金屬材料的可鍛造性能

 

金屬的可鍛性是衡量材料在經受壓力加工時獲得優質制品難易程度的工藝性能。金屬的可鍛性好，表明該金屬適合于采用壓力加工成型；可鍛性差，表明該金屬不適宜選用壓力加工方法成型。

 

對金屬可鍛性影響較大的因素為金屬本身的塑形，塑性越好，鍛打時越不容易開裂。金屬的塑性與金屬的組織密切相關，晶粒越細小、組織越均勻塑性就越好。所以可以通過細化晶粒，均勻組織來改善金屬的可鍛性。金屬材料在壓力加工時，能改變形狀而不產生裂紋的性能。它包括在熱態或冷態下能夠進行錘鍛、軋制、拉伸、擠壓等加工。可鍛性的好壞主要與金屬材料的化學成分有關。

可鍛性常用金屬的塑形和變形抗力來綜合衡量。塑性越好，變形抗力越小，則金屬的可鍛性好，反之則差。金屬的塑性用金屬的斷面收縮率ψ、伸長率δ等來表示。變形抗力是指在壓力加工過程中變形金屬作用于施壓工具表面單位面積上的壓力。變形抗力越小，則變形中所消耗的能量也越小。

 

一金屬的本質

 

1.1  化學成分的影響

 

不同化學成分的金屬其可鍛性不同。一般情況下，純金屬的可鍛性比合金好；碳鋼的碳的質量分數越低，可鍛性越好；鋼中含有較多碳化物形成元素（鉻、鎢、鉬、釩等）時，則其可鍛性顯著下降。

 

1.2  金屬組織的影響

 

金屬的組織構造不同，其可鍛性也有很大差別。合金呈單相固溶體組織（如奧氏體）時，其可鍛性好；而金屬具有金屬化合物組織（如滲碳體）時，其可鍛性差。鑄態柱狀組織和粗晶粒不如經過壓力加工后的均勻而細小的組織可鍛性好。

 

二加工條件

 

2.1 變形溫度

 

提高金屬變形時的溫度，是改善金屬可鍛性的有效措施。金屬在加熱過程中，隨著加熱溫度的升高，金屬原子的活動能力增強，原子間的吸引力減弱，容易產生滑移，因而塑性提高，變形抗力降低，可鍛性明顯改善，故鍛造一般都在高溫下進行。

 

金屬的加熱在整個生產過程中是一個重要的環節，它直接影響著生產率、產品質量及金屬的有效利用等方面。

 

對金屬加熱的要求是：在坯料均勻熱透的條件下，能以較短的時間獲得加工所需的溫度，同時保持金屬的完整性，并使金屬及燃料的消耗最少。其中重要內容之一是確定金屬的鍛造溫度范圍，即合理的始鍛溫度和終鍛溫度。碳鋼的鍛造溫度范圍見圖1。

 

 

圖1 碳鋼的鍛造溫度范圍

 

始鍛溫度即開始鍛造溫度，原則上要高，但要有一個限度，如超過此限度，則將會使鋼產生氧化、脫碳、過熱和過燒等加熱缺陷。所謂過燒是指金屬加熱溫度過高，氧氣滲入金屬內部，使晶界氧化，形成脆性晶界，鍛造時易破碎，使鍛件報廢。碳鋼的始鍛溫度應比固相線低200℃左右。

 

終鍛溫度即停止鍛造溫度，原則上要低，但不能過低，否則金屬將產生加工硬化，使其塑性顯著降低，而強度明顯上升，鍛造時費力，對高碳鋼和高碳合金工具鋼而言甚至打裂。

 

鍛造使金屬的溫度可用儀表來測量，也常用觀察火色的方法來判斷。鋼的溫度與火色的關系如下表：

 

溫度/℃	1300	1200	1100	900	800	700
火色	白色	亮黃	黃色	櫻紅	赤紅	暗紅

 

2.2 變形速度

 

變形速度即單位時間內的變形程度。變形速度對金屬可鍛性的影響如圖2所示。由圖可見，它對可鍛性的影響是矛盾的。一方面隨著變形速度的提高，回復和再結晶來不及進行，不能及時克服加工硬化現象，使金屬的塑性下降，變形抗力增加，可鍛性變壞（圖中a點以左）。另一方面，金屬在變形過程中，消耗于塑性變形的能量有一部分轉化為熱能，相當于給金屬加熱，使金屬的塑性提高、變形抗力下降，可鍛性變好（圖中a點以右）。變形速度越大，熱效應越明顯。

 

 

圖2 變形速度對塑性及變形抗力的影響

 

2.3 變形方式（應力狀態）

 

