难熔金属和纯金属的切削加工（上）
1.常用难熔金属的力学物理性能有哪些？工业上常用的高熔点金属统称难熔金属，如钨、钼、钽、铌、锆等。
难熔金属熔点高、密度大，晶体结构稳定，激活能大，切削加工困难。以难熔金属为主，添加其他合金元素构成难熔金属材料。随着科学技术的发展，难熔金属在原子能、宇航、机械、电子、化工、医疗、纺织、轻工等领域得到了越来越广泛的应用。
常用难熔金属中钨的熔点最高(3380℃)，密度最大(19.1g/cm3)，而钼的弹性模量最大，达到343 350MPa。常用难熔金属的力学物理性能见表10-1。
2.常用难熔金属的分类和用途有哪些？
常用难熔金属中钨的熔点高，密度大，耐蚀性好，在冶金、电子、化工、核工业中常用来制作耐高温零部件，如电极、高温反应堆包套材料、平衡器件、医用X光管钨靶等。
钨可以制成铸锭，也可以制成烧结制品。钨铸锭扒皮后可轧制成棒材或型材，也可以冷拔成丝；钨的烧结制品常做成高密度合金。
钼的熔点也很高(2695℃)，密度适中，弹性模量极高，热膨胀系数小，导电、导热性好。钼的结合性好，常用于喷涂钢件表面，以减小磨损，提高使用寿命。钼还可以作为真空喷涂电极、真空蒸发金属、真空炉屏蔽板、发热体及高温构件；钼适于制作要求刚性、硬度高的部件，如镗刀杆、研磨轴等。钼的耐蚀性好，常用来制作在熔融锌或锌蒸气中工作的泵、叶轮轴等。钼及其合金有以下五种：
①钼含量大于99.9％的纯钼材料。
②钼与钛的合金，如Mo—0.5Ti。
③TZM(Mo—0.6Ti—0.08Zr)合金。
④TZC(Mo—0.5Ti—0.03Zr—0.15C)合金。
⑤Mo—30W合金。
钽的熔点为2980℃，在常用难熔金属中仅次于钨(3380℃)，密度为16.67 g/cm3。退火状态下，钽具有良好的塑性，高温下也比较稳定，能吸收并保持住气体。钽耐酸，是生物适合性材料。钽在电子、化工、医疗等行业有较广泛的应用。同时，钽也是制作硬质合金不可缺少的材料。
在难熔金属中，铌的熔点为2468℃，其强度、硬度低而韧性高，具有良好的冷塑性，切削加工无特殊困难。在钢中加入少量的铌可以提高基体的强度和韧性。铌与碳形成稳定的碳化铌，使晶粒细化，可以提高钢的耐磨性，因此铌常用来制作高性能刀具。
锆是钛的同族元素，也是同素异构体。862℃以下呈密排六方晶格，是为α锆；862℃以上呈体心立方晶格，是为β锆。锆的熔点为1852℃，但软化温度低。锆的化学活性很强，可与很多元素形成坚固的化合物。锆对杂质的敏感性很强，在加工过程中吸收氧、氮、氢等气体，会严重影响其强度。当温度高于400℃时，锆与氧、氮、水蒸气会产生强烈反应，因此锆的使用温度应低于500℃，最好在400℃以下使用。当氢包含在锆固溶体内时，即使在液氮温度(-196℃)下，锆仍有很大韧性，适宜在低温领域工作。
锆具有引火性，当锆粉颗粒平均尺寸小于10μm时，弥散悬浮于空气中，常常发生自燃或爆炸。
3.常用难熔金属的切削加工特点有哪些？
(1)各种难熔金属铸锭的氧化层坚强而粗糙，使切削过程中冲击和振动增大，刀具容易崩刃破损。
(2)难熔金属的化学活性较大，亲和力较强，在切削过程中易产生刀——屑粘结，加剧刀具磨损。铌、钽材料的粘刀现象尤为严重。
(3)钨、钼等难熔金属在室温下呈脆性，其烧结制品在切削时切屑呈粉末状，且硬度很高，刀具磨损严重。
(4)切削难熔金属时，应加强安全防护措施，防止高温的切屑崩入眼内或内衣中，造成人身伤害。在切削锆时，应充分使用水溶性切削液，以防止锆粉自燃或爆炸。
难熔金属系列——钨合金
4.怎样切削加工钨锭与钨棒？
纯钨的硬度和强度都很高，钨的铸锭在切削加工时，由于晶粒粗大，易产生掉块而使加工表面粗糙。切削钨锭和钨棒可以使用硬质合金作刀具材料，常用的硬质合金牌号有YG6、YG8、YS2(YG10H)、726等。
用硬质合金切削钨锭或钨棒，可选用45º主偏角，荒车时前角与后角应小些，粗车与半精车时前角、后角适当加大。纯钨性极脆，切削时易崩边或剥落，刀具切入切出时，应减小进给量，以防止刀具破损。钨的切削参数推荐值见表10-2。
