專利名稱：一種易切削鈦合金及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于金屬材料領(lǐng)域，涉及一種易切削鈦合金及其制備方法。本發(fā)明所述的易切削鈦合金通過(guò)合金化來(lái)提高其切削性能，提供一種具有高強(qiáng)度、低彈性模量，并同時(shí)具有優(yōu)異的切削加工性能的鈦合金，十分適合于醫(yī)用植入材料、汽車(chē)零件以及民用輕工業(yè)產(chǎn)品如欽手表、欽裝飾品等。
背景技術(shù)：
鈦是一種新興金屬，具有密度小、強(qiáng)度高、耐蝕性好及比強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)，在航空航天、船舶、海水發(fā)電、化工冶金、汽車(chē)及生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。目前世界各國(guó)均投入大量的人力和物力用于鈦及其合金的研發(fā)。在鈦合金的成型加工方面，由于鈦及鈦合金的切削加工性能較差，不僅導(dǎo)致其加工成本過(guò)高，而且導(dǎo)致其加工精度無(wú)法保證，限制了鈦及其合金的商業(yè)化應(yīng)用。因此，如何提高鈦合金的切削加工性是鈦制部件應(yīng)用過(guò)程中亟待解決的問(wèn)題。從刀具耐用度、加工表面質(zhì)量和精度以及切屑的可控性等方面來(lái)衡量材料的切削加工性，鈦及鈦合金屬于難加工的材料。鈦合金切削加工性較差的原因主要有如下幾點(diǎn)
I.熱導(dǎo)率低，導(dǎo)致切削溫度高；2.化學(xué)活性高，在高溫下易與刀具發(fā)生化學(xué)反應(yīng)或擴(kuò)散作用產(chǎn)生粘附；3.彈性模量小，屈強(qiáng)比大，影響加工精度，減少刀具壽命。就鈦合金而言，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，解決鈦及鈦合金加工過(guò)程中面臨的問(wèn)題主要是從兩個(gè)方面來(lái)入手其一，開(kāi)發(fā)高性能的刀具材料和切削液，改善加工條件；其二，通過(guò)合金化，調(diào)整鈦合金內(nèi)部組織以達(dá)到改善鈦合金切削加工性的目的。其中就某些應(yīng)用領(lǐng)域而言，合金化是提高其切削加工性能的唯一選擇。這方面也有研究表明，文獻(xiàn)I (U.S. Pat. No. 4810465，1989)是通過(guò)在鈦或鈦合金中添加S、Se、Te、Ca、REM等元素中的一種或多種來(lái)提高鈦合金的加工性能，其中REM為Sc、Y或La系稀土元素。添加的元素在鈦合金中可以形成夾雜物，這些夾雜物顯著提高了鈦合金的加工性能，盡管在另一方面降低了鈦合金的力學(xué)性能。文獻(xiàn)2 (U.S. Pat. No. 5156807，1992)報(bào)道，通過(guò)在鈦或鈦合金中添加一定比例的P、S、Ni、REM等元素，可以有效地提高鈦和鈦合金的加工性能，而對(duì)其他性能的影響較小。此外，文獻(xiàn)3 (Kolachev B A, Egorova Yu B, Mamonov. Influence of hydrogen on cutting the titanium alloys. Tyazheloe Mashinostroenie, 2005, vol. 11, P33-36.)提出了一種熱氫處理工藝 (Thermo hydrogen treatment, THT),該工藝是利用氫在鈦合金中的可逆吸放特性,把氫作為臨時(shí)合金化元素，通過(guò)氫的可逆合金化和氫致相變等作用來(lái)提高鈦合金的加工性能。據(jù)報(bào)道，熱氫處理技術(shù)在改善鈦合金機(jī)械加工性能方面能起到良好的效果鈦合金的切削加工溫度可降低5(Tl50°C，切削力可降低23% 33%，工具壽命可提高2 10倍。但是對(duì)于大尺寸制件而言，一方面滲氫工序時(shí)間較長(zhǎng)，氫氣損耗較大，增加了工藝成本，另一方面真空脫氫過(guò)程則耗時(shí)太長(zhǎng)，降低了加工效率。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種切削性能優(yōu)良，同時(shí)具有高強(qiáng)度的易切削鈦合金，其切削加工容易，切削表面質(zhì)量高，尤其在鈦合金孔加工方面，改善了其鉆孔性，使得入鉆容易，并且孔壁光売，尺寸精度聞。本發(fā)明的具體內(nèi)容如下
本發(fā)明易切削鈦合金的組成為含有39Γ15%質(zhì)量百分?jǐn)?shù)的Cu，余量為T(mén)i的鈦基合金，其中，其它雜質(zhì)元素的合計(jì)質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為O. 1%以下；或含有39Γ15%質(zhì)量百分?jǐn)?shù)的Cu， 59Γ15%質(zhì)量百分?jǐn)?shù)的Cr，余量為T(mén)i的鈦基合金，其中，其它雜質(zhì)元素的合計(jì)質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為
