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钛合金用于复轨器制造的探讨

发表时间:2017-08-01 09:56 作者:admin 来源:未知 浏览:
钛合金是一种新型结构材料,它具有优异的综合性能,如密度小、比强度和比断裂韧性高、疲劳强度和抗裂纹扩展能力好、耐高温、低温韧性良好、抗蚀性能、组织相容性优异。
    钛合金的发明首先源于美国军方用于解决对铝来说温度太高而不能胜任的一些场合,其次在某些场合下,也以其高耐腐蚀性而非强度或温度作为选择依据,此外其减轻结构重量的功用虽逊于铝合金但对钢铁而言也很明显。实际应用中单纯考虑减重,钛合金并不是首选。国外使用钛合金减重主要用在铝合金无法胜任的场合(对温度和腐蚀有特殊要求时)。一般来说钛合金选用的原则顺序是:耐高温、耐腐蚀、耐低温、组织亲和性(医用心脏瓣膜、骨关节等),最后用于减重。因此面世以来,在航空、航天、化工、造船等工业部门日益得到广泛的应用,医学上则用于制作假体装置等。
    钛合金材料昂贵,为普通钢材的数十倍,目前钛合金国际市场约为33-50美元/Kg,国内用于高压容器的高强度钛合金售价也在每吨几十万元甚至近百万元,是普通钢材的大几十倍甚至上百倍,尤其油缸上用的拉伸成型的高强度管材(市场小众,特殊规格的管材供货不足)售价远高于板材和棒料,完全超出普通民用客户所能承受的心理价位,此外切削工序难度大,加工成本高,也制约了其在民用设施领域的广泛普及。
    近年来,国内一些生产轨道交通起复救援装置的厂家,也在尝试引进钛合金材质,我们理解其初衷主要不是解决设计强度不达标,而是用于减轻部件重量,便于现场作业时的运输及操作。
    复轨器制造材料的强度直接影响它的安全系数。目前大量使用普通合金结构钢(40Cr、27SiMn)和碳素结构钢(35#、45#)等,在强度上有多年的实践经验,方案成熟可靠,不存在市售钢材强度不达标急需另辟蹊径的问题。
    某些大吨位重型车辆起复的复轨器油缸、横移底桥及附件等,用普通钢材制造显得较为笨重,有的单体重量可能超过80Kg,现场运输、安装非常吃力。如考虑减重,钛合金是一种选择,因其比重为4.51g/cm3,一般钢铁为7.85g/ cm3,关键是结构强度也可得到保证。大型钢制横移底桥如长度超过1700mm、高度110mm以上时,重量往往超过100Kg,此时使用钛合金可使其重量下降40%。不过其面临的问题有二:一是焊接加工时,绝不可使其受热部位暴露在空气中,否则极易与空气中的氮、氧、氢、一氧化碳、二氧化碳等发生化学反应,使工件变硬,变脆,降低工件强度;二是需要考虑其材料成本与加工成本的提高,可能造成数万元的成本差距。
    出于成本问题考虑,我们主张,单体重量70Kg以下(二人单手可以搬动)的零部件不必用钛合金减重,因为毕竟复轨器的使用频率很低。
    用钛合金制造复轨器的起复油缸,不仅材料昂贵,还有加工难度大的问题。以多级活塞油缸为例,许多加工工艺问题在国内一般中小企业中不太容易得到解决。钛合金对车、铣、磨、钻等加工工序的刀具材料、切削环境、冷却介质等都有苛刻的要求,比如用于加工L/D大于5的小口径(Φ3~Φ5)深孔枪钻钻头,只能用高钴、高钒合金刀头焊接而成,形状也与普通双刃麻花钻头截然不同,至今国内市场未见类似商品级钻头出售;普通切削液由于会与钛合金发生有害活性反应,要慎重使用;钛合金的物理特性也导致各种刀具、刃具的磨耗非常高。从文献上看到,国内广为认知的某国外复轨器知名品牌在其高端产品上,也只采用了高强度铝合金而未使用钛合金。
 
    下表是钛合金的特性及对机械加工的影响:
 
