Электромонтаж Ремонт и отделка Укладка напольных покрытий, теплые полы Тепловодоснабжение

Обрабатываемость никеля и никелевых сплавов

03.11.2018

Несмотря на то, что температура плавления никеля (1452° С) ниже температуры плавления железа (1535°С), никель его сплавы обычно более трудно поддаются механической обработке, чем чугун и сталь. Никель является очень пластичным материалом с гране-центрированной кубической структурой, и в отличие от железа в его матрице не происходит превращений вплоть до температуры плавления. Технически чистый никель имеет плохую обрабатываемость почти по всем критериям. Стойкость инструмента в среднем меньше, и максимально допустимая скорость съема металла низкая, инструменты выходят из строя вследствие быстрого износа задней поверхности и деформации режущей кромки при сравнительно низких скоростях резания. Рекомендуемая скорость резания инструментами из быстрорежущей стали при токарной обработке с подачей 0,4 мм/об составляет 50 м/мин. Силы резания выше, чем при обработке технически чистого железа (рис. 7.28), площадка контакта на передней поверхности очень большая, угол сдвига мал, и стружка очень толстая. Подобно железу и другим чистым материалам, при обработке никеля нарост не образуется, и по мере повышения скорости резания происходит монотонное уменьшение сил резания. Площадка контакта уменьшается, и стружка становится тоньше, однако во всем диапазоне скоростей резания силы остаются сравнительно высокими.

Наиболее важным аспектом поведения никеля в процессе резания, приводящим к высоким скоростям износа инструмента и низким скоростям съема металла, по-видимому, является высокая температура, возникающая в зоне пластического течения, и неблагоприятное распределение температуры в инструментах, отличающееся в значительной степени от температуры при обработке чугуна и стали. На рис. 7.29 приведено протравленное сечение инструмента из быстрорежущей стали после обработки технически чистого никеля со скоростью резания 45 м/мин и подачей 0,25 мм/об. При отведении инструмента вручную разделение происходило вдоль плоскости сдвига, так что стружка оставалась очень прочно соединенной с инструментом. Видна прилегающая к передней поверхности четко очерченная зона пластического течения, являющаяся источником тепловыделения. Градиент температуры, полученный на этом инструменте, приведен на рис. 7.29, б. Для сопоставления типичного распределения температуры в инструментах для обработки никеля и железа следует сравнить рис. 7.29, а и б с рис. 5.3, а и б. Имеется два основных отличия: 1) при обработке никеля температура свыше 650° С появляется при гораздо меньших скоростях резания и 2) при обработке никеля холодная зона на рабочей кромке отсутствует. Различие в характере распределения температур можно видеть также при сравнении передних поверхностей инструментов для обработки никеля и стали (рис. 7.30). Как видно, при обработке никеля высокая температура концентрируется вдоль главной режущей кромки, а не на вспомогательной задней поверхности, участке, где очень высокие температуры приводят к деформации инструмента при обработке железа. Следовательно, инструменты, применяемые для обработки никеля, могут деформироваться вблизи главной режущей кромки, на которой как нормальные напряжения сжатия, так и температура высокие даже при сравнительно низких скоростях резания. После того как произошла деформация режущей кромки инструмента и образовалась площадка износа, появляется новый источник тепловыделения на задней поверхности, который может привести к быстрому разрушению инструмента.


Твердосплавные инструменты, имеющие более высокий предел прочности на сжатие при высоких температурах, могут применяться для обработки никеля и его сплавов при гораздо более высоких скоростях резания, чем инструменты из быстрорежущей стали. Твердосплавные инструменты изнашиваются главным образом по задней поверхности за счет диффузии или деформации, образование же лунки износа не является основной проблемой. Однако инструменты из твердого сплава обычно не рекомендуются для обработки технически чистого никеля, так как очень прочное сцепление никелевой стружки с поверхностью инструмента приводит к повреждению инструмента при ее удалении.

