什么是钛合金?性能如何? 什么是钛合金?性能如何?

\u949b\u5408\u91d1\u6709\u4ec0\u4e48\u4f18\u826f\u6027\u80fd

\u4f17\u6240\u5468\u77e5\uff0c\u949b\u4e0e\u822a\u7a7a\u6709\u7740\u4e0d\u89e3\u4e4b\u7f18\uff0c\u949b\u5728\u822a\u7a7a\u4e0a\u5df2\u5e94\u7528\u4e86\u534a\u4e2a\u591a\u4e16\u7eaa\u3002\u90a3\u4e48\uff0c\u95ee\u9898\u6765\u4e86\uff0c\u822a\u7a7a\u6750\u6599\u4e3a\u4ec0\u4e48\u975e\u5f97\u8981\u7528\u949b\u5408\u91d1\uff1f

3.
\u949b\u5408\u91d1\u7684\u5206\u7c7b
\u949b\u5408\u91d1\u6309\u9000\u706b\u7ec4\u7ec7\u53ef\u5206\u4e3a\u4e09\u7c7b\u3002
\u7b2c\u4e00\u7c7b\uff1a\u03b1\u578b\u949b\u5408\u91d1\uff0c\u724c\u53f7\u4ee5\u201cTA\u201d\u52a0\u5e8f\u53f7\u8868\u793a\u3002
\u7b2c\u4e8c\u7c7b\uff1a\u03b2\u578b\u949b\u5408\u91d1\uff0c\u724c\u53f7\u4ee5\u201cTB\u201d\u52a0\u5e8f\u53f7\u8868\u793a\u3002
\u7b2c\u4e09\u7c7b\uff1a\u03b1\uff0b\u03b2\u578b\u949b\u5408\u91d1\u724c\u53f7\u4ee5\u201cTC\u201d\u52a0\u5e8f\u53f7\u8868\u793a\u3002
4.
\u949b\u5408\u91d1\u7684\u4e3b\u8981\u7279\u6027
\u949b\u5408\u91d1\u6709\u4ee5\u4e0b\u51e0\u65b9\u9762\u5f15\u4eba\u6ce8\u76ee\u7684\u4f18\u70b9\u3002
(1)
\u6bd4\u5f3a\u5ea6\u9ad8\u3002\u949b\u5408\u91d1\u7684\u5f3a\u5ea6\u8f83\u9ad8\uff0c\u4e00\u822c\u53ef\u8fbe1200
MPa\uff0c\u548c\u8c03\u8d28\u7ed3\u6784\u94a2\u76f8\u8fd1\u3002\u4f46\u949b\u5408
\u91d1\u7684\u5bc6\u5ea6\u4ec5\u76f8\u5f53\u94a2\u768454%\uff0c\u56e0\u6b64\u949b\u5408\u91d1\u5177\u6709\u6bd4\u5404\u79cd\u5408\u91d1\u90fd\u9ad8\u7684\u6bd4\u5f3a\u5ea6\uff0c\u8fd9\u6b63\u662f\u949b\u5408\u91d1\u9002\u7528
\u4e8e\u4f5c\u822a\u7a7a\u6750\u6599\u7684\u4e3b\u8981\u539f\u56e0\u3002
(2)
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\u76ee\u524d\uff0c\u949b\u5408\u91d1\u5df2\u6b63\u5f0f\u5728500\u2103\u4e0b\u957f\u671f\u5de5\u4f5c\uff0c\u5e76\u5411600\u2103\u7684\u6e29\u5ea6\u53d1\u5c55\uff0c\u5b83\u7684\u8010\u70ed\u6027\u80fd\u53ef\u4ee5\u548c
\u4e00\u822c\u7684\u8010\u70ed\u94a2\u76f8\u5ab2\u7f8e\u3002
(3)
\u6297\u8680\u6027\u9ad8\u3002\u7531\u4e8e\u949b\u5408\u91d1\u8868\u9762\u80fd\u5f62\u6210\u4e00\u5c42\u81f4\u5bc6\u3001\u7262\u56fa\u7684\u7531\u6c27\u5316\u7269\u548c\u6c2e\u5316\u7269\u7ec4\u6210\u7684\u4fdd
\u62a4\u819c\uff0c\u6240\u4ee5\u5177\u6709\u5f88\u597d\u7684\u6297\u8680\u6027\u80fd\u3002\u949b\u5408\u91d1\u5728\u6f6e\u6e7f\u5927\u6c14\u3001\u6d77\u6c34\u3001\u6c27\u5316\u6027\u9178(\u785d\u9178\u3001\u786b\u9178\u7b49)\u548c
