专利名称：一种易切削钛合金及其制备方法
技术领域：
本发明涉及金属材料领域，具体地说涉及一种易切削钛合金及其制备方法。
背景技术：
钛及钛合金由于其优异的性能被人们誉为“太空金属”和“海洋金属”，是重要的战略金属材料。钛冶金和加工技术是高 新技术，钛的氧化物化学位低，非常稳定，将其还原为金属极为困难。目前，海绵钛生产的主导工艺是氯化镁还原法，即富钛料通过氯化一精制一还蒸一精整工序得到海绵钛，还要通过配套氯化镁的电解，实现镁、氯闭路循环，是一个复杂的冶金体系。金属钛的熔点高，合金体系复杂，加工温区窄、变形抗力大，需要许多特殊的加工技术和专用设备进行钛及钛合金的加工材的制备。钛合金相对一般合金钢具有以下优点(I)比强度高钛合金密度只有4. 5g/cm3，比铁小得多，而其强度与普通碳钢相近。(2)机械性能好钛合金熔点为1660°C，比铁高，具有较高的热强度，可在550°C以下工作，同时在低温下通常显示出较好的韧性。(3)抗腐蚀性好在550°C以下钛合金表面易形成致密的氧化膜，故不容易被进一步氧化，对大气、海水、蒸汽以及一些酸、碱、盐介质均有较高的抗蚀能力。虽然钛合金相比其他金属或合金性能比较优异，但钛合金的切削加工性比较差。主要原因为(1)导热性差，致使切削温度很高，降低了刀具耐用度。(2) 600°C以上温度时，表面形成氧化硬层，对刀具有强烈的磨损作用。(3)塑性低、硬度高，使剪切角增大,切屑与前刀面接触长度很小,前刀面上应力很大,刀刃易发生破损。(4)弹性模量低，弹性变形大，接近后刀面处工件表面回弹量大，所以已加工表面与后刀面的接触面积大，磨损严重。钛合金切削过程中的这些特点使其加工变得十分困难，导致加工效率低，刀具消耗大。
发明内容
发明目的本发明的目的是提供一种切削性能好、易加工的钛合金材料；本发明另外一个目的是提供上述材料的制备方法。技术方案为了实现上述发明目的，本发明的一种易切削钛合金，按重量百分比及包括如下组分碳0 O.05% ；铁0.001 2. 0% ；氮0 0·05% ；氢0 0·005% ；铝2.0 7.5%;钒1.5 6.5%;氧0 0.40%;铅0 0.001%;稀土元素0·00Γ5. 0% ；
除上述组分外，所述钛合金按重量百分比还包括如下组分秘0.01 3.0%; 0. 00Γ5. 0% ；碲0.001 5. 0% ;磷0.01 2.0%;镍0 3·0% ；硫0 2.0%;其余为钛和不可避免的杂质。本发明中铋、硒、碲、磷、镍、硫都属于易切削元素。这些元素的添加有利于提高钛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钛合金的易切削和机械加工性。为了达到这个目的，元素的添加量须控制在0.001%以上。但是当总量过大时，钛合金的热加工性能显著下降。因此，综合考虑，两种元素分别的添加量不能超过5%，且两种元素的总量也应该控制在5%以内。铋作为低熔点金属内在物，是改进切削性重要的元素之一。铋可以单独存在或者和硫化物一起以粘附物质的形式存在于硫化物型夹杂物微粒的外表面，可改进切削性。但铋的含量应控制在一定的范围，因为过量的铋并不能完全溶解在钛合金中，其切削效果在达到饱和后并不随着铋含量的增加而无限增长，相反过量的铋会形成缺陷，导致热加工性下降。经研究发现，铋的含量控制在O. 019Γ3%较为合理。磷一部分以固溶体的形式溶解在碲中，形成的固溶体在一定程度上会降低基体的延展性和柔软性；剩余部分的磷在钛中的组织相则可以提高机械加工性和切削性。但是，磷元素的单独添加会显著地降低热加工性和疲劳强度，因此磷元素应该与硫、镍元素中的至少一种同时添加。当磷含量低于0.01%时，溶解在钛基体中的磷的固溶体或者相都不能较好的提高其切削性。另一方面，当磷的含量高于2%时，磷在基体中反而形成了较差的组织或相，虽然切削性影响不大，但热加工性和疲劳强度却明显下降。当硫和磷元素一起加入时，改善了单独加入磷时的内部组织，疲劳强度和热加工性也比只加入磷时有一定的提高。当硫的含量低于O. 01%时,不能较好的改善磷在钛中形成的组织或相，从而也不能很好的改善其疲劳强度和热加工性；当硫的含量高于2%时，钛中形成的内在组织随着硫的含量增加颗粒度也增大，反而在一定程度上降低了热加工性和疲劳强度。故应将硫的含量控制在O. Of 2%，较优的范围在O. 08 1%。另外，当磷和硫的比例变化时，形成组织的颗粒度也随之变化，经研究发现，较好的比例应控制在1:2到2:1的范围内。镍和磷元素同时添加也能提高单独加入磷时的疲劳强度和热加工性，另外，镍和钛之间能形成金属间化合物，能有效的提高钛合金的易切削性。当镍的含量低于O. 01%时，不能显著的改善内在物的组织形貌，达不到该改善疲劳强度和热加工性的目的；当镍的含量高于3%时，镍与镍之间形成的金属间化合物的尺寸也增大，从而降低了延展性和柔软性，同时也降低了热加工性和疲劳强度。本发明还通过添加铝作为钛的α相稳定元素，钒和铁作为钛的β相稳定元素，氢的合理添加可进一步改善钛合金的组织结构，氮的添加可与钛形成硬质氮化物，起到细化晶粒的作用，从而进一步改善切削性能。铅虽然较能提高切削性，但出于环保的因素，本发明铅的加入量为(Γ0. 001%。
