（机械制造及其自动化专业论文）难加工材料金属钽的精密镜面加工工艺技术研究.pdf

摘要 摘要 难加工材料金属钽的用途广泛，但其机械加工的工艺性不好，在精密镜面 加工上存在困难。一直以来机械加工的精度较低，表面粗糙度只能达到微米级， 限制了它在国防军工业等特殊领域的应用。为解决这一难题，论文从研究材料 的性能入手，探索了e l i d 磨削应用于钽加工的可行性，并对钽的精密镜面加 工工艺及其工艺参数进行了探索和优化，作了以下具体的研究工作： 首先，从研究材料的性能入手，分析了钽的工艺性和经济性，并对其进行 了评价。 其次，研究了难加工材料金属钽的精密镜面加工机理，包括e l i 3 磨削机 理、砂纸研磨机理和机械研磨机理。分析了e l i d 磨削技术应用于钽的精密镜 面磨削的特征。进行了砂纸研磨机理和游离磨料机械研磨机理的研究，为钽的 精密镜面加工的工艺探索、工艺参数的优化奠定了理论基础。 随后，进行了钽的精密镜面加工工艺的探索与优化从钽的性质入手，通 过大量的实验进行了工艺及参数的优化，获得了难加工材料金属钽的精密镜面 加工工艺依次采用e l i d 磨削、砂纸研磨和机械研磨的复合方法，使用该 工艺可以获得表面粗糙度值为r a 0 0 2 5 i 】t m ，r z 0 1 3 6 “m 的加工表面。 最后，对影响钽的精密镜面加工质量的主要因素进行了分析，对指导实践 有着积极的意义。影响精密镜面加工质量的主要因素有工件材科的性质、磨科、 研磨液、研磨工艺参数以及e l i d 磨削和砂纸研磨。针对具体材料，由于材料 的特性已经确定，各影响因素对精密镜面加工质量的影响程度大小依次为：磨 料、研磨工艺参数、研磨液、e l i d 磨削和砂纸研磨。 关键字难加工材料；钽；精密镜面加工；e l i d ；研磨 a b s u a c t l i | 曼皇鼍皇舅舅皇曼曼曼詈詈| | 一 a bs t r a c t t a n t a h m ai sav l n l l l i l cm c - l t f r a e t o r y - m e t a lu s e di n m a n ya p p f i c a t i o m f o rt h e p e r f o r m a n c zo f m a e h i a i n gi sn o ts og o o d t h ei m i s i o nm i r r o rm a e h i l f i n gf o rt a n t a l u mi sf u uo f d i f f i e u l l i e s i tb e l o n g st oh a r d - t o - c u tm a m r i a l t h ec o n v e n t i o n a lm a n u f a e t u 血gm e t h o dc a n o t 托o e i v cah i 【曲m a c h i n i n g 觚a a c y ，a n dt l a es u r f a c er o g l a n 哪o l l l yr e c e i v e sm i c r o d i m e n s i o n s ot h ea p p f i e a t i o ni sc o n f i n e di nm a n ys l * e i a lf i e l d ss u c h m i l i t , 口yi n d u s t r y , a v i a t i o ni n d u s t r y , e t c i no r d e rt os o l v e 血i sp r o b l e m b a s e do nt h ep r o p 耐c so ft a n t a l u m t h ef e a s i b i l i t yo fe l i d g r i n a i n gf o rt a n t a l u mh a sb o e a 矗e 正m o r e o v e r , t h ep r e c i s i o nm 嘶m a c h i n i n gt e e l m o l o g yo f t a n t a l u mh a sb e e nc a r r i e do l a t a n dt l a cp r o c e s s i n gp a r d m e t e ah a v eb e e n 叩缸i z c d w e l ls ot h e a u t l a o r h a 8d o n ea sf o l l 0 w ： f i r s t l y , t h ep r o p c l l j 鹤o f t a n t a l u mk a y cb e e nr c a r e h e d t h e n t h ep r o c e s s i n gp r o p e r t ya n d l h c , o l l o m i cc o s to f t a n t a l u mh a v eb 蛳a m l y z e da n de v a l u a t 缸 s e c o n d l