[发明专利]一种易切削钛合金及其制备方法

说明书

 

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：