一、鈦和鈦合金的概述:
Ti在地殼中的豐度為0.56%(質(zhì)量分?jǐn)?shù),下同),在所有按元素中居第9位,而在可作為結(jié)構(gòu)材料的金屬中居第4位,僅次于Al、Fe、Mg,其儲量比常見金屬Cu,Pb,Zn儲量的總和還多。我國鈦資源豐富,儲量為世界第一。鈦合金的密度小,比強度、比剛度高,抗腐蝕性能、高溫力學(xué)性能、抗疲勞和蠕變性能都很好,具有優(yōu)良的綜合能,是一種新型的、很有發(fā)展?jié)摿蛻?yīng)用前景的結(jié)構(gòu)材料。近年來,世界鈦工業(yè)和鈦材加工技術(shù)得到了飛速發(fā)展,海綿鈦、變形鈦合金和鈦合金加工材的生產(chǎn)和消費都達(dá)到了很高的水平,在航空航天領(lǐng)域、艦艇及兵器等軍品制造中的應(yīng)用日益廣泛,在汽車、化學(xué)和能源等行業(yè)也有著巨大的應(yīng)用潛力。
2001年以來鈦得到了更加廣泛的應(yīng)用,在一些新興市場上應(yīng)用的跡象得到了增長,如汽車、石油和天然氣。從長遠(yuǎn)來看,汽車上的用鈦量將不斷增加,成為鈦應(yīng)用的一個更有保障的競爭領(lǐng)域。在高端消費品領(lǐng)域鈦合金的應(yīng)用也已經(jīng)基本成熟,如鈦合金在高爾夫球桿和網(wǎng)球拍上的應(yīng)用。當(dāng)今社會老齡化問題越來越嚴(yán)重,醫(yī)藥市場對鈦需求量不斷增加,每年正以5%~7%的速度增長,在生物醫(yī)藥部門鈦已成為另一個熱門且具有廣闊的應(yīng)用發(fā)展前景。以上新興市場鈦的消費量每年都呈增長趨勢,2001年鈦消費量為6000噸,2006年增加到10000噸。2007年以后隨著經(jīng)濟的發(fā)展和國防事業(yè)的需要,國際市場對鈦合金產(chǎn)品的需求大幅增加,特別是航空航天領(lǐng)域?qū)⒊蔀槲磥韼啄陣H市場的主要消費和應(yīng)用領(lǐng)域。
鈦及鈦合金具有許多優(yōu)良特性,主要體現(xiàn)在如下幾個方面:
(1)比強度高。鈦合金具有很高的強度,其抗拉強度為686~1 176 MPa,而密度僅為鋼的60%左右,所以比強度很高。
(2)硬度較高。鈦合金(退火態(tài))的硬度HRC為32~38。
(3)彈性模量低。鈦合金(退火態(tài))的彈性模量為1.078@105~1.176@105MPa,約為鋼和不銹鋼的一半。
(4)高溫和低溫性能優(yōu)良。在高溫下,鈦合金仍能保持良好的機械性能,其耐熱性遠(yuǎn)高于鋁合金,且工作溫度范圍較寬,目前新型耐熱鈦合金的工作溫度可達(dá)550~600e;在低溫下,鈦合金的強度反而比在常溫時增加,且具有良好的韌性,低溫鈦合金在-253e時還能保持良好的韌性。
(5)鈦的抗腐蝕性強。鈦在550e以下的空氣中,表面會迅速形成薄而致密的氧化鈦膜,故在大氣、海水、硝酸和硫酸等氧化性介質(zhì)及強堿中,其耐蝕性優(yōu)于大多數(shù)不銹鋼。
二、鈦合金蝕刻機加工的研究進(jìn)展:
蝕刻機加工作為一種化學(xué)切削加工技術(shù),其歷史可以追溯到很久遠(yuǎn)的年代。在歐洲,化學(xué)蝕刻機加工到15世紀(jì)變得流行起來,當(dāng)時主要是用于鎧甲的加工及藝術(shù)品的蝕刻機加工。最早的歐洲文字記載所有的蝕刻液配方是用鹽、活性炭和醋配制而成。記載最早的防蝕材料是用亞麻油涂料做保護(hù)層,稍晚一些的記載也有用石蠟作為防蝕劑。
