切削加工高温合金的刀具材料

高温合金具有优良的高温强度、热稳定性及抗热疲劳性能,因此它广泛应用于航空航天、船舶、核工业、电站等行业,例如现代燃汽涡轮发动机的燃烧室、涡轮导向叶片与工作叶片、涡轮盘及涡轮转子结构件、航空发动机盘件、环形件等高温转动部件等等。

高温合金是最难加工的材料之一,如果45#钢的加工性为100%,则高温合金的相对加工性仅为5%～20%,其切削加工的特点有:①切削力大,是普通钢材的2～4倍。高温合金含有许多高熔点金属元素,构成组织结构致密的奥氏体固溶体,合金的塑性好,原子结构十分稳定,需要很大能量才能使原子脱离平衡位置,因而变形抗力大。②切削温度高,最高可达1000℃左右。高温合金导热系数小,仅为45#钢的1/4～1/3,刀具与工件间摩擦强烈而导热性差,故切削温度高。③加工硬化严重,表面硬度比基体硬度高50%～100%。④塑性变形大,在室温下的延伸率可达30%～50%。⑤刀具易磨损,常见的有扩散磨损、边界磨损、刀尖塑性变形、月牙洼磨损及积屑瘤。由于这些特点,切削高温合金的刀具材料应具有高的强度、高的红硬性、良好的耐磨性和韧性、高的导热性和抗粘接能力等。

高速钢刀具材料是较早用于加工高温合金的刀具材料,现在由于加工效率等原因正被像硬质合金这样的刀具材料所替代。但在一些成形刀具以及工艺系统刚性差的条件下,采用高速钢刀具材料加工高温合金仍是很好的选择。另一方面,加工效率是一种综合的评判,高速钢刀具切削速度低,在某些特定条件下其损失的效率可以通过采用大的切削深度来弥补,因为高速钢刀具材料有更高的强度和韧性,且刃口可以更锋利,产生的切削热更低,加工硬化现象更轻。

用于加工高温合金的高速钢,常有钴高速钢、含钴超硬高速钢和粉末冶金高速钢等高性能高速钢。

在高速钢中加入适量的钴后,由于钴可促进奥氏体中碳化物的溶解作用,可以提高高速钢的热稳定性和二次硬度,高温硬度得到提高；同时钴还可促进高速钢回火时从马氏体中析出钨或钼的碳化物,增加弥散硬化效果,因而能提高高速钢的回火硬度,从而提高高速钢的耐磨性。在高速钢中增加钴量可改善其导热性,特别是在高温时更为明显,这有利于切削性能的提高,在相同条件下,刀刃温度可减小30～75℃。同时钢中加入钴后,可降低刀具与工件间的摩擦系数,并改善其加工性。如车削高温合金GH132,采用W2Mo9Cr4VCo8(M42),工件D=33mm,n=180r/min,ap=2mm,f=0.15mm/r,油冷,切削长度300mm,后刀面磨损0.2～0.3。粉末冶金高速钢是用细小而均匀的高速钢结晶粉末,在高温(1100℃)、高压(100Mpa)下直接压制成的刀具。这种工艺完全避免了碳化物的偏析,在相同硬度条件下强度比熔炼钢提高20%～80%,硬度则随着密度加大而提高,组织均匀,高温硬度比熔炼钢高0.5～1.0HRC,因此有较好的切削性能。如在其中加入适当的碳化物(如TiC、TiCN、NaC等),可增加耐磨性、耐热性,这更有利于高温合金的切削加工,如在加工航空发动机镍基合金GH37叶片上的孔时,粉末冶金高速钢FT15(FW12Cr4V5Co5)钻头可钻9孔,而M42只能钻1～3孔。在镍基合金的火箭发动机零件上铣削螺纹,用9/2＂的硬质合金螺纹铣刀能够加工5件,用粉末治金高速钢CPM76(美)螺纹铣刀则可以加工33件。

硬质合金刀具材料也已广泛应用于高温合金的加工。由于加工高温合金切削力大,切削温度高并集中在刀刃附近,容易产生崩刃和塑性变形现象,因而通常采用韧性和导热性较好的K类和高温性能好的S类合金。碳化物晶粒的平均尺寸在0.5µm以下的WC-Co类硬质合金(超细颗粒硬质合金),其硬度可达HRA90～93,抗弯强度为2000～3500Mpa,由于其硬质相和钴高度分散,增加了粘结面积,提高了粘结强度,在高温合金的加工中表现出优异的切削性能。如用含WC89.5%、Co10%、Cr3C20.5%、晶粒尺寸小于0.2µm、密度14.5、抗压强度为3700Mpa的超细晶粒合金(HRA91.5,sbb=2800Mpa)可以将镍基合金GH141方棒(152mm×152mm×7100mm)车成圆棒,在Vc=42m/min,f=0～3.5mm/r条件下,一次走刀车完全长。

PVD涂层硬质合金已被证明可有效加工高温合金。经过PVD涂层工艺,能在刀具表面涂覆一层很薄的TiAlN层,所以特别适用于对锋利切削刃的涂覆,这一点对高温合金加工尤为重要。PVD涂层刀片涂层温度低,保持了基体的高强度,而且能给刀具切削刃表面提供一个可防止高温合金切削中最容易产生裂纹的压应力,而没有减少刀具韧性,所以它能提供一个密度高、金相组织均匀的涂覆表面,极好地延长了刀具寿命。如伊斯卡CNMG120408-TFIC908是一种细颗粒基体TiAlNPVD涂层刀片,用于加工GH4169,Vc=50m/min,f=0.2mm/r,ap=2mm,寿命为40min。近来,“新型富铝涂层”也已应用于高温合金的加工,这种AlTiN涂层,“Al”分子的含量增加到65%～80%molAlN,涂层有更高的致密度和高温硬度。“Al”分子在AlTiN涂层中最为活泼,切削时,它与空气中的氧结合在刀具表面形成一层氧化铝保护膜,其结果是在不牺牲韧性的前提下,极好地提高了涂层的红硬性。如伊斯卡的IC903为含钴量12%的超细颗粒合金,PVDTiAlN涂层,用于中高速加工镍基合金,而新型的富铝涂层合金Al-IC903的寿命是IC903的1～2倍。目前,用于加工高温合金的涂层合金已发展为由几层组合而成,实践已证明了这种组合比其他任何一种单一涂层在很宽范围的运用时更有效,因此,针对高温合金应用PVD复合涂层或许能成为加工高温合金的硬质合金新涂层材料的亮点。

null

声明：本网站所收集的部分公开资料来源于互联网，转载的目的在于传递更多信息及用于网络分享，并不代表本站赞同其观点和对其真实性负责，也不构成任何其他建议。本站部分作品是由网友自主投稿和发布、编辑整理上传，对此类作品本站仅提供交流平台，不为其版权负责。如果您发现网站上所用视频、图片、文字如涉及作品版权问题，请第一时间告知，我们将根据您提供的证明材料确认版权并按国家标准支付稿酬或立即删除内容，以保证您的权益！联系电话：010-58612588 或 Email:editor@mmsonline.com.cn。