鈦合金材料特性及其磨削特點(diǎn)

肖鵬

摘 要：本文就鈦合金的各種類型進(jìn)行了說明，并介紹了各類鈦合金的加工工藝特性，同時，也總結(jié)分析了磨削特性和加工難點(diǎn)，針對磨削難點(diǎn)如燒傷、砂輪粘附等的解決方法以及一種高效磨削的可能。

關(guān)鍵詞：鈦合金；特性；加工工藝

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2015.24.023

1 鈦合金的分類

麥克格維倫在1956年，以退火態(tài)的差異對鈦合金進(jìn)行了嚴(yán)格的區(qū)分，劃定了不同的類型，主要劃分為三類：α、β和α+β等三類鈦合金。

TC4（Ti-6Al-4V）屬于α+β相結(jié)構(gòu)，屬于用量最大的鈦合金，也是性能數(shù)據(jù)最全的鈦合金，鋁和釩元素是TC4（Ti-6Al-4V）所含的主要合金元素，鋁是α穩(wěn)定化元素，釩是β穩(wěn)定化元素。

2 加工工藝特性

TC4鈦合金加工難度非常大，鈦及鈦合金的綜合工藝在結(jié)晶組織、物理特性和化學(xué)特性等方面，與鋼、鋁合金以及很多重金屬有很大的不同，以下三個方面的因素決定了鈦合金是一種不好加工的金屬。

（1）由于其化學(xué)成分的不穩(wěn)定。TC4鈦合金在熱變形下就會與氧氣和氮?dú)獍l(fā)生化學(xué)反應(yīng)，甚至還會與一些含氧氣體發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，反應(yīng)就會產(chǎn)生氧化皮附在工件表面上，如果溫度更高一些，達(dá)到900℃以上時，附在工件表面的氧化皮就會產(chǎn)生鱗片，這樣氧元素和氮元素就很有可能向金屬內(nèi)部進(jìn)行滲透擴(kuò)散，最終就會形成表面吸氣層。硬度較高、塑性較低是這種吸氣層的特點(diǎn)。

（2）滲碳體在金相組織中的表現(xiàn)屬于一種復(fù)雜的Fe-C化合物，維氏硬度最高可以達(dá)到 HV1100的樣子，而沖擊韌度幾乎沒有。

（3）導(dǎo)熱性不高：鈦合金的導(dǎo)熱率如果和鋁合金等其他合金來比較的話只有鋁合金導(dǎo)的大概1/15，鋼的大概1/5。鈦合金的導(dǎo)溫率和導(dǎo)熱率相比于鋁合金、鋼來說，低很多，都只有鋁合金的大概1/15，鋼的大概2/7，對一些鈦合金零件表面加工質(zhì)量的影響是比較大的。

3 磨削特性

因?yàn)殁伜辖鹁哂袕?qiáng)度高、熱穩(wěn)定性好、高溫強(qiáng)度高、化學(xué)活性大、熱導(dǎo)率低、彈性模量低等材料特性，所以磨削起來非常困難，屬于最難加工材料之一，也因?yàn)檫@樣，它的推廣應(yīng)用范圍非常受限，就是因?yàn)殁伜辖鸬哪ハ骷庸ば阅鼙憩F(xiàn)很差，磨削加工的時候存在這樣那樣的難題。

TC4鈦合金主要磨削特征如下：

（1）砂輪的粘結(jié)問題嚴(yán)重。砂輪表面粘附有鈦合金，粘結(jié)表層像煙霧一樣，主要原因是粘附物在磨削過程中脫落，這樣一來就導(dǎo)致磨粒也跟著破碎而脫落，最終會嚴(yán)重?fù)p害砂輪。

（2）磨削力較大，磨削溫度較高。做單顆磨粒磨削試驗(yàn)時發(fā)現(xiàn)，在磨削鈦合金時，占比重較大的是滑擦過程，并且磨粒和工件的接觸時間非常短暫，在此非常短暫的時間里面產(chǎn)生劇烈摩擦以及劇烈的彈性和塑性變形，然后鈦合金才被磨去成為切屑，從而產(chǎn)生很大的磨削熱，這時磨削溫度最高可達(dá)差不多1500℃的樣子。

