一種易切削鈦合金及其製備方法
2023-06-02 14:36:26
專利名稱：一種易切削鈦合金及其製備方法
技術領域：
本發明涉及金屬材料領域，具體地說涉及一種易切削鈦合金及其製備方法。
背景技術：
鈦及鈦合金由於其優異的性能被人們譽為「太空金屬」和「海洋金屬」，是重要的戰略金屬材料。鈦冶金和加工技術是高 新技術，鈦的氧化物化學位低，非常穩定，將其還原為金屬極為困難。目前，海綿鈦生產的主導工藝是氯化鎂還原法，即富鈦料通過氯化一精製一還蒸一精整工序得到海綿鈦，還要通過配套氯化鎂的電解，實現鎂、氯閉路循環，是一個複雜的冶金體系。金屬鈦的熔點高，合金體系複雜，加工溫區窄、變形抗力大，需要許多特殊的加工技術和專用設備進行鈦及鈦合金的加工材的製備。鈦合金相對一般合金鋼具有以下優點(I)比強度高鈦合金密度只有4. 5g/cm3，比鐵小得多，而其強度與普通碳鋼相近。(2)機械性能好鈦合金熔點為1660°C，比鐵高，具有較高的熱強度，可在550°C以下工作，同時在低溫下通常顯示出較好的韌性。(3)抗腐蝕性好在550°C以下鈦合金表面易形成緻密的氧化膜，故不容易被進一步氧化，對大氣、海水、蒸汽以及一些酸、鹼、鹽介質均有較高的抗蝕能力。雖然鈦合金相比其他金屬或合金性能比較優異，但鈦合金的切削加工性比較差。主要原因為(1)導熱性差，致使切削溫度很高，降低了刀具耐用度。(2) 600°C以上溫度時，表面形成氧化硬層，對刀具有強烈的磨損作用。(3)塑性低、硬度高，使剪切角增大,切屑與前刀面接觸長度很小,前刀面上應力很大,刀刃易發生破損。(4)彈性模量低，彈性變形大，接近後刀面處工件表面回彈量大，所以已加工表面與後刀面的接觸面積大，磨損嚴重。鈦合金切削過程中的這些特點使其加工變得十分困難，導致加工效率低，刀具消耗大。
發明內容
發明目的本發明的目的是提供一種切削性能好、易加工的鈦合金材料；本發明另外一個目的是提供上述材料的製備方法。技術方案為了實現上述發明目的，本發明的一種易切削鈦合金，按重量百分比及包括如下組分碳0 O.05% ；鐵0.001 2. 0% ；氮0 0·05% ；氫0 0·005% ；鋁2.0 7.5%;釩1.5 6.5%;氧0 0.40%;鉛0 0.001%;稀土元素0·00Γ5. 0% ；
除上述組分外，所述鈦合金按重量百分比還包括如下組分秘0.01 3.0%; 0. 00Γ5. 0% ；碲0.001 5. 0% ;磷0.01 2.0%;鎳0 3·0% ；硫0 2.0%;其餘為鈦和不可避免的雜質。本發明中鉍、硒、碲、磷、鎳、硫都屬於易切削元素。這些元素的添加有利於提高鈦合金的易切削性和加工性能。所述硒和碲的添加有利於提高鈦合金的易切削和機械加工性。為了達到這個目的，元素的添加量須控制在0.001%以上。但是當總量過大時，鈦合金的熱加工性能顯著下降。因此，綜合考慮，兩種元素分別的添加量不能超過5%，且兩種元素的總量也應該控制在5%以內。鉍作為低熔點金屬內在物，是改進切削性重要的元素之一。鉍可以單獨存在或者和硫化物一起以粘附物質的形式存在於硫化物型夾雜物微粒的外表面，可改進切削性。但鉍的含量應控制在一定的範圍，因為過量的鉍並不能完全溶解在鈦合金中，其切削效果在達到飽和後並不隨著鉍含量的增加而無限增長，相反過量的鉍會形成缺陷，導致熱加工性下降。經研究發現，鉍的含量控制在O. 019Γ3%較為合理。磷一部分以固溶體的形式溶解在碲中，形成的固溶體在一定程度上會降低基體的延展性和柔軟性；剩餘部分的磷在鈦中的組織相則可以提高機械加工性和切削性。但是，磷元素的單獨添加會顯著地降低熱加工性和疲勞強度，因此磷元素應該與硫、鎳元素中的至少一種同時添加。當磷含量低於0.01%時，溶解在鈦基體中的磷的固溶體或者相都不能較好的提高其切削性。另一方面，當磷的含量高於2%時，磷在基體中反而形成了較差的組織或相，雖然切削性影響不大，但熱加工性和疲勞強度卻明顯下降。當硫和磷元素一起加入時，改善了單獨加入磷時的內部組織，疲勞強度和熱加工性也比只加入磷時有一定的提高。當硫的含量低於O. 01%時,不能較好的改善磷在鈦中形成的組織或相，從而也不能很好的改善其疲勞強度和熱加工性；當硫的含量高於2%時，鈦中形成的內在組織隨著硫的含量增加顆粒度也增大，反而在一定程度上降低了熱加工性和疲勞強度。故應將硫的含量控制在O. Of 2%，較優的範圍在O. 08 1%。另外，當磷和硫的比例變化時，形成組織的顆粒度也隨之變化，經研究發現，較好的比例應控制在1:2到2:1的範圍內。鎳和磷元素同時添加也能提高單獨加入磷時的疲勞強度和熱加工性，另外，鎳和鈦之間能形成金屬間化合物，能有效的提高鈦合金的易切削性。當鎳的含量低於O. 01%時，不能顯著的改善內在物的組織形貌，達不到該改善疲勞強度和熱加工性的目的；當鎳的含量高於3%時，鎳與鎳之間形成的金屬間化合物的尺寸也增大，從而降低了延展性和柔軟性，同時也降低了熱加工性和疲勞強度。本發明還通過添加鋁作為鈦的α相穩定元素，釩和鐵作為鈦的β相穩定元素，氫的合理添加可進一步改善鈦合金的組織結構，氮的添加可與鈦形成硬質氮化物，起到細化晶粒的作用，從而進一步改善切削性能。鉛雖然較能提高切削性，但出於環保的因素，本發明鉛的加入量為(Γ0. 001%。
