鈦合金具有密度?。s4.5 g/cm3）,、強度高以及耐腐蝕（酸,、堿、海水和大氣等介質(zhì)）等一系列優(yōu)良的力學(xué)和物理性能,。因此在航空、航天、核能,、化工、石油,、冶金和醫(yī)療器械等工業(yè)中得到越來越廣泛地應(yīng)用,。
（1）鈦合金的分類。鈦是同素異構(gòu)體,，溶點為1720℃,，同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變溫度為882℃。
在低于882℃時,，鈦呈密排六方晶格結(jié)構(gòu),，稱為α鈦。在882℃以上時,，呈體心立方晶格結(jié)構(gòu),，稱為β鈦。利用上述兩種結(jié)構(gòu)的不同特點,，添加不同的合金元素,，使其相變溫度及相分含量逐漸改變，從而得到不同組織的鈦合金,。
在室溫下,，鈦合金有三種基本組織，可分為以下三類,。①α鈦合金,。由α固溶體組成的單相合金。耐熱性高于純鈦,，組織穩(wěn)定,，抗氧化能力強，在500～600℃下仍保持其強度,，抗蠕變能力強,，但不能進(jìn)行熱處理強化，牌號有TA4～TA8,。硬度為240～300HB,，抗拉強度σb為340～981MPa，伸長率δ為10%～25%,，沖擊值ak為（29.43～58.86）×104J/m2,，熱導(dǎo)率к為7.54～10.47W/m·K,。②β鈦合金。由β相固溶體組成的單相合金,。不經(jīng)熱處理就有較高的強度,，淬火時效后，合金得到進(jìn)一步強化,，但熱穩(wěn)定性差,，不宜在高溫下使用，牌號有TB1,、TB2,。硬度為240～300HB，抗拉強度σb為1 079～1 373MPa,，伸長率δ為18%,，沖擊值ak為29.43×104J/m2，熱導(dǎo)率к為6.28W/m·K,。③α+β鈦合金。由α和β雙向組成,，既有α穩(wěn)定元素,，又有β穩(wěn)定元素，如Cr,、Co,、Fe、Ni和Mn等β共析型元素,，穩(wěn)定了β相,。Sn、Zr兩種元素在α和β相中都具有相當(dāng)大的固溶性,，是有效的強化劑,。這類合金組織穩(wěn)定，有良好的高溫變形性,、韌性和塑性,，能進(jìn)行淬火和時效，使合金強化,。熱處理后的強度比退火狀態(tài)提高50%～100%,。高溫強度高，可在400～500℃下長期工作,，熱穩(wěn)定性僅次于α鈦合金,。牌號有TC1～TC10。硬度為210～365HB,，抗拉強σb為589～1 059MPa,，伸長率δ為10%～15%,，沖擊值ak為（29.43～44.15）×104J/m2，熱導(dǎo)率к為5.44～9.63W/m·K,。
三種鈦合金中,，α鈦合金的切削加工性相對較好，α+β鈦合金次之,，β鈦合金最差,。其中，最常用的是α鈦合金和α+β鈦合金,。
（2）鈦合金的性能特點,。①比強度高。鈦合金的密度小,，強度高,，所以他的比強度（σb/ρ）大于超高強度鋼。②熱強性高,。鈦合金的熱穩(wěn)定性好,，高溫強度高，能在500℃下長期工作,，而鋁合金只能在200℃以下工作,。鈦合金在300～500℃溫度下的強度比鋁合金約高10倍。③抗蝕性好,。鈦合金在潮濕大氣和海水介質(zhì)中能長期工作,，其抗蝕能力遠(yuǎn)優(yōu)于不銹鋼。對點蝕,、酸蝕和應(yīng)力腐蝕的抵抗能力很強,。對堿、氯化物,、氯的有機化合物,、硝酸以及硫酸等有優(yōu)越的抗蝕能力。但鈦對具有還原性氧及鉻鹽介質(zhì)的抗蝕性差,。④化學(xué)活性大,。鈦與大氣中的O、N,、H,、CO、CO2,、水蒸氣和氮氣等產(chǎn)生強烈的化學(xué)反應(yīng),。當(dāng)含碳量大于0.2%時，會在鈦合金中形成硬質(zhì)TiC,。溫度較高時,，與N作用,，也會形成TiN硬質(zhì)表層。在600℃以上時,，鈦能吸收氧形成硬度較高的硬化層,。氫含量上升，也會形成硬化層,。鈦吸收氣體而產(chǎn)生硬脆表層的深度可達(dá)0.1～0.15mm,，硬化程度比基體硬度高20%～30%。