寶雞市三立有色金屬有限責(zé)任公司

翟麗君  郭永喜

陜西寶雞721013 中國

摘  要：本文主要以寶雞市三立公司新金屬材料研發(fā)中心的研制成果中，專門針對超硬材料行業(yè)研發(fā)的超硬磨具鈦合金基體為例。闡述超硬磨具鈦合金基體材料與傳統(tǒng)基體材料比較研究中呈現(xiàn)優(yōu)異的九大特性及其在航空、航海、造船醫(yī)療等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的可能性和可靠性。

關(guān)鍵詞：鈦合金基體；金剛石；立方氮化硼；動平衡；高強度；耐腐蝕

The Super Hardness grinding of Titanium Alloy Substrate

Lijun Zhai  Yongxi Guo

BaojiSan li Nonferrous Metals Co., Ltd

Shaan Xi BaoJi 721013 China

Abstract:In this paper, Baoji Sanli Non-ferrous Metals and Materials R & D achievements in the development, industry-specific R & D of super-hard super-hard material grinding titanium alloy matrix as an example. Superhard Abrasives described titanium alloy substrate material compared with traditional research-based materials show excellent properties and nine in the aviation, marine, shipbuilding and other fields of medical possibility and reliability of widely used.

Key words: titanium alloy Substrate; diamond; cubic boron nitride; balancing; high strength; corrosion resisting

1 前言

　　寶雞市三立有色金屬有限責(zé)任公司是鈦及鈦合金絲材、棒材、板材和管材等著名生產(chǎn)廠家。公司注冊商標(biāo)“寶立鈦”，主導(dǎo)產(chǎn)品有鈦、鋯、鈮、鉬、鎳以及超硬材料砂輪鈦合金基體，超硬材料研發(fā)使用的鈦鈮杯、鋯杯、鉬杯等各種規(guī)格型號的異形杯。具有高科技、高效率、高成品性的產(chǎn)品體系。20多年來是國內(nèi)首家為國內(nèi)外超硬材料行業(yè)研發(fā)生產(chǎn)專用的稀有金屬材料的科技型企業(yè)。我們堅持走創(chuàng)新之路、秉承著以市場應(yīng)用開發(fā)為主的高科技高效益的經(jīng)營方針，專門成立了以總經(jīng)理為首，專業(yè)科技人員為主的新金屬材料研發(fā)中心。經(jīng)過與河南工業(yè)大學(xué)、鄭州磨料磨具磨削研究所等科研院校的合作，以及積極深入鄭飛、西飛等航空企業(yè)和科研院所進行市場調(diào)研。并經(jīng)過日本等國家的用戶試驗使用，我們開發(fā)研制的超硬磨具鈦合金基體得到國內(nèi)外用戶高度評價和認可，特別是鈦合金基體材料首創(chuàng)用于超硬模具基體。如今經(jīng)過不斷改進創(chuàng)新已成為擁有世界先進水平和機械制造技術(shù)鈦合金基體的專業(yè)廠家。

　　近年來，經(jīng)過廣泛的市場調(diào)研和不斷開拓應(yīng)用市場，通過聯(lián)合國內(nèi)外超硬材料生產(chǎn)企業(yè)進行共同的技術(shù)合作，并在原機械工業(yè)部鄭州磨料磨具磨削研究所等相關(guān)科研院校專家的支持下，進行超硬磨具鈦合金基體材料深入的研發(fā)試制和加工，我們形成具有自主創(chuàng)新獨立知識產(chǎn)權(quán)技術(shù)的鈦合金基體材料的專利產(chǎn)品，并申請了國家專利，專利申請于2009年通過審批,專利號為200910022162.4。

　　我們對國內(nèi)外的超硬材料行業(yè)及市場的調(diào)查了解，過去生產(chǎn)超硬模具基體材料主要是以合金鋼、合金鋁的材料為首先選擇的基體材料?，F(xiàn)在研發(fā)出的新型超硬材料——超硬模具鈦合金基體材料，由于其優(yōu)越的化學(xué)物理性能及優(yōu)于其它基體材料的機械加工性能，其優(yōu)勢日漸顯露，并且這種特殊材料與其它基體材料相比較具有九方面的顯著特點。