\u5927\u591a\u6c28\u6709\u673a\u9178\u4e2d\uff0c\u5176\u6297\u8680\u6027\u76f8\u5f53\u4e8e\u6216\u8d85\u8fc7\u4e0d\u9508\u94a2\u3002\u56e0\u6b64\uff0c\u949b\u53ca\u949b\u5408\u91d1\u4f5c\u4e3a\u4e00\u79cd\u9ad8\u6297\u8680\u6027\u6750
\u6599\u5df2\u5728\u5316\u5de5\u3001\u9020\u8239\u53ca\u533b\u7597\u7b49\u90e8\u95e8\u5f97\u5230\u5e7f\u6cdb\u5e94\u7528\u3002\u57fa\u4e8e\u4e0a\u8ff0\u539f\u56e0\uff0c\u949b\u5408\u91d1\u7684\u7528\u9014\u65e5\u76ca\u5e7f\u6cdb\u3002
\u3002\u5b83\u7684\u4e3b\u8981\u7f3a\u70b9\u5982\u4e0b\u3002
\u4e00\u662f\u5207\u524a\u52a0\u5de5\u6027\u80fd\u5dee\uff1a\u539f\u56e0\u662f\u949b\u7684\u5bfc\u70ed\u6027\u5dee(\u4ec5\u4e3a\u94c1\u76841/5\uff0c\u94dd\u76841/13)\uff0c\u6469\u64e6\u7cfb\u6570\u5927\uff0c\u5207
\u524a\u65f6\u5bb9\u6613\u5347\u6e29\uff0c\u4e5f\u5bb9\u6613\u7c98\u5200\u3002\u56e0\u6b64\u964d\u4f4e\u4e86\u5207\u524a\u901f\u5ea6\uff0c\u7f29\u77ed\u4e86\u5200\u5177\u5bff\u547d\uff0c\u5f71\u54cd\u4e86\u8868\u9762\u7c97\u7cd9\u5ea6\u3002
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O2\u7b49\u6c14\u4f53\u800c\u4f7f\u5176\u6027\u80fd\u53d8\u8106\u3002\u56e0\u6b64\uff0c\u5bf9\u94f8\u9020\u3001\u953b\u538b\u3001\u710a\u63a5\u548c\u70ed\u5904\u7406\u90fd\u5e26\u6765\u4e00\u5b9a\u7684\u56f0\u96be\u3002\u6545\u70ed
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\u4e09\u662f\u51b7\u538b\u52a0\u5de5\u6027\u80fd\u5dee\uff1a\u7531\u4e8e\u949b\u53ca\u5176\u5408\u91d1\u7684\u5c48\u5f3a\u6bd4\u503c\u8f83\u9ad8\uff0c\u51b7\u538b\u52a0\u5de5\u6210\u5f62\u65f6\u56de\u5f39\u8f83\u5927\uff0c
\u56e0\u6b64\u51b7\u538b\u52a0\u5de5\u6210\u5f62\u56f0\u96be\uff0c\u4e00\u822c\u9700\u91c7\u7528\u70ed\u538b\u52a0\u5de5\u6210\u5f62\u3002
\u56db\u662f\u786c\u5ea6\u8f83\u4f4e\uff0c\u6297\u78e8\u6027\u8f83\u5dee\uff0c\u56e0\u6b64\u4e0d\u5b9c\u7528\u6765\u5236\u9020\u627f\u53d7\u78e8\u635f\u7684\u96f6\u4ef6\u3002
\u968f\u7740\u5316\u5b66\u5207\u524a\uff0c\u6fc0\u5149\u5207\u524a\u3001\u7535\u89e3\u52a0\u5de5\u3001\u8d85\u5851\u6027\u6210\u5f62\u53ca\u5316\u5b66\u70ed\u5904\u7406\u7684\u8fdb\u5c55\uff0c\u4e0a\u8ff0\u95ee\u9898\u5c06
\u9010\u6b65\u5f97\u5230\u89e3\u51b3\uff0c\u949b\u5408\u91d1\u7684\u5e94\u7528\u4e5f\u5fc5\u7136\u66f4\u52a0\u5e7f\u6cdb\u3002
\uff0d\uff0d\uff0d\uff0d\uff0d\uff0d\uff0d\uff0d\uff0d\uff0d\uff0d\uff0d\uff0d\uff0d\uff0d\uff0d\uff0d\uff0d\uff0d\uff0d\uff0d\uff0d\uff0d\uff0d\uff0d\uff0d\u8f6c\u8f7d\u81ea\u300a\u91d1\u5c5e\u5b66\u300b

