详解：切削加工高温合金的刀具材料

新闻来源：www.021zysy.com 发布时间：2017-06-30 21:57 浏览量：

　　高温合金具有优良的高温强度、热稳定性及抗热疲惫性能，因此它广泛应用于航空航天、船舶、核产业、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，假如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。高温合金含有很多高熔点金属元素，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换。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还是很好的选择。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，由于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。

　　在高速钢中加进适量的钴后，由于钴可促进奥氏体中碳化物的溶解作用，可以进步高速钢的热稳定性和二次硬度，高温硬度得到进步；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，因而能进步高速钢的回火硬度，从而进步高速钢的耐磨性。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进步，在相同条件下，刀刃温度可减小30～75℃。同时钢中加进钴后，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进步20%～80%，硬度则随着密度加大而进步，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。如在其中加进适当的碳化物(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四周，轻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。碳化物晶粒的均匀尺寸在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，进步了粘结强度，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%、Cr3C2 0.5%、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。