O.1%以下。上述易切削鈦合金的制備方法為將鈦合金粉末原料按質(zhì)量百分?jǐn)?shù)39Γ15%的 Cu，余量為T(mén)i或3°/Γ 5%的Cu，5°/Γ 5%的Cr，余量為T(mén)i的配比混合均勻，壓坯后在真空下燒結(jié)，隨后自然冷卻。其所述的壓坯壓力為50(T900MPa，燒結(jié)溫度為80(Tll00°C，真空度 (IiT1Pa,燒結(jié)時(shí)間為I 3h。所發(fā)明的易切削鈦合金在研究過(guò)程中還具有以下特征
(I)當(dāng)在鈦或鈦合金中僅添加Cu元素時(shí)，合金的物相組成為α -Ti和Ti2Cu,顯微組織為層片狀，強(qiáng)度很高，并且具有優(yōu)異的切削加工性。其切削加工性能的提高主要是因?yàn)樵阝伜辖鹬刑砑恿司哂懈邿釋?dǎo)率的Cu，并且合金中形成了脆性Ti2Cu相，該相易于進(jìn)行切削加工。此外，合金的強(qiáng)度隨Cu含量的增加表現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì)，這主要是由于隨著Cu 含量的增加，Ti2Cu相含量增加，當(dāng)其含量較少時(shí)，可以起到彌散強(qiáng)化的作用，而含量較多時(shí)，其脆性將對(duì)合金強(qiáng)度產(chǎn)生不利影響，并且Ti2Cu的熔點(diǎn)較低，在990°C時(shí)即可熔化。(2)當(dāng)在鈦或鈦合金中同時(shí)添加Cr和Cu元素時(shí)，合金的物相組成為a-Ti、Ti4Cr 和Ti2Cu,顯微組織為典型的網(wǎng)籃狀組織，強(qiáng)度很高，并且具有優(yōu)異的切削加工性能。其切削加工性能的提高仍與合金中添加高熱導(dǎo)率的Cu和所形成的脆性Ti2Cu相有關(guān)。此外，由于該合金中溶入了 β穩(wěn)定元素(Cr和Cu)，因此在易切削的前提下還具有較低的彈性模量。綜上所述，本發(fā)明的易切削鈦合金具有強(qiáng)度高、彈性模量低、切削加工性優(yōu)良的綜合性能。尤其在合金的鉆孔過(guò)程中，具有精度高、加工表面平滑、孔壁光亮的特點(diǎn)。因此，本發(fā)明所述的鈦合金十分適合于醫(yī)用植入材料、汽車(chē)零件以及民用輕工業(yè)產(chǎn)品如鈦手表、鈦裝飾品等。
具體實(shí)施例方式通過(guò)下述實(shí)施例能更好的理解本發(fā)明，但實(shí)施例并不用來(lái)限制本發(fā)明。實(shí)施例I
稱取質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為5%的Cu粉和95%的Ti粉(雜質(zhì)元素質(zhì)量百分?jǐn)?shù)合計(jì)為0.1%以下)，混合至成分均勻，在700MPa壓力下壓制成Φ 10 X 5mm2的還料,在1000°C下燒結(jié)2h,真空度為2X 10_2Pa，隨爐冷卻，得到Ti-5Cu合金。其物相組成為α -Ti和Ti2Cu,顯微組織為 α層片和分布其間的Ti2Cu。合金的壓縮屈服強(qiáng)度為850MPa，高于同等條件下燒結(jié)的純Ti 樣品的強(qiáng)度(700MPa)。對(duì)合金進(jìn)行鉆孔切削加工并用修正模進(jìn)行修正，入鉆容易，孔壁光亮，并且孔的定位精度高。實(shí)施例2
稱取質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為15%的Cu粉和85%的Ti粉(雜質(zhì)元素質(zhì)量百分?jǐn)?shù)合計(jì)為0.1%以下)，混合至成分均勻，在900MPa壓力下壓制成Φ 10 X 5mm2的還料，在850°C下燒結(jié)Ih,真空度為2X 10_2Pa，隨爐冷卻，得到Ti-15Cu合金。其物相組成為α -Ti和Ti2Cu,顯微組織為典型的兩相共析組織。合金的壓縮屈服強(qiáng)度為750MPa，高于同等條件下燒結(jié)的純Ti樣品的強(qiáng)度(700MPa)。對(duì)合金進(jìn)行鉆孔切削加工并用修正模進(jìn)行修正，入鉆容易，孔壁光亮，并且孔的定位精度高。實(shí)施例3
稱取質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為5%的Cu粉、10%的Cr粉和85%的Ti粉(雜質(zhì)元素質(zhì)量百分?jǐn)?shù)合計(jì)為O. 1%以下)，混合至成分均勻，在700MPa壓力下壓制成Φ 10X5mm2的坯料，在900°C下燒結(jié)2h，真空度為2X10_2Pa，隨爐冷卻，得到Ti-10Cr-5Cu合金。其物相組成為α -Ti、Ti4Cr 和Ti2Cu,顯微組織由網(wǎng)籃組織和少量的等軸晶組成。合金的壓縮屈服強(qiáng)度為700MPa，高于同等條件下燒結(jié)的純Ti樣品的強(qiáng)度(450MPa)。此外，合金的彈性模量為77GPa，低于同等條件下純Ti的彈性模量(95GPa)。對(duì)合金進(jìn)行鉆孔切削加工并用修正模進(jìn)行修正，入鉆容易，孔壁光亮，有正常撕裂帶，切削性能較好，孔的定位精度高。實(shí)施例4
