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金屬與切削工具
在金屬切削當中有四種物 質相互作用：(一)空氣(二)切削工具 (三)工件金屬 (四)切削油
(一)空氣
空氣含 有21﹪氧，和大多數金屬反應產生氧化層。通常此反應是隨即發生的，而且最初含氧層是看不見的。但當鐵金屬與氧化反應完全，最後可看到銹的形成。在很多案 例中，氧因能減少切削阻，而能真正協助切削的進行。
由實驗得知，對於一般金屬來說，在真空下進行切削，其阻力比在空氣中來得更大。而從實 務觀點來看，無論如何，空氣的存在是不可被控制或調節的。
在金屬加工方面有四種金屬基本切 削工具，我們依據不同的加工作業，不同的加工金屬而選擇不同的工具。通常使用的切削工具材質包括高速鋼、鑄合金、碳化物、陶瓷和鑽石。
要 做好切削作業，切削工具需在切削時能忍受高溫。大部份金屬及物質在高溫時會失去硬度，金屬切削工具及其它材料切削工具也是一樣。
另一影響 切削工具因素是硬度與韌度間的關係。硬度是指工具在切削時，抵抗磨損的能力。而韌度則是指震動負載下，工具不裂壞的能力。例如在不連續切削過程中，工具材 質越硬，越易碎。
越硬物質越易碎，但也越能抵抗磨損，在切削中也越容易突斷，切削工具的選擇必需平衡硬度和韌度兩條件。同樣，切削工具的 選擇也會影響到切削油的選擇。
我們可以由以下關於切削刀具的說明中，對此有更進一步的了解。
1．高速鋼
使用中速度切削操作，其速率約為每分鐘70公尺。高速鋼是含有諸如鎢及鉻元素的鐵合金，以增加其硬度和抗熱性；即使如此，它們硬度和抗磨 損的品質會因溫度高過600℃以上，而降到令人不能接受的地步。但可使用水溶性切削油，以保持其作業溫度低於600℃。
2．鑄合金 （鉻鈷鎢齊）
這些合金是非鐵元素，以鈷為基礎。當其溫度高過600℃時，比高速鋼更硬、耐磨性更佳。此可用於高速切削，也可用於 不易切削的合金及產生高溫的切削作業。
鑄合金對於溫度劇變非常敏感，例如切削作業的突然中斷。他們較適合於連續切削操作，可使用水溶性切 削油。
3．碳化物
廣泛使用在金屬加工工業，它們通常被稱為燒結碳化物或超硬合金。它們是由鎢、鈦、鈮、鉭 之碳化粉加在鈷模具中以高溫加熱燒結而成。改變金屬碳化物之比例及類別，則可產生不同種類的燒結碳化物。
燒結碳化物被使用是因為在高溫 1000℃時，仍保有硬度及耐磨性。它們通常被用作嵌入或可替換的切削刀頭，每一種刀頭都有不同的形狀及角度，隨著不同的需要，它可以重新安裝、儲存。
另 一種簡便的製作方法就是在切削刀頭上覆蓋一層碳化物，它的製作方法是將鈦碳化物及氮碳化物以蒸鍍的方法覆蓋在傳統的碳化物刀具上。這種方法製成的刀頭有很 高的抗磨性，而刀具本身也不易碎裂。
碳化物工具常與水溶性切削油共同使用，但必須謹慎選擇。某些添加劑是會腐蝕覆蓋鈷的金屬。
4． 陶瓷／鑽石
陶瓷切削工具主要成份為氧化鋁，能在高溫保有它們的硬度及耐磨性。但是，諸如前述，物質越硬越易碎，這使得陶瓷工具不 適合不連續切削或震動負載及溫度劇變。
加工時可使用非水溶性切削油（油性切削油）或完全不使用切削油，避免使用水溶性切削油。
最 硬的切削工具是鑽石，但是它也易碎。鑽石能從事矽含量高的鋁加工作業，這種合金因含有硬的矽粒子，會很快地磨損碳化物工具。它也適用於非鐵物質之研磨加 工，諸如石頭、水泥。
鑽石在高溫可被氧化，所以，對加工較難的合金不適用。因為它特別硬，所以常應用在研磨上。油性切削油或水溶性切削油 或合成切削液都可被使用。
現在金屬加工實務包括切削各種金屬、合金，每一種都有它們的物理特性， 有些易於加工，有些不易加工。此機械加工性之等級乃是表示加工的難易度，不一定正比於金屬或合金的硬度。
當然，每一金屬有它的機械製造特 性，並且關係於切削油種類的選擇。
表中列出常用金屬及合金之機械加工性等級：
圖表５３．金屬機械加工性之等級
金屬或合金
加工性等級
鋁
300-1500
黃銅