 
特 性 成 因 现 象 结 论
 
弹性模量小
钛合金的弹性模量E=11.76GMPa  仅为钢材(20.58GMPa)的二分之一。 刚性差、易变形,加工时工件变形易引起振动,加大刀具磨损并影响零件加工精度。 不宜制作细长杆件和薄壁件,油缸的薄壁缸筒及多级油缸活塞也在其列。
 
导热系数低
导热系数λ=15.24W/(MK)  仅为钢材的1/5至1/7。 切削时产生的热量不易散发,切削温度很高。 加工时的高温会产生冷硬层,脆化层(含氢时),降低强度。
 
化学活性大
易与大气中O、N、H、CO、CO2、水蒸气、氮气等产生强烈的化学反应。 高温下工件表面极易氧化吸附杂质,破坏力学性能。 降低工件疲劳强度,加工碎屑易与刀具材料亲和反应并附着在刀尖上急剧加速刀具磨损。
 
变形系数小
变形系数小于或接近于1,切屑在前刀面上滑动摩擦的路程变大。 刀具磨损成几何级数增加并影响加工精度。 适应钛合金加工的刀具、刃具、砂轮成本高,耐用度低。小口径深孔不易加工。
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    许多读者了解钛合金,首先知其多应用于航空器制造等高端领域,再是对钛制人工心脏、支架、骨关节、义齿等性能优异、价格高昂深有感受,联想到的用上钛合金的东西一定高端。
    我们认为钛合金高强度和重量轻两项特点,用在民用复轨器制造上,优势并不明显:
    1、常用的钢材已经能满足各种环境下复轨器的使用强度,单纯为提高强度而舍钢材改用钛合金的理由并不充分。
    2、重量超过80Kg,两人手工搬运吃力的单体部件,选用钛合金,即可减重又可保证其强度,但要承受成本上升的现实。国外企业遇到此问题时首选的解决方案是铝合金,而铝合金的密度和价格远低于钛合金,加工难度也低于钛合金。
一支用45#优质结构钢(比重7.85)的零部件重100Kg ,改用钛合金(比重4.51)约重57Kg,铝合金(比重2.68)约34Kg。钢材价格约4千余元/吨,高强拉伸管材钛合金约40-80万元/吨,牌号7075高强铝合金约4-5万元/吨(进口7.5万/吨)。
    3、由于复轨器使用频次不高,单件重70Kg以下的部件,如无法进行轻量化设计,可以不考虑减重问题。
    4、国内外文献所述钛合金的物理特性确定其不适合用于薄壁件和细长杆件,同时,加工成本叠加材料价格,会使造价大为飙升。基于此,制造液压油缸尤其是多级油缸时,国外厂商更多的是使用高强铝合金。
    牌号为7075—T651、7050—T7451的铝合金,其拉伸、屈服强度都超过了550MPa左右,丝毫不逊于45#调质钢,而工业级铝合金的价格也不及钛合金的十分之一。
复轨器用铝合金制造的前景要好于钛合金,这也是本行业今后发展的方向。需要指出的是:国内小规模企业应用铝合金制造多品种、小批量液压缸时,因其需量不大,可能会遇到市场上某些非标规格的特殊管材无处采购的问题。
    5、目前,国内一些制造商已经敢为人先,尝试将钛合金应用于复轨器的重要结构件中,并已推向市场,值得尊敬。也不排除,有些厂家利用用户难辨真伪,用低价的铝合金冒充钛合金,以此“高大上”坐地涨价。还有一些连生产场地、设施都不具备且纯靠代工的商家号称自己的复轨器使用了钛合金,这就令人生疑了,好在钛合金有一个重要的特性,绝无磁性,届时只需一枚磁铁即可辨知真伪了。
    至于如何辨别铝合金和钛合金,就不能靠磁铁了,简便方法有:用一块铝去划待检物,钛合金丝毫没有划痕,而铝合金有划痕;遇酸、碱铝合金会发生反应;铝合金在白纸上会划出黑印;钛合金手感重于铝合金等。
 

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