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涂層技術(shù)在鈦合金加工中的應(yīng)用分析

鈦合金特性、應(yīng)用

  合金在韌性、延展性、特別是強度遠遠超過其他金屬材料,可以制造出單位強度高、剛性好、質(zhì)量輕的產(chǎn)品部件。近些年來鈦合金被大量用于飛機上以代替鋁合金,其原因就是由于鈦合金的熱穩(wěn)定性好,高溫強度高,在300~500℃下,其強度約比鋁合金高10倍,工作溫度可達500℃。對堿、氯化物、氯的有機物品、硝酸、硫酸等有優(yōu)越的抗腐蝕能力,同時鈦合金在潮濕的環(huán)境中以及海水介質(zhì)中,對點蝕、酸蝕、應(yīng)力腐蝕的抵抗力遠超不銹鋼。使用鈦合金加工制作的產(chǎn)品還具有硬度高、熔點高、無毒、無磁等特性。

  基于上述一系列優(yōu)良的性能,鈦合金首先被應(yīng)用于航空。1953年,美國道格拉斯公司第一次把含鈦材料應(yīng)用于DC2T發(fā)動機吊艙以及防火壁上,取得了良好的效果。在航空航天領(lǐng)域,航空發(fā)動機的風(fēng)扇、壓氣機、蒙皮、機身和起落架等部位最先使用鈦合金作為關(guān)鍵材料,使得飛機整體減重約30%~35%。鈦合金還成功應(yīng)用于核潛艇的耐壓殼體、海水管路系統(tǒng)、冷凝器和熱交換器、排風(fēng)扇的葉片、推進器和軸、彈簧、航母上的消防設(shè)備、螺旋槳、噴水推進裝置、舵等船用部件。此外,由于鈦合金具有良好的生物相容性、耐腐蝕性、力學(xué)性和加工性能,已經(jīng)成為最適宜的生物醫(yī)學(xué)金屬材料,成功應(yīng)用于人工膝關(guān)節(jié)、股關(guān)節(jié)、齒科植入體、牙根及義齒金屬支架等,其中,醫(yī)用植入物材料常用Ti6Al4V,Ti3Al-2.5V合金也因其有好的冷成型性、耐腐蝕及力學(xué)性能在臨床上被用作股骨和脛骨的替換材料。

鈦合金加工存在的難點

 ?。?)變形系數(shù)?。哼@在鈦合金材料的切削加工中是一個比較明顯的特征。在切削加工的過程中,切屑與前刀面接觸的面積太大,切屑在刀具的前刀面上行程比一般材料的切屑要大的多,在這樣長時間的行走會導(dǎo)致刀具磨損嚴重,而行走過程中還會發(fā)生摩擦導(dǎo)致刀具的溫度升高。

 ?。?)切削溫度高:一方面前面提到的變形系數(shù)小會導(dǎo)致一部分的溫度升高。而鈦合金切削加工過程中切削溫度高主要方面還是因為鈦合金的導(dǎo)熱系數(shù)非常的小,且切屑與刀具的前刀面的接觸的長度短,在這些因素的影響下,切削過程中產(chǎn)生的熱量很難傳導(dǎo)出去,主要都存積在刀尖附近,造成局部溫度太高。

  (3)鈦合金的熱導(dǎo)率很低:切削產(chǎn)生的熱量不易散出。鈦合金的車削過程是一個大應(yīng)力大應(yīng)變的過程,會產(chǎn)生大量的熱量,在加工時所產(chǎn)生的高熱量不能有效擴散,同時刀具的切削刃和切屑的接觸長度短,使熱量大量聚集在切削刃上,溫度急劇上升,刀刃軟化,加快刀具磨損。

  (4)鈦合金的化學(xué)性能很大:高溫下,鈦合金很容易與刀具材料起反應(yīng)加速了月牙洼的形成。但是鈦合金的切削過程基本上是在高溫下進行的。當切削溫度高到一定的程度時,空氣中的氮氧等分子與鈦材料能夠容易地產(chǎn)生化學(xué)作用,導(dǎo)致生成了一種脆硬表皮。而且在鈦材料的切削過程中工件的已加工表面所發(fā)生的塑性變形導(dǎo)致了冷硬現(xiàn)象的產(chǎn)生,在工件材料的已加工表面發(fā)生硬化現(xiàn)象。這些現(xiàn)象都能夠使得刀具的磨損加劇、鈦材料的疲勞強度受到降低。

 ?。?)刀具極易磨損:刀具的磨損是很多綜合因素共同作用的結(jié)果,在鈦合金材料的切削加工過程中,極易造成刀具的崩刃現(xiàn)象產(chǎn)生,鈦材料在高溫的條件下一般都表現(xiàn)出刀具材料之間化學(xué)親和性比較強,還有就是高溫下刀具與鈦合金材料容易發(fā)生粘結(jié)現(xiàn)象,這些都導(dǎo)致刀具的使用壽命太短。所以鈦合金材料的切削必須注意的兩個方面,就是保持低的切削溫度和提高刀具/被切削材料的剛度,涂層刀具就是一種提高刀具剛度的辦法。

