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鈦合金材料特性及其磨削特點(diǎn)!

發(fā)布時(shí)間:2022-11-08 11:13:15 丨 瀏覽次數:

  1、鈦合金的分類(lèi)

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

  TC4(Ti-6Al-4V)屬于α+β相結構,屬于用量最大的鈦合金,也是性能數據最全的鈦合金,鋁和釩元素是TC4(Ti-6Al-4V)所含的主要合金元素,鋁是α穩定化元素,釩是β穩定化元素。

  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(gè)方面的因素決定了鈦合金是一種不好加工的金屬。

 ?。?)由于其化學(xué)成分的不穩定。TC4鈦合金在熱變形下就會(huì )與氧氣和氮氣發(fā)生化學(xué)反應,甚至還會(huì )與一些含氧氣體發(fā)生化學(xué)反應,反應就會(huì )產(chǎn)生氧化皮附在工件表面上,如果溫度更高一些,達到900℃以上時(shí),附在工件表面的氧化皮就會(huì )產(chǎn)生鱗片,這樣氧元素和氮元素就很有可能向金屬內部進(jìn)行滲透擴散,最終就會(huì )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)。

 ?。?)滲碳體在金相組織中的表現屬于一種復雜的Fe-C化合物,維氏硬度最高可以達到 HV1100的樣子,而沖擊韌度幾乎沒(méi)有。

 ?。?)導熱性不高:鈦合金的導熱率如果和鋁合金等其他合金來(lái)比較的話(huà)只有鋁合金導的大概1/15,鋼的大概1/5。鈦合金的導溫率和導熱率相比于鋁合金、鋼來(lái)說(shuō),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

  因為鈦合金具有強度高、熱穩定性好、高溫強度高、化學(xué)活性大、熱導率低、彈性模量低等材料特性,所以磨削起來(lái)非常困難,屬于最難加工材料之一,也因為這樣,它的推廣應用范圍非常受限,就是因為鈦合金的磨削加工性能表現很差,磨削加工的時(shí)候存在這樣那樣的難題。

  TC4鈦合金主要磨削特征如下:

 ?。?)砂輪的粘結問(wèn)題嚴重。砂輪表面粘附有鈦合金,粘結表層像煙霧一樣,主要原因是粘附物在磨削過(guò)程中脫落,這樣一來(lái)就導致磨粒也跟著(zhù)破碎而脫落,最終會(huì )嚴重損害砂輪。

 ?。?)磨削力較大,磨削溫度較高。做單顆磨粒磨削試驗時(shí)發(fā)現,在磨削鈦合金時(shí),占比重較大的是滑擦過(guò)程,并且磨粒和工件的接觸時(shí)間非常短暫,在此非常短暫的時(shí)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(shí)磨削溫度最高可達差不多1500℃的樣子。

 ?。?)磨削會(huì )產(chǎn)生層疊狀擠裂切屑,主要原因是變形復雜。多形成帶狀切屑的是用白剛玉砂輪(WA60KV)磨削45鋼時(shí),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(shí)。

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

 ?。?)在鈦合金磨削過(guò)程中,受難以解決的問(wèn)題影響,主要是因為傳入工件中的磨削熱很難導出來(lái),容易讓工件變形、燒傷,甚至出現一些裂紋,因此,工件表面就會(huì )出現不同程度的粗糙。

  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(lái)加工TC4鈦合金的時(shí)候存在一些問(wèn)題,比較嚴重的是粘附現象,由于速度較高,磨削力和溫度都是比較高的,這樣就會(huì )燒傷表面以及產(chǎn)生裂紋。任敬心等人做了一些實(shí)驗研究來(lái)降低加工過(guò)程中出現的這種燒傷和裂紋現象,他們覺(jué)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(shù)脂粘連,而前者采用陶瓷粘連。并且加工參數也要注意,譬如砂輪的速度不宜過(guò)快,實(shí)驗分析不要超過(guò)20米每秒,磨削深度也不能太多,不要超過(guò)0.02個(gè)毫米,工件的移動(dòng)速度也有要求,大概在12-16米沒(méi)分鐘之內,磨削液不僅僅要很好的散熱,還要強調他的潤滑效果,這樣能有效抑制粘結現象的出現,如果是干磨的話(huà),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現象及其抑制措施

  由于在鈦合金在磨削過(guò)程中,一般會(huì )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(huì )在磨削區的鈦合金中出現,磨料和金屬之間經(jīng)過(guò)物理的或者化學(xué)的吸附作用產(chǎn)生粘結效應;造成被磨金屬向磨粒的轉移的原因是剪切力的影響,從而導致砂輪粘結。最后導致磨粒破碎,當磨削力超過(guò)磨粒間結合力的大小時(shí),磨粒和粘結物就會(huì )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)研究中心設計制造的超高速磨削機床上有學(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律。砂輪線(xiàn)速度vs如果增大則單位面積磨削力出現明顯的下降,但工作臺速度vw和磨削深度ap的增大的話(huà)單位面積磨削力則上升。砂輪線(xiàn)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。

    以上便是鈦合金材料特性及其磨削特點(diǎn)介紹!


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