鈦的化學(xué)親和性也大,，易與摩擦表面產(chǎn)生粘結(jié)現(xiàn)象,。⑤熱導(dǎo)率低，彈性模量小,。鈦的熱導(dǎo)率很低,，為15.24W/m·K，是鎳的1/4,，鐵的1/5,，鋁的1/4。而各種鈦合金的熱導(dǎo)率更低,，一般為鈦的50%,。如TC4的к為7.95W/m·K，TC9的к為7.12W/m·K,。鈦和鈦合金的彈性模量E為110 000MPa，約為一般鋼材的1/2,，故剛度差,，易變形。⑥低溫性能好,。鈦合金在低溫和超低溫（－100～－253℃）條件下,，仍保持其力學(xué)性能,是一種重要的低溫結(jié)構(gòu)材料。
鈦的溶點高（1 720℃）,，激活能大,，晶格原子不易脫離其平衡位置，故在切削加工時,，切離成切屑所消耗的能量大,。加入的合金元素愈多，則合金的強度,、硬度愈高,，愈難于切削加工。試驗證明,，鈦合金的硬度大于350HBW時,，切削加工越困難,。而硬度小于300HBW時，易出現(xiàn)粘刀,，也難于切削,。鈦合金最好的切削加工硬度是300～350HBW。鈦合金難于切削的原因不只是硬度這一項,，還因他本身的其他力學(xué)性能,、物理性能和化學(xué)性能等因素的影響。其切削特點如下,。
（1）變形系數(shù)小,。切削鈦合金的切屑變形系數(shù)略小于1或接近于1，這是切削鈦合金時一大顯著特點,。其塑形變形小和切屑收縮率小,，是因為在切削高溫時，鈦由α向β轉(zhuǎn)變,，而β鈦的體積增大,，引起切屑增長，在高溫的作用下,，鈦屑吸收空氣中的O,、H和N，使鈦屑喪失了塑性,，切屑不再收縮,。
（2）切削溫度高。由于鈦合金的熱導(dǎo)率低,，切削熱傳出困難,，致使切削區(qū)溫度增高。所以在相同的切削條件下,，他的切削溫度比切削45鋼高將近1倍,。還因其塑性變形小，切屑與前刀面接觸短,，切削熱集中于切削刃狹小區(qū)域內(nèi),，不易傳出而造成。
（3）單位面積上的切削力大,。切削鈦合金的主切削力比切削一般鋼材小20%左右,。但由于刀具與切屑的接觸的長度短，使單位面積上的切削大大增加,，容易造成刀具崩刃,。
（4）刀具易磨損。鈦合金毛坯經(jīng)過鍛造,、熱軋等方法加工后,，形成硬而脆的不均勻外皮,，極易造成刀具磨損。再由于他的切削溫度高,，切屑與刀具前刀面接觸短,，散熱條件差，加之其彈性模量小,，彈性恢復(fù)大（約為切削不銹鋼的2～3倍）,，與刀具后刀面的摩擦面積大，親和性大,，易造成刀具磨料,、粘結(jié)、擴散和氧化磨損,。
（5）易產(chǎn)生表面變質(zhì)污染層,。由于鈦合金的化學(xué)活性大，易與各種氣體雜質(zhì)產(chǎn)生強烈的化學(xué)反應(yīng),。如O,、N、H,、C等侵入鈦合金表層,，易形成TiC、TiN硬質(zhì)表層,，致使表層的硬度和脆性上升,。
（1）切削鈦合金的刀具材料。切削加工鈦合金時,，應(yīng)選用硬度高,、耐磨性好、抗彎強度高,、熱導(dǎo)率高和與鈦合金親和作用小的刀具材料。①高速鋼,。應(yīng)首選含鋁,、含鈷超硬高速鋼和高釩高速鋼，因其常溫和高溫硬度比普通高速鋼高6～8HRC,，刀具耐用度可提高4倍以上,。牌號有W6Mo5Cr4Ν2Al、W2Mo9Cr4ΝCo8以及W12Mo3Cr4Ν3Co5Si等,。②硬質(zhì)合金,。應(yīng)選用添加TaC或NbC的YG類細(xì)晶粒或超細(xì)晶粒硬質(zhì)合金,。這類合金不僅硬度高,、耐磨性好,，而且刀具耐用度也高幾倍。牌號有YS2,、YG813,、YD15和YG6x等。涂層硬質(zhì)合金不宜選TiN和TiC涂層,，應(yīng)選TiAlN和TiAlSi涂層及金剛石涂層,。③超硬刀具材料。如人造聚晶金剛石（PCD）,、人造厚膜釬焊金剛石（CΝD）和立方氮化硼（PCBN）,。他們均可高速（Νc≥200m/min）切削鈦合金，其刀具耐用度是硬質(zhì)合金的幾十倍至幾百倍,，且加工質(zhì)量好,。
