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隨 著汽車工業的發展,安全、節能、環保已經成為汽車產品發展的3大主題,同時也對材料提出了高 強度、輕量化的要求。鈦是一種稀有金屬,其合金具有很高的比強度,很好的耐腐蝕性和高溫力學性能。鈦合金零部件具有自質量輕、減噪、減振、壽命長等特點。 從20世紀80年代開始,發達國家的汽車工業就將鈦合金零部件應用於賽車上,取得了令人滿意的效果。隨著應用技術日漸成熟和低成本鈦合金的開發,鈦合金在 汽車領域的應用也將得到不斷發展。
鈦是1795年發現的,由於冶煉困難,1948年才開始工業生產。我國的鈦資源非常豐富,鈦貯量為世界之冠,發展鈦合金 具有廣闊前景。我國從1958年開始鈦及鈦合金的工業化生產,鈦的應用從航空航天的研究入手,逐漸擴大應用到化工輕工、電力、冶金、製藥、造船、兵器、運 動休閒及建築領域。現在,鈦合金材料正在向汽車工業領域發展。目前,汽車用鈦部件主要包括:
①閥。利用鈦合金製作汽車閥 ,不僅可以減輕自質量,延長使用壽命,而且可靠性高,還可節省燃油。通常,進氣閥使用Ti6 Al4V合金,排氣閥使用Ti6Al2Sn4Zn2Mo合金。
②連桿。用鈦合金製造連桿對減輕發動機自質量最有效,能大大提高發動機性能。連桿所用鈦合金 主要是Ti6Al4V等材料。
③曲軸及其他發動機部件。如搖臂、閥簧和連桿的螺栓等。另外,離合器圓盤、壓力板等變速器零部件都可利用鈦合金製造。採用旋轉成型法製造的鈦合金 離合器外 殼,與鋼製外殼相比,可以大大減輕飛輪的衝擊破壞。1鈦合金材料的性質鈦在固態存在著同素異構體。在882℃產生同素異構轉變,低於882℃時,鈦為密排 六方結構(hcp),稱之為「α-Ti」。這種晶體結構具備各向異性,對間隙元素的污染敏感,在低溫下塑性逐漸降低。高於882℃時,鈦為體心立方結構 (bcc),稱之為「β-Ti」。這種類型的結構具有高的成形性能,在高溫下的蠕變抗力較低 ,並有「塑性—脆性轉變」的特性。
在鈦中加入合金元素,根據其對鈦的同素異構轉變影響的不同 ,鈦合金可分為3類:
①α相鈦合金。α相鈦合金屬於密排六方結構,具有較高的強度和良好韌性 ,在高溫下對氧的污染有較強的抵抗力,但成形性能差。典型的α相鈦合金牌號有TA7(Ti5 Al2郾5Sn);
②β相鈦合金。β相鈦合金屬於體心立方結構,具有較好的成形性。這類合金在成形過程中,易受污染而損壞,使用相對較少;
③(α+β)相 鈦合金。這類合金具有良好的成形性和室溫強度,但熱強性較差。(α+β)相鈦合金可以進行熱處理強化。其典型牌號有TC4 (Ti6Al4V)合金,應用最廣,用量最大。鈦合金的抗拉強度為686～1176MPa, 最高達1764MPa。由於鈦合金的密度僅為鋼的60%,而強度較高,故鈦合金的比強度很大 ,超過鋁、鎂合金和合金鋼。抗壓強度約為抗拉強度的1郾2～2倍;剪切強度一般為抗拉強度的 60%～70%;疲勞強度為抗拉強度的50%～65%。鈦合金(退火處理)硬度為HRC32 ～38。抗拉彈性模量為107800～117600MPa;剪切彈性模量為42140～49 980MPa。在高溫(550℃左右)下,鈦合金仍保持其力學性能;在低溫下,鈦合金強度反而比常溫時增加,且具有良好的韌性。
鈦對氧有極大的親和力,在 含氧的環境中能形成堅固的氧化物保護膜,而且有優異的耐腐蝕性能。由於鈦合金性能的特殊性,使鈦合金的切削加工比較困難。
2鈦合金切削加工性差的原因在一定的切削條件下,對工件材料進行切削加工的難易程度,為工件材料的切削加工性。切削加工性是一個相對性的概念。衡量切削加 工性的指標主要有:
①以刀具耐用度來衡量;②以加工質量來衡量;③以斷屑性能來衡量。鈦合金硬度及強度按α相、(α+β) 相、β相的次序增加,而切削加工性按這個次序下降。鈦合金切削加工性差的原因主要有:(1) 導熱係數小,切削溫度高。鈦合金的熱擴散率分別是鐵、鋁熱擴散率的1/4和1/16。鈦合金的導熱係數比不銹鋼、高溫合金的導熱係數還低,加工時幾乎所有 的熱量都集中在切削刃上,因此 ,切削過程中的切削溫度非常高。
(2)切屑與前刀面的接觸長度短,刀尖應力大。相同切削條件下,鈦合金的切削力雖然比45號鋼小很多,但鈦切屑與前刀面的 接觸面積卻更小,所以,單位切削刃上承受的應力就很大,是鋼的1郾3～1郾5倍。由於刀尖附近應力集中,刀尖或切削刃容易磨損,甚至損傷。