　　目前，通過使用三立公司提供的新型超硬鈦合金基體材料，鄭州磨料磨具磨削研究院等幾家科研機構(gòu)，已經(jīng)共同研制出超硬磨具鈦合金基體砂輪以及超高速金剛石磨具和立方氮化硼磨具，這一研發(fā)成果可以廣泛應(yīng)用于航天航空、超音速飛機、航天飛行器、航海船舶、發(fā)動機軸、起動架以及石油化工、數(shù)控機床、醫(yī)療器械、汽車制造等高精度零件加工。并且填補了國內(nèi)相關(guān)領(lǐng)域的空缺。并且它可以提高超硬磨具的抗疲勞強度，延長使用壽命，使采用了鈦合金基體材料研制出的超硬模具被國內(nèi)外企業(yè)認為是高速、高效、低磨削成本、低環(huán)境污染和高性能的可靠產(chǎn)品。

2 超硬磨具鈦合金基體材料的九大特性

　　鈦合金基體材料在原機械工業(yè)部鄭州磨料磨具磨削研究所的支持下，在西飛、鄭飛、美國、日本、德國等相關(guān)企業(yè)的合作跟蹤試驗，與傳統(tǒng)上選擇使用的其它基體材料相比較，鈦合金基體具有九大物理機械特性：

2.1 鈦合金基體密度小、強度高、比強度大。

　　鈦合金的密度為4.51g/cm，是鋼合金基體的57%，不到鋁合金基體的兩倍，強度比鋁合金基體大三倍。鈦合金基體的比強度（拉伸強度/密度）是常用的工業(yè)合金中最大的。鈦合金的比強度是不銹鋼的3.5倍，是鋁合金基體的1.3倍，是鎂合金的1.7倍。在300攝氏度到350攝氏度下鈦合金基體的強度比鋁合金基體高10倍。是超硬材料行業(yè)必不可少的基體結(jié)構(gòu)材料。

表1、鈦合金基體與其他金屬密度和比強度的比較

2.2 鈦合金基體耐腐蝕性能優(yōu)良

　　鈦合金基體材料的鈍性取決于氧化膜的存在，它在氧化性介質(zhì)中的耐腐蝕性比在還原性介質(zhì)中要好得多。在還原性介質(zhì)中能發(fā)生高速率腐蝕，鈦合金基體在一些腐蝕性介質(zhì)中不會被腐蝕：如海水、濕氯氣、亞氯酸鹽、鋁酸鹽液、硝酸、鉻酸、金屬氯化物、硫化物以及有機酸等。而且超硬材料鈦合金基體可以在惡劣環(huán)境中使用，動靜平衡都不影響，能夠保持良好的穩(wěn)定可靠性能。

2.3 鈦合金基體熔點高，耐熱性能優(yōu)良。

　　鈦合金基體材料熔點可高達1668攝氏度，沸點為3400攝氏度，高于鐵、鎳金屬，因此鈦合金作為輕型耐熱材料具有優(yōu)良的基礎(chǔ)。耐熱性高，其工作溫度在500攝氏度。經(jīng)過高速運轉(zhuǎn)以及長期工作仍然能夠保持良好的力學(xué)性能。通常鈦合金基體在550攝氏度以上，而不銹鋼基體在310攝氏度即失去了原有較高的力學(xué)性。在日本調(diào)研中發(fā)現(xiàn)用其它合金基體生產(chǎn)的模具，如果用在數(shù)控設(shè)備中會發(fā)出警報信號，不能投入使用。采用鈦合金機體模具后運轉(zhuǎn)就非常地正常。因此它最適用于高精度、航空發(fā)動機、壓氣機、渦輪盤、葉片起動架、汽車、液壓、軸承、空間壓縮機、數(shù)控精度較高的機床以及醫(yī)療器械等。

圖1、鈦合金基體

 圖2、鈦合金異形基體

2.4 鈦合金基體低溫性能好

　　鈦合金基體可以在低溫環(huán)境下工作，在零下253攝氏度到600攝氏度范圍內(nèi)使用。其強度隨著溫度降低而提高，但塑性降低得不多，在低溫下仍有較好的延性及韌性，適合在超低溫下使用。鈦合金基體在低溫和超低溫下仍能保持其原有的一定力學(xué)性能。

2.5 鈦合金基體材料無磁性。

　　鈦合金基體材料沒有磁性，而且也不會因加工生產(chǎn)等過程而產(chǎn)生磁性。超硬磨具鈦合金基體并且可以在強磁場環(huán)境下進行加工，而且它也無靜電性，不會在磁場中產(chǎn)生電磁性，加工件附件也不會附在鈦合金基體上，不影響設(shè)備的運轉(zhuǎn)、穩(wěn)定、精度以及動平衡。因為鈦合金磁化率為3.2×10的負6次方（單位是立方厘米每克），所以鈦合金基體材料在很強的磁場中也不會被磁化。