（2）切削鈦合金的刀具幾何參數(shù)。①前角,。鈦合金在切削時,，切屑與刀具前刀面接觸很短，前角小時,，可增大切屑與前刀面的接觸面積,，使切削力和切削熱不致過分集中在刀具刃口上，改善散熱條件的同時保護(hù)刀刃,，減少了崩刃的可能性,。一般γ0=5°～15°。高速鋼刀具,，γ0=10°～15°,。超硬刀具材料的刀具，γ0=0°～5°,。②后角,。由于鈦合金的彈性模量小，為一般鋼材的1/2,，所以在切削時,，切削表面和已加工表面的彈性恢復(fù)大，為了減小刀具后刀面和工件的摩擦和磨損,，一般α0≥15°,。③主、副偏角,。鈦合金在切削時,，切削溫度高，刀屑接觸短，為增大刀尖強度,、改善散熱條件并減小刀刃單位長度負(fù)荷,，在粗加工時，κr≤45°,，κr'=10°～15°,；精加工時，κr＞75°,。④刃傾角,。由于毛坯表皮組織不均勻和硬皮，為了增大刀尖強度,，粗加工時,，λs=-5°～-3°；精加工時,，λs=0°～3°,。⑤刀尖圓弧半徑。一般取rε=0.8～1.2mm,。
（3）切削鈦合金的切削用量,。由于鈦合金的性能和切削特點，影響刀具耐用度的主要因素為切削溫度,。因此,，力求選用最佳切削溫度下相對應(yīng)的切削速度。高速鋼刀具的最佳切削溫度為480～540℃,，相對應(yīng)的切削速度為νc=8～12m/min,；硬質(zhì)合金刀具的最佳切削溫度為650～750℃，相對應(yīng)的切削速度為Νc=25～54m/min,。但進(jìn)給量對鈦合金的切削溫度也影響比較大,，?大切削溫度高，所以一般?不宜大于0.3mm/r,。PCD,、CΝD刀具的Νc=100～200m/min，但一般干切取小值,，濕切取中偏大值,。切削鈦合金時，應(yīng)避免高速微量干切削,，以免微小的鈦屑在空氣中發(fā)生自燃。
（4）切削鈦合金的切削液,。為了降低切削溫度,，應(yīng)在切削區(qū)澆注大量以冷卻為主的切削液。對切削液的熱導(dǎo)率、比熱,、熱容量,、汽化熱、汽化速度,、流量和流速要求較高,。一般是水比油的熱導(dǎo)率高3～5倍，比熱大1倍,，汽化熱大約10倍,，故水溶性冷卻性能最好。在車削,、銑削和鉆削時,，常采用乳化液或采用添加極壓添加劑（含S、P和Cl）的水溶液,。
極壓水溶液的配方是：氯化脂肪酸,、聚氯乙烯0.5%～0.8%，磷酸三鈉0.5%,，三乙醇胺1%～2%,，亞硝酸鈉1.2%，其余為水,。
在擴孔,、鉸孔、拉削和攻絲時,，應(yīng)采用潤滑性能好的極壓切削油,、蓖麻油、油酸,、硫化油和氯化油等,。
（5）切削鈦合金應(yīng)注意的問題。①切削鈦合金時應(yīng)避免微量切削,，以避免自燃現(xiàn)象發(fā)生,。一旦著火，應(yīng)采用滑石粉,、石灰粉和干砂滅火,。嚴(yán)禁使用四氯化碳、二氧化碳滅火器,，不能澆水,，以免加速燃燒，導(dǎo)致氫爆炸,。②在銑削時,，應(yīng)盡量采用順銑和不對稱銑，這樣在切離時切屑很薄，不易粘在刀刃上,，避免在切入時損壞刀刃,。不對稱銑的偏心距e=(0.04～0.1)d0，d0為銑刀直徑,。③由于鈦合金的彈性模量為鋼材的1/2,，在夾緊時易產(chǎn)生變形，直接影響加工精度,。所以在安裝工件時,，夾緊力要適當(dāng)而不宜過大，必要時增加輔助支撐,。④采用高速鋼鉆頭鉆孔時,，鉆型盡可能采用三尖七刃的群鉆，鋒角2φ=135°～140°,，橫刃寬度b=(0.05～0.1)d0,，有利于排屑和減小軸向力及改善散熱條件。Νc≤12m/min,，Νc偏高會加快鉆頭磨損,。⑤攻絲是切削鈦合金最困難的工序，特別是小直徑螺紋,。因其彈性模量小,，回彈大，絲錐與工件接觸面積大,，造成摩擦扭矩增大,，一般約為攻45鋼的1倍，造成絲錐磨損過快,，甚至被咬死折斷在螺孔中,。為了改變這種不良現(xiàn)象，應(yīng)在攻絲前把絲錐的后角用金剛石什錦銼加大到約15°,，且適當(dāng)加大螺紋底孔直,，使牙高率為70%左右。
雖然鈦合金屬于難切削材料,，但只要熟知他的性能和切削特點,，合理選擇刀具材料、刀具幾何參數(shù),、切削用量,、切削液和注意在切削中的問題，就一定能順利完成對他的各種切削加工,。