作为本发明的进一步优化，所述钛合金按重量百分比及包括如下组分碳0 0·03%;铁0.001 I. 5% ；氮0 0·01% ；氢0 0·003% ；铝2.0 6· 5% ；钒1.5 5.5%;氧0 0·30% ；稀土元素0·00Γ4. 0% ；除上述组分外，所述钛合金按重量百分比还包括如下组分铋0.01 3. 0% ；硒0.001 5. 0% ;碲0.00Γ5. 0% ；磷O.OI 2. 0% ;镍0.01 3. 0% ；硫0.01 2. 0% ；其余为钛和不可避免的杂质。所述稀土元素包括钪、钇、镧、铈、镧系的任意一种或多种的组合。稀土元素能与硫、硒、碲产生稳定的化合物，提高钛合金的易切削性。但稀土元素的量过高时，钛合金的强度和耐腐蚀性都会降低。本发明的易切削钛合金的制备方法包括将海绵钛、中间合金制备成电极块并在真空等离子箱内焊接成真空自耗电极，真空自耗熔炼制成铸锭，将铸锭在高温下锻造得到钛合金锻件。本发明的钛合金铸锭在110(Γ1200摄氏度进行锻造。作为本发明的优选方案，所述锻造温度为1150摄氏度。有益效果本发明的一种易切削钛合金及其制备方法提供了一种易切削性能卓越的钛合金，同时保证良好的疲劳强度和热加工性，不含重金属，其制备方法简单可行，可生产出切削及加工性能好的线材或棒材。
具体实施例方式这里须要说明的是，以下实施例如无特别说明，其百分比都表示质量百分比。实施例I将海绵钛、各种中间合金按表I的成分配比制备成电极块，电极块在真空等离子箱内焊接成真空自耗电极，然后进行真空自耗熔炼制成铸锭。铸锭在1150°C左右进行锻造，进过中间锻造后最后在轧机上轧制成Φ9πιπι的钛合金棒材，轧制温度大约在830°C左右。表I
权利要求
1.一种易切削钛合金，其特征在于按重量百分比及包括如下组分碳:0 0· 05% ；铁0. 001 2. 0% ；氮:0 0· 05% ；氢:0 0· 005% ；铝2. 0 7· 5% ；钒L 5 6. 5% ；氧:0 O. 40% ；铅0 0. 001% ； 稀土元素0. 00Γ5. 0% ； 除上述组分外，所述钛合金按重量百分比还包括如下组分铋0. OI 3. 0% ；硒0. 00Γ5. 0% ；碲0. 00Γ5. 0% ；磷0. OI 2. 0% ；镍:0 3· 0% ；硫:0 2· 0% ； 其余为钛和不可避免的杂质。
2.根据权利要求I所述的一种易切削钛合金，其特征在于按重量百分比及包括如下组分碳:0 0· 03% ；铁0. 001 I. 5% ；氮:0 0· 01% ；氢:0 0· 003% ；铝2. 0 6· 5% ；钒1· 5 5. 5% ；氧:0 0· 30% ； 稀土元素0. 001 4. 0% ； 除上述组分外，所述钛合金按重量百分比还包括如下组分铋0. OI 3. 0% ；硒0. 00Γ5. 0% ；碲0. 00Γ5. 0% ；磷0. OI 2. 0% ；镍0. OI 3. 0% ；硫0. OI 2. 0% ； 其余为钛和不可避免的杂质。
3.根据权利要求I或2所述的一种易切削钛合金，其特征在于所述钛合金中的硒和締总量不大于5. 0%。
4.根据权利要求I或2所述的一种易切削钛合金，其特征在于所述钛合金中磷和硫的比例为在1:2 2: I。
5.根据权利要求I或2所述的一种易切削钛合金，其特征在于所述稀土元素包括钪、钇、镧、铈、镧系的任意一种或多种的组合。
6.如权利要求I所述一种易切削钛合金的制备方法，其特征在于，该方法包括将海绵钛、中间合金制备成电极块并在真空等离子箱内焊接成真空自耗电极，真空自耗熔炼制成铸锭，将铸锭在高温下锻造得到钛合金锻件。
7.根据权利要求6所述的一种易切削钛合金的制备方法，其特征在于所述铸锭在.1100^1200摄氏度进行锻造。
全文摘要
本发明公开了一种易切削钛合金及其制备方法，所述钛合金包括钛、碳、铁、氮、氢、铝、钒、氧，稀土元素，还添加有铋、硒、碲、磷、镍、硫、等易切削组分。本发明提供了一种易切削性能卓越的钛合金，同时保证良好的疲劳强度和热加工性，不含重金属，其制备方法简单可行，可生产出切削及加工性能好的线材或棒材。
文档编号C22C14/00GK102719701SQ20121023570
公开日2012年10月10日 申请日期2012年7月9日 优先权日2012年7月9日
发明者胡旭 申请人:江苏三鑫特殊金属材料股份有限公司