詳解:切削加工高溫合金的刀具材料
新聞來源:www.tjhbrc.com  發布時間:2017-06-30 21:57 瀏覽量:
高溫合金具有優良的高溫強度、熱穩定性及抗熱疲憊性能,因此它廣泛應用于航空航天、船舶、核產業、電站等行業,例如現代燃汽渦輪發動機的燃燒室、渦輪導向葉片與工作葉片、渦輪盤及渦輪轉子結構件、航空發動機盤件、環形件等高溫轉動部件等等。
高溫合金是最難加工的材料之一,假如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。高溫合金含有很多高熔點金屬元素,構成組織結構致密的奧氏體固溶體,合金的塑性好,原子結構十分穩定,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1000℃左右。高溫合金導熱系數小,僅為45#鋼的1/4~1/3,刀具與工件間摩擦強烈而導熱性差,故切削溫度高。③加工硬化嚴重,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30%~50%。⑤刀具易磨損,常見的有擴散磨損、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具有高的強度、高的紅硬性、良好的耐磨性和韌性、高的導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,現在由于加工效率等原因正被像硬質合金這樣的刀具材料所替換。但在一些成形刀具以及工藝系統剛性差的條件下,采用高速鋼刀具材料加工高溫合金還是很好的選擇。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,由于高速鋼刀具材料有更高的強度和韌性,且刃口可以更鋒利,產生的切削熱更低,加工硬化現象更輕。
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。
在高速鋼中加進適量的鈷后,由于鈷可促進奧氏體中碳化物的溶解作用,可以進步高速鋼的熱穩定性和二次硬度,高溫硬度得到進步;同時鈷還可促進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,因而能進步高速鋼的回火硬度,從而進步高速鋼的耐磨性。在高速鋼中增加鈷量可改善其導熱性,特別是在高溫時更為明顯,這有利于切削性能的進步,在相同條件下,刀刃溫度可減小30~75℃。同時鋼中加進鈷后,可降低刀具與工件間的摩擦系數,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小而均勻的高速鋼結晶粉末,在高溫(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度比熔煉鋼進步20%~80%,硬度則隨著密度加大而進步,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。如在其中加進適當的碳化物(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,如在加工航空發動機鎳基合金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動機零件上銑削螺紋,用9/2"的硬質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。
硬質合金刀具材料也已廣泛應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四周,輕易產生崩刃和塑性變形現象,因而通常采用韌性和導熱性較好的K類和高溫性能好的S類合金。碳化物晶粒的均勻尺寸在0.5μm以下的WC-Co類硬質合金(超細顆粒硬質合金),其硬度可達HRA90~93,抗彎強度為2000~3500Mpa,由于其硬質相和鈷高度分散,增加了粘結面積,進步了粘結強度,在高溫合金的加工中表現出優異的切削性能。如用含WC89.5%、Co10%、Cr3C2 0.5%、晶粒尺寸小于0.2μm、密度14.5、抗壓強度為3700Mpa的超細晶粒合金(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。
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