切削加工高溫合金的刀具材料

    高溫合金具有優(yōu)良的高溫強(qiáng)度、熱穩(wěn)定性及抗熱疲勞性能，因此它廣泛應(yīng)用于航空航天、船舶、核工業(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，如果45#鋼的加工性為100%，則高溫合金的相對加工性僅為5%～20%，其切削加工的特點有：①切削力大，是普通鋼材的2～4倍。高溫合金含有許多高熔點金屬元素，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，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代。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仍是很好的選擇。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)，因為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。

    在高速鋼中加入適量的鈷后，由于鈷可促進(jìn)奧氏體中碳化物的溶解作用，可以提高高速鋼的熱穩(wěn)定性和二次硬度，高溫硬度得到提高；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，因而能提高高速鋼的回火硬度，從而提高高速鋼的耐磨性。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提高，在相同條件下，刀刃溫度可減小30～75℃。同時鋼中加入鈷后，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(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)度比熔煉鋼提高20%～80%，硬度則隨著密度加大而提高，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。如在其中加入適當(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附近，容易產(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。碳化物晶粒的平均尺寸在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，提高了粘結(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。

    PVD涂層硬質(zhì)合金已被證明可有效加工高溫合金。經(jīng)過PVD涂層工藝，能在刀具表面涂覆一層很薄的TiAlN層，所以特別適用于對鋒利切削刃的涂覆，這一點對高溫合金加工尤為重要。PVD涂層刀片涂層溫度低，保持了基體的高強(qiáng)度，而且能給刀具切削刃表面提供一個可防止高溫合金切削中最容易產(chǎn)生裂紋的壓應(yīng)力，而沒有減少刀具韌性，所以它能提供一個密度高、金相組織均勻的涂覆表面，極好地延長了刀具壽命。如伊斯卡CNMG120408-TFIC908是一種細(xì)顆�；�體TiAlN PVD涂層刀片，用于加工GH4169，Vc=50m/min，f=0.2mm/r，ap=2mm，壽命為40min。近來，“新型富鋁涂層”也已應(yīng)用于高溫合金的加工，這種AlTiN涂層，“Al”分子 的含量增加到65%～80%molAlN，涂層有更高的致密度和高溫硬度。“Al”分子在AlTiN涂層中最為活潑，切削時，它與空氣中的氧結(jié)合在刀具表面形成一層氧化鋁保護(hù)膜，其結(jié)果是在不犧牲韌性的前提下，極好地提高了涂層的紅硬性。如伊斯卡的IC903為含鈷量12%的超細(xì)顆粒合金，PVD TiAlN涂層，用于中高速加工鎳基合金，而新型的富鋁涂層合金Al-IC903的壽命是IC903的1～2倍。目前，用于加工高溫合金的涂層合金已發(fā)展為由幾層組合而成，實踐已證明了這種組合比其他任何一種單一涂層在很寬范圍的運用時更有效，因此，針對高溫合金應(yīng)用PVD復(fù)合涂層或許能成為加工高溫合金的硬質(zhì)合金新涂層材料的亮點。

    陶瓷刀具材料具有硬度高、耐磨性能好、耐熱性和化學(xué)穩(wěn)定性優(yōu)良、不易與金屬產(chǎn)生粘結(jié)的特點，已成為高速切削高溫合金的主要刀具材料之一。氧化鋁(Al2O3)基陶瓷(如Al2O3)+TiC)在1200℃時也能保持HRA80的硬度進(jìn)行切削，所以可以用比硬質(zhì)合金高4～5倍的切削速度加工高溫合金，如加工因康鎳718，Vc=200m/min，f=0.2mm/r。氮化硅(Si3N4)基陶瓷有較高的強(qiáng)度和韌性(抗彎強(qiáng)度為900～1500Mpa)、較高的耐熱性能(可達(dá)1300～1400℃以上)、優(yōu)良的耐熱沖擊能力(是Al2O3的2～3倍)和高的導(dǎo)熱系數(shù)，車削鎳基合金時，切削速度可達(dá)300m/min以上。如加工因康鎳901硬質(zhì)合金Vc=310m/min，f=0.16mm/r，壽命4min，而硬質(zhì)合金刀具的壽命非常短，Al2O3)陶瓷刀具的壽命也約為2min。如加工因康鎳D400mm工件的外圓，用K類硬質(zhì)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Vc=172m/min,ap=10.2mm f=0.18mm/r，每刃可加工1件，效率為硬質(zhì)合金的21倍。

