0  引 言

      鈦及鈦合金具有密度小、比強度高、抗斷裂和耐蝕性好的綜合性能, 在航空（kōng）航天工業中得到越來越廣（guǎng）泛的應用。但其切削加（jiā）工性能不好, 鈦及鈦合金熱導率小, 切削加（jiā）工時產生的熱量不易散失, 積蓄在刀具和工件上使刀具磨損（sǔn）很快, 加工較（jiào）大餘量時易燒蝕, 特別是對於薄壁、外形複雜的零件, 其加工（gōng）難度更大, 這給實際應用帶來很多困難（nán）。為此, 人們采用化學銑切代替常規的機械加工。

      所謂（wèi）化學銑切(簡稱化（huà）銑) 是通過與一種有效的化學試劑相接（jiē）觸, 使金屬材料有控製地均勻溶解, 從而達到加工零件的目的。與（yǔ）一般機械加工方（fāng）法相比, 化銑工藝主要有以（yǐ）下特點:

      1) 對某些焊接、鉚接、膠接等方（fāng）法組（zǔ）成的組（zǔ）合件, 可作為一個整體結（jié）構直接進行（háng）化銑加工, 縮短了生產周期。

      2) 對一般機械加工方（fāng）法難以加工或無法加工的薄壁、易變形、大麵積的零件, 隻要化銑槽（cáo）尺寸允許, 無論零件材料的狀態如何, 都可采用（yòng）化銑（xǐ）方（fāng）法加（jiā）工（gōng）。

      3) 不產（chǎn）生（shēng）切削應力, 零件無變形。

      4) 一次可加工多個零（líng）件, 還可以同時進行（háng）兩麵加工, 提高生產效率。

      5) 適應（yīng）性大（dà）, 設（shè）備簡單, 投（tóu）資少, 對（duì）新設計或試製的零部件（jiàn）, 使用化銑的方法可以很（hěn）快（kuài）完成加工。

      本文（wén）闡述了鈦合金化銑（xǐ）的一般原理, 並對鈦合金化銑（xǐ）的工藝過程進行了描述。

      1  實驗原理

      鈦合金化銑溶液通常由腐蝕劑、氧化劑、添加劑組成（chéng）。由於鈦本身固（gù）有的抗蝕性, 通常選用H F作（zuò）為腐蝕劑, 其作用是（shì）加速鈦的腐（fǔ）蝕溶解; HNO3 作為氧化劑, 主要作用（yòng）是抑（yì）製氫的生成和提高（gāo）化銑表麵的光（guāng）潔度; 添加劑一般使用尿（niào）素, 尿素為酰胺類化合物, 可在（zài）一定條件下提高化銑液壽命, 並可減少黃煙( NO2 )的（de）放出。在化銑過程中發生（shēng）的反應主要有:

      鈍化膜溶解後, 金屬基體與化銑液直接接觸, 接著又（yòu）被（bèi）氧化、溶解, 這樣周而複始, 金（jīn）屬的銑（xǐ）切就不斷地進行。在化銑過程中, 一個關鍵的（de）參數是（shì）腐蝕係數 (或稱浸蝕比) , 加工精度（dù）通常用浸蝕比K 表示。化銑的（de）腐蝕係數K可由下式求出:

      K= a /b式中（zhōng）, a 表示側蝕量, b 表示（shì）銑切深度, 如（rú）圖1所（suǒ）示。測定方法是: 選擇與待加工（gōng）狀態完全相同的試片, 在化銑前（qián）刻出一個寬度為c的槽（cáo）型, 化銑後測量槽寬

      2 化學銑切工藝過程

      應用化銑工（gōng）藝, 鈦合金零件可整個表麵蝕除, 也（yě）可有選擇、多台階或成錐（zhuī）度地蝕除。化銑主要（yào）的工藝過程為: 零（líng）部件的表麵清冼→ 塗覆防護層→  刻（kè）型→  化學腐蝕或溶解→中和、衝（chōng）泥→  去除保護層。

