近年來(lái)，由鈦合金做表殼和表帶的手表已越來(lái)越多，這不單純是時(shí)髦，主要在于鈦金屬有比重輕、耐腐蝕等很多優(yōu)點(diǎn)，比如其強(qiáng)度和硬度接近于不銹鋼，但比重只有鋼的一半， 而耐腐蝕的特性使其基本不生銹，且綠色環(huán)保，不像鎳金屬那樣對(duì)人體有傷害。

1、鈦與鈦合金

1.1 鈦的由來(lái)及特性

鈦是一種在地殼中發(fā)現(xiàn)的銀白色過(guò)度金屬元素，是一種閃亮且很有光澤的金屬或者銀灰色或暗灰色的粉末，如圖 1所示。它的合成物幾乎可以在所有的火成巖石和鈦砂礦床中找到。鈦被認(rèn)為是一種稀有金屬，這是由于在自然界中其存在分散并難于提取。但其相對(duì)豐富，它在地殼的蘊(yùn)藏量排名第九。鈦礦石的供應(yīng)至少還可以維持一萬(wàn)年。在隕石、月球 巖石、太陽(yáng)和其他星球都發(fā)現(xiàn)了它的存在。不過(guò)，鈦的提http://m.dalianguanggao.com.cn/取過(guò)程相對(duì)較慢且費(fèi)用過(guò)高，這使得它的價(jià)格昂貴。很多年來(lái)，高昂的價(jià)格限制了鈦在軍事和航空領(lǐng)域的運(yùn)用。

鈦的許多特性使它極具工業(yè)和商業(yè)價(jià)值。堅(jiān)硬方面，鈦比鋼的硬度高 30%，具有優(yōu)良的強(qiáng)度保持性；質(zhì)地輕，鈦的重量為 47.90 個(gè)原子尺度，比鋼將近輕了 50% [1] ；耐腐蝕性 能強(qiáng)，當(dāng)把鈦暴露于空氣中時(shí)，其表面會(huì)形成一層緊密且強(qiáng)韌的氧化膜，可以抵抗不同物質(zhì)對(duì)其金屬的侵蝕，尤其是抵抗鹽水的腐蝕。鈦的化學(xué)性質(zhì)極為活潑，易與空氣中的氫、 氧等物質(zhì)相互作用，形成極穩(wěn)定的化合物，所以平日里所說(shuō)的鈦金屬實(shí)際上是鈦合金，它由鈦、鋁、釩、鎳、鉬等元素構(gòu)成，主要特點(diǎn)是強(qiáng)度高、質(zhì)量輕，并具有超強(qiáng)的耐腐蝕性。

1.2 鈦的應(yīng)用領(lǐng)域及發(fā)展

鈦金屬誕生于 1971 年，英國(guó)業(yè)余科學(xué)家威廉?喬治，在分析來(lái)自康沃爾的砂土?xí)r，發(fā)現(xiàn)一些他自己無(wú)法識(shí)別的“紅褐色的礦灰”。1975 年，一位奧地利化學(xué)家 MARTIN 證實(shí) 了喬治確實(shí)發(fā)現(xiàn)了一種新元素。KLAPROTH 把這種新元素命名為“鈦”。然而，鈦合金工業(yè)用途的開(kāi)發(fā)還較新。來(lái)自盧森堡的 WILHELM 被認(rèn)為是現(xiàn)代鈦工業(yè)之父，他在20世紀(jì)30年代期間，開(kāi)發(fā)了一種加工鈦金屬的方法，并在 20 世紀(jì) 40 年代期間將之改良，此法今天還在沿用。20 世紀(jì) 70年代中期前，超過(guò) 85%所生產(chǎn)的鈦都用于航空工業(yè)。鈦的獨(dú)特性能使得它成為建造噴氣式飛機(jī)、火箭、太空飛船的引擎和飛機(jī)框架的理想材料。它的軍事用途則是武器，像炮兵的導(dǎo)彈和駐退機(jī)。從 20 世紀(jì) 70 年代開(kāi)始，鈦金屬工廠產(chǎn)品的價(jià)格持續(xù)下跌，這樣才使鈦金屬被廣泛運(yùn)用于各行各業(yè)。