（3）磨削會產(chǎn)生層疊狀擠裂切屑，主要原因是變形復(fù)雜。多形成帶狀切屑的是用白剛玉砂輪（WA60KV）磨削45鋼時，多形成層疊狀擠裂切屑的則是用綠色碳化硅砂輪（GC46KV）磨削鈦合金時。

（4）在高溫條件下，TC4鈦合金化學(xué)活性表現(xiàn)得相當(dāng)活躍，易與空氣中的氧、氮、氫等元素結(jié)合發(fā)生劇烈的反應(yīng)，形成二氧化鈦、氮化鈦、氫化鈦等這樣的脆硬變質(zhì)層，從而導(dǎo)致TC4的塑性降低。

（5）在鈦合金磨削過程中，受難以解決的問題影響，主要是因?yàn)閭魅牍ぜ械哪ハ鳠岷茈y導(dǎo)出來，容易讓工件變形、燒傷，甚至出現(xiàn)一些裂紋，因此，工件表面就會出現(xiàn)不同程度的粗糙。

4 磨削技術(shù)革新

4.1 抑制措施解決磨削燒傷和裂紋

在用砂輪來加工TC4鈦合金的時候存在一些問題，比較嚴(yán)重的是粘附現(xiàn)象，由于速度較高，磨削力和溫度都是比較高的，這樣就會燒傷表面以及產(chǎn)生裂紋。任敬心等人做了一些實(shí)驗(yàn)研究來降低加工過程中出現(xiàn)的這種燒傷和裂紋現(xiàn)象，他們覺得可以用軟一些的砂輪，比如不采用剛玉砂輪，而采用碳化硅或鈰碳化硅砂輪，剛玉砂輪用樹脂粘連，而前者采用陶瓷粘連。并且加工參數(shù)也要注意，譬如砂輪的速度不宜過快，實(shí)驗(yàn)分析不要超過20米每秒，磨削深度也不能太多，不要超過0.02個毫米，工件的移動速度也有要求，大概在12-16米沒分鐘之內(nèi)，磨削液不僅僅要很好的散熱，還要強(qiáng)調(diào)他的潤滑效果，這樣能有效抑制粘結(jié)現(xiàn)象的出現(xiàn)，如果是干磨的話，那潤滑劑可以采用固態(tài)潤滑劑浸滲的砂輪。

4.2 鈦合金磨削中砂輪粘結(jié)現(xiàn)象及其抑制措施

由于在鈦合金在磨削過程中，一般會存在較高的磨削溫度和較大的法向力，這樣劇烈塑性變形就會在磨削區(qū)的鈦合金中出現(xiàn)，磨料和金屬之間經(jīng)過物理的或者化學(xué)的吸附作用產(chǎn)生粘結(jié)效應(yīng)；造成被磨金屬向磨粒的轉(zhuǎn)移的原因是剪切力的影響，從而導(dǎo)致砂輪粘結(jié)。最后導(dǎo)致磨粒破碎，當(dāng)磨削力超過磨粒間結(jié)合力的大小時，磨粒和粘結(jié)物就會從砂輪上剝離。

4.3 高速高效磨削

湖南大學(xué)國家高效磨削工程技術(shù)研究中心設(shè)計(jì)制造的超高速磨削機(jī)床上有學(xué)者對TC4鈦合金材料進(jìn)行了高速高效磨削。研究中分析了單位面積磨削力及比磨削能受磨削用量的影響規(guī)律。砂輪線速度vs如果增大則單位面積磨削力出現(xiàn)明顯的下降，但工作臺速度vw和磨削深度ap的增大的話單位面積磨削力則上升。砂輪線速度vs如果增則比磨削能上升，但是如果工作臺速度vw以及磨削深度ap增大則比磨削能下降。

參考文獻(xiàn)：

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[2]任敬心，康仁科，史興寬.難加工材料的磨削[M].北京：國防工業(yè)出版社，1999.endprint