第6章-超精密加工材料

第6章超精密加工材料6.1概述6.1.1超精密加工对材料的基本要求化学成分：应准确、质地均匀、无杂质；10-2～10-3数量级物理力学性能：稳定、一致，无外部和内部微观缺陷；（拉伸强度、硬度、伸长率、弹性模量、热导率、膨胀系数等）应达到10-5～10-6数量级。加工工艺性能：冶炼、铸造、轧碾、热处理等工艺过程要严格控制。6.1.2超精密加工材料的分类黑色金属精密合金金属材料非金属材料钢超精密加工材料的分类有色金属铸铁铝合金铜合金弹性合金膨胀合金热双金属有机高分子材料无机非金属材料复合材料塑料橡胶胶黏剂涂料石英宝石石材金刚石工程陶瓷使用性能：材料在使用过程中所表现的性能。包括力学性能、物理性能和化学性能.工艺性能：材料在加工过程中所表现的性能。包括铸造、锻压、焊接、热处理和切削性能等。6.2工程材料方面诸因素对切削加工性的影响6.2.1物理、化学性能对切削加工性的影响材料在外力的作用下将发生形状和尺寸变化，称为变形。外力去处后能够恢复的变形称为弹性变形。外力去处后不能恢复的变形称为塑性变形。静拉伸试验（1）硬度和强度硬度－材料抵抗表面局部塑性变形的能力。（布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度）强度－材料在外力作用下抵抗变形和破坏的能力。（屈服强度、抗拉强度、抗弯强度、抗剪强度、抗扭强度）金属材料的硬度和强度越高，则切削力越大，切削温度越高，刀具磨损越快，故其切削加工性越差。并不是材料的硬度越低，越好加工。有些金属的硬度虽低，但是塑性很高，不好加工。硬度适中的钢材较好加工。适当提高材料的硬度，有利于获得较好的加工表面质量。（2）塑性材料受力破坏前可承受最大塑性变形的能力。指标为：%100010FFF断面收缩率：断裂后拉伸试样的颈缩现象%100001lll伸长率：通常材料的塑性越高，越难加工。（3）冲击韧性（是指材料抵抗冲击载荷作用而不破坏的能力）材料的韧性越高，则切削时消耗能量越多，切削力和切削温度较高，不易断屑，故切削加工性较差。冲击功：表征金属材料冲击韧性高低的指标是冲击功，也就是材料在断裂前所吸收的能量。根据试样缺口的不同，冲击吸收功用AKV和AKU表示，单位为焦耳，数值可从试验机的刻度盘上读出。冲击吸收功的值越大，材料的韧性越大，越可以承受较大的冲击载荷。（5）导热性被加工材料的导热系数越大，则由切屑带走的热量越多，有利于降低切削区的温度，故切削加工性较好。（6）其他物理力学性能线膨胀系数大的材料，加工时热胀冷缩，工件尺寸变化很大，故不易控制精度。弹性模量小的材料，在已加工表面形成过程中弹性恢复大，易与刀具后面发生强烈摩擦。（7）材料的化学性质切削镁合金时，粉末状的碎屑易于氧化发生燃烧。切削钛合金时，高温下易从大气中吸收氧、氮、形成硬而脆的化合物，使切屑成为短碎片，切削力和切削热都集中在刃口附近，从而加速了刀具的磨损。6.2.2化学成分对切削加工性的影响碳：含碳量为0.35％～0.45％的中碳钢，切削加工性较好。猛：增加含锰量，则钢的硬度、强度较高，韧性下降。一般含锰量在0.7％～1.0％时加工性较好。硅：当含硅量小于1％时，钢在提高硬度的同时塑性下降很少，对切削加工性略有不利。当在钢中形成硬质夹杂物SiO2时，使刀具磨损加剧。铬：铬能在铁素体中固溶，又能形成碳化物。当含铬量小于0.5％时，对切削加工性的影响很小。含铬量进一步加多，则钢的硬度、强度提高，切削加工性有所下降。镍：镍能在铁素体中固溶，使钢的硬度和韧性均有所提高，导热系数降低，使切削加工性变差。当含镍量大于8％后，形成了奥氏体钢，加工硬化严重，切削加工性更差了。：钼：钼能形成碳化物，能提高钢的硬度，降低塑性。含钼量在0.15％～0.4％范围内，切削加工性略有改善。大于0.5％后，切削加工性降低。钒：钒能形成碳化物，并能使钢的组织细密，提高硬度，降低塑性。