3. 钛合金的分类
钛合金按退火组织可分为三类。
第一类:α型钛合金,牌号以“TA”加序号表示。
第二类:β型钛合金,牌号以“TB”加序号表示。
第三类:α+β型钛合金牌号以“TC”加序号表示。
4. 钛合金的主要特性
钛合金有以下几方面引人注目的优点。
(1) 比强度高。钛合金的强度较高,一般可达1200 MPa,和调质结构钢相近。但钛合
金的密度仅相当钢的54%,因此钛合金具有比各种合金都高的比强度,这正是钛合金适用
于作航空材料的主要原因。
(2) 热强度高。由于钛的熔点高,再结晶温度也高,因而钛合金具有较高的热强度。
目前,钛合金已正式在500℃下长期工作,并向600℃的温度发展,它的耐热性能可以和
一般的耐热钢相媲美。
(3) 抗蚀性高。由于钛合金表面能形成一层致密、牢固的由氧化物和氮化物组成的保
护膜,所以具有很好的抗蚀性能。钛合金在潮湿大气、海水、氧化性酸(硝酸、硫酸等)和
大多氨有机酸中,其抗蚀性相当于或超过不锈钢。因此,钛及钛合金作为一种高抗蚀性材
料已在化工、造船及医疗等部门得到广泛应用。基于上述原因,钛合金的用途日益广泛。
。它的主要缺点如下。
一是切削加工性能差:原因是钛的导热性差(仅为铁的1/5,铝的1/13),摩擦系数大,切
削时容易升温,也容易粘刀。因此降低了切削速度,缩短了刀具寿命,影响了表面粗糙度。
二是热加工工艺性能差:原因是加热到600℃以上时,钛及其合金极易吸收H2、N2、
O2等气体而使其性能变脆。因此,对铸造、锻压、焊接和热处理都带来一定的困难。故热
加工工艺过程只能在真空或保护气氛中进行。
三是冷压加工性能差:由于钛及其合金的屈强比值较高,冷压加工成形时回弹较大,
因此冷压加工成形困难,一般需采用热压加工成形。
四是硬度较低,抗磨性较差,因此不宜用来制造承受磨损的零件。
随着化学切削,激光切削、电解加工、超塑性成形及化学热处理的进展,上述问题将
逐步得到解决,钛合金的应用也必然更加广泛。
--------------------------转载自《金属学》

钛合金是以钛为基加入其他元素组成的合金。钛有两种同质异晶体:882℃以下为密排六方结构α钛,882℃以上为体心立方的β钛。合金元素根据它们对相变温度的影响可分为三类:①稳定α相、提高相转变温度的元素为α稳定元素,有铝、碳、氧和氮等。其中铝是钛合金主要合金元素,它对提高合金的常温和高温强度、降低比重、增加弹性模量有明显效果。②稳定β相、降低相变温度的元素为β稳定元素,又可分同晶型和共析型二种。前者有钼、铌、钒等;后者有铬、锰、铜、铁、硅等。③对相变温度影响不大的元素为中性元素,有锆、锡等。

氧、氮、碳和氢是钛合金的主要杂质。氧和氮在α相中有较大的溶解度,对钛合金有显著强化效果,但却使塑性下降。通常规定钛中氧和氮的含量分别在0.15~0.2%和0.04~0.05%以下。氢在α相中溶解度很小,钛合金中溶解过多的氢会产生氢化物,使合金变脆。通常钛合金中氢含量控制在 0.015%以下。氢在钛中的溶解是可逆的,可以用真空退火除去。

