0  引 言

      鈦及鈦合金具有密度小、比強度高、抗斷裂和耐蝕性（xìng）好的綜合性能, 在航空航天工業中得到越來越廣泛的（de）應（yīng）用。但其切（qiē）削加工性能不好, 鈦（tài）及鈦合金熱導率小, 切削加工時產生的熱量（liàng）不易散失, 積蓄在刀（dāo）具（jù）和工件上使刀具磨損很快, 加工較大餘量時易燒蝕, 特別是對於薄壁、外（wài）形複雜的零件, 其加工難度更大, 這給實際應用帶來很多困（kùn）難。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(簡稱化銑) 是通過與一種有（yǒu）效的化學試劑相接觸, 使金（jīn）屬材料有控製地均勻溶解, 從而達到（dào）加工（gōng）零件的目的。與一般機械加工（gōng）方法（fǎ）相比, 化銑工藝主要有以下特點:

      1) 對某些焊接、鉚（mǎo）接、膠接等方法（fǎ）組成（chéng）的組合件, 可作為一個整體結構直接進行化銑（xǐ）加工, 縮短了（le）生產周期。

      2) 對一般（bān）機械加工方（fāng）法難以加工或無（wú）法加工的薄壁、易變形、大麵積的（de）零件, 隻要化（huà）銑槽尺寸允許, 無論零件材料的狀態（tài）如何, 都可采（cǎi）用化銑方法加工。

      3) 不產生切削應力, 零件無變形。

      4) 一次可加（jiā）工多個零件, 還可以同時進行兩麵加工, 提高（gāo）生產效率。

      5) 適應（yīng）性大, 設備簡單, 投資少, 對新設計或試製的零部（bù）件, 使用（yòng）化銑的方法（fǎ）可以很快完成加（jiā）工。

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

      1  實驗（yàn）原（yuán）理

      鈦合金化銑溶液通（tōng）常由腐蝕劑、氧化劑、添（tiān）加劑組成。由於鈦本身固有的（de）抗蝕性, 通常選用H F作（zuò）為腐蝕（shí）劑（jì）, 其作用是加（jiā）速鈦的腐蝕（shí）溶（róng）解; HNO3 作為氧化劑, 主要（yào）作用是抑製（zhì）氫的生成和提高化銑表（biǎo）麵的光潔度; 添加劑一般使用尿素（sù）, 尿素為（wéi）酰胺類化合物, 可在一定條件下提高化銑液壽命, 並可減少（shǎo）黃（huáng）煙( NO2 )的放（fàng）出。在化銑過程中發生的反應主要有:

      鈍化膜溶解後, 金屬基體（tǐ）與化銑（xǐ）液直接接觸, 接（jiē）著又被氧化（huà）、溶解（jiě）, 這樣周而複始, 金屬的銑切就不斷地進行。在化銑（xǐ）過程（chéng）中, 一個關鍵的參數是腐蝕係數 (或稱浸（jìn）蝕比) , 加工精度通常用浸蝕比K 表示。化銑的腐蝕係（xì）數K可由下式求（qiú）出:

      K= a /b式（shì）中, a 表示側蝕量, b 表示銑切深（shēn）度, 如圖1所示。測定方法是: 選（xuǎn）擇與待加工狀態完全相（xiàng）同的試片, 在化銑（xǐ）前刻出一個寬度（dù）為c的槽型, 化銑後測量槽寬

      2 化（huà）學銑切工藝過（guò）程

      應用化銑工（gōng）藝, 鈦合金零件（jiàn）可整個表麵蝕除, 也可有選擇、多台階或成錐度地蝕除。化銑主（zhǔ）要的工藝過程為: 零部（bù）件的表麵清冼→ 塗覆防護層→  刻型→  化學腐蝕或溶解→中和、衝泥→  去除保護層。

      2. 1  零部件的（de）表麵清冼

      零件表麵清洗是一項（xiàng）很重要（yào）的工序, 如果（guǒ）清洗不幹淨, 將會導致下一道工序中所塗覆的保（bǎo）護塗層結合力變差, 甚至引（yǐn）起（qǐ）非均（jun1）勻腐蝕。

