A. 改善切削加工性的方法
在切削加工中,通常出現的刀具磨損包括如下兩種形態:(1)由於機械作用而出現的磨損,如崩刃或磨粒磨損等;(2)由於熱及化學作用而出現的磨損,如粘結、擴散、腐蝕等磨損,以及由切削刃軟化、溶融而產生的破斷、熱疲勞、熱龜裂等。切削難加工材料時,在很短時間內即出現上述刀具磨損,這是由於被加工材料中存在較多促使刀具磨損的因素。例如,多數難加工材料均具有熱傳導率較低的特點,切削時產生的熱量很難擴散,致使刀具刃尖溫度很高,切削刃受熱影響極為明顯。這種影響的結果會使刀具材料中的粘結劑在高溫下粘結強度下降,WC(碳化鎢)等粒子易於分離出去,從而加速了刀具磨損。
另外,難加工材料中的成分和刀具材料中的某些成分在切削高溫條件下產生反應,出現成分析出、脫落,或生成其他化合物,這將加速形成崩刃等刀具磨損現象。在切削高硬度、高韌性被加工材料時,切削刃的溫度很高,也會出現與切削難加工材料時類似的刀具磨損。如切削高硬度鋼時,與切削一般鋼材相比,切削力更大,刀具剛性不足將會引起崩刃等現象,使刀具壽命不穩定,而且會縮短刀具壽命,尤其是加工生成短切屑的工件材料時,會在切削刃附近產生月牙窪磨損,往往在短時間內即出現刀具破損。在切削超耐熱合金時,由於材料的高溫硬度很高,切削時的應力大量集中在刃尖處,這將導致切削刃產生塑性變形;同時,由於加工硬化而引起的邊界磨損也比較嚴重。
【難加工材料在切削加工中應注意的問題】
切削加工大致分為車削、銑削及以中心齒為主的切削(鑽頭、立銑刀的端面切削等),這些切削加工的切削熱對刃尖的影響也各不相同。車削是一種連續切削,刃尖承受的切削力無明顯變化,切削熱連續作用於切削刃上;銑削則是一種間斷切削,切削力是斷續作用於刃尖,切削時將發生振動,刃尖所受的熱影響,是切削時的加熱和非切削時的冷卻交替進行,總的受熱量比車削時少。
銑削時的切削熱是一種斷續加熱現象,刀齒在非切削時即被冷卻,這將有利於刀具壽命的延長。日本理化研究所對車削和銑削的刀具壽命作了對比試驗,銑削所用刀具為球頭立銑刀,車削為一般車刀,兩者在相同的被加工材料和切削條件(由於切削方式不同,切削深度、進給量、切削速度等只能做到大體一致)及同一環境條件下進行切削對比試驗,結果表明,銑削加工對延長刀具壽命更為有利。利用帶有中心刃(即切削速度=0m/min的部位)的鑽頭、球頭立銑刀等刀具進行切削時,經常出現靠近中心刃處工具壽命低下的情況,但仍比車削加工時強。在切削難加工材料時,切削刃受熱影響較大,常常會降低刀具壽命,切削方式如為銑削,則刀具壽命會相對長一些。但難加工材料不能自始至終全部採用銑削加工,中間總會有需要進行車削或鑽削加工的時候,因此,應針對不同切削方式,採取相應的技術措施,提高加工效率。
B. 硫的存在對鋼材的危害
硫是一種在鋼中常見的雜質,主要來源於生鐵和燃料。在固態下,硫在鐵中的溶解度極低,通常以FeS的形式存在。由於FeS的塑性較差,使得含有較高硫的鋼材脆性較大。更嚴重的是,FeS與Fe可以形成低熔點(985℃)的共晶體,分布在奧氏體晶界上。當鋼材加熱至約1200℃進行熱壓力加工時,晶界上的共晶體已經熔化,晶粒間的結合被破壞,導致鋼材在加工過程中沿晶界開裂,這種現象稱為熱脆性。為了消除硫的有害作用,必須增加鋼中錳的含量。錳與硫優先形成高熔點(1620℃)的硫化錳,並呈粒狀分布在晶粒內,它在高溫下具有一定塑性,從而避免了熱脆性。
硫化物是非金屬夾雜物,會降低鋼的機械性能,並在軋制過程中形成熱加工纖維組織。因此,通常情況下,硫是有害的雜質。在鋼中要嚴格限制硫的含量。然而,當硫含量較高時,可以形成較多的MnS,在切削加工過程中,MnS能夠起到斷屑作用,改善鋼的切削加工性,這也是硫的有利一面。
磷也是鋼中的一個常見雜質,主要由生鐵帶入。在一般情況下,磷可以完全溶解於鐵素體中。磷具有強烈的固溶強化作用,使鋼的強度和硬度增加,但塑性和韌性顯著下降。這種脆化現象在低溫環境下更為嚴重,稱為冷脆。通常希望冷脆轉變溫度低於工件的工作溫度,以避免冷脆的發生。然而,磷在結晶過程中容易產生晶內偏析,導致局部地區含磷量偏高,使冷脆轉變溫度升高,從而引起冷脆。冷脆對於在高寒地帶及其他低溫條件下工作的結構件具有嚴重的危害性。此外,磷的偏析還會使鋼材在熱軋後形成帶狀組織。
因此,通常情況下,磷也是有害的雜質,在鋼中也要嚴格控制磷的含量。然而,當磷含量較高時,由於脆性較大,磷在製造炮彈鋼以及改善鋼的切削加工性方面則具有一定的優勢。