CN102605212A

CN102605212A - 一种易切削钛合金及其制备方法

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Publication number: CN102605212A
Application number: CN2012100868034A
Authority: CN
Inventors: 宋西平; 赵超; 陈宁
Original assignee: University of Science and Technology Beijing USTB
Current assignee: University of Science and Technology Beijing USTB
Priority date: 2012-03-29
Filing date: 2012-03-29
Publication date: 2012-07-25

Abstract

本发明属于金属材料领域，涉及通过合金化的方法以获得一种切削性能优异的易切削钛合金，以及这种合金的制备方法。易切削钛合金为 含有 3%~15% 质量百分数的 Cu ，或含有 3%~15% 质量百分数的 Cu 以及 5%~15% 质量百分数的 Cr ，余量为 Ti 的钛基合金，其他杂质元素的合计质量百分数为 0.1% 以下。其制备特征为将 Ti 、 Cu 、 Cr 粉末原料按配比均匀混合，压坯后在真空下烧结制成，其中， 烧结温度 800~1100 ℃，烧结时间 1~3h ，真空度≤ 10 ^-1 Pa 。本发明的易切削钛合金具有强度高、弹性模量低、切削加工性优良的综合性能，十分适合于医用植入材料、汽车零件以及民用轻工业产品如钛手表、钛装饰品等。

Description

一种易切削钛合金及其制备方法

技术领域

本发明属于金属材料领域，涉及一种易切削钛合金及其制备方法。本发明所述的易切削钛合金通过合金化来提高其切削性能，提供一种具有高强度、低弹性模量，并同时具有优异的切削加工性能的钛合金，十分适合于医用植入材料、汽车零件以及民用轻工业产品如钛手表、钛装饰品等。

背景技术

钛是一种新兴金属，具有密度小、强度高、耐蚀性好及比强度高等优点，在航空航天、船舶、海水发电、化工冶金、汽车及生物医学等领域具有广泛的应用。目前世界各国均投入大量的人力和物力用于钛及其合金的研发。在钛合金的成型加工方面，由于钛及钛合金的切削加工性能较差，不仅导致其加工成本过高，而且导致其加工精度无法保证，限制了钛及其合金的商业化应用。因此，如何提高钛合金的切削加工性是钛制部件应用过程中亟待解决的问题。

从刀具耐用度、加工表面质量和精度以及切屑的可控性等方面来衡量材料的切削加工性，钛及钛合金属于难加工的材料。钛合金切削加工性较差的原因主要有如下几点：1. 热导率低，导致切削温度高；2. 化学活性高，在高温下易与刀具发生化学反应或扩散作用产生粘附；3. 弹性模量小，屈强比大，影响加工精度，减少刀具寿命。就钛合金而言，又以β型的切削加工性最差，（α+β）型次之，α型的切削加工性最好。

目前，解决钛及钛合金加工过程中面临的问题主要是从两个方面来入手：其一，开发高性能的刀具材料和切削液，改善加工条件；其二，通过合金化，调整钛合金内部组织以达到改善钛合金切削加工性的目的。其中就某些应用领域而言，合金化是提高其切削加工性能的唯一选择。这方面也有研究表明，文献1（U.S. Pat. No. 4810465，1989）是通过在钛或钛合金中添加S、Se、Te、Ca、REM等元素中的一种或多种来提高钛合金的加工性能，其中REM为Sc、Y或La系稀土元素。添加的元素在钛合金中可以形成夹杂物，这些夹杂物显著提高了钛合金的加工性能，尽管在另一方面降低了钛合金的力学性能。文献2（U.S. Pat. No. 5156807，1992）报道，通过在钛或钛合金中添加一定比例的P、S、Ni、REM等元素，可以有效地提高钛和钛合金的加工性能，而对其他性能的影响较小。此外，文献3（Kolachev B A, Egorova Yu B, Mamonov. Influence of hydrogen on cutting the titanium alloys. Tyazheloe Mashinostroenie, 2005, vol. 11, P33-36.）提出了一种热氢处理工艺（Thermo hydrogen treatment，THT），该工艺是利用氢在钛合金中的可逆吸放特性，把氢作为临时合金化元素，通过氢的可逆合金化和氢致相变等作用来提高钛合金的加工性能。据报道，热氢处理技术在改善钛合金机械加工性能方面能起到良好的效果：钛合金的切削加工温度可降低50~150℃，切削力可降低23%~33%，工具寿命可提高2~10倍。但是对于大尺寸制件而言，一方面渗氢工序时间较长，氢气损耗较大，增加了工艺成本，另一方面真空脱氢过程则耗时太长，降低了加工效率。

