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鈦合金的蝕刻機加工工藝

一、鈦和鈦合金的概述:

  Ti在地殼中的豐度為0.56%(質量分數,下同),在所有按元素中居第9位,而在可作為結構材料的金屬中居第4位,僅次於Al、Fe、Mg,其儲量比常見金屬Cu,Pb,Zn儲量的總和還多。我國鈦資源豐富,儲量為世界第一。鈦合金的密度小,比強度、比剛度高,抗腐蝕性能、高溫力學性能、抗疲勞和蠕變性能都很好,具有優良的綜合能,是一種新型的、很有發展潛力和應用前景的結構材料。近年來,世界鈦工業和鈦材加工技術得到了飛速發展,海綿鈦、變形鈦合金和鈦合金加工材的生產和消費都達到了很高的水平,在航空航天領域、艦艇及兵器等軍品製造中的應用日益廣泛,在汽車、化學和能源等行業也有著巨大的應用潛力。

  2001年以來鈦得到了更加廣泛的應用,在一些新興市場上應用的跡象得到了增長,如汽車、石油和天然氣。從長遠來看,汽車上的用鈦量將不斷增加,成為鈦應用的一個更有保障的競爭領域。在高端消費品領域鈦合金的應用也已經基本成熟,如鈦合金在高爾夫球杆和網球拍上的應用。當今社會老齡化問題越來越嚴重,醫藥市場對鈦需求量不斷增加,每年正以5%~7%的速度增長,在生物醫藥部門鈦已成為另一個熱門且具有廣闊的應用發展前景。以上新興市場鈦的消費量每年都呈增長趨勢,2001年鈦消費量為6000噸,2006年增加到10000噸。2007年以後隨著經濟的發展和國防事業的需要,國際市場對鈦合金產品的需求大幅增加,特別是航空航天領域將成為未來幾年國際市場的主要消費和應用領域。

  鈦及鈦合金具有許多優良特性,主要體現在如下幾個方麵:

  (1)比強度高。鈦合金具有很高的強度,其抗拉強度為686~1 176 MPa,而密度僅為鋼的60%左右,所以比強度很高。

  (2)硬度較高。鈦合金(退火態)的硬度HRC為32~38。

  (3)彈性模量低。鈦合金(退火態)的彈性模量為1.078@105~1.176@105MPa,約為鋼和不鏽鋼的一半。

  (4)高溫和低溫性能優良。在高溫下,鈦合金仍能保持良好的機械性能,其耐熱性遠高於鋁合金,且工作溫度範圍較寬,目前新型耐熱鈦合金的工作溫度可達550~600e;在低溫下,鈦合金的強度反而比在常溫時增加,且具有良好的韌性,低溫鈦合金在-253e時還能保持良好的韌性。

  (5)鈦的抗腐蝕性強。鈦在550e以下的空氣中,表麵會迅速形成薄而致密的氧化鈦膜,故在大氣、海水、硝酸和硫酸等氧化性介質及強堿中,其耐蝕性優於大多數不鏽鋼。

  二、鈦合金蝕刻機加工的研究進展:

  蝕刻機加工作為一種化學切削加工技術,其曆史可以追溯到很久遠的年代。在歐洲,化學蝕刻機加工到15世紀變得流行起來,當時主要是用於鎧甲的加工及藝術品的蝕刻機加工。最早的歐洲文字記載所有的蝕刻液配方是用鹽、活性炭和醋配製而成。記載最早的防蝕材料是用亞麻油塗料做保護層,稍晚一些的記載也有用石蠟作為防蝕劑。

  17 世紀是一個醫藥化學和試驗酸、堿對各種不同材料影響的時代。約翰·格萊伯在這方麵取得了不少的進展,其中包括對鹽酸製造方法的改進。在這一時期化學腐蝕技術在未來航空工業上的應用也顯露出來。當時人們采用酸和鐵屑反應的方法來製取氫氣球進行升空。這就是說,在人們企圖飛行的最初階段,已開始利用酸的腐蝕能力來幫助航空事業的發展。到 20 世紀 60 年代中期,由於蝕刻機加工及防蝕技術的發展,已經使蝕刻機加工成為一種非常有實用價值的生產加工方法,在航空航天工業中得到廣泛應有。