鈦合金切削刀具涂層現(xiàn)狀

  由于鈦合金化學(xué)活性高,導(dǎo)熱系數(shù)低導(dǎo)致了切削過程中切削溫度高,化學(xué)反應(yīng)劇烈,刀具快速失效,造成刀具壽命短,加工成本高的問題。刀具磨損的原因包括機械摩擦和切削力和切削溫度作用下的物理、化學(xué)反應(yīng)。針對鈦合金切削加工的困難性,所選的刀具材料必須滿足硬度高、強度高、導(dǎo)熱系數(shù)大、化學(xué)穩(wěn)定性和紅硬性好的要求[10]。目前業(yè)內(nèi)公認的加工鈦合金效果最好的金剛石刀具,但因其價格昂貴,因此硬質(zhì)合金涂層刀具仍占據(jù)著鈦合金切削加工市場的主要地位,其作用如圖1所示。

圖1硬質(zhì)合金刀具涂層提供的改性作用

  傳統(tǒng)切削加工理論認為涂層刀具并不能適用于加工鈦合金,這是由于傳統(tǒng)的涂層大多為二元TiC或三元TiCN涂層,而涂層中的Ti元素極易與工件發(fā)生親和作用而導(dǎo)致刀具快速失效。Ezugwn等采用高速鋼基體的CrN和TiCN涂層與未涂層鈷硬質(zhì)合金刀具對TC4鈦合金進行了切削加工,研究表明CrN涂層刀具的使用壽命要長于TiCN涂層刀具和未涂層硬質(zhì)合金刀具。同時研究了在同等切削條件下,使用單層TiN涂層和多層的TiN/TiCN/TiN涂層進行Ti6A14V鈦合金的切削實驗,結(jié)果表明多層的涂層刀具切削時產(chǎn)生的溫度要低于單層,同時刀具使用壽命也高于單層涂層。

  近幾年由于國外制備涂層的工藝和方法在不斷成熟與進步,使得刀具涂層成分逐漸趨于多樣化,甚至針對每一種工件材料都有一種最合適的涂層材料,而且出現(xiàn)了軟涂層、超硬涂層、多層涂層、納米復(fù)合涂層等性能更好的涂層,所以越來越多的涂層刀具已經(jīng)被應(yīng)用到鈦合金的高速切削工中,并顯示了良好的優(yōu)越性,圖2為近年常用的硬質(zhì)合金涂層刀具。

圖2典型涂層結(jié)構(gòu)

硬質(zhì)合金涂層刀具的未來發(fā)展方向

 ?。?)刀具涂層成分多元化。在單涂層中加入新的元素(如加入Zr和V會提高耐涂層磨損性,加入Si會提高涂層硬度并防止化學(xué)擴散,加入B會增強涂層韌性,加入Al和Cr會提高涂層抗氧化性等)制備出的多元刀具涂層材料,極大地提高了刀具的綜合性能。涂層材料也已從最開始的TiN、TiAlN、TiCN發(fā)展到現(xiàn)在的TiSiN、TiSiCN、TiAlSiN、AlCrN、AlCrSiN、TiBN、CrN、ZrN等幾十種涂層材料。(如圖3)為了滿足切削加工中多樣化的需求,新的涂層材料還將具有極大的發(fā)展前景。

圖3硬質(zhì)合金刀具涂層發(fā)展歷程

 ?。?)切削加工綠色化。當前,我國機械加工中主要采用濕式切削法,即在金屬切削加工時,用切削液連續(xù)不斷的冷卻、潤滑刀具和工件相接觸的部分,但是大量使用切削液會造成環(huán)境污染問題,同時由于切削過程中切削液產(chǎn)生的油煙對人體直接造成危害,可能誘發(fā)多種疾病。而且從加工成本計算,切削液占總成本的

  14%~16%,刀具成本只占2%~4%。研究表明如果20%的切削加工采用涂層刀具干式加工,總的制造成本可降低1.6%[16]。此外,采用高速干切削可大幅提高加工效率,提高加工精度,降低表面粗糙度,并且更適合于加工薄壁零件。因此無論從環(huán)保角度還是從加工性能以及經(jīng)濟角度考慮,制造能滿足干式切削條件的涂層刀具是綠色加工的重要發(fā)展目標。

總結(jié)

  隨著“中國制造2025”的提出,制造業(yè)迎來飛速發(fā)展,鈦合金的應(yīng)用會越來越多,對質(zhì)量以及精度要求也會不斷提高,如何選擇合適的鈦合金切削刀具,提高加工效率、降低生產(chǎn)成本,對汽車、航空航天、能源的重要工業(yè)部門的發(fā)展和制造業(yè)整體水平的提高有重要的意義。