钛合金的分类
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钛是同素异构体,熔点为1720℃,在低于882℃时呈密排六方晶格结构,称为α钛;在882℃以上呈体心立方品格结构,称为β钛。利用钛的上述两种结构的不同特点,添加适当的合金元素,使其相变温度及相分含量逐渐改变而得到不同组织的钛合金(itanium alloys)。室温下,钛合金有三种基体组织,钛合金也就分为以下三类:α合金,(α+β)合金和β合金。中国分别以TA、TC、TB表示。

α钛合金
它是α相固溶体组成的单相合金,不论是在一般温度下还是在较高的实际应用温度下,均是α相,组织稳定,耐磨性高于纯钛,抗氧化能力强。在500℃~600℃的温度下,仍保持其强度和抗蠕变性能,但不能进行热处理强化,室温强度不高。

β钛合金
它是β相固溶体组成的单相合金,未热处理即具有较高的强度,淬火、时效后合金得到进一步强化,室温强度可达1372~1666 MPa;但热稳定性较差,不宜在高温下使用。

α+β钛合金
它是双相合金,具有良好的综合性能,组织稳定性好,有良好的韧性、塑性和高温变形性能,能较好地进行热压力加工,能进行淬火、时效使合金强化。热处理后的强度约比退火状态提高50%~100%;高温强度高,可在400℃~500℃的温度下长期工作,其热稳定性次于α钛合金。

三种钛合金中最常用的是α钛合金和α+β钛合金;α钛合金的切削加工性最好,α+p钛合金次之,β钛合金最差。α钛合金代号为TA,β钛合金代号为TB,α+β钛合金代号为TC。

钛合金按用途可分为耐热合金、高强合金、耐蚀合金(钛-钼,钛-钯合金等)、低温合金以及特殊功能合金(钛-铁贮氢材料和钛-镍记忆合金)等。典型合金的成分和性能见表。
热处理 钛合金通过调整热处理工艺可以获得不同的相组成和组织。一般认为细小等轴组织具有较好的塑性、热稳定性和疲劳强度;针状组织具有较高的持久强度、蠕变强度和断裂韧性;等轴和针状混合组织具有较好的综合性能。

钛合金的性能
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钛是一种新型金属,钛的性能与所含碳、氮、氢、氧等杂质含量有关,最纯的碘化钛杂质含量不超过0.1%,但其强度低、塑性高。99.5%工业纯钛的性能为:密度ρ=4.5g/cm3,熔点为1800℃,导热系数λ=15.24W/(m.K),抗拉强度σb=539MPa,伸长率δ=25%,断面收缩率ψ=25%,弹性模量E=1.078×105MPa,硬度HB195。

(1)比强度高
钛合金的密度一般在4.5g/cm3左右,仅为钢的60%,纯钛的强度接近普通钢的强度,一些高强度钛合金超过了许多合金结构钢的强度。因此钛合金的比强度(强度/密度)远大于其他金属结构材料,见表7-1,可制出单位强度高、刚性好、质轻的零、部件。目前飞机的发动机构件、骨架、蒙皮、紧固件及起落架等都使用钛合金。

(2)热强度高
使用温度比铝合金高几百度,在中等温度下仍能保持所要求的强度,可在450~500℃的温度下长期工作这两类钛合金在150℃~500℃范围内仍有很高的比强度,而铝合金在150℃时比强度明显下降。钛合金的工作温度可达500℃,铝合金则在200℃以下。

(3)抗蚀性好
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;对碱、氯化物、氯的有机物品、硝酸、硫酸等有优良的抗腐蚀能力。但钛对具有还原性氧及铬盐介质的抗蚀性差。

(4)低温性能好
钛合金在低温和超低温下,仍能保持其力学性能。低温性能好,间隙元素极低的钛合金,如TA7,在-253℃下还能保持一定的塑性。因此,钛合金也是一种重要的低温结构材料。

