宝鸡市三立有色金属有限责任公司

翟丽君  郭永喜

陕西宝鸡721013 中国

摘  要：本文主要以宝鸡市三立公司新金属材料研发中心的研制成果中，专门针对超硬材料行业研发的超硬磨具钛合金基体为例。阐述超硬磨具钛合金基体材料与传统基体材料比较研究中呈现优异的九大特性及其在航空、航海、造船医疗等领域广泛应用的可能性和可靠性。

关键词：钛合金基体；金刚石；立方氮化硼；动平衡；高强度；耐腐蚀

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

　　宝鸡市三立有色金属有限责任公司是钛及钛合金丝材、棒材、板材和管材等著名生产厂家。公司注册商标“宝立钛”，主导产品有钛、锆、铌、钼、镍以及超硬材料砂轮钛合金基体，超硬材料研发使用的钛铌杯、锆杯、钼杯等各种规格型号的异形杯。具有高科技、高效率、高成品性的产品体系。20多年来是国内首家为国内外超硬材料行业研发生产专用的稀有金属材料的科技型企业。我们坚持走创新之路、秉承着以市场应用开发为主的高科技高效益的经营方针，专门成立了以总经理为首，专业科技人员为主的新金属材料研发中心。经过与河南工业大学、郑州磨料磨具磨削研究所等科研院校的合作，以及积极深入郑飞、西飞等航空企业和科研院所进行市场调研。并经过日本等国家的用户试验使用，我们开发研制的超硬磨具钛合金基体得到国内外用户高度评价和认可，特别是钛合金基体材料首创用于超硬模具基体。如今经过不断改进创新已成为拥有世界先进水平和机械制造技术钛合金基体的专业厂家。

　　近年来，经过广泛的市场调研和不断开拓应用市场，通过联合国内外超硬材料生产企业进行共同的技术合作，并在原机械工业部郑州磨料磨具磨削研究所等相关科研院校专家的支持下，进行超硬磨具钛合金基体材料深入的研发试制和加工，我们形成具有自主创新独立知识产权技术的钛合金基体材料的专利产品，并申请了国家专利，专利申请于2009年通过审批,专利号为200910022162.4。

　　我们对国内外的超硬材料行业及市场的调查了解，过去生产超硬模具基体材料主要是以合金钢、合金铝的材料为首先选择的基体材料。现在研发出的新型超硬材料——超硬模具钛合金基体材料，由于其优越的化学物理性能及优于其它基体材料的机械加工性能，其优势日渐显露，并且这种特殊材料与其它基体材料相比较具有九方面的显著特点。

　　目前，通过使用三立公司提供的新型超硬钛合金基体材料，郑州磨料磨具磨削研究院等几家科研机构，已经共同研制出超硬磨具钛合金基体砂轮以及超高速金刚石磨具和立方氮化硼磨具，这一研发成果可以广泛应用于航天航空、超音速飞机、航天飞行器、航海船舶、发动机轴、起动架以及石油化工、数控机床、医疗器械、汽车制造等高精度零件加工。并且填补了国内相关领域的空缺。并且它可以提高超硬磨具的抗疲劳强度，延长使用寿命，使采用了钛合金基体材料研制出的超硬模具被国内外企业认为是高速、高效、低磨削成本、低环境污染和高性能的可靠产品。

2 超硬磨具钛合金基体材料的九大特性

　　钛合金基体材料在原机械工业部郑州磨料磨具磨削研究所的支持下，在西飞、郑飞、美国、日本、德国等相关企业的合作跟踪试验，与传统上选择使用的其它基体材料相比较，钛合金基体具有九大物理机械特性：

2.1 钛合金基体密度小、强度高、比强度大。

　　钛合金的密度为4.51g/cm，是钢合金基体的57%，不到铝合金基体的两倍，强度比铝合金基体大三倍。钛合金基体的比强度（拉伸强度/密度）是常用的工业合金中最大的。钛合金的比强度是不锈钢的3.5倍，是铝合金基体的1.3倍，是镁合金的1.7倍。在300摄氏度到350摄氏度下钛合金基体的强度比铝合金基体高10倍。是超硬材料行业必不可少的基体结构材料。

表1、钛合金基体与其他金属密度和比强度的比较

2.2 钛合金基体耐腐蚀性能优良

　　钛合金基体材料的钝性取决于氧化膜的存在，它在氧化性介质中的耐腐蚀性比在还原性介质中要好得多。在还原性介质中能发生高速率腐蚀，钛合金基体在一些腐蚀性介质中不会被腐蚀：如海水、湿氯气、亚氯酸盐、铝酸盐液、硝酸、铬酸、金属氯化物、硫化物以及有机酸等。而且超硬材料钛合金基体可以在恶劣环境中使用，动静平衡都不影响，能够保持良好的稳定可靠性能。

