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作者:木易小子
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Ti在地殼中的豐度為0.56%(質(zhì)量分?jǐn)?shù) , 下同) , 在所有按元素中居第9位 , 而在可作為結(jié)構(gòu)材料的金屬中居第4位 , 僅次于Al、Fe、Mg , 其儲(chǔ)量比常見金屬Cu , Pb , Zn儲(chǔ)量的總和還多 。我國(guó)鈦資源豐富 , 儲(chǔ)量為世界第一 。鈦合金的密度小 , 比強(qiáng)度、比剛度高 , 抗腐蝕性能、高溫力學(xué)性能、抗疲勞和蠕變性能都很好 , 具有優(yōu)良的綜合性能 , 是一種新型的、很有發(fā)展?jié)摿蛻?yīng)用前景的結(jié)構(gòu)材料 。近年來 , 世界鈦工業(yè)和鈦材加工技術(shù)得到了飛速發(fā)展 , 海綿鈦、變形鈦合金和鈦合金加工材的生產(chǎn)和消費(fèi)都達(dá)到了很高的水平 , 在航空航天領(lǐng)域、艦艇及兵器等軍品制造中的應(yīng)用日益廣泛 , 在汽車、化學(xué)和能源等行業(yè)也有著巨大的應(yīng)用潛力 。
一、鈦及鈦合金的特性
鈦及鈦合金具有許多優(yōu)良特性 , 主要體現(xiàn)在如下幾個(gè)方面:
1.強(qiáng)度高 。鈦合金具有很高的強(qiáng)度 , 其抗拉強(qiáng)度為686—1176MPa , 而密度僅為鋼的60%左右 , 所以比強(qiáng)度很高 。
2.硬度較高 。鈦合金(退火態(tài))的硬度HRC為32—38 。
3.彈性模量低 。鈦合金(退火態(tài))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(yōu)良 。在高溫下 , 鈦合金仍能保持良好的機(jī)械性能 , 其耐熱性遠(yuǎn)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(dá)550—600℃;在低溫下 , 鈦合金的強(qiáng)度反而比在常溫時(shí)增加 , 且具有良好的韌性 , 低溫鈦合金在-253℃時(shí)還能保持良好的韌性 。
5.鈦的抗腐蝕性強(qiáng) 。鈦在550℃以下的空氣中 , 表面會(huì)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(zhì)及強(qiáng)堿中 , 其耐蝕性優(yōu)于大多數(shù)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(qiáng)度高、硬度大 , 所以要求加工設(shè)備功率大 , 模具、刀具應(yīng)有較高的強(qiáng)度和硬度 。切削加工時(shí) , 切屑與前刀面接觸面積小 , 刀尖應(yīng)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(yīng)力反而更大 , 刀尖或切削刃容易磨損;鈦合金摩擦因數(shù)大 , 而熱導(dǎo)率低(分別僅為鐵和鋁的1/4和1/16);刀具與切屑的接觸長(zhǎng)度短 , 切削熱積聚于切削刃附近的小面積內(nèi)而不易散發(fā) , 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(zhì)量 。由于鈦合金彈性模量低 , 切削加工時(shí)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(shí)化學(xué)活性很高 , 容易與空氣中的氫、氧等氣體雜質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng) , 生成硬化層 , 同時(shí)進(jìn)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(jié) , 加上很高的切削溫度 , 所以刀具易于產(chǎn)生擴(kuò)散磨損和粘結(jié)磨損 。
2.磨削加工性能 。鈦合金化學(xué)性質(zhì)活潑、在高溫下易與磨料親和并粘附 , 堵塞砂輪 , 導(dǎo)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(shí)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(qū)溫度急劇升高 , 在磨削表面層形成較大的熱應(yīng)力 , 造成工件的局部燒傷 , 產(chǎn)生磨削裂紋 。鈦合金強(qiáng)度高、韌性大 , 使磨削時(shí)磨屑不易分離、磨削力增大、磨削功耗相應(yīng)增加 。鈦合金熱導(dǎo)率低、比熱小、磨削時(shí)熱傳導(dǎo)慢 , 致使熱量積聚在磨削弧區(qū) , 造成磨削區(qū)溫度急劇升高 。
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