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钛合金手表的性能及发展趋势

发布时间:2021-04-23 20:58:21 浏览次数 :

近年来,由钛合金做表壳和表带的手表已越来越多,这不单纯是时髦,主要在于钛金属有比重轻、耐腐蚀等很多优点,比如其强度和硬度接近于不锈钢,但比重只有钢的一半, 而耐腐蚀的特性使其基本不生锈,且绿色环保,不像镍金属那样对人体有伤害。

钛靶材

1、钛与钛合金

1.1 钛的由来及特性

钛是一种在地壳中发现的银白色过度金属元素,是一种闪亮且很有光泽的金属或者银灰色或暗灰色的粉末,如图 1所示。它的合成物几乎可以在所有的火成岩石和钛砂矿床中找到。钛被认为是一种稀有金属,这是由于在自然界中其存在分散并难于提取。但其相对丰富,它在地壳的蕴藏量排名第九。钛矿石的供应至少还可以维持一万年。在陨石、月球 岩石、太阳和其他星球都发现了它的存在。不过,钛的提取过程相对较慢且费用过高,这使得它的价格昂贵。很多年来,高昂的价格限制了钛在军事和航空领域的运用。

钛的许多特性使它极具工业和商业价值。坚硬方面,钛比钢的硬度高 30%,具有优良的强度保持性;质地轻,钛的重量为 47.90 个原子尺度,比钢将近轻了 50% [1] ;耐腐蚀性 能强,当把钛暴露于空气中时,其表面会形成一层紧密且强韧的氧化膜,可以抵抗不同物质对其金属的侵蚀,尤其是抵抗盐水的腐蚀。钛的化学性质极为活泼,易与空气中的氢、 氧等物质相互作用,形成极稳定的化合物,所以平日里所说的钛金属实际上是钛合金,它由钛、铝、钒、镍、钼等元素构成,主要特点是强度高、质量轻,并具有超强的耐腐蚀性。

1.2 钛的应用领域及发展

钛金属诞生于 1971 年,英国业余科学家威廉•乔治,在分析来自康沃尔的砂土时,发现一些他自己无法识别的“红褐色的矿灰”。1975 年,一位奥地利化学家 MARTIN 证实 了乔治确实发现了一种新元素。KLAPROTH 把这种新元素命名为“钛”。然而,钛合金工业用途的开发还较新。来自卢森堡的 WILHELM 被认为是现代钛工业之父,他在20世纪30年代期间,开发了一种加工钛金属的方法,并在 20 世纪 40 年代期间将之改良,此法今天还在沿用。20 世纪 70年代中期前,超过 85%所生产的钛都用于航空工业。钛的独特性能使得它成为建造喷气式飞机、火箭、太空飞船的引擎和飞机框架的理想材料。它的军事用途则是武器,像炮兵的导弹和驻退机。从 20 世纪 70 年代开始,钛金属工厂产品的价格持续下跌,这样才使钛金属被广泛运用于各行各业。

1.3 钛金属作为手表材质的优势

宝玑 Type XXI 3810

宝玑 Type XXI 3810 如图 2 所示,帝舵 Heritage Advisor如图 3 所示,卡地亚 SANTOS 100 如图 4 所示。

钛金属作为手表材质有以下几方面的优势:①佩戴轻便。钛合金的比例轻,仅为钢的 60%。②耐磨耐用。钛金属比钢更坚硬,钛金属手表更耐用耐磨,表壳不易刮花。③耐腐蚀好。钛合金在潮湿的大气和海水介质中工作,其抗蚀性远优于不锈钢,对点蚀、酸蚀、应力腐蚀的抵抗力特别强。④亲肤性好。防过敏、不含镍,享有“亲生物金属”的美誉, 佩戴用它制造的手表不会出现皮肤过敏等问题。⑤自然环保。钛来自大地且可以回收。欧米茄海洋宇宙系列如图 5 所示,飞亚达神舟十一号纪念款如图 6 所示。

2、钛合金材料的加工

随着对钛合金的不断研究以及科学技术手段的不断发展,钛合金在机械加工领域的运用也逐渐成熟。但是从实际情况来看,其在进行机械加工时还存在诸多问题,加工操作还是比较困难,一定要严格遵守钛合金材料的加工原则,按着正确的加工程序进行加工,保证机械加工可以顺利完成,并尽可能减少其不当操作带来的影响。