2.3 钛合金基体熔点高，耐热性能优良。

　　钛合金基体材料熔点可高达1668摄氏度，沸点为3400摄氏度，高于铁、镍金属，因此钛合金作为轻型耐热材料具有优良的基础。耐热性高，其工作温度在500摄氏度。经过高速运转以及长期工作仍然能够保持良好的力学性能。通常钛合金基体在550摄氏度以上，而不锈钢基体在310摄氏度即失去了原有较高的力学性。在日本调研中发现用其它合金基体生产的模具，如果用在数控设备中会发出警报信号，不能投入使用。采用钛合金机体模具后运转就非常地正常。因此它最适用于高精度、航空发动机、压气机、涡轮盘、叶片起动架、汽车、液压、轴承、空间压缩机、数控精度较高的机床以及医疗器械等。

图1、钛合金基体

 图2、钛合金异形基体

2.4 钛合金基体低温性能好

　　钛合金基体可以在低温环境下工作，在零下253摄氏度到600摄氏度范围内使用。其强度随着温度降低而提高，但塑性降低得不多，在低温下仍有较好的延性及韧性，适合在超低温下使用。钛合金基体在低温和超低温下仍能保持其原有的一定力学性能。

2.5 钛合金基体材料无磁性。

　　钛合金基体材料没有磁性，而且也不会因加工生产等过程而产生磁性。超硬磨具钛合金基体并且可以在强磁场环境下进行加工，而且它也无静电性，不会在磁场中产生电磁性，加工件附件也不会附在钛合金基体上，不影响设备的运转、稳定、精度以及动平衡。因为钛合金磁化率为3.2×10的负6次方（单位是立方厘米每克），所以钛合金基体材料在很强的磁场中也不会被磁化。

2.6 钛合金基体导热性能小。

　　钛的导热系数为0.036cal/(cm*s*c)，而通过添加稀有金属材料，研发出的钛合金基体材料的导热系数仅为0.019cal/(cm*s*c),它仅为钢的1/5，铝合金的1/13，铜的1/25，导热系数小在超硬材料钛合金基体模具磨削加工场合，可以利用这一良好的特性。

表2-钛合金基体与其他金属基体的导热率比较

　　所以在磨削加工件时高温热量不易传到钛合金基体上，不会因为过热使得基体变形或者损坏。

2.7 钛合金基体弹性模量小

　　钛合金基体弹性模量小，钛合金的弹性模量约为铁的55%。作为结构材料使用时弹性模量低是个缺陷。但是对于外科植入钛合金和超硬模具钛合金基体却是一种非常优良的结构材料。

　　钛合金材料的弹性模量接近人体自然量，超硬磨具钛合金基体的弹性模量对动平衡、高速旋转基体能够非常好的保持速度平衡，而且可以使其在高速的运转过程中震动摇摆小，是自动化高速数控机床设备的首选材料。

表3、钛合金基体与其它金属的弹性模量比较

2.8 钛合金基体的抗拉强度与屈服强度接近。

　　钛合金基体材料的抗拉强度为686-1176Mpa，最高可以达到1764Mpa。钛合金基体与许多钢的强度相当，但是比强度钛合金基体是最好的。

　　钛合金基体材料的压缩强度比低于其拉伸强度，比抗拉强度稍高。剪切强度一般为抗拉强度的1.2-2.0倍。

　　在正常大气气氛下，经过加工和退火的持久强度为0.5-0.65倍，而且钛合金基体在退火状态下的硬度值为32-38HRC,相当于298-349HB。

　　钛合金基体具有很高的断裂韧度，抗裂纹扩展的能力很好。因为钛合金基体在高温下还能够保持一定的力学性能，而且在低温和超低温下也仍然能够保持其原有的一定力学性能。

表4、钛合金基体与其它金属的抗拉强度与屈服强度比较

2.9 动静平衡性能高，低能耗、低环境污染。

　　钛合金基体在机械加工、精度、平行度、垂直度较高，通过熔炼添加不同的合金元素来提高强度和硬度，保证动静平衡性能，提高了基体材料成品的可再生使用性，是真正低环境污染的高性能材料。

三、结论

　　基于超硬材料磨具钛合金基体材料的优势性能，在航天航空、发动机轴、飞机起动架、发射机构、磨削加工等等领域有着广泛的应用价值、效益明显，作为新型基体材料，它提高超硬材料行业领域技术创新和技术进步的水平，并且通过实践应用取得了良好的效果。

参考文献：

• 宝鸡三立有色金属有限责任公司钛合金基体材料国家专利
• 翟丽君、郭永喜、《磨削钛及钛合金的砂轮选择》，中国有色金属工业协会  钛锆镍分会2009年论文集232-238
• 宜云雷郭红《钛在超硬材料行业中的应用》

作者简介：翟丽君，女，1950年出生，高级经济师，宝鸡市三立有色金属有限责任公司，董事长兼总经理。手机：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