      2. 1  零部件的表麵清冼

      零件表麵清洗是一項很重要的工序, 如果清洗（xǐ）不幹淨, 將會導致下一道工序中所塗覆的保護（hù）塗層結合力變差, 甚至引起非均勻（yún）腐蝕。

      鈦及鈦合金零件的表麵清洗常采取用浸漬有機溶劑的棉布擦洗和熱堿洗的方法。用有機溶劑除油時, 一（yī）般隻（zhī）允許用丙酮或航（háng）空汽油, 決不能用含鹵（lǔ）離子的溶劑, 如甲基鹵化物、三氯（lǜ）乙烯（xī）、高氯乙烯、三氯甲（jiǎ）烷（wán）、四氯化碳、氟裏昂等; 使用熱堿（jiǎn）液除油（yóu）時, 隻允許進行化學除油, 且溫度不能超過75℃ , 若溫（wēn）度過高,零件表麵會氧化。鈦合（hé）金零件不允許用電化學方法除油, 避免陰極除油時（shí）零（líng）件增氫, 或陽極除油時表麵氧化及滲氧。如果表麵存在氧化皮和外來雜質, 則要用酸洗或電解浸蝕進行（háng）去除。

      2. 2  防護層的塗（tú）覆

      化銑用的保護膠是保證（zhèng）化（huà）銑成（chéng）功與否的重要（yào）環節, 要求化銑保護塗層除（chú）具有良好的附著力和耐蝕性能外（wài）, 還（hái）應具有一些其它優良特性, 即: 適於複製精密保護膜外形和複雜輪廓、可剝性以及與化銑（xǐ）溶液的配套性。目前（qián）, 國內（nèi）外在鈦合金的化（huà）銑中所采用的防（fáng）護層通常是聚已烯（xī）基樹脂和丁苯橡膠。塗覆保護層（céng）的方法有刷塗、浸塗、噴塗和澆塗, 還有電泳塗覆等技術。

      2. 3  刻型

      塗有防護層的鈦合金工件化銑前必須把要銑切部分（fèn）的防護（hù）層去掉, 這一（yī）過程稱為刻型（xíng）。刻型（xíng）是用一種刻劃刀沿著限定腐（fǔ）蝕部位的輪廓線把防（fáng）護層切開, 然（rán）後把不需要的防護層去掉。為了準確地（dì）限定（dìng）化銑部位（wèi）, 必須采用為此目的而製備（bèi）的樣（yàng）板。一般來說, 要求製造的化銑樣板能沿著要剝離（lí）保護層（céng）的內（nèi）邊緣劃線, 也就是劃在以後（hòu）要剝（bāo）離的（de）化銑型麵區（qū）。用手術刀進行刻劃線, 刀片必須（xū）緊靠樣板邊（biān）緣, 與零件（jiàn）表麵（miàn）保持垂直, 所（suǒ）用的壓力應恰當, 因（yīn）為在樣板邊緣處少切或者多切（qiē）保護層都將改變被化銑部位的界線（xiàn）位置。

      劃好線後, 取下樣板, 剝離需（xū）要化（huà）銑（xǐ）部位的保護層, 這一過程（chéng）稱為剝膠。剝離時, 不能損傷保護層邊緣, 一般采取的（de）方法是先在整個需化銑的型麵內（nèi）側約10mm 左右處再劃第2條線, 然後, 將兩線之間的保護層用刀尖挑起, 緩（huǎn）慢地揭（jiē）起, 使其離開主型麵線, 這樣把兩條線之間的金屬都暴露出來（lái）後, 就可將其餘（yú）保護層剝離（lí）掉。剝離後, 應（yīng）檢查化銑表麵保護層是否已徹底清除,所有殘留在需化銑表麵上的保護層都要用局（jú）部剝離的方（fāng）法或用溶劑清理幹淨。

      2. 4  化學（xué）腐蝕（shí）或溶解（jiě）

      腐蝕過程是（shì）化銑中（zhōng）最主要的過程, 此過程要求（qiú）均勻腐蝕, 不（bú）影響工件的機械性能。腐蝕時要（yào）防止產生小孔和形（xíng）成粗糙的表麵（miàn）, 同（tóng）時要注意減（jiǎn）少吸（xī）氫量, 防（fáng）止材料發生氫脆。鈦合金的化（huà）銑液類型常見的（de）有氫氟酸型、氫氟酸（suān）-硝酸型以及氫氟酸（suān）-鉻酸型,其（qí）中氫氟酸-硝酸型溶液的腐蝕速度比較快, 而且銑削均勻性比較好。

      2. 4. 1  化銑液成分及作用

      1) 氫氟酸    工件在酸性腐蝕液（yè）中的銑切速度主要通過氫氟酸來控製, 增加氫氟酸濃度可大大提（tí）高銑切速度; 但隨著氫氟酸濃度的升高, 工件表麵粗糙度有所增加。當化銑液溫度大（dà）於46 時, 氫氟酸易揮發。

