Материал: Обработка резанием вольфрамовых сплавов. учебное пособие. Жачкин С.Ю

С. Ю. Жачкин

ОБРАБОТКА РЕЗАНИЕМ ВОЛЬФРАМОВЫХ СПЛАВОВ

Учебное пособие

Воронеж 2010

ГОУ ВПО «Воронежский государственный

технический университет»

С. Ю. Жачкин

ОБРАБОТКА РЕЗАНИЕМ

ВОЛЬФРАМОВЫХ СПЛАВОВ

Утверждено Редакционно-издательским советом

университета в качестве учебного пособия

Воронеж 2010

УДК 621.9.02.001

Жачкин С.Ю. Обработка резанием вольфрамовых сплавов: учеб. пособие / С.Ю. Жачкин. Воронеж: ГОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет», 2010. 191 с.

В учебном пособии рассматриваются вопросы обработки резанием вольфрама и сплавов на его основе, а также влияния различных параметров обработки на температуру в зоне резания. Приводятся различные методики количественной и качественной оценки режимных параметров обработки с целью максимального использования ресурса инструмента.

Учебное пособие соответствует требованиям Государственного общеобразовательного стандарта высшего профессионального образования по направлению 151000 «Конструкторско-технологическое обеспечение автоматизированных машиностроительных производств», специальности 151002 «Металлообрабатывающие станки и комплексы», дисциплине «Резание материалов». Пособие предназначено для студентов 3 и 4 курсов очной формы обучения.

Учебное пособие подготовлено в электронном виде в текстовом редакторе MS Word XP и содержится в файле 02.doc.

Табл. 24. Ил. 60. Библиогр.: 59 назв.

Рецензенты: кафедра ИПА ВАИУ (г. Воронеж) (Зав. кафедрой д-р техн. наук, доц. Д.Е. Барабаш)

д-р техн. наук, проф. А.В. Кузовкин

Жачкин С.Ю., 2010

Оформление. ГОУВПО Воронежский

государственный технический университет, 2010

Введение

Вольфрам, как представитель тугоплавких металлов, является исходным для изготовления высокотемпературных материалов. К исходным материалам наряду с тугоплавкими металлами относятся также графит, тугоплавкие соединения (карбиды, бориды и т. п.), тугоплавкие окислы, различные волокнистые материалы и органические вещества. При сравнении этих материалов основными критериями являются кратковременная прочность при повышенной температуре, длительная прочность при той же температуре, удельный объем, ударная вязкость, термостойкость, способность работать при отрицательных температурах и в различных средах, сопротивление эрозии и вибрации. Вольфрам удовлетворяет большинству этих критериев.

Вольфрам применяют при изготовлении электрических контактов, электродов дуговой сварки. Высокая температура плавления и большая жаропрочность вольфрама позволяют использовать его для изготовления нагревательных элементов: спиралей, пластин, полос и тоководов, работающих в условиях восстановительной и нейтральной сред или вакуума. Детали из вольфрама применяют как соединительные элементы в полупроводниковой технике, при изготовлении термопар для измерения температур до 2200°С и оболочек в диодах.

Обычно из вольфрама и его сплавов изготовляют в основном детали, имеющие относительно малые размеры, например нити накала, токопроводники, электроды, специальные детали для ламп накаливания, вакуумных и газонаполненных электрических разрядных приборов. Но в последние годы стали их применять и для получения сравнительно больших деталей, таких, как каркасы, вкладыши двигателей и др.

Возрастающее применение вольфрама и его сплавов в различных отраслях техники объясняется высокой температурой плавления, термопрочностью, значительным сопротивлением усталости, хорошей тепло- и электропроводностью.

Получение заготовок из вольфрама связано с определенными технологическими трудностями, что приводит к их высокой стоимости. Трудности изготовления деталей с заданными требованиями по точности и качеству поверхности сдерживают дальнейшее расширение областей применения этого материала. Совершенствование обычного процесса резания за счет рационального выбора режимов обработки, геометрии и конструкции инструмента, технологической оснастки не всегда дает желаемый результат. При изготовлении резанием деталей из вольфрама и его сплавов характерным являются большие силы резания, высокие температуры, высокая истирающая способность. Это приводит к низкой стойкости инструмента и неудовлетворительному качеству поверхности.

