前景广阔的钛

作者：John Durkee

欢迎访问e展厅 展厅 8 有色金属展厅 铝/铝合金, 镁/镁合金, 钛/钛合金, 铜/铜合金, 镍/镍合金, ... 特殊的材料 钛是一种能够满足某些特殊要求的理想材料。人们往往不使用金属钛，因为不锈钢棒的储存量较低。 在所有的特殊要求中，首当其冲的是它的能量—重量的比率高、密度低，比钢的重量平均低40%；超高温度下的热稳定性强，具有抗震性能、抗疲劳性能，同时比不锈钢的抗腐蚀性更强。钛合金通常是航空航天领域制造关键部件的重要材料。它们在其他领域的应用也和航海、战车、火炮及防弹衣领域一样广泛。 钛是外科移植手术和油田深井管材中常用的材料，因为钛合金质量轻，比不锈钢硬度更高。钛之所以能够应用于人体植入物是因为它对人体无毒无害，还具有密集的氧化层，植入人体后能良好的兼容。 由于氧化涂层的存在，钛组分比不锈钢制成品具有更好的抗腐蚀能力。和钢材一样，钛金属的制造也颇具灵活性，因为它能被轻松地铸造或锻造成各种不同的形状。 表1对不同级别的金属钛的性能进行了描述。2氧气是控制非合金钛强度的主要元素。 特殊的性能 钛的密度大约是4540千克/每立方米，而钢的密度是2710千克/每立方米；钛的弹性模量为110×109帕斯卡，钢的弹性模量则为210×109帕斯卡。 所以钛金属与钢在相同载荷作用下有更大的挠度。纯钛金属能够在室温下经过冷轧使其厚度减少90%——不会产生破裂。 表二给出了金属物理性能的比较数据3。 加工性能 如果钛能够提供如此多的优势而没有不利因素，那么人们可以在所有领域中应用它。但是人们并没有这样做：每年全球使用的钛总量为几千万磅，而不锈钢每年的使用量超过十亿磅。 钛的主要缺点是其加工性。在对钢进行加工时，切削过程产生的热量会随切屑散发；但是在对钛进行加工时，热量集中保持在工具内部或者切刀边缘。 切削性能不好至少是由下述三个原因造成的，因为钛： ● 导热性差（只有铜的百分之三）。切削过程中产生的热量不能通过机器设备或部件散发；热量在切削部位持续增加，有时甚至达到2000鸉，4与之接触的切削工具会迅速钝化，这使得情况变得更糟。使用钝化了的工具，它的边缘会产生更多的热量，并进一步缩短工具的寿命。 ● 钛有很高的弹性（低模量）。在切削压力下，材料的弹性会使材料从切削工具处弹出，这样就引起了边缘的相互摩擦（而不是交叉和切割）5，增加了摩擦系数并进一步升高了切削处的温度。 ● 一般切削过程会产生硬化。碳化物工具不能切穿厚的硬化材料，而且还会加速硬化的进程。 使用碳钢工具时存在的液体使其耐磨、强韧，而且隔热——虽然这些性能要通过额外的涂层才能增强。 不良加工中注入的第二部分溶液是处理工具表面及周围的冷却剂及碎屑。 第三部分溶液是用来接受工具的使用寿命只有几个小时这一事实。 加工不良造成的破坏通常是表面产生微小裂纹，边沿凸起及塑性变形；受热力影响的区域；拉伸残余应力。其结果十分关键，因为降低了疲劳强度及抗腐蚀能力。 焊接 曾经大多数人认为，对钛的Tig6焊接是近乎不可能的。现在，仍然有人这样认为。劣质焊接通常会产生黄、蓝相近的五颜六色的色块。优良的钛的焊缝看起来呈冰冻的水银色：发光并且可以反射7,8。 小心特洛伊木马 钛的高能量-重量比率，生物惰性和高的抗腐蚀性能是吸引人们使用它的原因。 但是加工和焊接困难限制了工具的切削速度、润滑剂的使用和热量的转移，这就必须设计碎屑移除系统，并需要考虑多厚的碎屑才能从所有工具中移除。 如果你更乐于采用前者，那么你需要学习如何处理后者。在过去的二十年里，用户和制造商都是这样做的9。 钛金属的精饰 医学移植要求对人们对植入人体的金属钛进行表面处理——越光滑越好。多孔的植入体是细菌滋生的温床。极其光滑的精饰能够通过多步骤大范围的精饰涂覆或是离心桶系统来实现。后者也许是最快捷有效的方法，也可以使用瓷质介质。 