(5)化学活性大
钛的化学活性大,与大气中O、N、H、CO、CO2、水蒸气、氨气等产生强烈的化学反应。含碳量大于0.2%时,会在钛合金中形成硬质TiC;温度较高时,与N作用也会形成TiN硬质表层;在600℃以上时,钛吸收氧形成硬度很高的硬化层;氢含量上升,也会形成脆化层。吸收气体而产生的硬脆表层深度可达0.1~0.15 mm,硬化程度为20%~30%。钛的化学亲和性也大,易与摩擦表面产生粘附现象。

(6)导热系数小、弹性模量小
钛的导热系数λ=15.24W/(m.K)约为镍的1/4,铁的1/5,铝的1/14,而各种钛合金的导热系数比钛的导热系数约下降50%。钛合金的弹性模量约为钢的1/2,故其刚性差、易变形,不宜制作细长杆和薄壁件,切削时加工表面的回弹量很大,约为不锈钢的2~3倍,造成刀具后刀面的剧烈摩擦、粘附、粘结磨损。

钛合金的用途
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钛合金具有强度高而密度又小,机械性能好,韧性和抗蚀性能很好。另外,钛合金的工艺性能差,切削加工困难,在热加工中,非常容易吸收氢氧氮碳等杂质。还有抗磨性差,生产工艺复杂。钛的工业化生产是1948年开始的。航空工业发展的需要,使钛工业以平均每年约 8%的增长速度发展。目前世界钛合金加工材年产量已达4万余吨,钛合金牌号近30种。使用最广泛的钛合金是Ti-6Al-4V(TC4),Ti-5Al-2.5Sn(TA7)和工业纯钛(TA1、TA2和TA3)。

钛合金主要用于制作飞机发动机压气机部件,其次为火箭、导弹和高速飞机的结构件。60年代中期,钛及其合金已在一般工业中应用,用于制作电解工业的电极,发电站的冷凝器,石油精炼和海水淡化的加热器以及环境污染控制装置等。钛及其合金已成为一种耐蚀结构材料。此外还用于生产贮氢材料和形状记忆合金等。

中国于1956年开始钛和钛合金研究;60年代中期开始钛材的工业化生产并研制成TB2合金。

钛合金的热处理
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常用的热处理方法有退火、固溶和时效处理。退火是为了消除内应力、提高塑性和组织稳定性,以获得较好的综合性能。通常α合金和(α+β)合金退火温度选在(α+β)—→β相转变点以下120~200℃;固溶和时效处理是从高温区快冷,以得到马氏体α′相和亚稳定的β相,然后在中温区保温使这些亚稳定相分解,得到α相或化合物等细小弥散的第二相质点,达到使合金强化的目的。通常(α+β)合金的淬火在(α+β)—→β相转变点以下40~100℃进行,亚稳定β合金淬火在(α+β)—→β相转变点以上40~80℃进行。时效处理温度一般为450~550℃。

总结,钛合金的热处理工艺可以归纳为:
(1)消除应力退火:目的是为消除或减少加工过程中产生的残余应力。防止在一些腐蚀环境中的化学侵蚀和减少变形。
(2)完全退火:目的是为了获得好的韧性,改善加工性能,有利于再加工以及提高尺寸和组织的稳定性。
(3)固溶处理和时效:目的是为了提高其强度,α钛合金和稳定的β钛合金不能进行强化热处理,在生产中只进行退火。α+β钛合金和含有少量α相的亚稳β钛合金可以通过固溶处理和时效使合金进一步强化。

此外,为了满足工件的特殊要求,工业上还采用双重退火、等温退火、β热处理、形变热处理等金属热处理工艺。

钛合金的切削
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切削特点

钛合金的硬度大于HB350时切削加工特别困难,小于HB300时则容易出现粘刀现象,也难于切削。但钛合金的硬度只是难于切削加工的一个方面,关键在于钛合金本身化学、物理、力学性能间的综合对其切削加工性的影响。钛合金有如下切削特点:

(1)变形系数小:这是钛合金切削加工的显著特点,变形系数小于或接近于1。切屑在前刀面上滑动摩擦的路程大大增大,加速刀具磨损。

(2)切削温度高:由于钛合金的导热系数很小(只相当于45号钢的1/5~1/7),切屑与前刀面的接触长度极短,切削时产生的热不易传出,集中在切削区和切削刃附近的较小范围内,切削温度很高。在相同的切削条件下,切削温度可比切削45号钢时高出一倍以上。