      鈦及鈦（tài）合金零件的表（biǎo）麵清洗常采取用（yòng）浸漬有機（jī）溶（róng）劑的棉布擦洗和熱堿洗的方法。用有機溶劑除油時, 一般隻允許用（yòng）丙酮或航（háng）空汽油, 決不能用含鹵離子的溶劑, 如甲基鹵化物、三氯乙烯、高氯乙烯、三氯甲烷、四氯化碳、氟裏昂等（děng）; 使（shǐ）用熱堿液除油（yóu）時, 隻允許進行化學除油（yóu）, 且溫度（dù）不（bú）能超過75℃ , 若溫度過高,零件表麵會氧化（huà）。鈦合金零件不允（yǔn）許（xǔ）用電化學方法除油, 避免陰極除油時零件增氫, 或陽極除油時表麵氧化及滲氧。如果表（biǎo）麵存在氧化皮和外來雜質, 則要用酸洗或電解浸蝕進行去除。

      2. 2  防（fáng）護層的（de）塗覆

      化銑用的保護膠（jiāo）是保證化銑成（chéng）功與（yǔ）否的重要環節, 要求化銑保護塗層（céng）除具有（yǒu）良好的附著力和耐（nài）蝕性能外, 還（hái）應具有一些其它優良特性, 即: 適於複製（zhì）精密保護膜外形和複雜輪廓、可剝性（xìng）以及與化銑溶液的配套性。目前, 國內外在鈦合金的化銑中（zhōng）所采用的（de）防護（hù）層通常是聚（jù）已烯基樹脂（zhī）和丁苯（běn）橡膠。塗覆保護層的方法有刷塗、浸塗、噴塗和澆塗, 還（hái）有（yǒu）電泳塗覆等技術。

      2. 3  刻型

      塗有防護（hù）層的鈦合金工件化銑前必須把要銑切部分的防護（hù）層去掉, 這一過程稱為刻型（xíng）。刻型是用一種刻（kè）劃刀沿著限定（dìng）腐蝕部位的輪廓線把防（fáng）護層切（qiē）開（kāi）, 然後把（bǎ）不需要的防護層去掉（diào）。為了準確地限定化銑（xǐ）部位, 必須采用為此目的而製備的樣（yàng）板。一般來說, 要求製（zhì）造（zào）的化銑樣板能沿著要剝離保護（hù）層的內邊緣劃線, 也就是劃在以後要剝離（lí）的化銑型麵區（qū）。用手術刀（dāo）進行刻劃（huá）線, 刀片必須緊靠樣板邊緣, 與零件表麵保（bǎo）持垂直, 所用的壓力應恰當（dāng）, 因為在樣板邊緣處少切或者多切保護層都將改變被化銑部位的（de）界線位置。

      劃好線後, 取下樣板, 剝離需要（yào）化銑部位的保護層, 這一過程稱為剝（bāo）膠。剝離時, 不能損傷保護層邊緣, 一（yī）般采取（qǔ）的方法是（shì）先在整個需化銑的型麵內側約10mm 左右（yòu）處再劃第2條線, 然後, 將兩線之間的保護層用刀尖挑起, 緩慢地揭起, 使其（qí）離開主型麵線, 這樣把兩條線之間的金屬都暴露出來後, 就可將其餘保護層剝離掉（diào）。剝離（lí）後, 應檢查化銑（xǐ）表麵保護層是否已徹（chè）底清除,所（suǒ）有殘留（liú）在需化銑表麵上的保（bǎo）護層都要用局部剝離的方（fāng）法或用溶劑清理幹淨。

      2. 4  化（huà）學腐（fǔ）蝕（shí）或溶解

      腐（fǔ）蝕過程是化銑中最主要的過程, 此過程要求均勻腐蝕, 不（bú）影響工件的機（jī）械性能。腐蝕時要防止產（chǎn）生（shēng）小孔和形成粗（cū）糙的表麵, 同（tóng）時要注意減少吸（xī）氫量, 防止材料發生氫脆（cuì）。鈦合金的化銑液類型常見的有氫氟酸型、氫氟酸-硝酸型以及氫氟酸-鉻酸（suān）型,其中氫（qīng）氟酸-硝（xiāo）酸（suān）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    工件在酸性腐蝕液中的銑切速度主要通過氫氟酸來控製, 增加氫氟酸濃度可（kě）大（dà）大提高銑切速度; 但隨著氫氟酸濃度的升高, 工件表麵粗糙度有所增加。當化銑液溫度大於46 時, 氫氟酸易揮（huī）發。