另外一种常用方法是电解抛光，近年来这种方法成为可重复的商业化操作。建议用户认真甄别供应商，确保优质的电解抛光效果。过高的承诺可以随口而说，不是因为做法不当，而是要看特殊用途的结果如何。 钛的彩色阳极氧化 钛的阳极氧化形式一般有两种： 碱性阳极氧化（PH大于12）能产生工程应用中厚的、耐磨的、抗磨损的表面。 酸性或中性阳极氧化能产生非常薄而且颜色多样的衍射涂层（染色），可用于装饰性珠宝和类似应用中，请看图2。 但是其他的操作细节需要根据客户的需求而定，电解抛光也需这样。草酸、磷酸（可口可乐）、氨盐基硫酸盐以及磷酸氢钠通常被用来在各种操作条件——时间、温度、整流电压下进行装饰性阳极氧化处理。直流电通常是色彩选择的决定因素；接触时间则是色彩厚度的决定因素。 我的总体建议是用户要多加注意其他用户提出的细节，因为对建议者而言，他们提出的建议是根据他们的零件尺寸、形状、质量、合金、表面处理、经验、设备、电镀槽的特点及其所期望的颜色决定的。 我的具体建议是：（1）享受其中的乐趣，自己进行实验10；（2）定制阳极氧化合同；（3）从供应商处获取许可证。 定价 现在，钛锭的定价为每磅11美元左右。两年前，还是低于4美元的。这一改变意味着全球对铜、铁等商品的需求开始回暖。 钛的价格是由合金和金属的纯度、数量、结构（粉末、铸块、片状、条形或管状）以及规格来决定的。宇宙航空技术及特殊用途中合金的价格可能超过100美元每磅。如果钛加工能更容易，那么铸件将会更便宜。 总结 这一专栏回应了您的需求。如果您不需要钛所具有的特殊的强度—重量比率和抗腐蚀性能，那么也许您无需阅读这篇文章。另一方面，如果您只需要了解文中谈到的钛的那些优点，那么，您仅需要粗略地读读文章内容就可以了。 参考书目 1. 钛在生物学中的作用无人知晓。调查发现人体中的含有一定量的钛，每天的摄取量大概是0.8毫克，但是这些钛并未被人体吸收。钛不是有毒金属，人体可以承受较大含量的钛。 2. 请见表一中钛合金的特性。 3. 请见表二。 4. 水性冷却剂并非是钛加工中较明显的选择。排放的大量热量所带来超热蒸汽，并形成水性冷却剂，甚至在其接触工件前会蒸发掉。 5. 其结果常常称为粗糙面，此处加工的碎片不像铝及钢中的带状，而是“块状”或“结块”。 6. 钨的惰性气体。钨电镀会加热焊接金属，其气体（通常是99.999%纯的氩气）可以防止水性污染物，保护焊接金属。空气中加热后的部件表面含有脆性碳化物、氮化物、氢化物及氧化物，它们均会减少抗疲劳性及焊接和受热区域的韧性。人们不仅需要保护被焊接的表面，同时必须保护焊接物敏感的背面。这就是为什么钛焊接需要常常在惰性气体处理间或更小的易控制的环境中进行。 7. 加工图片及图1中图片均来自于www.Titaniumexposed.com.该链接还可为您提供重要的额外信息。图2中图片来源于http://www.Titaniumfinishing.com 8. 也可用特殊的激光进行焊接。其优势是熔融金属的能量并非覆盖整个工件及一些辅助件，而是仅仅覆盖一小片区域。所以，焊接点只会产生一小部分热量，邻近的材料及组件也不会收到热量的损坏。 9. 作者提供了实例。在1972年，我要了几打由V痕切痕制成的略有腐蚀的钛样品给Charpy进行研究。和我一同工作的这个机械师在切削时遇到困难，无法满足ASTM规格要求。有许多样品需要创造所需的耐受性，因为无法控制削片大小。 10. 一系列研讨会，包括大量的钛处理，都可以在Ted Mooney优秀的网站上找到http://www.finishing.com. 作者简介 John Durkee先生是爱思唯尔集团出版的《工业清洗技术与工艺》（ISBN 0-0804-48887）的作者。John Durkee先生是一位独立的资深顾问，专攻金属及关键清洗技术。

文章内容仅供参考 (投稿) (1/7/2013)