  蝕刻機加工技術和其它技術相比,它能使許多零件更簡單、更容易、更便宜地生產出來,為一些零件的加工提供了機械加工方法難於實現的一種方法。同時,蝕刻機加工作為一種精密而科學的化學加工技術,在多種金屬材料上被大量用於腐蝕各種不同的圖文及外形加工。近幾十年來,隨著經濟的發展,國防事業的需要,蝕刻機加工技術的應用越來越被人們重視。例如:旅遊紀念品的開發,銘牌、獎牌、編碼盤和顯示屏電極的製作、印花輥筒和模版、精細零件等,都離不開蝕刻機加工技術。

  三、鈦合金化學蝕刻機加工液配方:

  鈦合金蝕刻機加工液中主要含有蝕刻液、氧化劑和添加劑: (1)蝕刻液

  鈦合金蝕刻機加工液中 HF是超過其它任何酸的強蝕刻液。在室溫的 HF 溶液中,鈦就能被腐蝕,隨著酸濃度的增加,腐蝕速度明顯增大。

  (2)氧化劑

  H2CrO4和 HNO3為蝕刻機加工液中常用的氧化劑,早期鈦的蝕刻機加工,在美國廣泛采用的蝕刻液是以 HF 和 H2CrO4為基礎的混酸型蝕刻機加工液,隨後英國人采用 HF 和 HNO3為基礎的混酸型蝕刻機加工液。但 H2CrO4成本高、對環境的汙染嚴重、反應後試樣易氫脆;而 HNO3作為強氧化劑,有強烈的氧化性,使氫氣隨即被氧化成水,抑製了吸氫反應,使鈦表麵吸附的氫減少。

  (3)添加劑

  添加劑具有改善試樣表麵質量的作用,鈦合金蝕刻機加工時要防止試樣表麵產生氣溝、蝕溝、波紋、壟狀物、麻點等缺陷,同時還要注意減少吸氫量,防止材料發生氫脆,優良的表麵活性劑要具有降低表麵張力、潤濕等多種作用,一種添加劑很難同時具備這些作用,所以需要同時加入幾種添加劑通過協同作用在不影響材料機械性能的前提下達到蝕刻機加工精度要求。鈦合金蝕刻機加工選擇加入添加劑種類時要考慮以下幾個方麵:

  ① 反應過程中是否可以減少試樣表麵的吸氫量,防止氫脆; ② 對試樣加工前後各項力學性能無任何影響; ③ 試樣腐蝕溶解速度均勻,提高試樣表麵質量;

  ④ 不影響蝕刻機加工液各成分發揮效用,使蝕刻機加工液壽命延長。 四、蝕刻機加工的優點和局限性: 蝕刻機加工具有諸多優點,對於某些用機械方法難於加工的零件確實有其獨到之處:

  ① 能加工高硬度高韌性的金屬材料;

  ② 能加工複雜形狀的工件,如單雙曲度薄壁工件等;

  ③ 加工過程中無機械力,無加工應力,對工件幾乎無剛度要求; ④ 蝕刻機加工時工裝設備簡單、價廉;

