切削加工高温合金的刀具材料

作者：伊斯卡刀具公司 吴江

欢迎访问e展厅 展厅 5 刀具相关产品展厅 刀柄, 刀具管理系统, 成型刀具, 复合刀具, 非标刀具, ... 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%、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。 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TiAlN PVD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，PVD TiAlN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。 陶瓷刀具材料具有硬度高、耐磨性能好、耐热性和化学稳定性优良、不易与金属产生粘结的特点，已成为高速切削高温合金的主要刀具材料之一。氧化铝(Al2O3)基陶瓷(如Al2O3)+TiC)在1200℃时也能保持HRA80的硬度进行切削，所以可以用比硬质合金高4～5倍的切削速度加工高温合金，如加工因康镍718，Vc=200m/min，f=0.2mm/r。氮化硅(Si3N4)基陶瓷有较高的强度和韧性(抗弯强度为900～1500Mpa)、较高的耐热性能(可达1300～1400℃以上)、优良的耐热冲击能力(是Al2O3的2～3倍)和高的导热系数，车削镍基合金时，切削速度可达300m/min以上。如加工因康镍901硬质合金Vc=310m/min，f=0.16mm/r，寿命4min，而硬质合金刀具的寿命非常短，Al2O3)陶瓷刀具的寿命也约为2min。如加工因康镍D400mm工件的外圆，用K类硬质合金Vc=19m/min， ap=3.4mm，f=0.23mm/r,每刃可加工0.33件，用氧化硅基陶瓷Vc=172m/min，ap=10.2mm f=0.18mm/r，每刃可加工1件，效率为硬质合金的21倍。 立方氮化硼CBN有高的硬度和耐磨性，其显微硬度为8000～9000HV，有很高的热稳定性(可达1400~1500℃)，有抵抗周期性高温作用的能力。CBN还有优良的化学稳定性、较好的导热性(是硬质合金的20倍)和较低的摩擦系数(系数值为0.1～0.3，硬质合金的摩擦系数为0.4～0.6)，低的摩擦系数和优良的抗粘能力使CBN刀具切削时不易形成滞流和积屑瘤，故适于高速切削高温合金，如加工因康镍718，最佳切削速度为100～120m/min。 PCBN是在高温高压下将微细的CBN材料通过结合合金元素(TiC、TiN、Al、Ti等)烧结在一起的多晶材料，含85%～95% 的CBN、粒度为2～3µm的PCBN刀具也可以用来高速切削镍基高温合金，切削速度一般为120～240m/min，进给量0.05～0.15mm/r，切削深度0.1～3.0mm。 金刚石有极高的硬度和耐磨性、很低的摩擦系数、很高的导热性能，并且切削刃非常锋利。因金刚石(碳)在钛中的溶解度比在铁中小得多，故其扩散磨损很小，可以用于加工钛合金类高温合金，如用天然金刚石刀具在乳化液冷却的条件下加工TC4钛合金，切削速度可达200m/min(K类硬质合金切速20～50m/min)，而且切30min后金刚石刀具几乎没有磨损，若不用切削液，允许的切削速度也有100m/min。 高温合金优良的性能把问题和费用显现在刀具上，这些难加工材料的切削，与切削普通钢件相比，需要消耗更多的能量，在切削区产生很高的切削温度，因此需要使用能降低切削温度和耐高温的刀具。要实现高温合金的高效切削，刀具材料的正确选择是第一个重要问题，不同的刀具材料有不同的适用情况，如钛合金的铣削，K类和S类硬质合金刀具可以是一种正确选择，较好的耐磨性的硬质合金刀具能在合理加工成本下实现较高的切削效率，但这一合理加工成本是以刀具必须有“很高韧性”或抵抗冲击能力为前提的，而通常硬质合金的脆性远远大于高速钢，因此，在钛合金的加工中，有可能的是新一代的高速钢将是硬质合金的良好替代材料。另一方面，正如前所述，切削钛合金的复杂、多刃刀具选用高钴高速钢、粉末冶金高速钢等，同样可以高效切削钛合金，尤其在较小刚性的机床上加工钛合金，高韧性的高速钢刀具可以通过大切深而不是提高切削速度来实现高效切削加工。 高速切削高温合金实际上是一种高温切削加工，硬质合金在高温下(例如1000℃)与因康镍718等高温合金一样硬度会显著下降，刀具在很短的时间内失效，而在此温度下CBN仍保持常温的硬度和强度，从而可较容易地加工已经变软的工件。陶瓷刀具也有同样的表现。但这些刀具的应用有一个前提：机床-工件-刀具工艺系统要有足够的动力和刚性，而且工件以及机床要能承受高的切削热和大的切削力带来诸如变形的影响。 当然，刀具材料只有和合理的几何参数，好的刀具结构，合理的使用方法等因素完美结合才能充分发挥出其应有的性能。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (9/18/2006)