Поэтому изыскивают новые методы обработки путем изменения характера приложения механического воздействия на срезаемый слой, применения комбинированных методов, построенных на совмещении механического воздействия с вибрационным, тепловым, химическим, электрическими воздействиями, разработкой новых и повышением эффективности действия технологических сред.

Неуклонно растущее применение вольфрама и его сплавов в промышленности, с одной стороны, и совокупность физико-химических свойств, затрудняющих получение необходимых изделий с другой, делают весьма актуальной проблему обработки этих материалов.

1. Свойства, методы получения и области применения вольфрама и его сплавов

1.1 Основные физические свойства и области

применения

Вольфрам относится к тугоплавким металлам, которые сравнительно мало распространены в земной коре. Так, содержание в земной коре (в %) вольфрама примерно , рения 10^-7, молибдена 3*10^-3, ниобия 10^-3, тантала 2*10^-3 и ванадия 1,5*10^-3.

Тугоплавкие металлы являются переходными элементами и располагаются в IV, V, VI и VII группах (подгруппа А) периодической системы элементов. С увеличением атомного номера возрастает температура плавления тугоплавких металлов в каждой из подгрупп.

Элементы VА и VIА групп (ванадий, ниобий, тантал, хром, молибден и вольфрам) являются тугоплавкими металлами с объемно-центрированной кубической решеткой в отличие от других тугоплавких металлов, имеющих гранецентрированную и гексагональную плотно упакованную структуру.

Известно, что главным фактором, определяющим кристаллическую структуру и физические свойства металлов и сплавов, является природа их межатомных связей. Тугоплавкие металлы характеризуются высокой прочностью межатомной связи и, как следствие, высокой температурой плавления, повышенной механической прочностью и значительным электрическим сопротивлением.

Возможность исследования металлов методом электронной микроскопии позволяет изучать структурные особенности атомного масштаба, выявляет взаимосвязи между механическими свойствами и дислокациями, дефектами упаковки и др. Полученные данные показывают, что характерные физические свойства, отличающие тугоплавкие металлы от обычных, определяются электронной структурой их атомов. Электроны могут в различной степени переходить от одного атома к другому, при этом вид перехода отвечает определенному типу межатомной связи. Особенность электронного строения определяет высокий уровень межатомных сил (связей), высокую температуру плавления, прочность металлов и их взаимодействие с другими элементами и примесями внедрения. У вольфрама химически активная оболочка по энергетическому уровню включает электроны 5 d и 6 s [57].

Из тугоплавких металлов наибольшую плотность имеет вольфрам -19,3 г/см³. Хотя при использовании в конструкциях большую плотность вольфрама можно рассматривать как отрицательный показатель, все же повышенная прочность при высоких температурах позволяет снизить массу изделий из вольфрама за счет уменьшения их размеров.

Плотность тугоплавких металлов в большой степени зависит от их состояния. Например, плотность спеченного штабика вольфрама колеблется в пределах 17,0-18,0 г/см³, а плотность кованого штабика со степенью деформации 75% составляет 18,6-19,2 г/см³. То же наблюдается и у молибдена: спеченный штабик имеет плотность 9,2-9,8 г/см³, кованый со степенью деформации 75%-9,7-10,2 г/см³ и литой 10,2 г/см³ [57].

Некоторые физические свойства вольфрама, тантала, молибдена и ниобия для сравнения приведены в табл. 1. Теплопроводность вольфрама составляет менее половины теплопроводности меди, но она намного выше, чем у железа или никеля [5, 22, 57].

Тугоплавкие металлы групп VА, VIА, VIIА периодической системы элементов по сравнению с другими элементами имеют меньший коэффициент линейного расширения. Наименьший коэффициент линейного расширения имеет вольфрам, что указывает на высокую стабильность его атомной решетки и является уникальным свойством этого металла.

Вольфрам имеет теплопроводность примерно в 3 раза меньшую, чем электропроводность отожженной меди, но она выше, чем у железа, платины и фосфоритной бронзы.

Таблица 1

Для металлургии большое значение имеет плотность металла в жидком состоянии, так как эта характеристика определяет скорость движения по каналам, процесс удаления газообразных и неметаллических включений и влияет на образование усадочной раковины и пористости в слитках. У вольфрама эта величина выше, чем у других тугоплавких металлов. Однако другая физическая характеристика -поверхностное натяжение жидких тугоплавких металлов при температуре плавления - отличается меньше (см.табл.1). Знание этой физической характеристики необходимо при таких процессах, как нанесение защитных покрытий, при пропитке, плавке и литье.