CBN刀具也可以加工纯钨。例如，用DLS—F复合片车削φ10 mm钨棒，在νC=30m/min、f=0.1mm/r、ap=0.1mm；γO=-4º、αO=12º、λO=0º、Κr=90º、rε=0.3mm、倒棱为0.25mm×(-8º)的条件下，当后刀面磨损0.2mm时,切削路程为104 m。而用YG6X刀片，当νC=9.5m/min、后刀面磨损0.2 mm时，切削路程为57.6m。可见，CBN刀具的切削速度为YG6X硬质合金刀具3倍的条件下，耐用度为其2倍。
虽然CBN刀具硬度高，耐磨性好，但脆性较大，强度和韧性差，不适于冲击大的切削加工。用CBN刀具加工纯钨，可选用较高的切削速度，但切削深度和进给量应小些。
难熔金属系列——钼板、钼片
5.怎样切削加工钨合金？
以钴、镍作粘结剂用粉末冶金法烧结成的钨合金密度大，称为高密度合金，也称高比重合金。这类合金可以通过锻造或热处理来提高其致密度和强度。通常钨合金的抗拉强度为σb>981MPa，硬度为>HRC40。
钨合金的导热系数比纯钨小，切屑呈颗粒状，刀——屑接触长度短，切削温度很高，容易产生刀瘤和粘结磨损。切削钨合金要求刀具材料导热性好，抗弯强度和韧性较高，红硬性好。推荐选用碳化钨基细晶粒超细晶粒硬质合金，如YDl5、YM051等。
切削钨合金时，刀具要求锋利，又要保证刃口强度。刀具几何参数可选用：γO=-8º、αO=8º、Κr=75º、rε=0.5mm。切削用量可选用：νC=38m/min，f=0.24mm/r，ap=1mm。切削时不加切削液。
6.怎样改善钨的切削加工性？
钨的切削加工性很差，为了提高加工效率和加工质量，可以采取以下方法改善钨的切削加工性：
(1)钨坯表面有很硬的氧化层，加工时会使刀具磨损加剧或产生“打刀”现象。因此在加工前，可将钨坯进行喷砂处理，去除表面氧化层，减轻刀具磨损。
(2)金属从塑性到脆性的转变温度称为塑脆性转变温度。纯钨的塑脆性转变温度很高，为改善其切削加工性，可用喷灯将工件加热到200℃以上，再进行切削加工。
(3)进行渗铜处理，也可改善钨的切削加工性。渗铜后的钝钨车削情况与45号钢相似。
(4)钨中加入一些氧化锆，其切削加工性也能得到较大的改善。
难熔金属系列——钼坩埚
7.怎样切削加工钼及其合金？
钼呈银灰色，其化学性质与钨近似。钼本身硬度不高(HB35～125)，但钼材硬度高，室温下脆性大，当温度达到350℃～450℃时，塑性明显上升，硬度有所下降。
钼的屈强比大，切削加工硬化倾向严重。钼具有极高的弹性模量(343 350 MPa)，切削变形所消耗的功多，切削力大。钼与刀具材料有很强的粘附性，刀具容易产生粘结磨损
切削钼及其合金时，应选用有足够强度和韧性、抗粘结、耐磨性好的刀具材料，如YW1、YW2等。切削钼铸锭及烧结棒时可选用强度较高的YG6、YG8、YS2(YGl0H)等牌号硬质合金。
切削钼及其合金时，要求在保证刀头强度的条件下，尽可能使切削刃锋利。在选择刀具几何参数时，可采用较大前角、小主偏角、负刃倾角。一般可取：γO=15º～20º,αO=10º～12º,Κr=45º,Κ′r=15º,λs=-5º,γO1=-2º～-5º,bγ=0.1～0.3mm。卷屑槽半径Rn=6～8mm，前后面表面粗糙度Ra≤0.4μm。
为避免过高的切削温度，以保持一定的刀具耐用度，在切削钼及其合金时，应选用较低的切削速度、较大的切削深度和进给量。参考切削用量为：粗车时：νC=35～75m/min，ap=4～7mm，f=0.2～0.5mm/r；半精车时νC=50～120m/min，ap=0.2～0.4mm，f=0.15～0.4 mm/r。
切削钼及其合金应注意充分冷却润滑，可用CC14加20号机油的混合液或MoS2作润滑油(脂)，但CC14有毒性和腐蚀作用，使用时应采用防护措施。
8.铌的性能对切削加工有什么要求？怎样进行切削加工？
铌的强度、硬度低而韧性高，具有良好的冷塑性。在切削加工过程中，随着温度升高，吸收氧氮等气体，对铌的性能产生显著影响。因此，切削加工铌的主要问题是防止切削温度过高，要求采用锋利的刀具、较低的切削速度，并浇注大量的切削液。