y , t h ep r e c i s i o nm i r r o rm a e h i n l n gn a e e h a n i s mo ft a n t a l u mh a sb e e ns t u d i e d i t i n c l u d e sf l i d g r i n d i n gm e e l a a n i s ma n d 丘a b r a s i v e sm a e l a i n i n gm e e l a a n i s nf i r s t l y , t h e g r i n d i n gd k a c t e f i s 缸o ft a n t a l u md m i n gt h ee l k ) g r i n d i n gh a sh e n n aa m l y z , x 1 t h e n , t h e a b r a s i v e sp a p e rl a p p i n gm e c h a n i s ma n dt h ef l e ea b n i s l a p p i n gm e e l u m i s mo f t a n t a l u mh a v e b 铷s t u d i e di no r d e rt oo b l l l i nt h ep r i n d p l cb a s i sf o rl a p p i n gp r o c e s s i n ga n di t s 球m m ”蜘 0 l ，血i 五n 吕 1 1 l e nt h et e e l m i q u et r i a la n dp r o e e a s i o gp a r a m e t e r so p t i m i z a t i o nh a v eb e e nc a r r i e do u t b a s e do nt h cp r o l 刎c so ft a n t a l u ma n dl o t so ft c e l m i e a le x p e r i m tf o rp r o c e s so p 6 m i 爿n g w c h a v ed “c l o p e x lap r e c i s i o nm i r r o rm a e h i n i l a gp l l o c c t l sf o rt a n t a l u mb ya p p l y i n gs y n t h e t i c a l l y e l i d 粤- t d i n ga n dt h ea b r a s i v e sp a p e rl a p p i n ga n df 1 a b r a s i v e sm e c h a n i c a ll a p p i n gm e t h o di n t u r n a n do b t a i n e dad e s i r e ds 1 f a e cw i l hs l l t f a c l ：r o u g h n e s sr ao 0 2 5 1 a m , r z o 1 3 6 1 t i nb yu s i n g 血cp r o e e m i n ga n do p t i m i z e dp a r a m e t e r s 1 = i m l l y , w ea a l y s c dt h em a i ni n t l u a a e i n gf a c t o ro fl n i s i o um i r r o rf a b r i c a t i o nq u a l i t yf o r t a n t a l m n t h em a i ni n t t l m a e i l l gf a c t o ri n c l u d et l a ep r o p e r t i e so fw o r l q p i e ，a b r a s i v e , l a p p i n g l i q u i d , l a p p i n gp r o c e s sp a z a m e t c b e l i dg r i n d i n ga n da b r - a , s i v c 8p a p e rl a p p i n g a st od e 丘d i 姆 m 硎吐t h ep r o l t l l i c so f t h em a t e r i a l 叭缸缸a m o n gt h ef a c t o r s ，t h ei n f e e d o nd e g r e er a n kf o r p l e c i s i o nm i r r o rf a b r i e a l i o nq u a l i t yf r o mi m p o r t a n tt om i n o ra sf a l l o w s ：a b 矗咖1 a p p i n gp r o c e s s l x a r a m e t e r s ，l a p p i n gl i q l