近年来，由钛合金做表壳和表带的手表已越来越多，这不单纯是时髦，主要在于钛金属有比重轻、耐腐蚀等很多优点，比如其强度和硬度接近于不锈钢，但比重只有钢的一半， 而耐腐蚀的特性使其基本不生锈，且绿色环保，不像镍金属那样对人体有伤害。

1、钛与钛合金

1.1 钛的由来及特性

钛是一种在地壳中发现的银白色过度金属元素，是一种闪亮且很有光泽的金属或者银灰色或暗灰色的粉末，如图 1所示。它的合成物几乎可以在所有的火成岩石和钛砂矿床中找到。钛被认为是一种稀有金属，这是由于在自然界中其存在分散并难于提取。但其相对丰富，它在地壳的蕴藏量排名第九。钛矿石的供应至少还可以维持一万年。在陨石、月球 岩石、太阳和其他星球都发现了它的存在。不过，钛的提取过程相对较慢且费用过高，这使得它的价格昂贵。很多年来，高昂的价格限制了钛在军事和航空领域的运用。

钛的许多特性使它极具工业和商业价值。坚硬方面，钛比钢的硬度高 30%，具有优良的强度保持性；质地轻，钛的重量为 47.90 个原子尺度，比钢将近轻了 50% [1] ；耐腐蚀性 能强，当把钛暴露于空气中时，其表面会形成一层紧密且强韧的氧化膜，可以抵抗不同物质对其金属的侵蚀，尤其是抵抗盐水的腐蚀。钛的化学性质极为活泼，易与空气中的氢、 氧等物质相互作用，形成极稳定的化合物，所以平日里所说的钛金属实际上是钛合金，它由钛、铝、钒、镍、钼等元素构成，主要特点是强度高、质量轻，并具有超强的耐腐蚀性。

1.2 钛的应用领域及发展

钛金属诞生于 1971 年，英国业余科学家威廉•乔治，在分析来自康沃尔的砂土时，发现一些他自己无法识别的“红褐色的矿灰”。1975 年，一位奥地利化学家 MARTIN 证实 了乔治确实发现了一种新元素。KLAPROTH 把这种新元素命名为“钛”。然而，钛合金工业用途的开发还较新。来自卢森堡的 WILHELM 被认为是现代钛工业之父，他在20世纪30年代期间，开发了一种加工钛金属的方法，并在 20 世纪 40 年代期间将之改良，此法今天还在沿用。20 世纪 70年代中期前，超过 85%所生产的钛都用于航空工业。钛的独特性能使得它成为建造喷气式飞机、火箭、太空飞船的引擎和飞机框架的理想材料。它的军事用途则是武器，像炮兵的导弹和驻退机。从 20 世纪 70 年代开始，钛金属工厂产品的价格持续下跌，这样才使钛金属被广泛运用于各行各业。

1.3 钛金属作为手表材质的优势

宝玑 Type XXI 3810 如图 2 所示，帝舵 Heritage Advisor如图 3 所示，卡地亚 SANTOS 100 如图 4 所示。

钛金属作为手表材质有以下几方面的优势：①佩戴轻便。钛合金的比例轻，仅为钢的 60%。②耐磨耐用。钛金属比钢更坚硬，钛金属手表更耐用耐磨，表壳不易刮花。③耐腐蚀好。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。④亲肤性好。防过敏、不含镍，享有“亲生物金属”的美誉， 佩戴用它制造的手表不会出现皮肤过敏等问题。⑤自然环保。钛来自大地且可以回收。欧米茄海洋宇宙系列如图 5 所示，飞亚达神舟十一号纪念款如图 6 所示。

2、钛合金材料的加工

随着对钛合金的不断研究以及科学技术手段的不断发展，钛合金在机械加工领域的运用也逐渐成熟。但是从实际情况来看，其在进行机械加工时还存在诸多问题，加工操作还是比较困难，一定要严格遵守钛合金材料的加工原则，按着正确的加工程序进行加工，保证机械加工可以顺利完成，并尽可能减少其不当操作带来的影响。