17 世紀(jì)是一個醫(yī)藥化學(xué)和試驗酸、堿對各種不同材料影響的時代。約翰·格萊伯在這方面取得了不少的進(jìn)展,其中包括對鹽酸制造方法的改進(jìn)。在這一時期化學(xué)腐蝕技術(shù)在未來航空工業(yè)上的應(yīng)用也顯露出來。當(dāng)時人們采用酸和鐵屑反應(yīng)的方法來制取氫氣球進(jìn)行升空。這就是說,在人們企圖飛行的最初階段,已開始利用酸的腐蝕能力來幫助航空事業(yè)的發(fā)展。到 20 世紀(jì) 60 年代中期,由于蝕刻機加工及防蝕技術(shù)的發(fā)展,已經(jīng)使蝕刻機加工成為一種非常有實用價值的生產(chǎn)加工方法,在航空航天工業(yè)中得到廣泛應(yīng)有。
蝕刻機加工技術(shù)和其它技術(shù)相比,它能使許多零件更簡單、更容易、更便宜地生產(chǎn)出來,為一些零件的加工提供了機械加工方法難于實現(xiàn)的一種方法。同時,蝕刻機加工作為一種精密而科學(xué)的化學(xué)加工技術(shù),在多種金屬材料上被大量用于腐蝕各種不同的圖文及外形加工。近幾十年來,隨著經(jīng)濟的發(fā)展,國防事業(yè)的需要,蝕刻機加工技術(shù)的應(yīng)用越來越被人們重視。例如:旅游紀(jì)念品的開發(fā),銘牌、獎牌、編碼盤和顯示屏電極的制作、印花輥筒和模版、精細(xì)零件等,都離不開蝕刻機加工技術(shù)。
三、鈦合金化學(xué)蝕刻機加工液配方:
鈦合金蝕刻機加工液中主要含有蝕刻液、氧化劑和添加劑: (1)蝕刻液
鈦合金蝕刻機加工液中 HF是超過其它任何酸的強蝕刻液。在室溫的 HF 溶液中,鈦就能被腐蝕,隨著酸濃度的增加,腐蝕速度明顯增大。
(2)氧化劑
H2CrO4和 HNO3為蝕刻機加工液中常用的氧化劑,早期鈦的蝕刻機加工,在美國廣泛采用的蝕刻液是以 HF 和 H2CrO4為基礎(chǔ)的混酸型蝕刻機加工液,隨后英國人采用 HF 和 HNO3為基礎(chǔ)的混酸型蝕刻機加工液。但 H2CrO4成本高、對環(huán)境的污染嚴(yán)重、反應(yīng)后試樣易氫脆;而 HNO3作為強氧化劑,有強烈的氧化性,使氫氣隨即被氧化成水,抑制了吸氫反應(yīng),使鈦表面吸附的氫減少。
(3)添加劑
添加劑具有改善試樣表面質(zhì)量的作用,鈦合金蝕刻機加工時要防止試樣表面產(chǎn)生氣溝、蝕溝、波紋、壟狀物、麻點等缺陷,同時還要注意減少吸氫量,防止材料發(fā)生氫脆,優(yōu)良的表面活性劑要具有降低表面張力、潤濕等多種作用,一種添加劑很難同時具備這些作用,所以需要同時加入幾種添加劑通過協(xié)同作用在不影響材料機械性能的前提下達(dá)到蝕刻機加工精度要求。鈦合金蝕刻機加工選擇加入添加劑種類時要考慮以下幾個方面:
?、?反應(yīng)過程中是否可以減少試樣表面的吸氫量,防止氫脆; ② 對試樣加工前后各項力學(xué)性能無任何影響; ③ 試樣腐蝕溶解速度均勻,提高試樣表面質(zhì)量;
?、?不影響蝕刻機加工液各成分發(fā)揮效用,使蝕刻機加工液壽命延長。 四、蝕刻機加工的優(yōu)點和局限性: 蝕刻機加工具有諸多優(yōu)點,對于某些用機械方法難于加工的零件確實有其獨到之處:
?、?能加工高硬度高韌性的金屬材料;
?、?能加工復(fù)雜形狀的工件,如單雙曲度薄壁工件等;
?、?加工過程中無機械力,無加工應(yīng)力,對工件幾乎無剛度要求; ④ 蝕刻機加工時工裝設(shè)備簡單、價廉;
?、?能加工沿著整個長度方向上截面均勻變化的,長而薄的錐形工件; ⑥ 蝕刻機加工能不間斷的進(jìn)行工件加工且能很快加工出想要的各種形狀。 但蝕刻機加工也不是一種萬能的加工方法,它也會受到很多因素的限制。其中最主要的限制為:
a. 蝕刻機加工只能以零件原有的表面狀態(tài)為基準(zhǔn),累進(jìn)式進(jìn)行切削。因此經(jīng)蝕刻機加工后的零件形狀及表面質(zhì)量,與零件原始的形狀及表面質(zhì)量有直接關(guān)系。更多的情況是經(jīng)蝕刻機加工后的加工表面完全與原來的初始基準(zhǔn)表面狀態(tài)保持平行。從這些限制可以看出,蝕刻機加工不能用表面粗糙的板材、棒材等來加工形狀復(fù)雜的零件;
b. 蝕刻機加工不可用于加工窄而深的凹槽,這是因為在蝕刻機加工反應(yīng)過程中產(chǎn)生的氣泡會集聚在防蝕層邊緣的下面,這些堵在防蝕層下面的氣泡把金屬表面與蝕刻液隔開,造成一種非常不規(guī)則的腐蝕,形成很不整齊的邊緣,這對于深度大的零件加工非常不利;
c. 不能用蝕刻機加工方法進(jìn)行鉆孔,蝕刻機加工鉆孔和機械方法及電解方法鉆孔都不相同,它不能加工出后面兩者所能加工出來的孔形。選擇合適的工藝方法可以鉆出孔壁平直的孔來,而蝕刻機加工鉆孔只能鉆出不規(guī)則的錐形孔。對于深度蝕刻機加工鉆孔由于腐蝕時間長,而使公差增大,所以蝕刻機加工鉆孔一般不采用;
d. 蝕刻機加工過程中各種酸液揮發(fā),易造成環(huán)境污染,影響人身健康。 五、鈦合金精密蝕刻機加工:
蝕刻機加工的尺寸精度受兩個方面的影響:a、蝕刻機加工本身在加工過程中所產(chǎn)生的偏差,這是由各個被加工表面上不同腐蝕速度造成的,這就使得腐蝕去掉的金屬厚度或腐蝕深度有了差異。b、被腐蝕材料的精度,這是指零件在進(jìn)行化學(xué)腐蝕之前,原材料本身即已存在的偏差,也稱為毛胚偏差。蝕刻機加工中的公差是這兩個精度偏差的總和,所以在進(jìn)行蝕刻機加工時必須要把這兩個偏差都計算在內(nèi),否則經(jīng)蝕刻機加工的零件會有很大程度的尺寸偏差。蝕刻機加工的加工公差主要受以下幾個因素的影響:
?、?零件材料成分的影響:
同一蝕刻機加工液對不同材料的蝕刻機加工速度和側(cè)蝕率不同,從而使不同材料腐蝕后得到不同的表面精度。然而,即使同一種材料也可能因為材料型號和批次的不同而產(chǎn)生不同的腐蝕速度及效果,在同一腐蝕液中也會產(chǎn)生不同的腐蝕公差。
?、?零件尺寸大小的影響: 不同于小型零件的蝕刻機加工,對于一個大型的板材零件如果是垂直放于腐蝕槽中,經(jīng)腐蝕后由于蝕刻機加工速度的不同會出現(xiàn)下薄上厚的錐形,所以在計算公差時也應(yīng)把這種由于蝕刻機加工本身造成的公差計入總公差。對于小型零件這種現(xiàn)象可以忽略不計。
?、?蝕刻機加工深度的影響:
蝕刻機加工深度的大小與零件在腐蝕液中浸泡時間的長短有直接關(guān)系,蝕刻機加工深度越深,零件在腐蝕液中浸泡時間越長,蝕刻機加工液中發(fā)生腐蝕溶解反應(yīng),其中各種化學(xué)成分的組分和濃度變化也越來越大,進(jìn)而使蝕刻機加工速度及腐蝕效果變化增大。同時過深的蝕刻機加工,當(dāng)深度達(dá)到一定值后,由于濃差極化及腐蝕殘渣的沉積,其腐蝕溶解行為及機理行為也會發(fā)生變化。
?、?蝕刻液的影響:
因蝕刻機加工溶液主體成分和濃度的不同,對零件的蝕刻機加工速度和表面質(zhì)量有一定的影響。隨著溶液中蝕刻液和氧化劑濃度的改變,蝕刻機加工速度也會隨之改變,這時對零件表面質(zhì)量也會產(chǎn)生一定的影響,進(jìn)而影響零件總公差的改變。
六、蝕刻機加工對材料力學(xué)性能的影響:
金屬經(jīng)蝕刻機加工后,原有力學(xué)性能會受到一定的影響,這種影響隨著腐蝕程度的增加而加大