(3)单位面积上的切削力大:主切削力比切钢时约小20%,由于切屑与前刀面的接触长度极短,单位接触面积上的切削力大大增加,容易造成崩刃。同时,由于钛合金的弹性模量小,加工时在径向力作用下容易产生弯曲变形,引起振动,加大刀具磨损并影响零件的精度。因此,要求工艺系统应具有较好的刚性。

(4)冷硬现象严重:由于钛的化学活性大,在高的切削温度下,很容易吸收空气中的氧和氮形成硬而脆的外皮;同时切削过程中的塑性变形也会造成表面硬化。冷硬现象不仅会降低零件的疲劳强度,而且能加剧刀具磨损,是切削钛合金时的一个很重要特点。

(5)刀具易磨损:毛坯经过冲压、锻造、热轧等方法加工后,形成硬而脆的不均匀外皮,极易造成崩刃现象,使得切除硬皮成为钛合金加工中最困难的工序。另外,由于钛合金对刀具材料的化学亲和性强,在切削温度高和单位面积上切削力大的条件下,刀具很容易产生粘结磨损。车削钛合金时,有时前刀面的磨损甚至比后刀面更为严重;进给量f<0.1 mm/r时,磨损主要发生在后刀面上;当f>0.2 mm/r时,前刀面将出现磨损;用硬质合金刀具精车和半精车时,后刀面的磨损以VBmax<0.4 mm较合适。

刀具材料

切削加工钛合金应从降低切削温度和减少粘结两方面出发,选用红硬性好、抗弯强度高、导热性能好、与钛合金亲和性差的刀具材料,YG类硬质合金比较合适。由于高速钢的耐热性差,因此应尽量采用硬质合金制作的刀具。常用的硬质合金刀具材料有YG8、YG3、YG6X、YG6A、813、643、YS2T和YD15等。

涂层刀片和YT类硬质合金会与钛合金产生剧烈的亲和作用,加剧刀具的粘结磨损,不宜用来切削钛合金;对于复杂、多刃刀具,可选用高钒高速钢(如W12Cr4V4Mo)、高钴高速钢(如W2Mo9Cr4VCo8)或铝高速钢(如W6Mo5Cr4V2Al、M10Mo4Cr4V3Al)等刀具材料,适于制作切削钛合金的钻头、铰刀、立铣刀、拉刀、丝锥等刀具。

采用金刚石和立方氮化硼作刀具切削钛合金,可取得显著效果。如用天然金刚石刀具在乳化液冷却的条件下,切削速度可达200 m/min;若不用切削液,在同等磨损量时,允许的切削速度仅为100m/min。

注意事项

在切削钛合金的过程中,应注意的事项有:

(1)由于钛合金的弹性模量小,工件在加工中的夹紧变形和受力变形大,会降低工件的加工精度;工件安装时夹紧力不宜过大,必要时可增加辅助支承。

(2)如果使用含氯的切削液,切削过程中在高温下将分解释放出氢气,被钛吸收引起氢脆;也可能引起钛合金高温应力腐蚀开裂。

(3)切削液中的氯化物使用时还可能分解或挥发有毒气体,使用时宜采取安全防护措施,否则不应使用;切削后应及时用不含氯的清洗剂彻底清洗零件,清除含氯残留物。

(4)禁止使用铅或锌基合金制作的工、夹具与钛合金接触,铜、锡、镉及其合金也同样禁止使用。

(5)与钛合金接触的所有工、夹具或其他装置都必须洁净;经清洗过的钛合金零件,要防止油脂或指印污染,否则以后可能造成盐(氯化钠)的应力腐蚀。

(6)一般情况下切削加工钛合金时,没有发火危险,只有在微量切削时,切下的细小切屑才有发火燃烧现象。为了避免火灾,除大量浇注切削液之外,还应防止切屑在机床上堆积,刀具用钝后立即进行更换,或降低切削速度,加大进给量以加大切屑厚度。若一旦着火,应采用滑石粉、石灰石粉末、干砂等灭火器材进行扑灭,严禁使用四氯化碳、二氧化碳灭火器,也不能浇水,因为水能加速燃烧,甚至导致氢爆炸。

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