l i d ，e l i dg r i n d i n ga n d a l m s i v c s k e y w o r d sh a r d 4 0 - c u ti n a t e r i a kt t a h m a ；p r e c i s i o nm i r r o rm a e h l 1 g ；e l i d ；t a p p i n g 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：司堑牝日期：翟啤崞 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，l i p ：学校有 权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅：学校可以公布论文的全部 或部分内容。可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 躲搦耻址导师躲址隰中r 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 难nt 材料的发展 材料是工业技术发展的基础，也是工业设计优先考虑的因素。所谓难加工 材料是对切削加工性差的材料的统称。难加工材料的刀具切削性差，切削过程 中的切削力加大，切削温度升高，刀具耐用度下降。有时还将使已加工表面质 量恶化，切屑难以控制，最终则使加工效率和加工质量降低。难加工材料的可 磨性也不好，磨削效率低，不易保证加工质量。材料难加工的原因主要是由于 有的硬度高、脆性大，如工程陶瓷等；有的韧性大或延展性好，如钽、奥氏体 不锈钢和某些模具钢；有的化学性质活泼，如钛合金等；有的高温强度高，如 镍基耐热合金等；还有的结构特殊，往往在延性基体中弥散存在大量的硬质点 相，且各相间的化学、机械性能差异很大，如钢结硬质合金等。 近年来，随着航空航天工业、核工业、兵器工业、化学工业、电子工业以 及现代化机械工业的发展，对产品零部件材料的性能有着各种各样的高水平要 求。有的在高温、高应力状态下工作；有的要耐腐蚀、耐磨损；有的要能绝缘； 有的则需有高导电率等。相应地促进了材料工业的不断发展，各种适应高科技 的、具有独特性能的新型材料不断涌现，并且得到了日益广泛的应用。在形形 色色的新材料中不乏有各种高强度钢、超高强度合金结构钢、高猛钢和不锈钢： 合金耐磨铸铁和冷硬铸铁；钛合金等高温合金；各种中硬钢和淬硬钢；复合材 料以及各种非金属材料，如石材、陶瓷、工程塑料、纤维和颗粒增强的复合材 料等。众多新材料具有优异的机械物理性能，但由于材料结构、性能的特点， 切削加工时遇到许多困难，它们大都属于难加工材料。 1 2 难加工材料加工技术的发展 伴随着大量新材料的广泛应用，对这些材料的制造技术及加工技术提出了 更新的要求。难加工材料的加工技术已引起国内外人们的普遍的关注。难加工 材料的加工技术包括有传统的机械加工、磨削加工、非常规切削加工和特种加 工。传统的机械加工主要是利用刀具对难加工材料进行切削加工，包括车削、 铣削和镗削等。从6 0 年代起，美国、德国、瑞典以及英国等国家都先后建立了 切削数据的研究和服务中心，针对难加工材料的切削用量，几何参数等进行了 大量的试验研究，经过二十年的努力，现在已能提供成熟的切削数据。八十年 代末到九十年代初，出现了许多新型难加工材料，因此人们开始了对新型难加 北京工业大学工学硕士学位论文 工材料的研究。日本学者高津雄光对难加工材料进行了研究，指出切削难加工材 料时，必须充分了解材料的成分和性能，以及刀具材料的性能，才能取得良好 的效果；俄罗斯伏尔加汽车厂，曾使用超硬材料刀具车、镗、铣难加工汽车零 件，取得了合理的切削用量；前苏联学者对难加工材料因瓦合金( i n v a r ) 的切削 加工进行了研究，提出为了改善因瓦合金的加工性能，一般都加入o 1 0 4 $ e 元 素，制成易切削因瓦合金，切削起来比较容易；日本中野文昭对因瓦合金的切 削加工也进行大量的试验研究，指出为改善因瓦合金的切削性能，可把因瓦合 金放到磁场中进行加工，试验结果证明有效地抑制了积屑瘤的粘附，减小了切 削力，刀具颤振受到抑制，刀具寿命提高了0 2 0 5 倍，并改善了表面租糙度， 因而改善因瓦合金的切削加工性能。 我国在难加工材料方面的研究起步较晚，近几年，取得了很大成就但与国 外先进国家相比差距较大。沈阳发动机制造公司曾在航空难加工材料方面作出 研究；北京重型机械厂通过对6 2 s i 2 m n 高强度钢进行了切削试验，认为要获得 较高的生产率，须用高性能的新型刀具材料；北京理工大学对高锰钢进行车削 试验，探讨了刀具材料，几何参数及切削用量变化规律；合肥工业大学李旗号 等对高硬度镍基喷焊合金进行切削加工试验，确定了刀具合理的几何参数，得 出了刀具耐用度与切削用量的关系式；山东工业大学黄传真对难加工材料g h 9 9 进行了切削加工实验，研究了切削速度和进给量对刀具磨损的影响，并对切削 条件进行了优化i 武汉理工大学张远志对不锈钢及高温合金进行了切削实验， 并通过实验对切削条件进行了研究，为有效切削同类难加工材料提供了参考； 