1.3 鈦金屬作為手表材質(zhì)的優(yōu)勢(shì)

寶璣 Type XXI 3810 如圖 2 所示，帝舵 Heritage Advisor如圖 3 所示，卡地亞 SANTOS 100 如圖 4 所示。

鈦金屬作為手表材質(zhì)有以下幾方面的優(yōu)勢(shì)：①佩戴輕便。鈦合金的比例輕，僅為鋼的 60%。②耐磨耐用。鈦金屬比鋼更堅(jiān)硬，鈦金屬手表更耐用耐磨，表殼不易刮花。③耐腐蝕好。鈦合金在潮濕的大氣和海水介質(zhì)中工作，其抗蝕性遠(yuǎn)優(yōu)于不銹鋼，對(duì)點(diǎn)蝕、酸蝕、應(yīng)力腐蝕的抵抗力特別強(qiáng)。④親膚性好。防過(guò)敏、不含鎳，享有“親生物金屬”的美譽(yù)， 佩戴用它制造的手表不會(huì)出現(xiàn)皮膚過(guò)敏等問(wèn)題。⑤自然環(huán)保。鈦來(lái)自大地且可以回收。歐米茄海洋宇宙系列如圖 5 所示，飛亞達(dá)神舟十一號(hào)紀(jì)念款如圖 6 所示。

2、鈦合金材料的加工

隨著對(duì)鈦鍛件、鈦靶材等鈦合金的不斷研究以及科學(xué)技術(shù)手段的不斷發(fā)展，鈦合金在機(jī)械加工領(lǐng)域的運(yùn)用也逐漸成熟。但是從實(shí)際情況來(lái)看，其在進(jìn)行機(jī)械加工時(shí)還存在諸多問(wèn)題，加工操作還是比較困難，一定要嚴(yán)格遵守鈦合金材料的加工原則，按著正確的加工程序進(jìn)行加工，保證機(jī)械加工可以順利完成，并盡可能減少其不當(dāng)操作帶來(lái)的影響。

2.1 鈦合金的加工特性

鈦合金的導(dǎo)熱系數(shù)小，導(dǎo)熱性差。在加工鈦合金鈦靶材時(shí)切削溫度高，如 TC4鈦合金的切削溫度是 45 號(hào)鋼切削溫度的2倍，同時(shí)溫度很難得到釋放。鈦合金比熱小，加工時(shí)局部溫度上升迅速，造成刀具溫度很高，刀尖急劇磨損，使用壽命降低 [2] 。鈦合金彈性模量低，使已加工表面容易產(chǎn)生回彈，特別是薄壁零件的加工回彈更為嚴(yán)重，易引起后刀面與已加 工表面產(chǎn)生強(qiáng)烈摩擦，從而磨損刀具和崩刃 [3] 。鈦合金化學(xué)活性很強(qiáng)，高溫下易于氧、氫、氮發(fā)生作用，使其強(qiáng)度增加、塑性下降，在加熱和鍛造中形成的富氧層的機(jī)械加工困難。

2.2 鈦合金的加工原則

鈦合金的加工應(yīng)遵循以下原則。

2.2.1 選擇合適的刀具

刀具材料應(yīng)選擇較常用、價(jià)格較低、耐磨性好、熱硬性高、具有足夠韌性的材料。加工鈦合金常用的刀具材料如高速鋼、硬質(zhì)合金鋼、涂層刀具、立方氮化硼（CBN）刀具、 聚晶金剛石（PCD）刀具。刀具幾何參數(shù)方面，以常用的車刀為例。為保證車刀的剛性，粗加工時(shí)刀具前角、后角要?。痪庸r(shí)，為得到良好的表面質(zhì)量與加工精度刀具要保證鋒利，前角、后角、螺旋角要大一些。