Введение легирующих элементов в никель приводит к повышению его обрабатываемости, подобно тому как это было отмечено для чугуна и стали. Даже при введении легирующих добавок, способствующих значительному упрочнению никеля, силы резания зачастую уменьшаются вследствие меньшей длины контакта на передней поверхности, большего угла сдвига и более тонкой стружки. Имеющиеся в настоящее время весьма ограниченные данные позволяют предположить, что при обработке никелевых сплавов распределение температуры в инструментах в общем аналогично наблюдаемому при обработке никеля, так что стойкость инструмента и максимальная скорость съема металла регулируются одинаковыми механизмами. Введение легирующих элементов приводит к уменьшению скорости резания, при которой генерируется высокая температура, и увеличению местных напряжений на инструменте и тем самым к увеличению скорости износа инструмента и уменьшению максимально допустимой скорости съема металла.

Применяемые в авиационно-космической технике никелевые сплавы, обладающие высоким сопротивлением ползучести, являются одними из наиболее труднообрабатываемых материалов. Эти сплавы упрочняются путем мелкодисперсной второй фазы так же, как и путем закалки в твердом растворе. При обработке этих двухфазовых сплавов нарост образуется при низкой скорости резания (рис. 7.31). По мере увеличения скорости резания нарост исчезает, однако даже при сравнительно низких скоростях резания в зоне пластического течения на поверхности раздела инструмент — заготовка генерируются очень высокие температуры. Температуры часто достаточно высокие для расплавления дисперсной второй фазы в никелевом сплаве и могут быть значительно выше 1000°C. Вследствие того, что обладающие значительным сопротивлением ползучести никелевые сплавы были предназначены для обеспечения высокой прочности при повышенных температурах, напряжения в зоне пластического течения очень большие. В результате происходит разрушение скругленной режущей кромки под действием касательных и нормальных напряжений и притом при высокой температуре. Из приведенного ранее сечения по режущей кроме инструмента из быстрорежущей стали после обработки одного такого кованого сплава со скоростью резания 10 м/мин видно, как происходило срезание инструментального материала. Для многих операций по обработке никелевых сплавов наиболее эффективным инструментальным материалом, применяемым в настоящее время, является твердый сплав. Чаще всего применяются мелкодисперсные твердые сплавы на основе WC—Co; твердые сплавы для обработки обычных сталей редко имеют какие-либо преимущества. Однако при обработке наиболее совершенных сплавов для авиационно-космической техники становится очевидной непригодность инструментов из твердого сплава. На рис. 7.32 показано разрушение твердосплавного инструмента при обработке одного из литых никелевых сплавов с наиболее высоким сопротивлением ползучести, скорость резания в этом случае была 17 м/мин.

Таким образом, большинство никелевых сплавов с высоким сопротивлением ползучести, из которых изготовляются детали авиационных двигателей путем механической обработки, не позволяют проводить обработку с экономичными скоростями резания даже при применении твердосплавных инструментов вследствие очень высоких напряжений и температуры в зоне пластического течения, в которой инструмент и заготовка находятся в условиях схватывания. Было предпринято много попыток для разработки новых способов обработки и новых инструментов, способных обеспечить более высокие скорости съема металла на этих сплавах. Были применены твердосплавные пластинки со спеченными слоями «Borazon», закрепленными на их поверхности, и считается, что при применении подобных инструментов скорости резания намного выше, чем те, которые могут быть достигнуты твердосплавными инструментами при большей стойкости, например 180 м/мин инструментом «Borazon» по сравнению с 30 м/мин твердосплавным инструментом. Несмотря на их очень высокую стоимость (более чем в 60 раз превышающую стоимость твердосплавных инструментов), такое большое различие в характеристике качества может сделать их применение экономически выгодным.

Был предложен способ обработки материала в нагретом состоянии, применяемый для определенных операций, заключающийся в том, что обрабатываемый материал быстро разогревается, обычно плазменной горелкой или токами высокой частоты, по мере приближения к режущему инструменту. При правильном режиме нагрева можно применять керамические инструменты для, обработки сплавов с высоким сопротивлением ползучести со скоростью, в несколько раз превышающей достижимую для твердосплавных инструментов. Нет четкого объяснения этого явления, однако без предварительного нагрева заготовки минералокерамические инструменты обычно неэффективны при обработке никелевых сплавов, так как инструменты внезапно выходят из строя после непродолжительной работы. Область применения этого способа ограничена.
Имя:*
E-Mail:
Комментарий: