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刀具与高温合金材料

发布人：上海艾荔艾金属材料有限公司更新时间：2012-07-14

低温合金具有优秀的低温强度、热稳固性及抗热疲劳功能，因而它普遍使用于航空航天、船舶、核工业、电站等行业，例如古代燃汽涡轮发起机的熄灭室、涡轮导向叶片与任务叶片、涡轮盘及涡轮转子构造件、航空发起机盘件、环形件等低温转动部件等等。

低温合金是最难加工的资料之一，假如45# 钢的加工性为100%，则低温合金的绝对加工性仅为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。低温合金含有许多高熔点金属元素，组成组织构造致密的奥氏体固溶体，合金的塑性好，原子构造非常稳固，需求很大能量才干使原子摆脱均衡地位，因此变形抗力大。②切削温度高，最高可达 1000℃左右。低温合金导热系数小，仅为45#钢的1/4～1/3，刀具与工件间摩擦激烈而导热性差，故切削温度高。③加工硬化严重，外表硬度比基体硬度高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，多见的有分散磨损、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，切削低温合金的刀具资料应具有高的强度、高的红硬性、良好的耐磨性和韧性、高的导热性和抗粘接才能等。

高速钢刀具资料是较早用于加工低温合金的刀具资料，如今由于加工效率等缘由正被像硬质合金这样的刀具资料所替代。但在少许成形刀具以及工艺零碎刚性差的要求下，采用高速钢刀具资料加工低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，高速钢刀具切削速率低，在某些特定要求下其损失的效率能够经过采用大的切削深度来补偿，由于高速钢刀具资料有更高的强度和韧性，且刃口能够更尖利，发生的切削热更低，加工硬化景象更轻。

用于加工低温合金的高速钢，常有钴高速钢、含钴超硬高速钢和粉末冶金高速钢等高功能高速钢。

在高速钢中参加过量的钴后，由于钴可促进奥氏体中碳化物的溶解作用，能够进步高速钢的热稳固性和二次硬度，低温硬度失掉进步；一同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，增长弥散硬化效果，因此能进步高速钢的回火硬度，从而进步高速钢的耐磨性。在高速钢中增长钴量可改善其导热性，特殊是在低温时更为分明，这有利于切削功能的进步，在相反要求下，刀刃温度可减小30～75℃。一同钢中参加钴后，可降低刀具与工件间的摩擦系数，并改善其加工性。如车削低温合金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粗大而平均的高速钢结晶粉末，在低温(1100℃)、高压(100Mpa)下间接压制成的刀具。这种工艺整个防止了碳化物的偏析，在相反硬度要求下强度比熔炼钢进步20%～80%，硬度则随着密度加大而进步，组织平均，低温硬度比熔炼钢高0.5～1.0HRC，因而有较好的切削功能。如在其中参加适当的碳化物(如TiC、TiCN、NaC等)，可增长耐磨性、耐热性，这更有利于低温合金的切削加工，如在加工航空发起机镍基合金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起机零件上铣削螺纹，用9/2＂的硬质合金螺纹铣刀可以加工5件，用粉末治金高速钢CPM76(美)螺纹铣刀则能够加工33件。

硬质合金刀具资料也已普遍使用于低温合金的加工。由于加工低温合金切削力大，切削温度高并集中在刀刃左近，轻易发生崩刃和塑性变形景象，因此通常采用韧性和导热性较好的K类和低温功能好的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，增长了粘结面积，进步了粘结强度，在低温合金的加工中展现出优越的切削功能。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)能够将镍基合金 GH141方棒(152mm×152mm×7100mm)车成圆棒，在Vc=42m/min，f=0～3.5mm/r要求下，一次走刀车整个长。

PVD涂层硬质合金已被证实可有用加工低温合金。经历PVD涂层工艺，能在刀具外表涂覆一层很薄的TiAlN层，因此特殊适用于对尖利切削刃的涂覆，这一点对低温合金加工尤为紧要。PVD涂层刀片涂层温度低，坚持了基体的高强度，并且能给刀具切削刃外表提供一个可避免低温合金切削中最轻易发生裂纹的压应力，而没有增加刀具韧性，因此它能提供一个密度高、金相组织平均的涂覆外表，极好地延伸了刀具寿命。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”也已使用于低温合金的加工，这种AlTiN涂层，“Al”分子的含量增长到65%～80%molAlN，涂层有更高的致密度和低温硬度。“Al”分子在AlTiN涂层中最为生动，切削时，它与空气中的氧联合在刀具外表构成一层氧化铝维护膜，其后果是在不牺牲韧性的前提下，极好地进步了涂层的红硬性。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，用于加工低温合金的涂层合金已开展为由几层配合而成，理论已证实了这种配合比其他任何一种单一涂层在很宽领域的运用时更有用，因而，针对低温合金使用PVD复合涂层或许能成为加工低温合金的硬质合金新涂层资料的优点。

陶瓷刀具资料具有硬度高、耐磨功能好、耐热性和化学稳固性优秀、不易与金属发生粘结的特点，已成为高速切削低温合金的重要刀具资料之一。氧化铝(Al2O3)基陶瓷(如Al2O3)+TiC)在1200℃时也能坚持HRA80的硬度实行切削，因此能够用比硬质合金高4～5倍的切削速率加工低温合金，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)、较高的耐热功能(可达1300～1400℃以上)、优秀的耐热冲击才能(是Al2O3的2～3倍)和高的导热系数，车削镍基合金时，切削速率可达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十分短，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，有很高的热稳固性(可达1400~1500℃)，有抵抗周期性低温作用的才能。CBN还有优秀的化学稳固性、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)，低的摩擦系数和优秀的抗粘才能使CBN刀具切削时不易构成滞流和积屑瘤，故适于高速切削低温合金，如加工因康镍718，最佳切削速率为100～120m/min。

PCBN是在低温高压下将微细的CBN资料经过联合合金元素(TiC、TiN、Al、Ti等)烧结在一同的多晶资料，含85%～95% 的CBN、粒度为2～3µm的PCBN刀具也能够用来高速切削镍基低温合金，切削速率普通为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、很高的导热功能，而且切削刃十分尖利。因金刚石 (碳)在钛中的溶解度比在铁中小得多，故其分散磨损很小，能够用于加工钛合金类低温合金，如用自然金刚石刀具在乳化液冷却的要求下加工TC4钛合金，切削速率可达200m/min(K类硬质合金切速20～50m/min)，并且切30min后金刚石刀具简直没有磨损，若不必切削液，允许的切削速率也有 100m/min。

低温合金优秀的功能把Issue(问题)和费用显如今刀具上，这些难加工资料的切削，与切削普通钢件相比，需求耗费更多的能量，在切削区发生很高的切削温度，因而需求运用能降低切削温度和耐低温的刀具。要完成低温合金的高效切削，刀具资料的正确选择是第一个紧要 Issue(问题)，不同的刀具资料有不同的适用状况，如钛合金的铣削，K类和S类硬质合金刀具能够是一种正确选择，较好的耐磨性的硬质合金刀具能在合理加工本钱下完成较高的切削效率，但这一合理加工本钱是以刀具必需有“很高韧性”或抵抗冲击才能为前提的，而通常硬质合金的脆性远远大于高速钢，因而，在钛合金的加工中，有能够的是新一代的高速钢将是硬质合金的良好替代资料。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，一样能够高效切削钛合金，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能够经过大切深而不是进步切削速率来完成高效切削加工。

高速切削低温合金实践上是一种低温切削加工，硬质合金在低温下(例如1000℃)与因康镍718等低温合金一样硬度会明显下降，刀具在很短的时刻内生效，而在此温度下CBN仍坚持常温的硬度和强度，从而可较轻易地加工已然变软的工件。陶瓷刀具也有一样的展现。但这些刀具的使用有一个前提：机床-工件- 刀具工艺零碎要有足够的动力和刚性，并且工件以及机床要能接受高的切削热和大的切削力带来诸如变形的影响。

当然，刀具资料唯有和合理的几何参数，好的刀具构造，合理的运用办法等要素圆满联合才干充沛发扬出其应有的功能。

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