2.2.2 合適的切削條件與加工量

機(jī)床-夾具-刀具的加工系統(tǒng)剛性要好，機(jī)床各部分間隙要調(diào)整好，主軸的徑向跳動(dòng)要小。夾具裝夾工件要牢固，要有足夠的剛性。刀具切削部分盡量要短，在容屑足夠的情況 下盡量加大切削刃厚度，提高刀具的強(qiáng)度和剛性。在加工鈦合金時(shí)，加工量應(yīng)注意不宜過(guò)大。以車削為例，斷續(xù)切削條件下，推薦的切削用量為：V=15～28 m/min，

f=0.25～0.35 mm/r，ap=1～3 mm [4] 。連續(xù)切削的條件下，推薦的切削用量為：V=50～70 m/min，f=0.1～0.2 mm/r，ap=0.3～1 mm [4] 。

2.2.3 材料的適當(dāng)熱處理

經(jīng)過(guò)機(jī)械加工的鈦合金零件表面會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力，這種應(yīng)力的大小與切削加工條件有關(guān)。加工后，應(yīng)進(jìn)行退火處理。退火通常是在不同溫度下進(jìn)行加熱保溫，退火溫度與相對(duì)應(yīng)的 加熱保溫時(shí)間應(yīng)逐漸提高。加熱保溫后空冷進(jìn)行，完全消除應(yīng)力，退火中避免吸入氫，鈦合金零件退火需在真空爐內(nèi)進(jìn)行，既能消除應(yīng)力，又能除氫。

3、鈦合金手表的發(fā)展趨勢(shì)

由上可知，鈦合金加工件工藝要求嚴(yán)格，對(duì)其加工后的熱處理也有明確要求。相比較于手表傳統(tǒng)材料不銹鋼的加工，鈦合金的加工工藝更為復(fù)雜和苛刻，難度高、成本大，難以 大規(guī)模應(yīng)用。鈦合金的彈性模量小，加工后極易產(chǎn)生“回彈”，對(duì)于薄壁零件的加工尤為明顯，因此鈦合金手表的表殼通常厚一些，略顯笨重。除了材質(zhì)本身的特性外，在設(shè)計(jì)理念方面，鈦合金表也與傳統(tǒng)表款截然不同。它追求的不是表面的光鮮亮麗，而是深藏不露的低調(diào)奢華。本身色澤暗淡，再加上幾乎無(wú)法進(jìn)行拋光，即便是新表看上去也不那么光亮。喜歡光鮮亮麗腕表的愛(ài)表人還是占市場(chǎng)主導(dǎo)，鈦合金手表的市場(chǎng)熱度仍未達(dá)到很高的水平。雖然鈦合金材料在手表上的應(yīng)用存在很多局限性，但隨著科技水平的進(jìn)步、消費(fèi)水平的提高、價(jià)值取向的轉(zhuǎn)變，鈦合金手表以其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，在整個(gè)腕表行業(yè)里，仍是一個(gè)重要的發(fā)展方向，未來(lái)市場(chǎng)值得期待。

4、結(jié)束語(yǔ)

鈦合金材料優(yōu)良的特性以及發(fā)展應(yīng)用的成熟，讓鈦合金手表相較于傳統(tǒng)手表具有無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)。但受限于鈦合金的加工難度及昂貴成本，鈦合金手表作為高端奢侈品，其市場(chǎng)普及還有一段路要走，值得愛(ài)表人士期待。

參考文獻(xiàn)：

［1］薛杰，李淑貞，王云飛，等.水洗工藝對(duì)磷化質(zhì)量的影響［J］.上海涂料，2012（2）：17-18.

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［4］游紅超，袁芬.鈦合金車削加工刀具和切削用量的研究［J］.電子世界，2013（8）：206-207.

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作者簡(jiǎn)介：李鵬（1988—），男，主要從事機(jī)械制造方面的研究。

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