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)明涉及金屬材料領(lǐng)域，具體地說涉及一種易切削鈦合金及其制備方法。
背景技術(shù)：
鈦及鈦合金由于其優(yōu)異的性能被人們譽(yù)為“太空金屬”和“海洋金屬”，是重要的戰(zhàn)略金屬材料。鈦冶金和加工技術(shù)是高 新技術(shù)，鈦的氧化物化學(xué)位低，非常穩(wěn)定，將其還原為金屬極為困難。目前，海綿鈦生產(chǎn)的主導(dǎo)工藝是氯化鎂還原法，即富鈦料通過氯化一精制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(shí)現(xiàn)鎂、氯閉路循環(huán)，是一個(gè)復(fù)雜的冶金體系。金屬鈦的熔點(diǎn)高，合金體系復(fù)雜，加工溫區(qū)窄、變形抗力大，需要許多特殊的加工技術(shù)和專用設(shè)備進(jìn)行鈦及鈦合金的加工材的制備。鈦合金相對(duì)一般合金鋼具有以下優(yōu)點(diǎn)(I)比強(qiáng)度高鈦合金密度只有4. 5g/cm3，比鐵小得多，而其強(qiáng)度與普通碳鋼相近。(2)機(jī)械性能好鈦合金熔點(diǎn)為1660°C，比鐵高，具有較高的熱強(qiáng)度，可在550°C以下工作，同時(shí)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致密的氧化膜，故不容易被進(jìn)一步氧化，對(duì)大氣、海水、蒸汽以及一些酸、堿、鹽介質(zhì)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(yōu)異，但鈦合金的切削加工性比較差。主要原因?yàn)?1)導(dǎo)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(shí)，表面形成氧化硬層，對(duì)刀具有強(qiáng)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(zhǎng)度很小,前刀面上應(yīng)力很大,刀刃易發(fā)生破損。(4)彈性模量低，彈性變形大，接近后刀面處工件表面回彈量大，所以已加工表面與后刀面的接觸面積大，磨損嚴(yán)重。鈦合金切削過程中的這些特點(diǎn)使其加工變得十分困難，導(dǎo)致加工效率低，刀具消耗大。

發(fā)明內(nèi)容
發(fā)明目的本發(fā)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(fā)明另外一個(gè)目的是提供上述材料的制備方法。技術(shù)方案為了實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)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%;其余為鈦和不可避免的雜質(zhì)。本發(fā)明中鉍、硒、碲、磷、鎳、硫都屬于易切削元素。這些元素的添加有利于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于提高鈦合金的易切削和機(jī)械加工性。為了達(dá)到這個(gè)目的，元素的添加量須控制在0.001%以上。但是當(dāng)總量過大時(shí)，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(yīng)該控制在5%以內(nèi)。鉍作為低熔點(diǎn)金屬內(nèi)在物，是改進(jìn)切削性重要的元素之一。鉍可以單獨(dú)存在或者和硫化物一起以粘附物質(zhì)的形式存在于硫化物型夾雜物微粒的外表面，可改進(jìn)切削性。但鉍的含量應(yīng)控制在一定的范圍，因?yàn)檫^量的鉍并不能完全溶解在鈦合金中，其切削效果在達(dá)到飽和后并不隨著鉍含量的增加而無限增長(zhǎng)，相反過量的鉍會(huì)形成缺陷，導(dǎo)致熱加工性下降。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，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(huì)降低基體的延展性和柔軟性；剩余部分的磷在鈦中的組織相則可以提高機(jī)械加工性和切削性。但是，磷元素的單獨(dú)添加會(huì)顯著地降低熱加工性和疲勞強(qiáng)度，因此磷元素應(yīng)該與硫、鎳元素中的至少一種同時(shí)添加。當(dāng)磷含量低于0.01%時(shí)，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(dāng)磷的含量高于2%時(shí)，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(qiáng)度卻明顯下降。當(dāng)硫和磷元素一起加入時(shí)，改善了單獨(dú)加入磷時(shí)的內(nèi)部組織，疲勞強(qiáng)度和熱加工性也比只加入磷時(shí)有一定的提高。當(dāng)硫的含量低于O. 01%時(shí),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(qiáng)度和熱加工性；當(dāng)硫的含量高于2%時(shí)，鈦中形成的內(nèi)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(qiáng)度。