      2) 硝酸    硝酸在（zài）化銑液（yè）中為氧化劑, 增加硝酸濃度可（kě）降低工件的表麵粗糙度, 使 “黑斑（bān）”形成減至最小。隨著硝酸濃度的（de）降低, 化銑速度也隨之降低。

      3) 添加（jiā）劑    除腐蝕劑和氧化劑外, 鈦合金化銑液（yè）中還（hái）需加入添加劑, 如尿素、非離子型表麵活性劑等。尿素可提高化銑液壽（shòu）命, 並減少黃煙( NO2 ) 的放出（chū）; 非離子型表麵活性劑可以改進化銑液的物（wù）理性（xìng）能, 還可減少工件表麵的張力, 在（zài）有氣泡（pào）情（qíng）況下, 使化（huà）銑液和工件（jiàn）的接觸角減小, 從而使反應氣體從表麵呈小氣泡狀跑掉, 並消除表麵粗糙現象。

      2 .4. 2  化銑參數對質量的影響

      1) 槽（cáo）液溫度     溫度是影響化銑質量的主要因素之一, 鈦合金化銑是放熱反應, 隨著化銑時（shí）間的延長, 溫度將迅速上升。溫（wēn）度升高有利於提高化銑速度、溶液壽命和降低基體含氫量; 但溫度過高時, 工（gōng）件表麵會出（chū）現氧化色, 同時槽液蒸發加劇, 不利於操作和環境保護, 以致有大量NO2 逸出而無（wú）法（fǎ）進行化銑。溫度升高有利於降低化銑工件的氫含量。在化銑過程中有2個影響氫含量的途徑: 一是在化銑（xǐ）過程中生成的氫從溶液中向鈦基體內擴散; 另一是基（jī）體中原有的氫隨表麵層的溶解而被帶入溶液。後者（zhě）主（zhǔ）要取決於表麵層溶解的化學反應速度。由於擴散活（huó）化（huà）能通常小於反應活化能, 溫度對反應速度的影響比對擴散（sàn）速度的影響大（dà）, 即隨（suí）溫度（dù）的升高, 反（fǎn）應速度的增長率大於擴散速度的增長（zhǎng）率, 因而溫度越高, 擴散到基體中的（de）氫越是不（bú）足以補償因鈦的（de）溶解而帶入溶液的氫（qīng）, 致使工件中氫含量有所下降。若溫（wēn）度太低, 化銑速率很小, 吸氫（qīng）量增大, 隨（suí）著時間延長, 工件表麵光度也（yě）不好（hǎo）。新配槽液有一速率高峰, 使用新配槽液時化銑速度隨溫度（dù）升高而（ér）上升較快, 速率不易控製, 遇此情況可加入少量（liàng）鈦屑或舊槽液以避其高峰, 使化銑速度趨於平穩。

      2) 化銑速度    化銑速度是確定化銑液是否能用的重要標誌之一, 當槽液配方決定後, 化銑速度主要受槽液溫度和槽液中金屬含量的影響。溫度升高, 化銑速度隨之增加; 當槽液中（zhōng）金屬離（lí）子的濃度超過一定值後, 化銑速度將隨之下降直至停止。

      3) 鈦（tài）離子含量    鈦離子含量較低時, 化銑速率快, 鈦合（hé）金化學銑切後的表麵平整度較好, 但表麵粗糙度相對（duì）較高。溶液中的鈦離子含量增大後, 尤其是當鈦離子含量（liàng）達到某（mǒu）臨界值後,溶液的黏滯性會加大, 使化銑液循環受阻, 使得與化學銑切表麵接觸（chù）的溶液均勻性變差, 因而表麵平整度（dù）變差; 同時, 單位麵積上溶（róng）液的濃度相對（duì）減小, 從而降低了銑切速率; 又由於鈦離子在溶液中具有一定的緩蝕（shí）作（zuò）用（yòng）, 且其緩蝕作（zuò）用隨著含量的增加而（ér）加強, 因而工件的表麵粗糙度得（dé）到（dào）改善。