200-600
碳鋼
40-70
銅
60-70
不銹鋼
23-45
1．鑄鐵
一般的灰鑄鐵以鐵為主要成份，外加一些散布的石墨。鑄鐵易於加工製造，而且不用切削油也可切削，但容易產 生廢細屑及黑色塵粉。
可以煤油作為切削油，通常用過濾器把廢屑及塵粉過濾。也可以採用特別設計的水溶性切削油或合成切削液，其形成清晰溶 液或乳化液，穩定性高，不會和鑄鐵粒子起作用。
2．球狀鐵（SG）
另一種不同型式的灰鑄鐵是球狀鐵或SG 鐵，常用來製成引擎體或其他零件。由成份較多之鐵加上球狀散布的石墨組成，與灰鑄鐵一樣易於加工，但比灰鑄鐵有較大的拉長強度及韌性。
如 同灰鑄鐵一樣會產生廢屑及塵粉，我們也可以使用與灰鑄鐵類似的切削油。
3．鋼
我們這裡所談到的鋼包括一些 常用的金屬，但是不包括不銹鋼。鋼的機械加工性範圍很大，所以切削油也廣泛的有選擇性，且必需考慮到鋼的特性。鋼的含碳量越高，硬度也越高。然而金屬越 硬，機械加工性越差。例如碳含量從0.3﹪到0.6﹪，一般使用水溶性切削油。再增到 0.6﹪以上，則須要使用具有極壓添加劑之切削油。熱處理及硬化加工會影響到機械加工性，合金如鎳和鉻常被用來硬化鋼材，它們也會使機械加工性減小。
在 另一方面，例如錫或硫也可能增加鋼的機械加工性，係所謂的易削鋼。硫產生硫化錳粒子，在剪力平面上打開了微小裂縫，在主變型區減少了剪切抗力，鉛也具有相 同的效果，易加工鋼通常是使用水溶性切削油或合成切削液。
4．不銹鋼等
不銹鋼、耐熱合金及鎳合金是鋼中較 特殊的，含有高含量鎳、鈷。它們硬且低熱傳導性，此使得在碎屑中形成高溫，及工具與碎屑交互面的溫度也很高，工具磨損很快。減少工具磨損可由放慢速度及控 制好給進速率，以避免加工較硬的工件時，工具的過度磨損。
油性切削油特別是含有高極壓添加劑者是此類鋼中主要切削油，需要注意的是某些切 削油含有活性硫，能使高鎳含量合金產生污點。
5．鈦合金
鈦及鈦合金比不銹鋼更不容易加工，具有非常低的熱 傳導性，在切屑及工具之界面上溫度很高，鈦在壓力下有與切削工具熔接的傾向，會使工具提早磨損。
這些問題的解決方法都是採用較低切削速 度，及採用高極壓添加劑含量的切削油。
6．鋁及合金
純鋁是很難加工的，因其常常黏在刀具上。工業用鋁一般 均為鋁合金，鋁中含少量銅可大大增加機械加工性。
油性切削油及水溶性切削油均可用來加工鋁合金，油性切削油應該選擇低黏度，且含有脂肪或 氯添加劑者，它們可以幫助滲透或減少切屑與刀具的熔接。水溶性切削油應該選擇加有脂肪添加劑，並且其乳化液的PH值不應太高。因為PH值太高，會使鋁的表 面起污點。
有些鋁合金含有高量的矽（即8～16﹪），加入如此含量的矽可降低熔點及黏度，使得壓鑄作業更加容易。但是由於合金本身軟，加 上硬矽粒子，會造成刀具快速磨損。極壓水溶性切削油適用於矽含量高的鋁合金切削作業，這種水溶性切削油含有較多的氯及脂肪添加劑。
7． 銅及合金
純銅就像純鋁一樣的黏，因此加工不易。純銅也產生長且連續的切屑，這種切屑會干擾切削過程，但此問題可由加硫或鉛來克 服。
黃銅為鋅及銅之合金，易於加工，產生不連續之切屑，它的機械加工性會因鉛的加入而增加。
一般來說，黃銅及銅可用水溶 性切削油來加工。有些切削油含有強鹼，脂肪酸及硫，它們對銅有腐蝕作用，所以選擇適當的油是很重要的。當非常注重表面光度時，可選用無腐蝕性之水溶性切削 油或低黏度含脂肪礦物油的切削油。加工困難的合金包括青銅合金及含有鎂、鋁、磷之合金，則可使用極壓添加劑和脂肪含量較高的油性切削油。
8． 鎂及鎂合金
鎂及鎂合金易於加工，而且容易產生加工碎屑。很重要的一件事是應避免切削時所產生的高溫，因為高溫會使鎂燃燒。
由 這點來看，水溶性切削油似乎較理想，但是水中的氧會與刀具的尖端的鎂因高溫發生反應。因此水溶性切削油從不使用在鎂加工上，正確用油是低黏度油性切削油。
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