当含量增多后使切削加工性变差，含量少时对切削加工性略有好处。铅：铅在钢中不固溶，而呈单相微粒均匀分布，破坏了铁素体的连续性，还有润滑作用，能减轻刀具磨损，使切屑容易折断，有效改善了切削加工性。硫：硫在钢中常以FeS形式存在，使钢具有热脆性。但能与钢中的锰化合成非金属夹杂物MnS，呈微粒均匀分布，MnS的塑性好，且有润滑作用，破坏了铁素体的连续性而降低了钢的塑性，故能减小钢的加工变形，提高已加工表面质量，改善断屑，减小刀具磨损，从而使切削加工性得到显著提高。磷：它存在于铁素体的固溶体内。钢中含磷量增加，使强度、硬度提高，塑性、韧性降低。当含磷量达到0.25％时，强度、硬度略有提高，伸长率降低不多，但冲击值显著下降，使钢变脆。故含磷量如控制在0.15％以下，可通过“加工脆性”而使钢的切削加工性改善。当含磷量大于0.2％时，脆性过大而使切削加工性变劣。氧：钢中还有微量的氧，能与其他合金元素化合成硬质夹杂物，如SiO2、Al2O3、TiO2等，对刀具具有强烈擦伤作用，使刀具磨损加剧，降低了切削加工性。氮：在钢中会形成硬而脆的氮化物，使切削加工性变差。6.2.3热处理状态和金相组织对切削加工性的影响铁素体：碳溶解于α－Fe中所形成的固溶体为铁素体。铁素体中含碳量很少，故其性能接近于纯铁，是一种很软而有很韧的组织。切削铁素体时，刀具产生冷焊磨损，而且容易产生积屑瘤，使加工表面质量恶化，故铁素体的加工性并不好。通过热处理（正火）或冷作变形，提高其硬度，降低其韧性，可使其切削加工性得到改善。渗碳体：碳与铁互相作用形成的化合物Fe3C称为渗碳体。渗碳体硬度很高，塑性极低，强度也很低。钢中渗碳体含量较多，则刀具被擦伤和磨钝很严重，使切削加工性恶化。通过球化退火，使网状、片状的渗碳体变为小而圆的球形组织混在软基体中，使切削变容易，改善了钢的切削加工性。钢的金相组织有：铁素体、渗碳体、珠光体、索氏体、托氏体、马氏体、奥氏体等珠光体：由铁素体和渗碳体组成的共析物称为珠光体。通过热处理（退火、调质），可将层片状珠光体转变为球状珠光体。由于珠光体的硬度、强度和塑性都适中，当钢中珠光体和铁素体数量相近时，其切削加工性良好。索氏体和托氏体：是铁素体和渗碳体的混合物，不过比珠光体要细得多。索氏体是细珠光体组织，硬度和强度比一般珠光体高，而塑性有所降低，托氏体是最细的珠光体组织，硬度和强度进一步提高，塑性进一步降低。马氏体：碳在α－Fe中的过饱和固溶体称马氏体，是奥氏体组织以极快的速度冷却时形成的。马氏体呈针形分布，具有很高的硬度和抗拉强度，但塑性和韧性很低。切削加工性差。奥氏体：碳在γ－Fe中的固溶体称为奥氏体。奥氏体的硬度并不高，但塑性和韧性很高，切削时变形、加工硬化以及与刀面之间的冷焊很严重，切削加工性较差。工业用钢按化学成分分为碳素钢和合金钢两大类。碳素钢是指含碳量低于2.11%的铁碳合金。合金钢是指为了提高钢的性能，在碳钢基础上有意加入一定量合金元素所获得的铁基合金。6.3超精密加工常用金属材料6.3.1钢（1）概述1）钢的分类及编号一、钢的分类1、按化学成分分中碳钢0.25~0.6%C高碳钢0.6%C低碳钢0.25%C低合金钢合金元素总量5%中合金钢合金元素总量5~10%高合金钢合金元素总量10%碳素钢合金钢钢类碳素钢合金钢PSPS普通质量钢≤0.045≤0.045≤0.045≤0.045优质钢≤0.035≤0.035≤0.035≤0.035高级优质钢≤0.030≤0.030≤0.025≤0.025特级优质钢≤0.025≤0.020≤0.025≤0.0152、按质量分钢的质量是以磷、硫的含量来划分的。分普通质量钢、优质钢、高级优质钢和特级优质钢.根据现行标准，各质量等级钢的磷、硫含量如下：3、按用途分工程用钢建筑、桥梁、船舶、车辆渗碳钢调质钢弹簧钢滚动轴承钢耐磨钢机器用钢结构钢刃具钢模具钢量具钢工具钢不锈钢耐热钢特殊性能钢挤压模具齿轮刀具二、钢的编号我国钢材的编号是采用汉语拼音字母、化学元素符号和阿拉伯数字相结合的方法。