(3)鈦合金的 強度高、硬度大、衝擊韌性大,加工硬化非常嚴重,所以切削時刀具磨損也非常嚴重。工件加工時產生的不良應力,破壞了加工零件的精度。加工時要求加工設備功 率大,刀具應有較高的強度和硬度。
(4)摩擦係數大,摩擦速度高。鈦合金與刀具材料間的摩擦係數大於碳鋼與刀具材料間的摩擦係數。而鈦合金的切屑變形係數 遠比其他金屬材料小,因而鈦合金切屑沿前刀面的摩擦速度高,結果是摩擦功大,摩擦界面溫度高,切削熱集中在刀刃上,易粘結,刀具易磨損、壽命低。
(5)鈦 和鈦合金在高溫時化學活性高,能與空氣中的氫、氧和氮起化學反應,形成脆性層,降低塑性,並且使切屑與前刀面的接觸長度減小,刀具磨損加劇。
(6)彈性模 量小。鈦合金的彈性模量約為鋼的一半,這就意味著在切削加工時鈦合金零件易產生較大的變形,且變形後易回彈,使切削時刀具的實際後角減小,則後刀面與零件 的摩擦將增大。
(7)硬化傾向大,要恢復變形前的塑性,需要進行工序間退火或消除應力;對切口、劃傷以及其他表面缺陷的敏感性高,易產生裂紋、擦傷;對變 形速度敏感,應在低速下進行加工。
(8)塑性變形區小, 常溫下加工困難。3改善鈦合金切削加工性的措施(1)選擇合適的刀具材料。盡可能使用硬質合金刀具,以提高生產率。在硬質合金刀具中,不宜採用YT類硬質 合金,因為這類硬質合金中的鈦合金元素和加工材料中的鈦元素之間的親和力會產生嚴重的粘刀現象。這時切削溫度高,摩擦係數大,因而會加劇刀具磨損。而應采 用與鈦合金親和力小、導熱性能好、強度高的細晶粒YG類硬質合金,這樣切削溫度較低,刀具磨損較小,加工表面粗糙度較小。
通過物理氣相沉積法(PVD) 處理的塗層硬質合金刀具,也越來越多地應用於鈦合金加工中。另外,隨著CBN刀具材料的成熟 ,使用CBN刀具材料加工鈦合金效果也非常好。
(2)盡量在硬化期前加工。鈦合金都有硬化期 ,也就是合金的硬度在熱處理後會急劇上升,接著,它的晶相排列發生變化,強度提高,研磨性提高,加工難度也就增大。因此,我們可以在合金硬度較小的階段進 行加工。典型方法是:在固熔退火條件下,將工件加工到接近最終尺寸,在硬化期後,如果表面精度已達到要求,只需進行最後的精整工序。
(3)選擇合理的刀具 幾何參數,並提高刃磨質量。可採用較小的前角,以增大切屑與前刀面的接觸長度,提高耐用度。後角則可略大些,以減小後刀面與加工表面之間的摩擦。刀尖採用 圓弧刃,刀刃上避免有尖角出現。以增大容熱體積,降低切削溫度。盡量減小刀刃的粗糙度,以保證排屑流暢和避免崩刃。
(4)優化切削用量。切削速度宜低,以 避免切削溫度升高過快。切削深度可選擇大一些,讓刀具上最薄弱的刀尖避開鈦合金表面硬質層。當多次走刀時,在重複走刀的路徑上,使用不同的切削深度,工件 材料表面可以接觸到刀刃上不同部位,從而分散了刀刃磨損的區域。進給量應適中,進給量過大易引起刀刃的燒損。
(5)合理選用切削液,可以有效地減小切削過 程中的摩擦,改善散熱條件,降低切削力、切削溫度和刀具磨損,提高刀具耐用度和切削效率 ,保證已加工表面質量和降低產品的加工成本。鈦合金粗加工時,採用3%～5%乳化液或10% ～15%極壓乳化液;精加工時,採用極壓切削油或極壓水溶液;拉削、攻螺紋和鉸孔時,採用極壓切削油或篦麻油、油酸、硫化油、60%篦麻油加40%煤油; 鑽孔時,採用極壓乳化液或極壓切削油、硫化油、電解切削液。使用切削液時,還要採用合理的冷卻方法和充足的流量。對含氯的極壓切削液應慎重使用(切削溫度 超過260℃時,不宜使用)。在使用含氯的切削液時,使用後應對工件進行充分清洗,以防材料腐蝕。
(6)工藝系統應有足夠的剛度。加工過程中,刀具振動會 影響工件表面精度和刀具壽命,而提高刀具剛度可以減小振動。同時,剛度提高也有利於保證工件嚴格的公差要求。另外,鈦合金的柔韌性相對較大,因此,需要采 取一些特殊措施防止它移動, 比如用特殊工裝夾具。
4結束語鈦的蘊藏量極為豐富,目前除了鐵和鋁以外,鈦以第三金屬的姿態出現,稱之為發展中的第三金屬。鈦雖然投入工業生產和使用較 晚,但發展速度之快,為其他金屬所望塵莫及。隨著鈦合金材料應用技術的日趨完善,鈦合金材料將在汽車工業領域應用越來越廣泛。有資料報道,日本汽車工業用 鈦量2002年為800t,2006年可望達到5000t。我國鈦合金材料應用汽車工業領域雖屬起步階段,但相信隨著鈦合金材料性能的改善和切削加工能力 的提高,鈦合金將取代其他很多結構材料而成為新型汽車的骨幹材料。
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