      2) 硝酸    硝（xiāo）酸在化銑液中為氧化劑, 增加硝酸濃度可降低工（gōng）件的表麵（miàn）粗糙度（dù）, 使 “黑斑”形成減至最小。隨著硝酸濃度的降（jiàng）低, 化銑速度（dù）也隨之降（jiàng）低。

      3) 添加劑    除腐蝕劑（jì）和氧化劑外, 鈦合金化銑液中還需（xū）加入添加劑, 如尿素、非離子型表麵活性劑等。尿素可（kě）提高化銑液壽命, 並減少黃煙( NO2 ) 的（de）放出; 非離子型表麵活性劑可以（yǐ）改進化銑（xǐ）液的物理性能, 還可減少工件表麵的（de）張力, 在有氣泡情況下, 使化銑液和（hé）工件的接觸（chù）角減小, 從（cóng）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) 槽液溫度     溫度是影響化銑質量的（de）主要因素之（zhī）一, 鈦合金（jīn）化銑是放熱反應, 隨著化銑時間的延長, 溫度將迅速上升。溫度升高（gāo）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, 工件表麵會出現氧化色（sè）, 同時槽液蒸發（fā）加劇, 不利於操作和環境保護, 以致有大量NO2 逸出而無法（fǎ）進行（háng）化銑。溫度升高有利於降低化銑工件的氫含量（liàng）。在化銑過程（chéng）中（zhōng）有2個影響氫（qīng）含量的途徑: 一是在化銑過（guò）程（chéng）中生成的氫從溶液中向鈦基體內擴散; 另一是基體（tǐ）中原有的氫隨（suí）表麵層的溶解而被帶入溶液。後者主（zhǔ）要取決於表麵層溶（róng）解的化學反應速度（dù）。由於擴散活（huó）化能通（tōng）常小（xiǎo）於反應活化能, 溫度對反應速度的影響比對（duì）擴散速度的影響大, 即隨溫度的升高, 反應速度的增長率大於擴散（sàn）速度的增長率, 因而溫度越高, 擴散到基體中（zhōng）的氫（qīng）越是不足以補償因鈦的溶解而帶入溶液的氫, 致使工件中氫含量有所下降。若溫度太低, 化銑速率很小, 吸（xī）氫量增大, 隨著時間延長, 工件表麵光（guāng）度也不好。新配槽液（yè）有一速率高（gāo）峰, 使用新配槽液時化銑速度隨溫度升高而上升較快, 速率不易控製, 遇此情況（kuàng）可加入少量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（huà）銑（xǐ）液是否能用的重（chóng）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（shǔ）含量的影響。溫度升高, 化（huà）銑速度隨之（zhī）增加; 當槽液中金（jīn）屬離子的濃度超過一定值後, 化銑速度將隨之（zhī）下降直至停止。

      3) 鈦離子（zǐ）含（hán）量    鈦離（lí）子含量較低時, 化銑速率快（kuài）, 鈦（tài）合金化學銑切後的表麵平整（zhěng）度較好, 但表麵粗糙度相對較高。溶（róng）液中的鈦離子含量增大後, 尤其是（shì）當鈦離（lí）子含量達到某臨（lín）界值後,溶液的（de）黏滯（zhì）性會（huì）加大, 使化銑液循環受阻（zǔ）, 使得與化學銑切表麵接觸的溶液均勻性變（biàn）差, 因而表麵平整（zhěng）度（dù）變差; 同時, 單位麵積上溶液（yè）的濃度相對減小（xiǎo）, 從（cóng）而降低了銑切速率; 又由於鈦離（lí）子在溶液中具有（yǒu）一定的緩蝕作用, 且其緩蝕作用隨著含量的增加而加強, 因而工件的表麵粗糙度得（dé）到改善。