采用汉语拼音字母表示钢产品的名称、用途、特性和工艺方法时，一般从代表钢产品名称的汉字的汉语拼音中选取第一个字母.常用钢产品的名称、用途、特性和工艺方法表示符号（GB/T221—2000）名称符号位置名称符号位置碳素结构钢Q头桥梁用钢q尾低合金高强度钢Q头锅炉用钢g尾易切削钢Y头焊接气瓶用钢HP尾碳素工具钢T头车辆车轴用钢LZ头(滚珠)轴承钢G头机车车轴用钢JZ头焊接用钢H头沸腾钢F尾铆螺钢ML头半镇静钢b尾船用钢国际符号镇静钢Z尾汽车大梁用钢L尾特殊镇静钢TZ尾压力容器用钢R尾质量等级A.B.C.D.E尾1、碳素结构钢和低合金高强度钢Q+最低屈服强度值+质量等级符号+脱氧方法符号Q表示“屈服强度”；屈服强度值单位是MPa；质量等级符号为A、B、C、D、E。由A到E，其P、S含量依次下降，质量提高。脱氧方法符号:沸腾钢—F；镇静钢—Z；半镇静钢—b；特殊镇静钢—TZ。如碳素结构钢牌号表示为Q235AF、Q235BZ。钢板低合金高强度结构钢都是镇静钢或特殊镇静钢，其牌号中没有表示脱氧方法的符号。如Q345C。根据需要，低合金高强度结构钢的牌号也可以采用两位阿拉伯数字(表示平均含碳量的万分之几)和化学元素符号，按顺序表示，如16Mn。*说明：通常情况下，屈服强度值小300MPa时为碳素结构钢，大于300MPa时为低合金高强度钢。热连轧钢板齿轮加工方钢2、优质碳素结构钢牌号用两位数字表示。这两位数字表示钢平均含碳量的万分之几。如45钢—平均含碳量为万分之四十五(即0.45%)的优质碳素结构钢。钢带*说明：①含Mn量为0.7~1.0%时，在两位数字后加元素符号“Mn”，如40Mn。②对于沸腾钢和半镇静钢,在钢号后分别加字母F和b，如08F、10b。③高级优质钢在钢号后加字母A，如20A。钢管3、合金结构钢和合金弹簧钢两位数字（表示平均含碳量的万分之几）+合金元素符号+该元素百分含量数字+……当合金元素的平均含量小于1.50%时，只标元素符号，不标含量；当合金元素的平均含量为1.50~2.49%、2.50~3.49%、3.50~4.49%、4.50~5.49%、……时，在相应的合金元素符号后标2、3、4、5……等数字。如20CrNi3。高级优质钢在牌号后加字母A，如60Si2MnA。特级优质钢在牌号后加字母E，如30CrMnSiE。不锈钢制管板式换热器所有合金钢的合金元素量标法相同4、工具钢⑴碳素工具钢T+数字T表示“碳素工具钢”；数字表示平均含碳量的千分之几.如T8—其平均含碳量为千分之八(0.8%C)。*说明:碳素工具钢都是优质以上质量的。高级优质钢在钢号后加“A”，如T8A。丝锥锉刀⑵合金工具钢含碳量+合金元素符号+该元素百分含量+……当含碳量小于1.00%时，含碳量用一位数字标明，这一位数字表示平均含碳量的千分之几，如8MnSi.当含碳量大于1.00%时，不标含碳量。*高速钢不标含碳量，如W6Mo5Cr4V2(含0.85%C).**含铬量小于1%时，在含铬量(以千分之一为单位)前加数字“0”，如Cr06。铣刀5、轴承钢G+Cr+铬含量(不标含碳量)“G”表示“滚动轴承钢”。*铬含量以千分之一为单位.如“GCr15”的平均含铬量为1.5%。渗碳轴承钢牌号的表示方法与合金结构钢相同，仅在牌号头部加字母“G”，如“G20CrNiMo”。6、不锈钢和耐热钢含碳量+合金元素符号+该元素百分含量+……含碳量以千分之一为单位。含碳量的表示方法为：①当平均含碳量≥1.00%时，用两位数字表示，如11Cr17(平均含碳量为1.10%)；涡轮叶片②当1.0%平均含碳量≥0.1%时,用一位数字表示,如2Cr13（平均含碳量为0.20%）③当0.1%含碳量上限0.03%时,以“0”表示，如0Cr18Ni9（含碳量上限为0.08%）④当0.03%≥含碳量上限0.01%时（超低碳）,以“03”表示，如03Cr19Ni10(含碳量上