故應(yīng)將硫的含量控制在O. Of 2%，較優(yōu)的范圍在O. 08 1%。另外，當(dāng)磷和硫的比例變化時(shí)，形成組織的顆粒度也隨之變化，經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，較好的比例應(yīng)控制在1:2到2:1的范圍內(nèi)。鎳和磷元素同時(shí)添加也能提高單獨(dú)加入磷時(shí)的疲勞強(qiáng)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(dāng)鎳的含量低于O. 01%時(shí)，不能顯著的改善內(nèi)在物的組織形貌，達(dá)不到該改善疲勞強(qiáng)度和熱加工性的目的；當(dāng)鎳的含量高于3%時(shí)，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(shí)也降低了熱加工性和疲勞強(qiáng)度。本發(fā)明還通過添加鋁作為鈦的α相穩(wěn)定元素，釩和鐵作為鈦的β相穩(wěn)定元素，氫的合理添加可進(jìn)一步改善鈦合金的組織結(jié)構(gòu)，氮的添加可與鈦形成硬質(zhì)氮化物，起到細(xì)化晶粒的作用，從而進(jìn)一步改善切削性能。鉛雖然較能提高切削性，但出于環(huán)保的因素，本發(fā)明鉛的加入量為(Γ0. 001%。
作為本發(fā)明的進(jìn)一步優(yōu)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% ；其余為鈦和不可避免的雜質(zhì)。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(chǎn)生穩(wěn)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(shí)，鈦合金的強(qiáng)度和耐腐蝕性都會(huì)降低。本發(fā)明的易切削鈦合金的制備方法包括將海綿鈦、中間合金制備成電極塊并在真空等離子箱內(nèi)焊接成真空自耗電極，真空自耗熔煉制成鑄錠，將鑄錠在高溫下鍛造得到鈦合金鍛件。本發(fā)明的鈦合金鑄錠在110(Γ1200攝氏度進(jìn)行鍛造。作為本發(fā)明的優(yōu)選方案，所述鍛造溫度為1150攝氏度。有益效果本發(fā)明的一種易切削鈦合金及其制備方法提供了一種易切削性能卓越的鈦合金，同時(shí)保證良好的疲勞強(qiáng)度和熱加工性，不含重金屬，其制備方法簡(jiǎn)單可行，可生產(chǎn)出切削及加工性能好的線材或棒材。
具體實(shí)施例方式這里須要說明的是，以下實(shí)施例如無特別說明，其百分比都表示質(zhì)量百分比。實(shí)施例I將海綿鈦、各種中間合金按表I的成分配比制備成電極塊，電極塊在真空等離子箱內(nèi)焊接成真空自耗電極，然后進(jìn)行真空自耗熔煉制成鑄錠。鑄錠在1150°C左右進(jìn)行鍛造，進(jìn)過中間鍛造后最后在軋機(jī)上軋制成Φ9πιπι的鈦合金棒材，軋制溫度大約在830°C左右。表I
權(quán)利要求
1.一種易切削鈦合金，其特征在于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% ； 其余為鈦和不可避免的雜質(zhì)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種易切削鈦合金，其特征在于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% ； 其余為鈦和不可避免的雜質(zhì)。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的一種易切削鈦合金，其特征在于所述鈦合金中的硒和締總量不大于5. 0%。
4.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的一種易切削鈦合金，其特征在于所述鈦合金中磷和硫的比例為在1:2 2: I。
5.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的一種易切削鈦合金，其特征在于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(quán)利要求I所述一種易切削鈦合金的制備方法，其特征在于，該方法包括將海綿鈦、中間合金制備成電極塊并在真空等離子箱內(nèi)焊接成真空自耗電極，真空自耗熔煉制成鑄錠，將鑄錠在高溫下鍛造得到鈦合金鍛件。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種易切削鈦合金的制備方法，其特征在于所述鑄錠在.1100^1200攝氏度進(jìn)行鍛造。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種易切削鈦合金及其制備方法，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(fā)明提供了一種易切削性能卓越的鈦合金，同時(shí)保證良好的疲勞強(qiáng)度和熱加工性，不含重金屬，其制備方法簡(jiǎn)單可行，可生產(chǎn)出切削及加工性能好的線材或棒材。
文檔編號(hào)C22C14/00GK102719701SQ20121023570
公開日2012年10月10日 申請(qǐng)日期2012年7月9日 優(yōu)先權(quán)日2012年7月9日
發(fā)明者胡旭 申請(qǐng)人:江蘇三鑫特殊金屬材料股份有限公司