      4) 攪拌   在槽液中, 試樣與溶液發生劇烈反應。在（zài）無攪拌的情況下, 由於化學反應產生的熱量在化銑溶液內（nèi）擴散困難, 將影響化銑（xǐ）質（zhì）量; 同時靜止狀態反應時產生的大量氣體將衝刷試樣, 化銑後（hòu）在試樣表麵上會留下（xià）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質量, 甚至會造成零件報廢。攪拌能加速溶液（yè）向相界擴散和腐蝕產物向化銑溶（róng）液內擴散的過（guò）程, 可促使整個化銑（xǐ）溶液溫度均勻, 有利於零件化銑的均勻性,同時加速腐蝕產物(氣泡)的剝離, 從而（ér）可以加快化（huà）銑速度。攪拌的方式有2種: 一種是壓縮空氣（qì）攪拌, 另一種是零件在化銑（xǐ）過程中運動。在多數情況下, 這（zhè）2種攪拌不能互相取代, 特別是對大零件進行化銑時往往需要這2種攪拌方式相繼使用。

      5) 工（gōng）件吊掛方式    在化銑過（guò）程中會（huì）產生（shēng）大量的氣體和沉積物, 如不及時排除, 將對（duì）化銑（xǐ）的速度、均勻性和浸蝕比等有（yǒu）很大的影響。當試件處於與液麵垂直的方向化銑時（shí）, 如不改變試件方向, 化銑後能明顯看出, 在化銑液中, 試件上部的腐蝕速度大於下部; 若改變試件的上下方向, 則化銑均勻性好。所以, 當零件化銑時, 應垂直液麵定期改變（biàn）試件的上下（xià）方向。在（zài）實際工作中, 根據試件( 零件) 各部位實際測量的厚度, 按照溶液腐蝕速度上部（bù）大於下部（bù）的原則, 改變試件(零件)吊放的位置（zhì）和確定腐蝕時間。總之, 零件（jiàn）化銑過（guò）程中的吊放方向和運動狀態要有利於氣體和腐蝕產物順利地從化銑的表（biǎo）麵（miàn）上盡快排除(衝刷或擴散) , 使試件( 零件)能均勻化銑。

      2. 5 化（huà）銑對表麵粗糙度（dù）的影響（xiǎng）

      化銑零件表麵粗糙度取決於（yú）零件的冶金狀態、表麵（miàn）狀態和銑切深度（dù）等。對於經熱處理(淬火) 和幹吹砂處理的板材來說,化銑後表麵（miàn）粗糙（cāo）度Ra 可達到理想的（de）0. 8~ 1. 6μm。

      2. 5. 1 化銑溫度與表麵粗（cū）糙度的關係

      表麵粗糙度隨溫度的變化規律（lǜ）與HNO3 的整平作用（yòng）有關。當溫度升高時, 由於化（huà）銑腐（fǔ）蝕速度提（tí）高和氣體析出（chū）加劇, 使溶液（yè）中的對流與擴散速度加快, 因而化銑表麵凹窪處的腐蝕產物得以（yǐ）及時擴（kuò）散（sàn）出來, 不會在該處積累過多形成過飽和鹽膜（mó）而引起金屬表（biǎo）麵鈍化。這樣（yàng）, 化銑表麵凹（āo）窪處與凸起處的（de）腐蝕速度相差不多, HNO3 的整平效果降低, 表麵粗（cū）糙度增大。如果繼續升高溫度, 則進一步加快（kuài）鈦的腐蝕溶解, 凹窪處（chù）的腐蝕產物過多,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（dī）。

      2. 5. 2 銑切深度與表麵粗糙度的（de）關係

      化銑初期腐（fǔ）蝕產物（wù）較（jiào）少, 時間短暫, HNO3 的整平作用未能充分發揮（huī）, 因（yīn）而（ér）表麵粗糙度未得到改善。隨著化銑時間與化銑深度的增加, 整平作用逐漸突出, 從而降低了表麵（miàn）粗糙度。化銑（xǐ）達到一定深度後, 表麵（miàn）粗糙度逐漸趨於穩定。

      3 展 望

      化學銑切是一種高效的加工方法（fǎ）, 可加工具（jù）有一定形狀和尺寸的（de）鈦合金。此工（gōng）藝方（fāng）法（fǎ）簡單, 操作方（fāng）便, 節省工藝裝備, 也減輕了工人的勞動強度, 提高了工效, 保證了產品質量。不足（zú）之處是目（mù）前化銑溶液的再（zài）生還缺乏行之有效（xiào）的方法, 化銑溶液對環境的汙染（rǎn）較大, 需要進一步改進。