稱取質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為3%的Cu粉、15%的Cr粉和82%的Ti粉(雜質(zhì)元素質(zhì)量百分?jǐn)?shù)合計(jì)為O. 1%以下)，混合至成分均勻，在900MPa壓力下壓制成Φ 10X5mm2的坯料，在900°C下燒結(jié)2h，真空度為2X10_2Pa，隨爐冷卻，得到Ti-3Cr-15Cu合金。其物相組成為α -Ti、Ti4Cr 和Ti2Cu,顯微組織為網(wǎng)籃組織。合金的壓縮屈服強(qiáng)度為910MPa，高于同等條件下燒結(jié)的純 Ti樣品的強(qiáng)度(450MPa)。此外，合金的彈性模量為70GPa，低于同等條件下純Ti的彈性模量(95GPa)。對(duì)合金進(jìn)行鉆孔切削加工并用修正模進(jìn)行修正，入鉆容易，孔壁光亮，有正常撕裂帶，切削性能較好，孔的定位精度高。實(shí)施例5
稱取質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為10%的Cu粉、5%的Cr粉和85%的Ti粉(雜質(zhì)元素質(zhì)量百分?jǐn)?shù)合計(jì)為O. 1%以下)，混合至成分均勻，在700MPa壓力下壓制成Φ 10X5mm2的坯料，在900°C下燒結(jié)2h，真空度為2X10_2Pa，隨爐冷卻，得到Ti-5Cr-10Cu合金。其物相組成為α -Ti、Ti4Cr 和Ti2Cu,顯微組織為細(xì)密的網(wǎng)籃組織。合金的壓縮屈服強(qiáng)度為890MPa，遠(yuǎn)高于同等條件下燒結(jié)的純Ti樣品的強(qiáng)度(450MPa)。此外，合金的彈性模量為61GPa，低于同等條件下純Ti 的彈性模量(95GPa)，具體數(shù)據(jù)見(jiàn)表I。對(duì)合金進(jìn)行鉆孔切削加工并用修正模進(jìn)行修正，入鉆容易，孔壁光亮，僅有少量撕裂帶和輕微毛刺，用細(xì)砂紙很容易擦去，孔的定位精度高，切削加工性能好。表I發(fā)明例與對(duì)比例的屈服強(qiáng)度和彈性模量的對(duì)比
權(quán)利要求
1.一種易切削鈦合金，其特征在于含有39Tl5%質(zhì)量百分?jǐn)?shù)的Cu，余量為T(mén)i的鈦基合金，其中，其它雜質(zhì)元素的合計(jì)質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為O. 1%以下；或含有39Γ15%質(zhì)量百分?jǐn)?shù)的Cu， 59Γ15%質(zhì)量百分?jǐn)?shù)的Cr，余量為T(mén)i的鈦基合金，其中，其它雜質(zhì)元素的合計(jì)質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為O.1%以下。
2.權(quán)利要求I所述易切削鈦合金的制備方法，其特征在于制備步驟為將鈦合金粉末原料按配比混合均勻，壓坯后在真空下燒結(jié)，隨后自然冷卻；其所述的壓坯壓力為 50(T900MPa，燒結(jié)溫度為80(Tll0(TC，真空度彡ICT1Pa,燒結(jié)時(shí)間為I 3h。
全文摘要
本發(fā)明屬于金屬材料領(lǐng)域，涉及通過(guò)合金化的方法以獲得一種切削性能優(yōu)異的易切削鈦合金，以及這種合金的制備方法。易切削鈦合金為含有3%~15%質(zhì)量百分?jǐn)?shù)的Cu，或含有3%~15%質(zhì)量百分?jǐn)?shù)的Cu以及5%~15%質(zhì)量百分?jǐn)?shù)的Cr，余量為T(mén)i的鈦基合金，其他雜質(zhì)元素的合計(jì)質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為0.1%以下。其制備特征為將Ti、Cu、Cr粉末原料按配比均勻混合，壓坯后在真空下燒結(jié)制成，其中，燒結(jié)溫度800~1100℃，燒結(jié)時(shí)間1~3h，真空度≤10-1Pa。本發(fā)明的易切削鈦合金具有強(qiáng)度高、彈性模量低、切削加工性優(yōu)良的綜合性能，十分適合于醫(yī)用植入材料、汽車(chē)零件以及民用輕工業(yè)產(chǎn)品如鈦手表、鈦裝飾品等。
文檔編號(hào)C22C14/00GK102605212SQ20121008680
公開(kāi)日2012年7月25日 申請(qǐng)日期2012年3月29日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月29日
發(fā)明者宋西平, 趙超, 陳寧 申請(qǐng)人:北京科技大學(xué)