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合金化來提高其切削性能，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，在航空航天、船舶、海水發(fā)電、化工冶金、汽車及生物醫(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)致其加工成本過高，而且導(dǎo)致其加工精度無法保證，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)用過程中亟待解決的問題。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
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程中面臨的問題主要是從兩個方面來入手其一，開發(fā)高性能的刀具材料和切削液，改善加工條件；其二，通過合金化，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)報道，通過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,把氫作為臨時合金化元素，通過氫的可逆合金化和氫致相變等作用來提高鈦合金的加工性能。據(jù)報道，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。但是對于大尺寸制件而言，一方面滲氫工序時間較長，氫氣損耗較大，增加了工藝成本，另一方面真空脫氫過程則耗時太長，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Ti的鈦基合金，其中，其它雜質(zhì)元素的合計質(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Ti的鈦基合金，其中，其它雜質(zhì)元素的合計質(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Ti或3°/Γ 5%的Cu，5°/Γ 5%的Cr，余量為Ti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)時間為I 3h。所發(fā)明的易切削鈦合金在研究過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，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為在鈦合金中添加了具有高熱導(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，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，可以起到彌散強(qiáng)化的作用，而含量較多時，其脆性將對合金強(qiáng)度產(chǎn)生不利影響，并且Ti2Cu的熔點較低，在990°C時即可熔化。(2)當(dāng)在鈦或鈦合金中同時添加Cr和Cu元素時，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程中，具有精度高、加工表面平滑、孔壁光亮的特點。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。
具體實施例方式通過下述實施例能更好的理解本發(fā)明，但實施例并不用來限制本發(fā)明。實施例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)見表I。對合金進(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)明例與對比例的屈服強(qiáng)度和彈性模量的對比
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Ti的鈦基合金，其中，其它雜質(zhì)元素的合計質(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Ti的鈦基合金，其中，其它雜質(zhì)元素的合計質(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Ti的鈦基合金，其他雜質(zhì)元素的合計質(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C22C14/00GK102605212SQ20121008680
公開日2012年7月25日 申請日期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 申請人:北京科技大學(xué)