Важным литейным свойством металла является жидкотекучесть. Сведения о жидкотекучести тугоплавких металлов приведены в работе [7]. Если для всех металлов эта величина определяется при заливке жидкого металла в спиральную форму при температуре заливки выше температуры плавления на 100-200°С, то жидкотекучесть вольфрама получена экстраполяцией эмпирической зависимости этой величины от теплоты плавления.

Вольфрам устойчив в различных газовых средах, кислотах и некоторых расплавленных металлах. При комнатной температуре вольфрам не взаимодействует с соляной, серной и фосфорной кислотами, не подвергается воздействию растворенной азотной кислоты и в меньшей степени, чем молибден, реагирует на смесь азотной и фтористоводородной кислот. Вольфрам обладает высокой коррозионной стойкостью в среде некоторых щелочей, например в среде гидроокиси натрия и калия, в которых проявляет стойкость до температуры 550° С. При действии расплавленного натрия он устойчив до 900°С, ртути — до 600°С, галлия до 800 и висмута до 980°С. Скорость коррозии в этих жидких металлах не превышает 0,025 мм/год. При температуре 400—490°С вольфрам начинает окисляться в среде воздуха и в кислороде. Слабая реакция происходит при нагреве до 100°С в соляной, азотной и плавиковой кислотах. В смеси плавиковой и азотной кислот идет быстрое растворение вольфрама. Взаимодействие с газовыми средами начинается при температурах (°С): с хлором 250, с фтором 20. В углекислом газе вольфрам окисляется при 1200°С, в аммиаке реакция не происходит [5].

Закономерность окисления тугоплавких металлов определяется в основном температурой. Вольфрам до 800—1000°С имеет параболическую закономерность окисления, а свыше 1000°С — линейную.

При одинаковой температуре сублимация вольфрама (переход из твердого состояния в газообразное) меньше, чем у других тугоплавких металлов (табл.2):[55].

Таблица 2

Высокая коррозионная стойкость в жидкометаллических средах (натрий, калий, литий, ртуть) позволяет применять вольфрам и его сплавы в энергетических установках.

Содержание примесей в вольфраме технической чистоты меняется в зависимости от состояния металла. Порошок содержит примеси Al, C, Cr, Cu, Fe, Mg, Mn, Mo, Ni, Si, K, Na. В прутке же находится несколько меньше примесей.

Прочностные свойства вольфрама зависят от состояния материала и температуры. Для кованых прутков вольфрама предел прочности после рекристаллизации меняется в зависимости от температуры испытаний от 141 кгс/мм² при 20°С до 15,5 кгс/мм² при 1370°С. Полученный методом порошковой металлургии вольфрам при изменении температуры от 1370 до 2205° С имеет =22,5 6,3 кгс/мм². Прочность вольфрама особенно увеличивается в процессе холодной деформации. Проволока диаметром 0,025 мм имеет предел прочности 427 кгс/мм² [57].

Твердость деформированного технически чистого вольфрама HB 488, отожженного HB 286. При этом такая высокая твердость сохраняется вплоть до температур, близких к точке плавления, и в значительной степени зависит от чистоты металла.

Модуль упругости приближенно связан с атомным объемом температуры плавления

где - абсолютная температура плавления; - атомный объем; К - константа.

Отличительной особенностью вольфрама среди металлов является также высокая объемная деформация, которая определяется из выражения

где Е - модуль упругости первого рода, кгс/мм²; µ - коэффициент поперечной деформации.

Табл. 3 иллюстрирует изменение объемной деформации для стали, чугуна и вольфрама, рассчитанной но приведенному выше выражению.

Пластичность технически чистого вольфрама при 20⁰С составляет менее 1% и растет после зонной электронно-лучевой очистки от примесей, а также при легировании его добавкой 2% окиси тория. С увеличением температуры пластичность повышается.

Большая энергия межатомных связей металлов групп IV, V, VIА определяет их высокую прочность при комнатной и повышенных температурах. Механические свойства тугоплавких металлов существенно зависят от их чистоты, способов получения, механической и термической обработки, вида полуфабрикатов и других факторов.

Таблица 3

Большая часть сведений о механических свойствах тугоплавких металлов, опубликованных в литературе, получена на недостаточно чистых металлах, так как плавку в условиях вакуума начали применять сравнительно недавно.