南京航空学院切削加工研究所研究了难切削材料的切屑处理问题，通过切削加 工实验，得出影响切屑处理的主要因素，并提出了正确设计或合理选用刀片槽 宽的计算公式：西安空间无线电技术研究所范铁军，对精密因瓦合金薄壁件制 造工艺进行了研究，并设计了工艺方案流程图，为薄壁因瓦合金件的切削提供 了可行性的加工方法；北京空间机电研究所的邢绍美对4 j 3 2 低膨胀合金及其工 艺性进行了研究，初步掌握了4 j 3 2 的切削规律；彩虹彩色显象管总厂王建平对 因瓦合金阴罩的加工工艺进行了研究，该工艺己成功的应用于因瓦合金彩管的 制造中，为彩管高精细化和大屏幕化的发展，打下了制造技术的坚实基础；太 原机械学院庞学慧对铸造镍基合金切削加工进行了实验研究，得出了切削镍基 合金的最佳的刀具几何参数、切削用量及刀具的磨损规律；彩虹集团技术中心 窦秀英对因瓦合金阴罩退火技术进行了研究，确定了因瓦合金阴罩的退火工艺 规范，为因瓦合金的热成型技术打下了良好的理论基础。 由精密加工发展起来的磨削加工技术，已成为了加工技术的一个重要分支。 随着磨削技术的发展，在当今的钛合金、高温合金、超高强度钢、不锈钢及高 温结构陶瓷等难加工材料的磨削中，特别在成形表面的加工中，磨削是一种非 一2 一 第l 荦绪论 常有效的加工方法。特别是在线电解修锐法简称e l l 3 ( e l e c t r o l y t i ci n - p r o c e s s d r e s s i n g ) 法出现，成功地解决硬脆材料的精密镜面加工难题。它是近年来金属 结合剂类超硬磨料修整技术的一项新成就，是由日本理化研究所大森整教授研 制成功的。e l i ) 磨削的应用范围几乎可以覆盖所有的工件材料。利用e l i d 法 磨削硅片或其它超硬( 硬脆) 材料，目前可达到镜面的效果。e l d 最适合于加 工平面。它也被用于加工其他几何形状如球面、柱面和环面等。e l i d 磨削的生 产率远远超过常规的抛光加工，故在许多应用场合取代了抛光工序。按镜面的 不同要求，可用于部分取代抛光或把抛光的时间降到最低的水平。 我国以哈尔滨工业大学袁哲俊教授为首的e l i d 课题组于1 9 9 3 年开始了对 该项技术的研究工作，现已成功地在平面、内圆和外圆磨床上实现了多种难加 工材料的精密镜面磨削。日本以东京理化研究所大森整为代表的精密e l i d 研 究学会也进行了非球曲面，球形曲面的精密磨削加工实验，取得了不错的效果， 在世界上处于领先地位。他们所磨削的球形镜面以应用于离子对撞机。此外， 他们也进行了精密成型磨削的实验，如矩形沟槽的成型磨削，圆弧沟槽的磨削 等【9 】。 随着各种新技术、新能源载体的引入，各种新型非常规加工方法和特种加 工方法不断涌现并迅速应用于生产。非常规的切削方法有：包括等离子体加热、 激光辅助的热态加工、导电加热切削的加热切削；低温切削；振动切削；真空 切削；在惰性气体保护下切削；高效切削；绝缘切削；带磁切削。特种加工， 泛指用电能、化学能、声能、热能、光能、电化学能及特殊机械能等能量达到 去除或添加材料的加工方法。特种加工技术主要有电火花加工、电解加工、超 声波加工、激光加工、电子束加工、离子束及等离子束加工、等离子弧加工、 光化学加工等。 难加工材料加工技术的发展趋势是：改善材料的切削性能，不断采用高性 能的新刀具材料，优化切削条件；采用非常规的新切削方法和特种加工方法， 由于非常规和特种加工方法拥有普通机械加工所无法比拟的独特优势，具有广 阔的应用前景和极大的发展潜力，目前正朝着多样化、复合化方向发展，利用 特种加工易于实现自动化、自适应控制的特点，将特种加工技术和数控、计算 机技术等相结合，不断提高集成度，发展高精度、高表面质量、高效率的超大 型、超微细、超精密特种加工机床和加工中心。 1 3 课题的来源及意义 本课题来源于中国工程物理研究院对钽( t a 3 3 3 ) 的加工要求。该材料被 用在国防军工业等特殊领域，但是在其精密镜面加工上存在困难一直以来机 北京工业大学工学硕士学位论文 械加工的精度较低，表面粗糙度只能达到微米级，限制了它的应用。本课题正 是为解决这一难题，进行其精密镜面加工工艺的研究。 钽属于稀有难熔金属，具有比重大、熔点高、沸点高、强度高、抗疲劳、 抗变形、抗腐蚀、导热、超导、单极导电及吸收气体等优良特性。钽所具有的 特性，使它的应用领域十分广阔。钽及其合金在机械、电子、冶金、化学和医 学上得到了广泛的应用。近年来，钽及其合金更是在国防工业中得到广泛的应 用。同样由于钽的特性，使得对它们的机械加工，特别是精密、超精密镜面加 工，显得尤为困难，限制了材料的应用。钽属于难加工材料，和其它新型难加 工材料一样，目前对其精密镜面加工还没有成型的工艺，为了实现对它的精密 镜面加工，需要针对该材料的特性，利用目前的各种先进的制造加工技术，进 行精密超精密镜面加工工艺的探索。因此，为了进一步促进钽材等新型难加工 材料的应用，研究它们精密镜面加工工艺显得尤为重要。 e l i d 精密镜面磨削工艺是近年来发展起来的一种先进的精密、超精密磨削 工艺技术，该技术具有效率高、精度高、表面质量好、加工装置简单及加工材 料适应性广等特点，被国际最权威的制造技术组织c 冲评价为“2 1 世纪的 超精密加工技术”。