发明内容

本发明的目的在于提供一种切削性能优良，同时具有高强度的易切削钛合金，其切削加工容易，切削表面质量高，尤其在钛合金孔加工方面，改善了其钻孔性，使得入钻容易，并且孔壁光亮，尺寸精度高。

本发明的具体内容如下：

本发明易切削钛合金的组成为：含有3%~15%质量百分数的Cu，余量为Ti的钛基合金，其中，其它杂质元素的合计质量百分数为0.1%以下；或含有3%~15%质量百分数的Cu，5%~15%质量百分数的Cr，余量为Ti的钛基合金，其中，其它杂质元素的合计质量百分数为0.1%以下。

上述易切削钛合金的制备方法为：将钛合金粉末原料按质量百分数3%~15%的Cu，余量为Ti或3%~15%的Cu，5%~15%的Cr，余量为Ti的配比混合均匀，压坯后在真空下烧结，随后自然冷却。其所述的压坯压力为500~900MPa，烧结温度为800~1100℃，真空度≤10^-1Pa，烧结时间为1~3h。

所发明的易切削钛合金在研究过程中还具有以下特征：

（1）当在钛或钛合金中仅添加Cu元素时，合金的物相组成为α-Ti和Ti₂Cu，显微组织为层片状，强度很高，并且具有优异的切削加工性。其切削加工性能的提高主要是因为在钛合金中添加了具有高热导率的Cu，并且合金中形成了脆性Ti₂Cu相，该相易于进行切削加工。此外，合金的强度随Cu含量的增加表现出先增大后减小的趋势，这主要是由于随着Cu含量的增加，Ti₂Cu 相含量增加，当其含量较少时，可以起到弥散强化的作用，而含量较多时，其脆性将对合金强度产生不利影响，并且Ti₂Cu 的熔点较低，在990℃时即可熔化。

（2）当在钛或钛合金中同时添加Cr和Cu元素时，合金的物相组成为α-Ti、Ti₄Cr和Ti₂Cu，显微组织为典型的网篮状组织，强度很高，并且具有优异的切削加工性能。其切削加工性能的提高仍与合金中添加高热导率的Cu和所形成的脆性Ti₂Cu相有关。此外，由于该合金中溶入了β稳定元素（Cr 和Cu），因此在易切削的前提下还具有较低的弹性模量。

综上所述，本发明的易切削钛合金具有强度高、弹性模量低、切削加工性优良的综合性能。尤其在合金的钻孔过程中，具有精度高、加工表面平滑、孔壁光亮的特点。因此，本发明所述的钛合金十分适合于医用植入材料、汽车零件以及民用轻工业产品如钛手表、钛装饰品等。

具体实施方式

通过下述实施例能更好的理解本发明，但实施例并不用来限制本发明。

实施例1

称取质量百分数为5%的 Cu 粉和95%的Ti粉（杂质元素质量百分数合计为0.1%以下），混合至成分均匀，在700MPa压力下压制成 Ф10×5mm²的坯料，在1000℃下烧结2h，真空度为2×10^-2Pa，随炉冷却，得到Ti-5Cu合金。其物相组成为α-Ti和Ti₂Cu，显微组织为α层片和分布其间的Ti₂Cu。合金的压缩屈服强度为850MPa，高于同等条件下烧结的纯Ti样品的强度（700MPa）。对合金进行钻孔切削加工并用修正模进行修正，入钻容易，孔壁光亮，并且孔的定位精度高。