  ⑤ 能加工沿著整個長度方向上截麵均勻變化的,長而薄的錐形工件; ⑥ 蝕刻機加工能不間斷的進行工件加工且能很快加工出想要的各種形狀。 但蝕刻機加工也不是一種萬能的加工方法,它也會受到很多因素的限製。其中最主要的限製為:

  a. 蝕刻機加工隻能以零件原有的表麵狀態為基準,累進式進行切削。因此經蝕刻機加工後的零件形狀及表麵質量,與零件原始的形狀及表麵質量有直接關係。更多的情況是經蝕刻機加工後的加工表麵完全與原來的初始基準表麵狀態保持平行。從這些限製可以看出,蝕刻機加工不能用表麵粗糙的板材、棒材等來加工形狀複雜的零件;

  b. 蝕刻機加工不可用於加工窄而深的凹槽,這是因為在蝕刻機加工反應過程中產生的氣泡會集聚在防蝕層邊緣的下麵,這些堵在防蝕層下麵的氣泡把金屬表麵與蝕刻液隔開,造成一種非常不規則的腐蝕,形成很不整齊的邊緣,這對於深度大的零件加工非常不利;

  c. 不能用蝕刻機加工方法進行鑽孔,蝕刻機加工鑽孔和機械方法及電解方法鑽孔都不相同,它不能加工出後麵兩者所能加工出來的孔形。選擇合適的工藝方法可以鑽出孔壁平直的孔來,而蝕刻機加工鑽孔隻能鑽出不規則的錐形孔。對於深度蝕刻機加工鑽孔由於腐蝕時間長,而使公差增大,所以蝕刻機加工鑽孔一般不采用;

  d. 蝕刻機加工過程中各種酸液揮發,易造成環境汙染,影響人身健康。 五、鈦合金精密蝕刻機加工:

  蝕刻機加工的尺寸精度受兩個方麵的影響:a、蝕刻機加工本身在加工過程中所產生的偏差,這是由各個被加工表麵上不同腐蝕速度造成的,這就使得腐蝕去掉的金屬厚度或腐蝕深度有了差異。b、被腐蝕材料的精度,這是指零件在進行化學腐蝕之前,原材料本身即已存在的偏差,也稱為毛胚偏差。蝕刻機加工中的公差是這兩個精度偏差的總和,所以在進行蝕刻機加工時必須要把這兩個偏差都計算在內,否則經蝕刻機加工的零件會有很大程度的尺寸偏差。蝕刻機加工的加工公差主要受以下幾個因素的影響:

  ① 零件材料成分的影響:

  同一蝕刻機加工液對不同材料的蝕刻機加工速度和側蝕率不同,從而使不同材料腐蝕後得到不同的表麵精度。然而,即使同一種材料也可能因為材料型號和批次的不同而產生不同的腐蝕速度及效果,在同一腐蝕液中也會產生不同的腐蝕公差。

  ② 零件尺寸大小的影響: 不同於小型零件的蝕刻機加工,對於一個大型的板材零件如果是垂直放於腐蝕槽中,經腐蝕後由於蝕刻機加工速度的不同會出現下薄上厚的錐形,所以在計算公差時也應把這種由於蝕刻機加工本身造成的公差計入總公差。對於小型零件這種現象可以忽略不計。

  ③ 蝕刻機加工深度的影響:

  蝕刻機加工深度的大小與零件在腐蝕液中浸泡時間的長短有直接關係,蝕刻機加工深度越深,零件在腐蝕液中浸泡時間越長,蝕刻機加工液中發生腐蝕溶解反應,其中各種化學成分的組分和濃度變化也越來越大,進而使蝕刻機加工速度及腐蝕效果變化增大。同時過深的蝕刻機加工,當深度達到一定值後,由於濃差極化及腐蝕殘渣的沉積,其腐蝕溶解行為及機理行為也會發生變化。

  ④ 蝕刻液的影響:

  因蝕刻機加工溶液主體成分和濃度的不同,對零件的蝕刻機加工速度和表麵質量有一定的影響。隨著溶液中蝕刻液和氧化劑濃度的改變,蝕刻機加工速度也會隨之改變,這時對零件表麵質量也會產生一定的影響,進而影響零件總公差的改變。

  六、蝕刻機加工對材料力學性能的影響:

  金屬經蝕刻機加工後,原有力學性能會受到一定的影響,這種影響隨著腐蝕程度的增加而加大
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