2.6 鈦合金基體導(dǎo)熱性能小。

　　鈦的導(dǎo)熱系數(shù)為0.036cal/(cm*s*c)，而通過添加稀有金屬材料，研發(fā)出的鈦合金基體材料的導(dǎo)熱系數(shù)僅為0.019cal/(cm*s*c),它僅為鋼的1/5，鋁合金的1/13，銅的1/25，導(dǎo)熱系數(shù)小在超硬材料鈦合金基體模具磨削加工場合，可以利用這一良好的特性。

表2-鈦合金基體與其他金屬基體的導(dǎo)熱率比較

　　所以在磨削加工件時高溫?zé)崃坎灰讉鞯解伜辖鸹w上，不會因為過熱使得基體變形或者損壞。

2.7 鈦合金基體彈性模量小

　　鈦合金基體彈性模量小，鈦合金的彈性模量約為鐵的55%。作為結(jié)構(gòu)材料使用時彈性模量低是個缺陷。但是對于外科植入鈦合金和超硬模具鈦合金基體卻是一種非常優(yōu)良的結(jié)構(gòu)材料。

　　鈦合金材料的彈性模量接近人體自然量，超硬磨具鈦合金基體的彈性模量對動平衡、高速旋轉(zhuǎn)基體能夠非常好的保持速度平衡，而且可以使其在高速的運轉(zhuǎn)過程中震動搖擺小，是自動化高速數(shù)控機床設(shè)備的首選材料。

表3、鈦合金基體與其它金屬的彈性模量比較

2.8 鈦合金基體的抗拉強度與屈服強度接近。

　　鈦合金基體材料的抗拉強度為686-1176Mpa，最高可以達到1764Mpa。鈦合金基體與許多鋼的強度相當(dāng)，但是比強度鈦合金基體是最好的。

　　鈦合金基體材料的壓縮強度比低于其拉伸強度，比抗拉強度稍高。剪切強度一般為抗拉強度的1.2-2.0倍。

　　在正常大氣氣氛下，經(jīng)過加工和退火的持久強度為0.5-0.65倍，而且鈦合金基體在退火狀態(tài)下的硬度值為32-38HRC,相當(dāng)于298-349HB。

　　鈦合金基體具有很高的斷裂韌度，抗裂紋擴展的能力很好。因為鈦合金基體在高溫下還能夠保持一定的力學(xué)性能，而且在低溫和超低溫下也仍然能夠保持其原有的一定力學(xué)性能。

表4、鈦合金基體與其它金屬的抗拉強度與屈服強度比較

2.9 動靜平衡性能高，低能耗、低環(huán)境污染。

　　鈦合金基體在機械加工、精度、平行度、垂直度較高，通過熔煉添加不同的合金元素來提高強度和硬度，保證動靜平衡性能，提高了基體材料成品的可再生使用性，是真正低環(huán)境污染的高性能材料。

三、結(jié)論

　　基于超硬材料磨具鈦合金基體材料的優(yōu)勢性能，在航天航空、發(fā)動機軸、飛機起動架、發(fā)射機構(gòu)、磨削加工等等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用價值、效益明顯，作為新型基體材料，它提高超硬材料行業(yè)領(lǐng)域技術(shù)創(chuàng)新和技術(shù)進步的水平，并且通過實踐應(yīng)用取得了良好的效果。

參考文獻：

• 寶雞三立有色金屬有限責(zé)任公司鈦合金基體材料國家專利
• 翟麗君、郭永喜、《磨削鈦及鈦合金的砂輪選擇》，中國有色金屬工業(yè)協(xié)會  鈦鋯鎳分會2009年論文集232-238
• 宜云雷郭紅《鈦在超硬材料行業(yè)中的應(yīng)用》

作者簡介：翟麗君，女，1950年出生，高級經(jīng)濟師，寶雞市三立有色金屬有限責(zé)任公司，董事長兼總經(jīng)理。手機：13038484472，

E-mail:baoliti@yahoo.com

      Writer’s profile: Lijun Zhai, female, born in 1950,senior economist,the president of Baoji Sanli Non-ferrous Co., Ltd. Tel: 13038484472，E-mail:baoliti@yahoo.com