影响钛合金加工性能的原由
影响钛合金加工性能的原由 钛合金是一种20世纪50年代兴起的重要金属结构材料,近年,钛合金正广泛 应用于民用领域,开发出的钛合金产品几乎渗透到现代生活衣食住行各个方面[1]。1常见故障分析在生产中发现,钛合金机械加工表面质量常见故障有过腐 蚀、挂灰、氧化皮未除尽及条纹状花斑几种。
1.1过腐蚀过腐蚀是指酸洗后钛合金表面出现麻坑或凹凸不平等缺陷,和材 料组织显露有所区别。一般导致过腐蚀缺陷的原因是氢氟酸和硝酸的比例失调, 氢氟酸浓度过高或者硝酸浓度不足均可导致该缺陷出现,另一个原因就是酸洗时 间过长,一般酸洗t为1min～4min,可以根据操作现场调整工艺参数,适当缩短酸洗 时间。
1.2挂灰挂灰是指酸洗后钛合金表面附着的氧化物,酸洗时由于钛合金和酸 液进行化学反应,产生的氧化物积累在表面,阻止了反应的进一步发生。挂灰的缺 陷一般是由酸洗时挂灰沉积过多和酸洗后冲洗不够。酸洗时应不断晃动零件,使 反应后的产物从钛合金表面脱落,酸洗后应加强喷淋或冲洗的办法去除挂灰。国 内一般采取压缩空气和自来水混合的高速水流冲洗零件,效果良好。
1.3氧化皮未除尽导致该缺陷的原因比较多,各个工序均有可能。有可能除 油不良,或者熔融盐处理时间不够,或者酸洗溶液失效。出现该缺陷时,应该逐一排 除各种可能因素,在必要的时候,可以在前处理增加喷砂工序。
1.4条纹状花斑导致该缺陷的原因一般是由于反应不均匀造成的。可以通 过酸洗时晃动零件和降低酸洗液温度来排除。除了以上几种缺陷,有时还会发现 酸洗后检验合格的产品,经过一段时间后,表面出现花斑的现象。对于此种现象, 现在研究比较少,可能是由于酸洗后表面有残留酸液或后续生产带入的腐蚀性介 质存在,在应力的共同作用下产生的,在微观检测下与一般腐蚀形态有所区别,一 般来说不影响其使用性能,可通过再次酸洗的方法去除,但是受力件要加强二次酸 洗后的除氢处理。
2影响钛合金机械加工性能的因素 导热系数、弹性模量、化学活性及合金类型和显微组织是影响钛合金机械 加工性能的主要因素。钛合金的导热系数小,约为铁的1/3,机械加工时产生的热量很难通过工件释放;同时由于钛合金比热小,加工时局部温度上升快,因此,容易造 成刀具温度很高,使刀尖急剧磨损,使用寿命降低。实验证明,切削钛合金的刀具前 端温度比切削钢的温度高2～3倍。钛合金弹性模量低,使已加工表面容易产生回 弹,特别是薄壁零件的加工回弹更为严重,易引起后刀面与已加工表面产生强烈摩 擦,从而磨损刀具和崩刃。钛合金化学活性很强,高温下极易与氧、氢、氮发生作 用,使其硬度增加,塑性下降,在加热和锻造过程中形成的富氧层的机械加工困难。
钛合金的合金成分不同,其加工性能也不一样,在退火状态下,α型钛合金机械加工 性能较好;α+β型钛合金次之;β型钛合金强度高,淬透性好,但机械加工性能最差。
鉴于上述情况,为了进行钛合金高效率、高精度的机械加工,应采取相应的措施, 避免加工中缺陷的产生。
3钛合金各种机械加工的研究 钛合金机械加工的方法很多,主要包括:车削、铣削、镗孔、钻削、磨削、 攻丝、锯削、电火花加工等。
3.1钛合金的车削加工及镗孔车削钛合金的主要问题是:切削温度高;刀具 磨损较严重;切削回弹大。在合适的机械加工条件下,车削和镗孔并不是特别困难 的工序[2]。对于连续切削、大批量生产或金属去除量大的切削,一般都采用硬质 合金刀具;当进行成型切削、车槽或切断时,适合用调整钢刀具,金属陶瓷刀具也得 到应用。同其他机械加工操作一样,始终采用恒定的强制进刀,可以避免切削中断。
切削过程中不要停止或减速。一般不要进行切削,而应进行充分冷却;冷却剂可采 用5%硝酸钠水溶液或1/20可溶性油乳状水溶液。锻造前,车削原始棒料表面富氧 层采用硬质合金刀具,其切削深度应大于富氧层厚度,切削速度为20～30m/min,进 给量为0.1～0.2mm/r。镗削是精加工,特别是对薄壁钛合金产品在镗削加工中,应 防止烧伤和零件装夹变形。
3.2钛合金的钻削加工钻削钛合金时容易生成长而薄的卷曲切屑,同时钻削 热量大,容易使切屑过分堆积或粘附在钻削刃上,这是造成钻削钛合金困难的主要 原因。钻孔要采用短而锋利的钻头和低速强制进给,支撑支架要紧固,并要给以重 复充分冷却,尤其是深孔钻削。钻削过程中钻头在孔内应保持钻削状态而不允许 在钻孔内空转,并应保持低而恒速的钻削速度[3]。钻通孔要仔细,当快要钻通时, 为了清理钻头和钻孔,及去除钻屑,最好退回钻头,最终破孔时采用强制进给,这样 可以获得光滑的孔。
3.3钛合金的攻丝钛合金的攻丝可能是最困难的机械加工工序。攻丝时,钛屑排除受限制及严重的咬合倾向将导致螺纹配合不好,致使丝锥卡住或断裂。在 攻丝完成时,钛合金倾向于紧缩在丝锥上。因此,应尽量避免加工盲孔或过长的通 孔,以防止内螺纹表面粗糙度变大或断锥现象的产生。同时,在攻丝方法上要不断 改进,如可以磨去丝锥后缘,沿齿刃长度在齿顶磨制轴向的排屑沟等。另一方面采 用表面经过氧化、氧化或镀铬处理的丝锥,以降低咬合及磨损。
3.4钛合金的锯割加工锯割钛合金时,要采用低的表面速度和连续强制进料。
实验证明,齿距为4.2mm～8.5mm的粗齿高速钢锯条适用于锯钛合金。若用带锯锯 钛合金,其锯条齿距由工件厚度决定,一般为2.5mm～25.4mm,材料厚度愈厚,齿距 愈大。同时必须保持强制进料能力和所需的冷却剂。
3.5钛合金的电火花加工钛合金的电火花加工要求工具与工件间有一个操 作间隙。间隙范围最好取在0.005mm～0.4mm,较小的间隙常用于要求表面光滑的 精加工,较大间隙则用于要求迅速去除金属的粗加工。电极材料最好选用铜和锌。
通过上述分析与研究,得出了钛合金机械加工表面质量的故障原因,并对加工过程 中的多种方法进行分析,从而为解决钛合金机械加工表面质量问题找出了切实可 行的办法。