研磨则是传统的、历史悠久的精密加工方法，研磨加工精度 高，表面质量好，可适用于各种材料的精密、超精密加工。为此，研究基于在 线电解修整的加工技术以及精密研磨技术在钽的精密镜面加工中的应用具有意 义重大。 1 4 论文的主要研究内容 根据国家自然科学基金项目的要求，本论文利用e l i d 精密镜面磨削技术 以及游离磨料精密研磨技术，以难加工材料金属钽作为实验研究对象，研究了 难加工材料金属钽的e l i d 精密镜面加工机理以及精密镜面加工工艺。 本论文的主要研究工作包括以下几个方面： 首先，从研究材料的性能入手，分析了钽的工艺性和经济性，并对其进行 了评价。 其次，研究了难加工材料金属钽的精密镜面加工机理，包括e l i d 磨削机 理、砂纸研磨机理和机械研磨机理。 第三，进行了难加工材料金属钽的精密镜面加工工艺的探索与优化，进行 了精密镜面加工工艺实验。 最后，对影响难加工材料金属钽的精密镜面加工质量的主要因素进行了分 析，对指导实践有着积极的意义。 - 4 一 第2 章难加工材料金属钽的性能与评价 第2 章难加工材料金属钽的性能与评价 材料是工业技术发展的基础，也是工业设计优先考虑的因素。材料、能源 和信息技术是现代文明的三大支柱。从现代科学技术发展史中可以看出，每一 次重大的新技术的发现，往往都依赖于新材料的发展。目前世界上传统材料已 有几十万种，同时新材料的品种正以每年大约5 的速度在增长。特别是随着一 些国防尖端技术的飞速发展，各种适应高科技的、具有独特性能的新型材料不 断涌现，并且得到了日益广泛的应用。这些新材料的特点是高性能化、商功能 化、高复合化。伴随着大量新材料的广泛应用，对这些材料的制造技术及加工 工艺提出了更新的要求。由于大多数新型材料成形往往不能直接运用，还需要 进行迸一步的加工。而在这些材料难以用传统的加工方法或直接利用现有的工 艺技术去实现对它加工，它们大都属难加工材料，有的硬度高、脆性大，如工 程陶瓷等；有的韧性大或延展性好，如奥氏体不锈钢和某些模具钢；有的化学 性强，如钛合金等：有的高温强度高，如镍基耐热合金等；还有的结构特殊， 往往在延性基体中弥散存在大量的硬质点相，且各相间的化学、机械性能差异 很大，如钢结硬质合金等。在材料的精密超精密加工中碰到的困难，限制了这 些优质材料的应用。因此，工程技术人员在选用材料时首先要掌握材料的使用 性能( 如力学性能、物理性能和化学性能等) ，同时要考虑材料的工艺性能和经 济性。材料的力学性能、物理性能和化学性能等有材料的原材料成分、制备工 艺等因素来实现，制备成形后的材料力学性能、物理性能和化学性能等有影响 着材料的机械加工工艺性能。要实现对材料的选择及加工，必须先要了解材料 的性能及用途，对材料进行评价。 2 1 材料钽的性能 钽，原子序数7 3 ，原子量1 8 0 9 4 7 9 ，元素晶体结构为体心立方。元素名来 源于古希腊神话中宙斯之子的名字。1 8 0 2 年瑞典化学家爱克柏格( a g e k e b e r g ) 在钽铁矿中发现这一元素，1 9 0 3 年俄国化学家博尔顿分离出纯钽。钽是一种稀 有金属，在地壳中的含量为0 0 0 0 2 ，在自然界中常与铌共存。主要矿物有钽 铁矿、细晶石等。钽有两种天然同位素：钽1 8 0 、1 8 1 。钽与锂、铍、铌是稀有 金属主要品种，用途甚广。在稀有金属分类中，锂、铍为稀有轻金属；铌、钽 为稀有难熔金属。金属钽是一种略呈蓝色的浅灰色金属，由于具有许多奇异的 特性，有着广泛的应用领域，因此。被誉为“金属王国”的多面手。 北京工业大学工学硕士学位论文 2 1 1 材料的使用性能 材料的使用性能包括力学性能、物理性能和化学性能等。 材料的力学性能是指材料在外力的作用下所表现出来的抵抗能力。常用的 指标有强度、塑性、硬度、冲击韧性、疲劳极限和断裂韧性等，常称为机械性 能。钽是灰白色的金属，加热到4 0 0 3 2 呈天蓝色，6 0 0 时呈灰色，温度再升高 时表面形成一层白色的氧化膜。硬度相对一般塑性材料较高，但与其它材料相 比，硬度不高，约为2 8 h r c 3 0 h r c ( 约2 8 0 i - i b s 3 0 0 i - i b s ) 。钽的质地相当坚 硬，强度很高，且极富延展性。在试验温度为2 l 时，抗拉强度为3 1 5 1 ( 皿n 2 ， 屈服强度为2 4 5 k g f m m 2 ，伸长率为3 5 ，杨氏模量( 2 0 3 2 ) 1 8 5 7 g p a 。 材料的物理性能表示的是材料固有的属性，如密度、熔点、热膨胀性、磁 性、导电性与导热性等。钽的主要物理性能指标为：密度( 2 0 3 2 ) 为1 6 6 9 c m 3 ； 熔点2 9 8 0 3 2 ；沸点5 3 7 0 3 2 ；热导率( 0 h 1 0 0 ) 5 7 5 5 w n “k ；比热容( o 1 0 0 ) 1 4 z i k g k ：电阻率1 3 5 1 0 3 k ) 超导转变临界温度为4 3 8 k ：质量磁化率 + 1 1 6 x l o m 3 k g ；线胀系数( o 1 0 0 ) 6 5 x 1 0 k ；电阻温度系数( o 1 0 0 ) 3 5 1 0 _ 3 k 。 