀具磨损。而应采 用与钛合金亲和力小、导热性能好、强度高的细晶粒YG类硬质合金,这样切削温度较低,刀具磨损较小,加工表面粗糙度较小。通过物理气相沉积法(PVD) 处理的涂层硬质合金刀具,也越来越多地应用于钛合金加工中。另外,随着CBN刀具材料的成熟 ,使用CBN刀具材料加工钛合金效果也非常好。(2)尽量在硬化期前加工。钛合金都有硬化期 ,也就是合金的硬度在热处理后会急剧上升,接着,它的晶相排列发生变化,强度提高,研磨性提高,加工难度也就增大。因此,我们可以在合金硬度较小的阶段进 行加工。典型方法是:在固熔退火条件下,将工件加工到接近最终尺寸,在硬化期后,如果表面精度已达到要求,只需进行最后的精整工序。(3)选择合理的刀具 几何参数,并提高刃磨质量。可采用较小的前角,以增大切屑与前刀面的接触长度,提高耐用度。后角则可略大些,以减小后刀面与加工表面之间的摩擦。刀尖采用 圆弧刃,刀刃上避免有尖角出现。以增大容热体积,降低切削温度。尽量减小刀刃的粗糙度,以保证排屑流畅和避免崩刃。(4)优化切削用量。切削速度宜低,以 避免切削温度升高过快。切削深度可选择大一些,让刀具上最薄弱的刀尖避开钛合金表面硬质层。当多次走刀时,在重复走刀的路径上,使用不同的切削深度,工件 材料表面可以接触到刀刃上不同部位,从而分散了刀刃磨损的区域。进给量应适中,进给量过大易引起刀刃的烧损。(5)合理选用切削液,可以有效地减小切削过 程中的摩擦,改善散热条件,降低切削力、切削温度和刀具磨损,提高刀具耐用度和切削效率 ,保证已加工表面质量和降低产品的加工成本。钛合金粗加工时,采用3%～5%乳化液或10% ～15%极压乳化液;精加工时,采用极压切削油或极压水溶液;拉削、攻螺纹和铰孔时,采用极压切削油或篦麻油、油酸、硫化油、60%篦麻油加40%煤油; 钻孔时,采用极压乳化液或极压切削油、硫化油、电解切削液。使用切削液时,还要采用合理的冷却方法和充足的流量。对含氯的极压切削液应慎重使用(切削温度 超过260℃时,不宜使用)。在使用含氯的切削液时,使用后应对工件进行充分清洗,以防材料腐蚀。(6)工艺系统应有足够的刚度。加工过程中,刀具振动会 影响工件表面精度和刀具寿命,而提高刀具刚度可以减小振动。同时,刚度提高也有利于保证工件严格的公差要求。另外,钛合金的柔韧性相对较大,因此,需要采 取一些特殊措施防止它移动, 比如用特殊工装夹具。4结束语钛的蕴藏量极为丰富,目前除了铁和铝以外,钛以第三金属的姿态出现,称之为发展中的第三金属。钛虽然投入工业生产和使用较 晚,但发展速度之快,为其他金属所望尘莫及。随着钛合金材料应用技术的日趋完善,钛合金材料将在汽车工业领域应用越来越广泛。有资料报道,日本汽车工业用 钛量2002年为800t,2006年可望达到5000t。我国钛合金材料应用汽车工业领域虽属起步阶段,但相信随着钛合金材料性能的改善和切削加工能力 的提高,钛合金将取代其他很多结构材料而成为新型汽车的骨干材料。
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