2.1 钛合金的加工特性

钛合金的导热系数小，导热性差。在加工钛合金时切削温度高，如 TC4钛合金的切削温度是 45 号钢切削温度的2倍，同时温度很难得到释放。钛合金比热小，加工时局部温度上升迅速，造成刀具温度很高，刀尖急剧磨损，使用寿命降低 [2] 。钛合金弹性模量低，使已加工表面容易产生回弹，特别是薄壁零件的加工回弹更为严重，易引起后刀面与已加 工表面产生强烈摩擦，从而磨损刀具和崩刃 [3] 。钛合金化学活性很强，高温下易于氧、氢、氮发生作用，使其强度增加、塑性下降，在加热和锻造中形成的富氧层的机械加工困难。

2.2 钛合金的加工原则

钛合金的加工应遵循以下原则。

2.2.1 选择合适的刀具

刀具材料应选择较常用、价格较低、耐磨性好、热硬性高、具有足够韧性的材料。加工钛合金常用的刀具材料如高速钢、硬质合金钢、涂层刀具、立方氮化硼（CBN）刀具、 聚晶金刚石（PCD）刀具。刀具几何参数方面，以常用的车刀为例。为保证车刀的刚性，粗加工时刀具前角、后角要小；精加工时，为得到良好的表面质量与加工精度刀具要保证锋利，前角、后角、螺旋角要大一些。

2.2.2 合适的切削条件与加工量

机床-夹具-刀具的加工系统刚性要好，机床各部分间隙要调整好，主轴的径向跳动要小。夹具装夹工件要牢固，要有足够的刚性。刀具切削部分尽量要短，在容屑足够的情况 下尽量加大切削刃厚度，提高刀具的强度和刚性。在加工钛合金时，加工量应注意不宜过大。以车削为例，断续切削条件下，推荐的切削用量为：V=15～28 m/min，

f=0.25～0.35 mm/r，ap=1～3 mm [4] 。连续切削的条件下，推荐的切削用量为：V=50～70 m/min，f=0.1～0.2 mm/r，ap=0.3～1 mm [4] 。

2.2.3 材料的适当热处理

经过机械加工的钛合金零件表面会产生应力，这种应力的大小与切削加工条件有关。加工后，应进行退火处理。退火通常是在不同温度下进行加热保温，退火温度与相对应的 加热保温时间应逐渐提高。加热保温后空冷进行，完全消除应力，退火中避免吸入氢，钛合金零件退火需在真空炉内进行，既能消除应力，又能除氢。

3、钛合金手表的发展趋势

由上可知，钛合金加工工艺要求严格，对其加工后的热处理也有明确要求。相比较于手表传统材料不锈钢的加工，钛合金的加工工艺更为复杂和苛刻，难度高、成本大，难以 大规模应用。钛合金的弹性模量小，加工后极易产生“回弹”，对于薄壁零件的加工尤为明显，因此钛合金手表的表壳通常厚一些，略显笨重。除了材质本身的特性外，在设计理念方面，钛合金表也与传统表款截然不同。它追求的不是表面的光鲜亮丽，而是深藏不露的低调奢华。本身色泽暗淡，再加上几乎无法进行抛光，即便是新表看上去也不那么光亮。喜欢光鲜亮丽腕表的爱表人还是占市场主导，钛合金手表的市场热度仍未达到很高的水平。虽然钛合金材料在手表上的应用存在很多局限性，但随着科技水平的进步、消费水平的提高、价值取向的转变，钛合金手表以其独特的优势，在整个腕表行业里，仍是一个重要的发展方向，未来市场值得期待。

4、结束语

钛合金材料优良的特性以及发展应用的成熟，让钛合金手表相较于传统手表具有无可比拟的优势。但受限于钛合金的加工难度及昂贵成本，钛合金手表作为高端奢侈品，其市场普及还有一段路要走，值得爱表人士期待。

参考文献：

［1］薛杰，李淑贞，王云飞，等.水洗工艺对磷化质量的影响［J］.上海涂料，2012（2）：17-18.

［2］洪翔，谭业发，胡晓光，等.钛合金表面电火花沉积强化技术研究进展［J］.热加工工艺，2013（20）：24-27.

［3］陈曌红.钛合金性能及其加工现状的研究［J］.机电技术，2013（5）：96-98.

［4］游红超，袁芬.钛合金车削加工刀具和切削用量的研究［J］.电子世界，2013（8）：206-207.

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作者简介：李鹏（1988—），男，主要从事机械制造方面的研究。

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