切削铌的刀具材料可采用高速钢或YG8、YW2等硬质合金，但不宜采用含铌的硬质合金作刀具材料。用硬质合金刀具时，刀具的几何参数可选用：γO=20º～25º,αO=10º～15º,Κr=45º,Κ′r=15º,γO1=-5º～0º,bγ=0.1～0.3mm，rε=0.2～0.5mm。卷屑槽半径=4～6mm。精加工时应适当加大前角、主偏角，减小刀尖圆弧半径。切削用量的选择如下：粗加工时νc=45～80m/min，ap=5～8mm，f=0.3～0.5 mm/r；半精加工时νc=60～100m/min，ap≤2mm，f=0.2～0.4mm/r；精加工时νc=70～120m/min，ap=0.1～0.5mm，f=0.1～0.15 mm/r。采用高速钢刀具时，νc≤30m/min，f≤0.3mm/r。
9.钽的性能对切削加工有什么要求？怎样进行切削加工？
钽的熔点高、密度大，退火状态下具有良好的塑性，高温时性能也较稳定。
退火后的钽材软而韧，切削时会产生严重的粘附现象，引起刀具的粘结磨损。特别是切削速度低于20m/min时，粘刀和撕裂现象更为严重。当切削速度高于40m/min时，撕裂现象大为减轻。切削时要求刀具尽可能锋利，切削速度不可太低。一般采用硬质合金作刀具材料，常用的有YG8、YW2等。采用较大前角和主偏角，刀具几何参数为：γO=35º～45º，αO=5º～8º，Κr=90º,Κ′r=5º,γO1=-2º～2º,bγ=0.1～0.3mm，rε=0.2～0.5mm，前后面表面粗糙度Ra< 0.16～0.32μm，以减少摩擦和粘刀现象。
切削用量的选择如下：粗车时νc=30～70m/min，ap=5～8mm，f=0.2～0.4mm/r；精车、半精车时νc=50～80m/min，ap≤1.5mm，f=0.1～0.3mm/r。切削时应使用冷却与润滑作用兼备的切削液，流量要充足。
10.锆的性能对切削加工有什么要求？怎样进行切削加工？
锆的熔点较高，但软化温度低，在发生相变的温度下已显著软化。锆在切削时会产生很多与切削钛及其合金相似的特点，易产生加工硬化，刀一屑易粘结，弹性变形大。锆的韧性好，切屑呈带状，微量切削时易引起燃烧。因此，切削锆时应尽量避免微量切削和防止工件变形。刀具要求锋利并尽量降低刀具表面粗糙度值，并磨出卷屑槽，卷屑槽半径6～10mm，以控制切屑拳曲和折断。
切削锆及其合金可选用硬质合金或高速钢作刀具材料，常用的硬质合金牌号有YG6、YG8等。车削锆铸锭时，γO=16º～23º，αO=10º～15º，Κr=45º,Κ′r=15º,γO1=-5º～-2º,bγ=0.2～0.5mm，rε=0.2～0.5mm；粗车时νc=90～150m/min，ap=5～8mm，f=0.2～0.5mm/r；半精车时νc=120～200m/min，ap=1～2mm，f=0.3～0.6mm/r。车削锻件时，γO=0º～10º，αO=8º～12º，Κr=45º～75º,Κ′r=15º,γO1=0º～5º,bγ=0.2～0.5mm，rε=0.5～3mm；νc=40～50m/min，ap=3～10mm，f=0.3～1.0mm/r。采用高速钢刀具切削锆及其合金，可适当加大前角，一般取γO=15º～30º
切削加工锆及其合金，应大量使用水溶性切削液，以控制切削温度，减少加工过程中的加工硬化、粘结、自燃等现象。
锆及其合金的铣、钻、铰、攻丝可参照钛合金加工。
11.纯铜有哪些切削加工特点？
纯铜的含铜量一般在99.5％以上，氧含量小于等于0.1％，无氧铜的氧含量更低(小于0.01％)。纯铜在退火状态下硬度为HB35～45，导热性好，塑性、韧性大，切削加工有以下特点：
(1)不易断屑，影响切削的顺利进行和切削用量的提高。
(2)切屑易粘结在刀刃上，影响加工表面质量和刀具耐用度。
(3)工件表面容易产生水纹状波形，且发出噪声。
(4)纯铜线膨胀系数大，在切削温度影响下易产生变形，精加工尺寸和几何精度不易控制。
(5)若以45号钢的切削加工性为100％，则纯铜的相对切削加工性为65％。如果在纯铜中含有硫、硒等易切元素，其切削加工性会有较大的改善。
文章关键词： 切削加工
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