实施例2

称取质量百分数为15%的 Cu 粉和85%的Ti粉（杂质元素质量百分数合计为0.1%以下），混合至成分均匀，在900MPa压力下压制成 Ф10×5mm²的坯料，在850℃下烧结1h，真空度为2×10^-2Pa，随炉冷却，得到Ti-15Cu合金。其物相组成为α-Ti和Ti₂Cu，显微组织为典型的两相共析组织。合金的压缩屈服强度为750MPa，高于同等条件下烧结的纯Ti样品的强度（700MPa）。对合金进行钻孔切削加工并用修正模进行修正，入钻容易，孔壁光亮，并且孔的定位精度高。

实施例3

称取质量百分数为5%的Cu 粉、10%的Cr粉和85%的Ti粉（杂质元素质量百分数合计为0.1%以下），混合至成分均匀，在700MPa压力下压制成 Ф10×5mm²的坯料，在900℃下烧结2h，真空度为2×10^-2Pa，随炉冷却，得到Ti-10Cr-5Cu合金。其物相组成为α-Ti、Ti₄Cr和Ti₂Cu，显微组织由网篮组织和少量的等轴晶组成。合金的压缩屈服强度为700MPa，高于同等条件下烧结的纯Ti样品的强度（450MPa）。此外，合金的弹性模量为77GPa，低于同等条件下纯Ti的弹性模量（95GPa）。对合金进行钻孔切削加工并用修正模进行修正，入钻容易，孔壁光亮，有正常撕裂带，切削性能较好，孔的定位精度高。

实施例4

称取质量百分数为3%的Cu 粉、15%的Cr粉和82%的Ti粉（杂质元素质量百分数合计为0.1%以下），混合至成分均匀，在900MPa压力下压制成 Ф10×5mm²的坯料，在900℃下烧结2h，真空度为2×10^-2Pa，随炉冷却，得到Ti-3Cr-15Cu合金。其物相组成为α-Ti、Ti₄Cr和Ti₂Cu，显微组织为网篮组织。合金的压缩屈服强度为910MPa，高于同等条件下烧结的纯Ti样品的强度（450MPa）。此外，合金的弹性模量为70GPa，低于同等条件下纯Ti的弹性模量（95GPa）。对合金进行钻孔切削加工并用修正模进行修正，入钻容易，孔壁光亮，有正常撕裂带，切削性能较好，孔的定位精度高。

实施例5

称取质量百分数为10%的 Cu 粉、5%的Cr粉和85%的Ti粉（杂质元素质量百分数合计为0.1%以下），混合至成分均匀，在700MPa压力下压制成 Ф10×5mm²的坯料，在900℃下烧结2h，真空度为2×10^-2Pa，随炉冷却，得到Ti-5Cr-10Cu合金。其物相组成为α-Ti、Ti₄Cr和Ti₂Cu，显微组织为细密的网篮组织。合金的压缩屈服强度为890MPa，远高于同等条件下烧结的纯Ti样品的强度（450MPa）。此外，合金的弹性模量为61GPa，低于同等条件下纯Ti的弹性模量（95GPa），具体数据见表1。对合金进行钻孔切削加工并用修正模进行修正，入钻容易，孔壁光亮，仅有少量撕裂带和轻微毛刺，用细砂纸很容易擦去，孔的定位精度高，切削加工性能好。

表1 发明例与对比例的屈服强度和弹性模量的对比

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Claims

1.一种易切削钛合金，其特征在于：含有3%~15%质量百分数的Cu，余量为Ti的钛基合金，其中，其它杂质元素的合计质量百分数为0.1%以下；或含有3%~15%质量百分数的Cu，5%~15%质量百分数的Cr，余量为Ti的钛基合金，其中，其它杂质元素的合计质量百分数为0.1%以下。

2.权利要求1所述易切削钛合金的制备方法，其特征在于：制备步骤为：将钛合金粉末原料按配比混合均匀，压坯后在真空下烧结，随后自然冷却；其所述的压坯压力为500~900MPa，烧结温度为800~1100℃，真空度≤10^-1Pa，烧结时间为1~3h。