材料的化学性能是指材料在室温或高温下抵抗各种化学介质作用的能力， 一般包括耐腐蚀性与高温抗氧化性等。钽的化学性质特别稳定，常温下不与水 及空气反应，但温度超过1 5 0 时容易发生氧化。尤为突出的是，它具有极高 的抗腐蚀性，能抵抗除氢氟酸以外的一切无机酸包括王水的腐蚀，将其浸入 2 0 0 的硫酸中两年，表面仅被腐蚀0 0 0 6 m m 。实验证明，钽在常温下，对碱溶 液、氯气、溴水、稀硫酸以及其他许多药剂均不起作用，仅在氢氟和热浓硫酸 作用下有所反应。这样的情况在金属中是比较罕见的 2 1 2 材料的工艺性能 工艺性能是指材料在制造机械零件和工具的过程中，采用某种加工方法制 成成品的难易程度，包括铸造性能、锻造性能、焊接性能、热处理性能及切削 加工性能等。材料工艺性能的好坏会直接影响制造零件的工艺方法、质量以及 制造成本。材料的物理、化学性能直接影响到材料的机械加工工艺性能。稀有 难熔金属钽及其合金都属于难加工材料，不能直接采用传统的机械加工工艺， 要结合材料的具体性能进行工艺选择、确定。 2 1 3 材料的经济性 一6 一 第2 章难加工材料金属钽的性能与评价 材料的经济性主要是指该材料的生产制造成本。同其它许多性能卓越的新 型材料一样，钽的经济性不能由它的直接成本比较，而是要决定于其具体的用 途，取决于它的性价比。在化工、电子、电气等工业中，钽可以取代过去需要 由贵重金属铂承担的任务，使所需费用大大降低。 2 2 材料钽的评价 对材料的评价主要是从它的性能上来评价，包括使用性能、工艺性能和经 济性。材料的使用性能决定着材料的用途，其中材料的物理、化学性能又影响 到材料的机械加工性能。而材料的工艺性和经济性又决定着材料的被使用的广 泛程度。因此，对材料坦的评价包括坦的用途、工艺性和经济性三个方面。 2 2 1 钽的用途 稀有难熔金属钽具有比重大、熔点高、沸点高、强度高、抗疲劳、抗变形、 抗腐蚀、导热、超导、单极导电及吸收气体等优良特性。钽所具有的特性，使 它的应用领域十分广阔钽及其合金在机械、电子、冶金、化学和医学上得到 了广泛的应用。近年来，钽及其合金更是在国防工业中得到了广泛的应用。 2 2 1 1 在机械工业方面用途钽和钽合金产品有板材、带材、箔材、棒材、 线材、异型件和烧结制品等。中国在5 0 年代末开始研究钽的冶炼和塑性加工， 6 0 年代中期已能生产钽及其合金的制品。钽能耐高温，强度和刚度良好，且易 加工成形，是制作真空高温炉用发热部件、隔热部件和装料器皿的优质材料。 常用来制作高温真空炉中的支撑附件、热屏蔽、加热器和散热片等。钽还可以 制造高温合金，2 0 世纪6 0 年代，钽合金作为高温结构材料用于航天工业上。 钽的碳化物是制造硬质合金的重要添加剂。硬质合金主要用作刀具、工具、模 具和耐磨耐蚀结构部件，添加碳化钽( t a c ) 可提高其硬度、强度、熔点等性 能。用碳化钽硬质合金制造的刀具，能经受近3 0 0 0 的高温，其硬度可以与世 界上最坚硬的物质金刚石相媲美。钽也用于制造电极、切削工具、真空灯丝， 照相机镜头，喷丝模具、过滤布、人造纤维的拉线模等。 2 2 1 2 在电子工业方面用途钽是电子工业中的重要原料，二十世纪七十年 代末的用量占钽总用量2 3 以上。制造钽电容器是钽的最重要用途，钽粉、钽 丝是制作钽电容器的关键材料。钽的表面能形成致密稳定、介电强度高的无定 形氧化膜。易于准确方便地控制电容器的阳极氧化工艺，同时钽粉烧结块可以 在很小的体积内获得很大的表面积，因此钽电容器体积小、容量大、漏电流低、 使用寿命长、综合性能优异，是最优秀的电容器，不仅在常规条件下比陶瓷、 7 北京工业大学工学硕士学位论文 铝、薄膜等其它电容器体积小、容量高、功能稳定，而且能在许多为其它电容 器所不能胜任的严峻条件下正常工作。由于钽电容器具有其它诸多电容器不可 比拟的优异特性，在微电子科学和表面贴装技术领域，几乎无可等效替代的其 它电容器与之竞争，因此6 0 6 5 的钽以电容器级钽粉和钽丝的形式用于制作 钽电容器。钽电容器已日益广泛应用于通讯( 程控机、交换机、手机、传呼机、 传真机、无绳电话) 、计算机、汽车、家用和办公用电器、仪器仪表、航天航空、 国防军工等领域和科技部门。钽也是制作电子发射管、高功率电子管零件的材 料。此外，钽还可以用来制作制造超短波发射器、真空管、钽整流器、超导元 件的低温管、电子管的热元件和吸气剂等。钽整流器应用在铁路信号系统、电 话交换机和火警信号系统；电子管中的板极、栅极、旁热式阳极等热元件，都 是用钽制造的；计算机工业中的超导元件低温管，也要用钽金属丝：钽还可以 做吸气剂，吸净抽真空后电子管的残留气体，确保电子管的高度真空。 2 2 1 3 在冶金工业方面的用途全世界生产的钽半数以上用于冶金工业，如 钽铜是耐热、耐蚀的超强钢，是火箭、宇宙飞船、喷气式飞机及原子能工业中 不可缺少的特殊材料。钽与碳在一定条件下形成碳化钽，熔点为3 9 0 0 ，硬度 接近金刚石，用其制造的切削工具，可高速切削坚硬的合金，使用寿命比碳化 镁硬质合金长，导热性能好。用铌和钽与钨、铝、镍、钴、钒等一系列金属合 成的超级合金，是超音速喷气式飞机、火箭和导弹等的良好结构材料。此外， 钽还是提炼超强钢、耐蚀钢和耐热钢合金的重要元素，可以提供发展火箭、宇 宙飞船、喷气飞机等空间技术必需的特殊材料。