2.1 钛合金的加工特性

钛合金的导热系数小,导热性差。在加工钛合金时切削温度高,如 TC4钛合金的切削温度是 45 号钢切削温度的2倍,同时温度很难得到释放。钛合金比热小,加工时局部温度上升迅速,造成刀具温度很高,刀尖急剧磨损,使用寿命降低 [2] 。钛合金弹性模量低,使已加工表面容易产生回弹,特别是薄壁零件的加工回弹更为严重,易引起后刀面与已加 工表面产生强烈摩擦,从而磨损刀具和崩刃 [3] 。钛合金化学活性很强,高温下易于氧、氢、氮发生作用,使其强度增加、塑性下降,在加热和锻造中形成的富氧层的机械加工困难。

2.2 钛合金的加工原则

钛合金的加工应遵循以下原则。

2.2.1 选择合适的刀具

刀具材料应选择较常用、价格较低、耐磨性好、热硬性高、具有足够韧性的材料。加工钛合金常用的刀具材料如高速钢、硬质合金钢、涂层刀具、立方氮化硼(CBN)刀具、 聚晶金刚石(PCD)刀具。刀具几何参数方面,以常用的车刀为例。为保证车刀的刚性,粗加工时刀具前角、后角要小;精加工时,为得到良好的表面质量与加工精度刀具要保证锋利,前角、后角、螺旋角要大一些。

2.2.2 合适的切削条件与加工量

机床-夹具-刀具的加工系统刚性要好,机床各部分间隙要调整好,主轴的径向跳动要小。夹具装夹工件要牢固,要有足够的刚性。刀具切削部分尽量要短,在容屑足够的情况 下尽量加大切削刃厚度,提高刀具的强度和刚性。在加工钛合金时,加工量应注意不宜过大。以车削为例,断续切削条件下,推荐的切削用量为:V=15~28 m/min,

f=0.25~0.35 mm/r,ap=1~3 mm [4] 。连续切削的条件下,推荐的切削用量为:V=50~70 m/min,f=0.1~0.2 mm/r,ap=0.3~1 mm [4] 。

2.2.3 材料的适当热处理

经过机械加工的钛合金零件表面会产生应力,这种应力的大小与切削加工条件有关。加工后,应进行退火处理。退火通常是在不同温度下进行加热保温,退火温度与相对应的 加热保温时间应逐渐提高。加热保温后空冷进行,完全消除应力,退火中避免吸入氢,钛合金零件退火需在真空炉内进行,既能消除应力,又能除氢。

钛合金方块

3、钛合金手表的发展趋势

由上可知,钛合金加工工艺要求严格,对其加工后的热处理也有明确要求。相比较于手表传统材料不锈钢的加工,钛合金的加工工艺更为复杂和苛刻,难度高、成本大,难以 大规模应用。钛合金的弹性模量小,加工后极易产生“回弹”,对于薄壁零件的加工尤为明显,因此钛合金手表的表壳通常厚一些,略显笨重。除了材质本身的特性外,在设计理念方面,钛合金表也与传统表款截然不同。它追求的不是表面的光鲜亮丽,而是深藏不露的低调奢华。本身色泽暗淡,再加上几乎无法进行抛光,即便是新表看上去也不那么光亮。喜欢光鲜亮丽腕表的爱表人还是占市场主导,钛合金手表的市场热度仍未达到很高的水平。虽然钛合金材料在手表上的应用存在很多局限性,但随着科技水平的进步、消费水平的提高、价值取向的转变,钛合金手表以其独特的优势,在整个腕表行业里,仍是一个重要的发展方向,未来市场值得期待。

4、结束语

钛合金材料优良的特性以及发展应用的成熟,让钛合金手表相较于传统手表具有无可比拟的优势。但受限于钛合金的加工难度及昂贵成本,钛合金手表作为高端奢侈品,其市场普及还有一段路要走,值得爱表人士期待。

参考文献:

[1]薛杰,李淑贞,王云飞,等.水洗工艺对磷化质量的影响[J].上海涂料,2012(2):17-18.

[2]洪翔,谭业发,胡晓光,等.钛合金表面电火花沉积强化技术研究进展[J].热加工工艺,2013(20):24-27.

[3]陈曌红.钛合金性能及其加工现状的研究[J].机电技术,2013(5):96-98.

[4]游红超,袁芬.钛合金车削加工刀具和切削用量的研究[J].电子世界,2013(8):206-207.

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作者简介:李鹏(1988—),男,主要从事机械制造方面的研究。

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