變形方式不同，變形金屬內應力狀態不同。例如擠壓變形時為三向受壓狀態；而拉拔時則為兩向受壓、一向受拉的狀態；鐓粗時坯料中心部分的應力狀態是三向壓應力，周邊部分上下和徑向是壓應力，切向是拉應力，如圖3所示。

 

 

圖3 幾種鍛壓方法的應力狀態

 

實踐證明，三個方向的應力中，壓應力的數目越多，則金屬的塑性越好；拉應力的數目越多，則金屬的塑性越差。同號應力狀態下引起的變形抗力大于異號應力狀態下的變形抗力。拉應力使金屬原子間距增大，尤其當金屬的內部存在氣孔、微裂紋等缺陷時，在拉應力作用下，缺陷處易產生應力集中，使裂紋擴展，甚至達到破壞報廢的程度。壓應力使金屬內部原子間距減小，不易使缺陷擴展，故金屬的塑性提高。但壓應力使金屬內部摩擦阻力增大，變形抗力亦隨之增大。

 

因此可以得出結論，金屬的可鍛性既取決于金屬的本質，又取決于變形條件。在壓力加工過程中，要力求創造最有利的變形條件，充分發揮金屬的塑性，降低變形抗力，使能耗最少，變形進行得充分，達到加工的最佳效果。

 

金屬的切削加工性能

 

在切削加工中，判斷材料切削加工的難易程度、改善和提高切削加工性對提高生產率和加工質量有重要意義。本文論述了評定金屬材料切削加工性的指標，影響因素和改善方法。

 

金屬材料切削加工性的概念

 

金屬材料的切削加工性能通常是指金屬材料所具有的能明確地定義和度量為其可被切削加工難易程度標志的一種性能或品質。一般來說，良好的切削加工性應該是：刀具耐用度較好或在一定耐用度下切削速度較高、切削力較小、切削溫度較低、容易獲得較好的工件表面質量和切屑形狀容易控制或容易斷屑。

 

材料的切削加工性的概念具有相對性。所謂某種材料切削加工性好壞，是相對于另一種材料而言的。一般在討論鋼料的切削加工性時，習慣地以碳素結構鋼45為參考基準。如稱高強度鋼比較難加工，就是相對于45鋼而言的。

 

刀具的切削性能與切削加工性的關系最為密切，不能脫離刀具的切削性能孤立地去討論被加工材料的切削加工性，而是應將兩者結合起來研究。在了解了工件材料的切削加工性并采取了有效措施之后，就能夠提高加工效率，保證加工質量，降低加工成本。

 

評定工件材料的切削加工性的主要指標

 

材料的切削加工性是指導某種材料進行切削加工性的難易程度，其易程度，一般與材料的化學成份，熱處理狀態﹑金相組織﹑物理力學性能以及切削條件有關。工件材料的切削加工性，通常用下面的一個或數個指標衡量：

 

1、以刀具壽命來衡量

 

在保證相同刀具耐用度的前提下，切削某種工件材料所允許的切削速度；

 

2、以加工質量如表面光潔度來衡量

 

3、以單位切削力來衡量

 

4、以極限金屬切除率來衡量

 

5、以斷屑性能，包括切屑形狀來衡量

 

 

影響金屬材料切削加工性的因素

 

1.材料的強度和塑性

 

以工件材料的硬度（包括常溫硬度和高溫硬度）來說，一般情況下，同類材料中常溫硬度高的加工性低。因為材料硬度高時，切屑與前刀面的接觸長度減小，因此前刀面上切應力增大，摩擦熱量集中在較小的刀-屑接觸面上，促使切削溫度增高和磨損加劇，在硬度過高時甚至引起刀尖的燒損及崩刃。以鋼材為例，硬度適中的鋼材較好加工。此外，適當提高材料的硬度，有利于獲得較好的加工表面質量。材料的塑性通常以延伸率表示。一般，材料的塑性越大，越難加工。因為塑性大的材料，加工變形和硬化、刀具表面的冷焊現象都比較嚴重，不易斷屑，不易獲得好的已加工表面質量。

 

2.材料的韌性

 

韌性以沖擊值表示。材料的韌性越高，則切削時消耗能量越多，切削力和切削溫度也都較高，且不易斷屑，故加工性較差。有些合金結構鋼不僅強度高于碳素結構鋼，沖擊值也較高，故較難加工。

 

其他物理機械性能對切削加工性也有一定影響。如線膨脹系數大的材料，加工時熱脹冷縮，工件尺寸變化很大，故不易控制精度。彈性模量小的材料，在已加工表面形成過程中彈性恢復大，易與后刀面發生強烈摩擦。

 

某些材料的化學性質也在一定程度上影響切削加工性。如切削鎂合金時，粉末狀的碎屑易與氧化合而燃燒。切削鈦合金時，高溫下易從大氣中吸收氧、氮，形成硬而脆的化合物，使切屑成為短碎片，切削力和切削熱都集中在切削刃附近，從而加速了刀具的磨損。