    立方氮化硼CBN有高的硬度和耐磨性，其顯微硬度為8000～9000HV，有很高的熱穩(wěn)定性(可達(dá)1400~1500℃)，有抵抗周期性高溫作用的能力。CBN還有優(yōu)良的化學(xué)穩(wěn)定性、較好的導(dǎo)熱性(是硬質(zhì)合金的20倍)和較低的摩擦系數(shù)(系數(shù)值為0.1～0.3，硬質(zhì)合金的摩擦系數(shù)為0.4～0.6)，低的摩擦系數(shù)和優(yōu)良的抗粘能力使CBN刀具切削時不易形成滯流和積屑瘤，故適于高速切削高溫合金，如加工因康鎳718，最佳切削速度為100～120m/min。

    PCBN是在高溫高壓下將微細(xì)的CBN材料通過結(jié)合合金元素(TiC、TiN、Al、Ti等)燒結(jié)在一起的多晶材料，含85%～95% 的CBN、粒度為2～3µm的PCBN刀具也可以用來高速切削鎳基高溫合金，切削速度一般為120～240m/min，進(jìn)給量0.05～0.15mm/r，切削深度0.1～3.0mm。

金剛石有極高的硬度和耐磨性、很低的摩擦系數(shù)、很高的導(dǎo)熱性能，并且切削刃非常鋒利。因金剛石(碳)在鈦中的溶解度比在鐵中小得多，故其擴(kuò)散磨損很小，可以用于加工鈦合金類高溫合金，如用天然金剛石刀具在乳化液冷卻的條件下加工TC4鈦合金，切削速度可達(dá)200m/min(K類硬質(zhì)合金切速20～50m/min)，而且切30min后金剛石刀具幾乎沒有磨損，若不用切削液，允許的切削速度也有100m/min。

    高溫合金優(yōu)良的性能把問題和費用顯現(xiàn)在刀具上，這些難加工材料的切削，與切削普通鋼件相比，需要消耗更多的能量，在切削區(qū)產(chǎn)生很高的切削溫度，因此需要使用能降低切削溫度和耐高溫的刀具。要實現(xiàn)高溫合金的高效切削，刀具材料的正確選擇是第一個重要問題，不同的刀具材料有不同的適用情況，如鈦合金的銑削，K類和S類硬質(zhì)合金刀具可以是一種正確選擇，較好的耐磨性的硬質(zhì)合金刀具能在合理加工成本下實現(xiàn)較高的切削效率，但這一合理加工成本是以刀具必須有“很高韌性”或抵抗沖擊能力為前提的，而通常硬質(zhì)合金的脆性遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于高速鋼，因此，在鈦合金的加工中，有可能的是新一代的高速鋼將是硬質(zhì)合金的良好替代材料。另一方面，正如前所述，切削鈦合金的復(fù)雜、多刃刀具選用高鈷高速鋼、粉末冶金高速鋼等，同樣可以高效切削鈦合金，尤其在較小剛性的機(jī)床上加工鈦合金，高韌性的高速鋼刀具可以通過大切深而不是提高切削速度來實現(xiàn)高效切削加工。

    高速切削高溫合金實際上是一種高溫切削加工，硬質(zhì)合金在高溫下(例如1000℃)與因康鎳718等高溫合金一樣硬度會顯著下降，刀具在很短的時間內(nèi)失效，而在此溫度下CBN仍保持常溫的硬度和強(qiáng)度，從而可較容易地加工已經(jīng)變軟的工件。陶瓷刀具也有同樣的表現(xiàn)。但這些刀具的應(yīng)用有一個前提：機(jī)床-工件-刀具工藝系統(tǒng)要有足夠的動力和剛性，而且工件以及機(jī)床要能承受高的切削熱和大的切削力帶來諸如變形的影響。

    當(dāng)然，刀具材料只有和合理的幾何參數(shù)，好的刀具結(jié)構(gòu)，合理的使用方法等因素完美結(jié)合才能充分發(fā)揮出其應(yīng)有的性能。