用钽和钨制成的无磁性合金广 泛适用于电气工业，特别是钽和碳组成的碳化钽，具有极大的硬度，即使是高 温条件下和金刚石也不相上下。用它做成的车刀，可高速切削许多坚硬的合金； 用它制成的各种钻头，可以替代最坚硬的合金或金钢石。因此，钽还被认为是 冶炼中的“维生素”。 2 2 1 4 在化学工业方面的用途钽的化学性质特别稳定，常温下除氢氟酸外 不受其它无机酸碱的侵蚀。高温下能溶于浓硫酸、浓磷酸和强碱溶液中，高温 下能与氯、硫、氮、碳等单质直接化合。钽及其钽合金多作为耐腐蚀材料用于 化学工业。常用于制作耐腐蚀的蒸煮器、加热器、冷却器、各种器皿器件等。 在制取各种无机酸的设备中，钽可用来替代不锈钢，寿命可比不锈钢提高几十 倍。钽制的抗腐蚀设备可用于生产强酸、溴、氨等化学工业。金属钽在氧气流 中强烈灼烧可得五氧化二钽，氧化钽用于制造高级光学玻璃和催化剂。由于钽 的化学稳定性可与铂媲美，而价格却只有铂的l ，7 ，因此，人们用钽来代替铂， 在盐酸、硫酸、硝酸、醋酸、过氧化氢、溴、氯气、强碱的生产中用做反应器、 罐、塔、管道、阀门等。 2 2 1 5 在医学方面的用途在现代医学中，钽同样可以发挥重要的作用，钽 第2 苹难加工材料金属钽的性能与评价 可作骨科和外科手术材料。研究证明，钽与人体的骨骼，肌肉组织以及液体直 接接触时，能够与生物细胞相适应，具有极好的亲和性，几乎不对人体产生刺 激和副作用。钽不仅对人体没有任何损害，而且人体的肌肉还可以在上面生长， 医学上称之谓“生物相溶性”，是理想的生物适应性材料。这种“亲生物”的特性 使钽在现代医疗中发挥了重要作用。钽几乎完全不为侵蚀所动，在外科手术中， 对于人体的修补具有莫大的贡献：它能取代骨髂( 例如头盖骨) ；制成箔片或丝 线则能连接断裂的神经；织成网纱可用来包扎腹部的肌肉。钽不仅可用于制作 治疗骨折用的接骨板、螺钉、夹杆等，而且可以直接用钽板、钽片修补骨头和 用钽条来代替因外伤而折断的骨头。钽丝和钽箔可以缝合神经、肌健以及1 5 毫米以上的血管，极细的钽丝可以代替肌腱甚至神经纤维。用钽丝织成的钽纱、 钽网可以用来修补肌肉组织。此外，钽的用处还很多，比如：可以用钽修补、 封闭人体破碎了的头盖骨和四肢骨折的裂缝及缺损；用来制造假耳；同时，还 可以将钽制成比头发丝还要细十分之一的细丝，用作内脏手术使用的缝合线； 嵌入人造眼球。这种钽丝甚至可以替代肌腱和神经纤维。医学家用钽板制成人 造耳朵，安装在头部之后，再从腿上移植皮肤，经过一段时间后，新移植的皮 肤长得很好，使人几乎看不出是一只人造的钽耳朵，仿佛是一只真耳朵；人吸 入钽粉后进行肺部和支气管x 光透视，可准确诊断病情。随着科学技术的发展， 钽在医学界将会有更大的作为。 2 2 1 6 在国防工业方面用途金属钽可作飞机发动机的燃烧室的结构材料， 也作为高温结构材料用于航天工业，如制造火箭喷嘴和航天器零件等。钽钨、 钽钨铪、钽铪等合金用作火箭、导弹和喷气发动机的耐热高强材料以及控制和 调节装备的零件等。钽用于制作航空航天飞机、火箭、潜艇等的发动机部件， 如燃烧室、燃烧导管，涡轮泵等。如w c 1 0 3n b - h n 高温铌基合金是优质宇 航用材料，用作火箭加速器喷管、宇宙飞船推进加力装置和喷管阀门等。钽用 于制作穿甲弹的衬件，该项应用目前主要在美国，是导弹的一种，如t o w 2 b 导弹。钽钨、钽钨铪、钽铪合金用作火箭、导弹和喷气发动机的耐热高强材料 及控制和调节装备的零件等。钽的硼化物、硅化物和氮化物及其合金用作原子 能工业中的释热元件和液态金属包套材料。 2 2 1 7 其它用途钽还可以用来制造高精度的分析法码、避雷针；钽的超导 性能好，是卓越的超导材料：钽表面有美丽的光泽，在珠宝业中可代替黄金制 做首饰；氧化钽是制作钽人工晶体l t 等的原料，l t 晶体是重要的压电、热电 和非线性光学材料，在激光和微声表面波等技术领域中有重要用途；钽还用作 阴极溅射钽涂层、高真空吸气泵钽活性材料以及在医疗器械和工艺美术品中的 应用等。 9 北京工业大学工学硕士学位论文 2 2 2 钽的工艺性能 金属钽具有的许多特性，决定了它的加工工艺方法不同于一般的金属加工工 艺。在机械加工领域，钽的工艺性能不好，属于难加工材料。由于高温时钽易与 碳、气体氢和氧等发生反应，使得其坯料冶制、塑形加工、热处理、焊接、切削 等特别困难。还因其极富延展性，在切削加工时，钽和钽合金容易磨损和粘结刀 具，造成加工困难。 2 2 2 1坯料冶制工艺性钽及其合金坯料可用粉末冶金工艺或熔炼工艺生 产。用热还原法或电解法制得的粉末钽原料，经压制成型后进行真空烧结。烧 结工艺取决于对产品的使用要求。一次烧结( 1 6 0 0 2 2 0 0 c ) 用于生产熔炼用电 极和多孔阳极。二次烧结用于生产锻造、轧制和拉拔等塑性加工用的坯料。两 次烧结之间常进行锻造或轧制，加工率约5 0 。二次烧结温度为2 0 0 0 2 7 0 0 真空自耗电弧和电子束熔炼工艺是制取钽及其合金铸锭的常用方法。电子束熔 炼工艺主要用于钽的提纯，自耗电弧熔炼工艺可制取大直径和合金成分更均匀 的铸锭，自耗电弧熔炼的电极可用烧结棒或电子束熔炼锭制成，熔炼法得到的 铸锭晶粒粗大，常需开坯破碎铸态晶粒以提高塑性。