 

3.材料的金相組織和熱處理方式

 

金屬熱處理工藝大體可分為整體熱處理、表面熱處理和化學熱處理三大類。根據加熱介質、加熱溫度和冷卻方法的不同，每一大類又可區分為若干不同的熱處理工藝。同一種金屬采用不同的熱處理工藝，可獲得不同的組織，從而具有不同的性能。鋼鐵是工業上應用最廣的金屬，而且鋼鐵顯微組織也最為復雜，因此鋼鐵熱處理工藝種類繁多。

 

整體熱處理是對工件整體加熱，然后以適當的速度冷卻，以改變其整體力學性能的金屬熱處理工藝。鋼鐵整體熱處理大致有退火、正火、淬火和回火四種基本工藝。

 

退火是將工件加熱到適當溫度，根據材料和工件尺寸采用不同的保溫時間，然后進行緩慢冷卻，目的是使金屬內部組織達到或接近平衡狀態，獲得良好的工藝性能和使用性能，或者為進一步淬火作組織準備。正火是將工件加熱到適宜的溫度后在空氣中冷卻，正火的效果同退火相似，只是得到的組織更細，常用于改善材料的切削性能，也有時用于對一些要求不高的零件作為最終熱處理。

 

淬火是將工件加熱保溫后，在水、油或其他無機鹽、有機水溶液等淬冷介質中快速冷卻。淬火后鋼件變硬，但同時變脆。為了降低鋼件的脆性，將淬火后的鋼件在高于室溫而低于650℃的某一適當溫度進行長時間的保溫，再進行冷卻，這種工藝稱為回火。退火、正火、淬火、回火是整體熱處理中的“四把火”，其中的淬火與回火關系密切，常常配合使用，缺一不可。

 

“四把火”隨著加熱溫度和冷卻方式的不同，又演變出不同的熱處理工藝。為了獲得一定的強度和韌性，把淬火和高溫回火結合起來的工藝，稱為調質。某些合金淬火形成過飽和固溶體后，將其置于室溫或稍高的適當溫度下保持較長時間，以提高合金的硬度、強度或電性磁性等。這樣的熱處理工藝稱為時效處理。

 

把壓力加工形變與熱處理有效而緊密地結合起來進行，使工件獲得很好的強度、韌性配合的方法稱為形變熱處理；在負壓氣氛或真空中進行的熱處理稱為真空熱處理，它不僅能使工件不氧化，不脫碳，保持處理后工件表面光潔，提高工件的性能，還可以通入滲劑進行化學熱處理。

 

表面熱處理是只加熱工件表層，以改變其表層力學性能的金屬熱處理工藝。為了只加熱工件表層而不使過多的熱量傳入工件內部，使用的熱源須具有高的能量密度，即在單位面積的工件上給予較大的熱能，使工件表層或局部能短時或瞬時達到高溫。表面熱處理的主要方法有火焰淬火和感應加熱熱處理，常用的熱源有氧乙炔或氧丙烷等火焰、感應電流、激光和電子束等。

 

 

4.機械特性 

 

 

不同的機床和機床不同的參數對金屬材料的切削加工性能也會有不同程度的影響。

 

改善材料可切削性的途經

 

1.改善材料的化學成份

 

以常用金屬為例，在黃銅中加入1%～3%的鉛，在鋼中加入0.1%～0.25%的鉛。鉛可以球狀粒子存在于材料的金相組織中，切削時能起很好潤滑作用，減少摩擦，使刀具耐用度和表面質量得以提高。在碳鋼中加入MnS，它分布于珠光體中，起潤滑作用，使刀具耐用度和切切削后的表面質量提高，增大脆性，切屑易斷。

 

2.材料加工前進行合適的熱處理

 

低碳鋼通過正火處理后，細化晶粒，硬度提高，塑性降低，有利于減小刀具的粘結磨損，減小積屑，改善工件表面粗糙度；高碳鋼球化退火后，硬度下降，可減小刀具磨損；不銹鋼以調質到HRC28為宜，硬度過低，塑性大，工件表面粗糙度差，硬度高則刀具易磨損；

 

白口鑄鐵可在950～1000℃范圍內長時間退火而成可鍛鑄鐵，切削就較容易。

 

3.選加工性好的材料狀態

 

低碳鋼經冷拉后，塑性得以下降，加工性好；

 

鍛造的坯件余量不均，且有硬皮，加工性很差，改為熱軋后加工性得以改善。

 

4.其它

 

    采用合適的刀具材料，選擇合理的刀具幾何參數，合理地制訂切削用量與選用切削液等也能影響材料的切削加工性能。