[科普中国]-工业纯钛

工业纯钛是按照杂质元素的含量划分等级的。它具有优良的冲压工艺性能和焊接性能，对热处理及组织类型不敏感，在令人满意的塑性条件下具有一定的强度。它的强度主要取决于间隙元素氧、氮的含量。它在海水中具有高的抗腐蚀性能，但在无机酸中较差。一般用于制造在-253～350℃温度下工作的、受力不大的各种板材零件或锻件，也可制造铆钉线材和管材。

钛含一定量的氧、氮、碳、硅、铁及其他元素杂质的α相钛。钛含量不低于98%、含有少量氧、氮、氢、碳、硅和铁等杂质的致密金属钛。氧、氮、碳、氢和硅属于间隙杂质元素，铁属于替代式β稳定元素。氧、氮、碳都能提高钛的室温抗拉强度，同时也会降低钛的塑性，因此钛中氧、氮、碳的含量都有比较严格的限制，特别是氧含量。氢在钛中的溶解度很小，氢与钛的反应是可逆的。氢对钛性能的主要影响表现为“氢脆”，当钛中氢含量达到一定量后，将会大大提高钛对缺口的敏感性，从而急剧地降低缺口试样的冲击韧性等性能。通常规定钛中氢含量不得超过0.015%。钛是现代宇宙航空科学，海洋科学和核能发电等尖端科学工业所不可缺少的材料。钛比一般金属轻48%，且韧性强，耐酸碱性、抗腐蚀、稳定性高，高强度，良好弹性等优点，符合人体工程系，钛对人体无毒，无任何辐射1。

牌号工业纯钛的典型牌号有：美国ASTM的Gr-1、Gr-2、Gr-3、Gr-4；日本JIS的classl、2、3；英国IMI的115、125、130、155、160；德国DIN的3.7025、3.7035、3.7055、3.7065。中国工业纯钛的材料牌号有变形工业纯钛TA1、TA2、TA3；铸造工业纯钛ZTAl、ZTA2、ZTA31。

加工工业纯钛一般应经过两次真空(其中至少一次是在真空自耗电极电弧炉中)熔炼，其铸件通常是在真空壳式炉中进行生产。工业纯钛既可承受热加工，也可承受冷加工。由于钛加热时容易吸收氧、氢和氮，使塑性降低并使性能变坏，所以在加热时必须注意使炉内的气氛保持中性或微弱氧化性气氛，尽量避免采用还原性气氛，更不允许使用氢气加热。可在通常的设备上进行锻造、挤压、轧制和拉伸等加工，其热加工的温度范围为800～900℃。进行冷加工时，当冷加工率达到一定值(如30%～60%)时，应进行中间退火。

工业纯钛的切削性类似于奥氏体不锈钢，但由于钛的化学活性高、导热性差，对刀具表面有较高的粘结倾向，因此具体切削工艺与钢应有所区别。采用锋利的工gorlg刀具、大进给量、较低的切削速度和溶油性冷却液，以及刚性强的工夹具，能顺利地进行切削加工。工业纯钛适合于各种焊接，焊缝区有极好的流动性。焊接方法很多，工业上应用最广泛的是氩气保护电弧焊2。

用途由于工业纯钛具有较好的综合性能和优异的耐蚀性能，使它成为许多工业部分不可缺少的结构材料。而作为生物植入材料，自60年代以来，已在临床上得到广泛应用。在所有的常用植入金属材料中，钛的生物相溶性好，而且由于其密度和弹性接近人骨，又无磁性，因而在不锈钢、钴铬钼合金和钛三大金属植入物材料中，钛是最有发展前途的一种生物工程材料。钛的应用已解决了许多重大工程技术难题，促进了科技进步，带来了明显的经济效益，而钛的优异性能和巨大潜力，又展示了其应用的更广阔的前景2。

工业纯钛的工艺性能钛具有可塑性。高纯钛的延伸率可达50～60%，断面收缩率可达70～80%。尽管高纯钛强度低，但纯工业钛中含有少量杂质和添加合金元素可显著强化其机械性能，使其强度可与高强度相比拟。这就是说工业纯钛管中，只要含有少量间隙杂质及其它金属杂质，就可使其既具有高强度，又有适当的塑性。工业纯钛管的比强度(强度与重量比)在金属结构材料中是很高的，它的强度与钢材相当，但其重量仅为钢材的57%。另外，钛管的耐热性很强,在500℃的大气中仍能保持良好的强度和稳定性。钛管还具有良好的耐低温性能，即使在-250℃的超低温下,它仍具有较高的冲击强度，可耐高压抗震动。工业纯钛管的另一显著特点是耐腐蚀性强，这是由于它对氧的亲合力特别大,能在其表面上生成一层致密的氧化膜，可保护钛不受介质腐蚀。因此，钛在酸性、碱性、中性盐水溶液中和氧化性介质中具有很好的稳定性，比现有的不锈钢和其它有色金属的耐腐蚀性都好。工业纯钛管的应用范围十分广泛，工业纯钛管不仅在航天、航空工业中有十分重要的应用，而且已经在化工、石油、轻工、发电等许多工业部门中广泛应用。由于纯工业钛管具有重量轻、强度大、耐热性强、耐腐蚀等许多优良特性，被誉为“未来的金属”，是很有发展前途的一种新型结构材料。

钛可进行锻造、轧制、挤压、冲压等各种压力加工，原则上加热钢材所采用的设备都可以用于钛材加热，要求炉内气氛保持中性或弱氧化性气氛，绝不允许使用氢气加热。

钛的屈强比(σ0.2/σb)较高，一般在0.70～0.95之间，变形抗力大，而钛的弹性模量相对较低，因此钛材在加工成型时比较困难。 纯钛具有良好的焊接性能，焊缝强度、延性和抗蚀性与母材相差不多。为防止焊接时的污染，须采用钨极氩气保护焊。

钛的切削加工比较困难，主要原因是钛的摩擦系数大，导热性差，热量主要集中在刀尖上，使刀尖很快软化。同时钛的化学活性高，温度升高容易粘附刀具，造成粘结磨损。在切削加工时，应正确选用刀具材料，保持刀具锋锐，并采用良好的冷却工艺3。

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石季英 - 副教授 - 天津大学