詳解：切削加工高溫合金的刀具材料
新聞來源：huancq.cn 發(fā)布時間：2017-06-30 21:57 瀏覽量：
高溫合金具有優(yōu)良的高溫強(qiáng)度、熱穩(wěn)定性及抗熱疲憊性能，因此它廣泛應(yīng)用于航空航天、船舶、核產(chǎn)業(yè)、電站等行業(yè)，例如現(xiàn)代燃汽渦輪發(fā)動機(jī)的燃燒室、渦輪導(dǎo)向葉片與工作葉片、渦輪盤及渦輪轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)件、航空發(fā)動機(jī)盤件、環(huán)形件等高溫轉(zhuǎn)動部件等等。
高溫合金是最難加工的材料之一，假如45#鋼的加工性為100%，則高溫合金的相對加工性僅為5%～20%，其切削加工的特點(diǎn)有：①切削力大，是普通鋼材的2～4倍。高溫合金含有很多高熔點(diǎn)金屬元素，構(gòu)成組織結(jié)構(gòu)致密的奧氏體固溶體，合金的塑性好，原子結(jié)構(gòu)十分穩(wěn)定，需要很大能量才能使原子脫離平衡位置，因而變形抗力大。②切削溫度高，最高可達(dá)1000℃左右。高溫合金導(dǎo)熱系數(shù)小，僅為45#鋼的1/4～1/3，刀具與工件間摩擦強(qiáng)烈而導(dǎo)熱性差，故切削溫度高。③加工硬化嚴(yán)重，表面硬度比基體硬度高50%～100%。④塑性變形大，在室溫下的延伸率可達(dá)30%～50%。⑤刀具易磨損，常見的有擴(kuò)散磨損、邊界磨損、刀尖塑性變形、月牙洼磨損及積屑瘤。由于這些特點(diǎn)，切削高溫合金的刀具材料應(yīng)具有高的強(qiáng)度、高的紅硬性、良好的耐磨性和韌性、高的導(dǎo)熱性和抗粘接能力等。
高速鋼刀具材料是較早用于加工高溫合金的刀具材料，現(xiàn)在由于加工效率等原因正被像硬質(zhì)合金這樣的刀具材料所替換。但在一些成形刀具以及工藝系統(tǒng)剛性差的條件下，采用高速鋼刀具材料加工高溫合金還是很好的選擇。另一方面，加工效率是一種綜合的評判，高速鋼刀具切削速度低，在某些特定條件下其損失的效率可以通過采用大的切削深度來彌補(bǔ)，由于高速鋼刀具材料有更高的強(qiáng)度和韌性，且刃口可以更鋒利，產(chǎn)生的切削熱更低，加工硬化現(xiàn)象更輕。
用于加工高溫合金的高速鋼，常有鈷高速鋼、含鈷超硬高速鋼和粉末冶金高速鋼等高性能高速鋼。
在高速鋼中加進(jìn)適量的鈷后，由于鈷可促進(jìn)奧氏體中碳化物的溶解作用，可以進(jìn)步高速鋼的熱穩(wěn)定性和二次硬度，高溫硬度得到進(jìn)步；同時鈷還可促進(jìn)高速鋼回火時從馬氏體中析出鎢或鉬的碳化物，增加彌散硬化效果，因而能進(jìn)步高速鋼的回火硬度，從而進(jìn)步高速鋼的耐磨性。在高速鋼中增加鈷量可改善其導(dǎo)熱性，特別是在高溫時更為明顯，這有利于切削性能的進(jìn)步，在相同條件下，刀刃溫度可減小30～75℃。同時鋼中加進(jìn)鈷后，可降低刀具與工件間的摩擦系數(shù)，并改善其加工性。如車削高溫合金GH132，采用W2Mo9Cr4VCo8(M42)，工件D=33mm，n=180r/min，ap=2mm，f=0.15mm/r，油冷，切削長度300mm，后刀面磨損0.2～0.3。粉末冶金高速鋼是用細(xì)小而均勻的高速鋼結(jié)晶粉末，在高溫(1100℃)、高壓(100Mpa)下直接壓制成的刀具。這種工藝完全避免了碳化物的偏析，在相同硬度條件下強(qiáng)度比熔煉鋼進(jìn)步20%～80%，硬度則隨著密度加大而進(jìn)步，組織均勻，高溫硬度比熔煉鋼高0.5～1.0HRC，因此有較好的切削性能。如在其中加進(jìn)適當(dāng)?shù)奶蓟?如TiC、TiCN、NaC等)，可增加耐磨性、耐熱性，這更有利于高溫合金的切削加工，如在加工航空發(fā)動機(jī)鎳基合金GH37葉片上的孔時，粉末冶金高速鋼FT15(FW12Cr4V5Co5)鉆頭可鉆9孔，而M42只能鉆1～3孔。在鎳基合金的火箭發(fā)動機(jī)零件上銑削螺紋，用9/2＂的硬質(zhì)合金螺紋銑刀能夠加工5件，用粉末治金高速鋼CPM76(美)螺紋銑刀則可以加工33件。
硬質(zhì)合金刀具材料也已廣泛應(yīng)用于高溫合金的加工。由于加工高溫合金切削力大，切削溫度高并集中在刀刃四周，輕易產(chǎn)生崩刃和塑性變形現(xiàn)象，因而通常采用韌性和導(dǎo)熱性較好的K類和高溫性能好的S類合金。碳化物晶粒的均勻尺寸在0.5μm以下的WC-Co類硬質(zhì)合金(超細(xì)顆粒硬質(zhì)合金)，其硬度可達(dá)HRA90～93，抗彎強(qiáng)度為2000～3500Mpa，由于其硬質(zhì)相和鈷高度分散，增加了粘結(jié)面積，進(jìn)步了粘結(jié)強(qiáng)度，在高溫合金的加工中表現(xiàn)出優(yōu)異的切削性能。如用含WC89.5%、Co10%、Cr3C2 0.5%、晶粒尺寸小于0.2μm、密度14.5、抗壓強(qiáng)度為3700Mpa的超細(xì)晶粒合金(HRA91.5，sbb=2800Mpa)可以將鎳基合金GH141方棒(152mm×152mm×7100mm)車成圓棒，在Vc=42m/min，f=0～3.5mm/r條件下，一次走刀車完全長。
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