为使钽进一步提纯或制备 单晶可使用电子束区域熔炼法。 2 2 2 2 塑性加工工艺性纯钽的塑性良好，变形抗力小，加工硬化率较小， 各种型材和异型零部件都可用塑性加工方法制得。纯钽在室温下可轧成板材、 带材、箔材、管材和棒材，加工率可达9 0 以上。为减轻氧化，纯钽塑性加工 常在室温或5 0 0 以下进行。钽合金由于强度高和铸锭塑性差，须先在1 2 0 0 以上进行开坯，以后的加工工艺与纯钽相同。开坯的挤压比应大于4 ，锻造比 应大于2 锭坯在加热开坯时，要防止气体污染而使材料塑性下降。为保证产 品有良好冲压和旋压性能，要用交叉轧制。交叉轧制前的加工率应保持在8 0 左右。钽板通过旋压和深冲可制成杯、帽、管、锥体、喷管等不同形状的零件。 供拉丝用的旋锻棒直径一般为2 5 毫米。由于钽质软，易和模具粘结和划伤表面， 拉丝时常先使线材表面经过阳极氧化形成氧化膜，并用蜂蜡润滑。 2 2 2 3 热处理工艺性钽的热处理主要有退火和固溶时效处理。由于钽与氧 的反应活跃，所以必需避开在即使存在少许空气的气氛中进行热处理。几乎所 有的退火都是在高度真空中进行，而且加热炉的气密性也必需很高。钽与其它 的很多金属不同，在热处理前必须非常干净。如不清洗得非常干净，便会发生 由氢、氧、氮及碳造成的表面污染，成为脆化( 硬化) 组织。因为氢、氧、氮及 碳在钽退火的温度范围内是非常活跃的侵入型元素，一旦被这些元素污染，除 了重新熔炼外，别无办法除掉。为防止大气污染，钽合金的热处理必须在l o _ 4 托的真空中或高纯惰性气体中进行，有时甚至需要用钽箔把产品包裹起来。 第2 章难加工材料金属钽的性能与评价 2 2 2 4 焊接工艺性钽在焊接方面存在很多障碍。焊接基本上是在真空室中 进行，但一般难于采用。所以几乎所有的焊接都是在氩和氮气氛手套箱内进行 g t a w 焊接。大型的结构件用氩气或氦气进行超前保护( 焊炬保护) 、随后保护( 带 后保护) 或背面保护进行焊接。利用惰性气体保护，钽的温度必须保持在1 0 0 ”c 以下。焊接前的材料清洁是十分重要的。钽还可和不锈钢、钛合金、镍合金和 碳钢焊接在一起。用高能率成形( 爆炸法) 可使钢和钽复合成双金属，是制造 大型耐蚀设备内衬的有效方法。 2 2 2 5 切削加工工艺性钽的切削非常困难，不能使用普通金属的切削方法。 钽和钽合金容易磨损和粘结刀具，切削由于很容易与氧、氢和碳发生反应，特 别要求切削工具在接触钽时产生的热量要非常少。刀具慢速旋转、进刀尺小及 大量使用切削液是钽切削的诀窍。在切削作业中宜用高速钢刀具，而碳化物刀 具不适合钽的切削，并用四氯化碳等有机溶剂冷却。磨削加工宣用碳化硅砂轮， 研磨和抛光宜采用碳化硅磨料，因氧化铝砂轮易使磨面龟裂。 2 2 3 钽制品的经济性 钽制品的经济性应从制品的生产成本及使用性能的优劣两方面去考虑。经 济性受到制品的资源、加工等因素影响，其主要考核指标应是其性价比。首先， 钽属稀有金属，在地壳中含量约为2 l f f 7 ，比金银含量高，但分布不集中，主 要存在于非洲和南美洲。由于钽和铌的物理化学性质相似，故多共生于自然界 的矿物中，给提炼造成很大的难度，需较高的分离技术。钽冶炼的主要步骤是分 解精矿，净化和分离钽、铌，以制取钽、铌的纯化合物，最后制取金属。矿石 分解可采用氢氟酸分解法、氢氧化钠熔融法和氯化法等。钽铌分离可采用溶剂 萃取法( 常用的萃取剂为甲基异丁酮、磷酸三丁酯、仲辛醇和乙酰胺等) 、分步 结晶法和离子交换法。现在主要采用多级萃取法，以磷酸三丁酯等有机萃取剂 来浓缩钽和铌的氟化物，再用氢氟酸和硫酸处理，才能使钽和铌分离。纯钽是 1 9 0 3 年提炼出来的，1 9 2 2 年投入工业生产。这些决定了钽的生产成本比较高。 其次，从钽的工艺性能来看，由于钽的机械加工工艺性能不好，属于难加工材 料。这使其由毛坯到最终成形的加工比较困难，增加了生产的成本。但是，又 由于钽具有许多新卓越的性能，用途十分广泛，相对其它同类材料来说，它的 成本还是比较低的。从性价比出发，钽制品的经济性好。 2 3 本章小结 本章介绍了难加工材料金属钽的性能，并从钽的用途、工艺性和经济性三 北京工业大学工学硕士学位论文 方面对材料钽进行了评价。论文结合了材料的机械、物理和化学性能，分析了 钽的加工工艺性和经济性。稀有难熔金属钽的用途广泛，但工艺性不好，属于 难加工材料。 第3 章精密镜面加工机理 3 1 引言 第3 章精密镜面j 口- r 机理 论文研究所指的精密镜面加工是对难加工材料金属钽进行机械去除加工， 不包括钽的冶制和毛坯的制造。精密镜面加工主要是指对成形的毛坯钽块进 行进一步的精密去除加工，使其被加工表面质量达到使用要求。当前的精密、 超精密镜面加工方法有金刚石刀具切削、磨削、磨料加工和特种加工等。论文 对中国工程物理研究院提供的钽块( m 3 3 ) 进行了工艺探索，结合材料钽的 机械加工特性，结合具体的实验条件，选用了e l i d 磨削和磨料加工( 砂纸研 磨和机械研磨) 的工艺方法。依次采用了e l i d 精密镜面磨削、砂纸研磨和游 离磨料加7 - ( 机械研磨) 的复合方法实现对钽的精密镜面加工。因此，相应的 钽的精密镜面加工机理包括有e l i d 精密镜面磨削机理、