      4) 攪拌   在槽液中, 試樣與溶液發生劇烈反應。在無攪拌的情況（kuàng）下, 由於化學反應產生的熱量在（zài）化銑溶液（yè）內擴散困難, 將影響化銑質量; 同（tóng）時靜止狀態反（fǎn）應時產生的大量（liàng）氣體將衝刷試樣, 化銑後在試樣表麵上會留下無數衝刷痕跡, 出現明顯的氣道, 這不但會影響化銑後的表麵（miàn）質量, 甚至會造成零件報（bào）廢（fèi）。攪拌能加速溶液向相界擴（kuò）散和腐蝕產物（wù）向化銑溶液（yè）內擴散的過程, 可促使整個化銑溶液（yè）溫度均勻（yún）, 有利於零件化（huà）銑的均勻性,同時加速腐蝕產物(氣泡)的剝離, 從（cóng）而可以加快化銑速（sù）度。攪拌的（de）方式有2種: 一種是壓縮空氣攪拌, 另一種（zhǒng）是（shì）零件在化銑過程中運動。在多（duō）數情況下, 這2種攪拌不能互相取代, 特別是（shì）對大零件（jiàn）進（jìn）行化銑時往（wǎng）往需要這2種攪拌方式相繼使用。

      5) 工件吊掛方式    在化銑（xǐ）過程中會產生大量的氣體和沉積物（wù）, 如不及時排除（chú）, 將對化銑的速度、均勻性和浸蝕比等有很大的影響。當試件處於與液麵垂直的方向化銑時, 如不改變（biàn）試（shì）件方向, 化銑後能明顯看出, 在（zài）化銑（xǐ）液中, 試件上部的腐蝕速度大於下部（bù）; 若改變試（shì）件的上下方向, 則化銑均勻性（xìng）好。所以, 當零件化銑時, 應垂直液（yè）麵定期改變（biàn）試件的上下方向。在實際工作中, 根據試（shì）件( 零件) 各部位實際測量的厚度, 按照溶液腐蝕速度上部大於下（xià）部的原則, 改變試件(零件)吊放（fàng）的位置和確定腐蝕（shí）時間。總之, 零件化銑過程中（zhōng）的吊放方向和運動狀（zhuàng）態要有利於氣體和腐（fǔ）蝕產物（wù）順利地從化銑的表麵上盡快排除(衝刷或擴散) , 使試件( 零件)能均勻化銑。

      2. 5 化銑對表麵粗（cū）糙度的（de）影響

      化銑零件（jiàn）表麵粗（cū）糙度取決於零件（jiàn）的冶金狀態、表麵狀（zhuàng）態和銑切深度等。對於經熱處理(淬火) 和幹吹（chuī）砂處理的板材來說,化銑後表麵粗糙度Ra 可達到理想的（de）0. 8~ 1. 6μm。

      2. 5. 1 化銑溫度與表麵粗糙度的關（guān）係

      表麵粗糙度隨溫度的（de）變（biàn）化（huà）規律與（yǔ）HNO3 的整平作用有（yǒu）關。當溫度升高時, 由於化銑腐蝕速度提高（gāo）和氣體析（xī）出加（jiā）劇, 使（shǐ）溶液中的對流與擴（kuò）散速度加快, 因而化銑表麵凹窪處的腐蝕產物得以及時擴散出來, 不會在該處積累過多形成過飽（bǎo）和鹽膜（mó）而引起金屬表麵鈍化。這樣, 化銑表麵凹窪處與凸起處的腐（fǔ）蝕速度相差不多, HNO3 的整平效果降低, 表麵粗糙度增大。如果繼續升（shēng）高溫度, 則進一步加快鈦的（de）腐蝕溶解, 凹窪處的腐蝕產（chǎn）物過（guò）多,無法完全擴散出去, 因而整平作用又顯得突出, Ra 值重新降低。

      2. 5. 2 銑切深度與表麵粗糙度的（de）關係

      化銑初期腐蝕產物較少, 時間（jiān）短暫, HNO3 的整平作用（yòng）未能充分發揮, 因（yīn）而表麵粗糙度未得到改善。隨著化銑時間與化銑深度的增加, 整平作用逐漸（jiàn）突出, 從而降低（dī）了表麵粗糙度。化銑達到一定深（shēn）度後, 表麵粗糙度逐漸趨於穩（wěn）定。

      3 展 望（wàng）

      化學銑切是一種高效的加工方法, 可加工具有一定形狀（zhuàng）和尺寸的鈦合金。此工藝方法簡單, 操作方便, 節省工藝裝備, 也減輕了工人的（de）勞動（dòng）強度（dù）, 提高了（le）工效, 保證了產品質量。不足之處是目前化（huà）銑溶液（yè）的再（zài）生還缺（quē）乏行之有（yǒu）效的方法, 化銑溶液對環境的汙染較大, 需要（yào）進一步改進。