作為本發明的進一步優化，所述鈦合金按重量百分比及包括如下組分碳0 0·03%;鐵0.001 I. 5% ；氮0 0·01% ；氫0 0·003% ；鋁2.0 6· 5% ；釩1.5 5.5%;氧0 0·30% ；稀土元素0·00Γ4. 0% ；除上述組分外，所述鈦合金按重量百分比還包括如下組分鉍0.01 3. 0% ；硒0.001 5. 0% ;碲0.00Γ5. 0% ；磷O.OI 2. 0% ;鎳0.01 3. 0% ；硫0.01 2. 0% ；其餘為鈦和不可避免的雜質。所述稀土元素包括鈧、釔、鑭、鈰、鑭系的任意一種或多種的組合。稀土元素能與硫、硒、碲產生穩定的化合物，提高鈦合金的易切削性。但稀土元素的量過高時，鈦合金的強度和耐腐蝕性都會降低。本發明的易切削鈦合金的製備方法包括將海綿鈦、中間合金製備成電極塊並在真空等離子箱內焊接成真空自耗電極，真空自耗熔煉製成鑄錠，將鑄錠在高溫下鍛造得到鈦合金鍛件。本發明的鈦合金鑄錠在110(Γ1200攝氏度進行鍛造。作為本發明的優選方案，所述鍛造溫度為1150攝氏度。有益效果本發明的一種易切削鈦合金及其製備方法提供了一種易切削性能卓越的鈦合金，同時保證良好的疲勞強度和熱加工性，不含重金屬，其製備方法簡單可行，可生產出切削及加工性能好的線材或棒材。
具體實施例方式這裡須要說明的是，以下實施例如無特別說明，其百分比都表示質量百分比。實施例I將海綿鈦、各種中間合金按表I的成分配比製備成電極塊，電極塊在真空等離子箱內焊接成真空自耗電極，然後進行真空自耗熔煉製成鑄錠。鑄錠在1150°C左右進行鍛造，進過中間鍛造後最後在軋機上軋製成Φ9πιπι的鈦合金棒材，軋制溫度大約在830°C左右。表I
權利要求
1.一種易切削鈦合金，其特徵在於按重量百分比及包括如下組分碳:0 0· 05% ；鐵0. 001 2. 0% ；氮:0 0· 05% ；氫:0 0· 005% ；鋁2. 0 7· 5% ；釩L 5 6. 5% ；氧:0 O. 40% ；鉛0 0. 001% ； 稀土元素0. 00Γ5. 0% ； 除上述組分外，所述鈦合金按重量百分比還包括如下組分鉍0. OI 3. 0% ；硒0. 00Γ5. 0% ；碲0. 00Γ5. 0% ；磷0. OI 2. 0% ；鎳:0 3· 0% ；硫:0 2· 0% ； 其餘為鈦和不可避免的雜質。
2.根據權利要求I所述的一種易切削鈦合金，其特徵在於按重量百分比及包括如下組分碳:0 0· 03% ；鐵0. 001 I. 5% ；氮:0 0· 01% ；氫:0 0· 003% ；鋁2. 0 6· 5% ；釩1· 5 5. 5% ；氧:0 0· 30% ； 稀土元素0. 001 4. 0% ； 除上述組分外，所述鈦合金按重量百分比還包括如下組分鉍0. OI 3. 0% ；硒0. 00Γ5. 0% ；碲0. 00Γ5. 0% ；磷0. OI 2. 0% ；鎳0. OI 3. 0% ；硫0. OI 2. 0% ； 其餘為鈦和不可避免的雜質。
3.根據權利要求I或2所述的一種易切削鈦合金，其特徵在於所述鈦合金中的硒和締總量不大於5. 0%。
4.根據權利要求I或2所述的一種易切削鈦合金，其特徵在於所述鈦合金中磷和硫的比例為在1:2 2: I。
5.根據權利要求I或2所述的一種易切削鈦合金，其特徵在於所述稀土元素包括鈧、釔、鑭、鈰、鑭系的任意一種或多種的組合。
6.如權利要求I所述一種易切削鈦合金的製備方法，其特徵在於，該方法包括將海綿鈦、中間合金製備成電極塊並在真空等離子箱內焊接成真空自耗電極，真空自耗熔煉製成鑄錠，將鑄錠在高溫下鍛造得到鈦合金鍛件。
7.根據權利要求6所述的一種易切削鈦合金的製備方法，其特徵在於所述鑄錠在.1100^1200攝氏度進行鍛造。
全文摘要
本發明公開了一種易切削鈦合金及其製備方法，所述鈦合金包括鈦、碳、鐵、氮、氫、鋁、釩、氧，稀土元素，還添加有鉍、硒、碲、磷、鎳、硫、等易切削組分。本發明提供了一種易切削性能卓越的鈦合金，同時保證良好的疲勞強度和熱加工性，不含重金屬，其製備方法簡單可行，可生產出切削及加工性能好的線材或棒材。
文檔編號C22C14/00GK102719701SQ20121023570
公開日2012年10月10日 申請日期2012年7月9日 優先權日2012年7月9日
發明者胡旭 申請人:江蘇三鑫特殊金屬材料股份有限公司