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刀具與高溫合金材料
發布人：上海艾荔艾金屬材料有限公司
更新時間：2012-07-14
低溫合金具有優秀的低溫強度、熱穩固性及抗熱疲勞功能，因而它普遍使用于航空航天、船舶、核工業、電站等行業，例如古代燃汽渦輪發起機的熄滅室、渦輪導向葉片與任務葉片、渦輪盤及渦輪轉子構造件、航空發起機盤件、環形件等低溫轉動部件等等。?
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低溫合金是最難加工的資料之一，假如45#?鋼的加工性為100%，則低溫合金的絕對加工性僅為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。低溫合金含有許多高熔點金屬元?素，組成組織構造致密的奧氏體固溶體，合金的塑性好，原子構造非常穩固，需求很大能量才干使原子擺脫均衡地位，因此變形抗力大。②切削溫度高，最高可達?1000℃左右。低溫合金導熱系數小，僅為45#鋼的1/4～1/3，刀具與工件間摩擦激烈而導熱性差，故切削溫度高。③加工硬化嚴重，外表硬度比基體硬?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，多見的有分散磨損、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，切削低溫合金的刀具資料應具有高的強度、高的紅硬性、良好的耐磨性和韌性、高的導熱性和抗粘接才能等。?
高速鋼刀具資料是較早用于加工低溫合金的刀具資料，如今由于加工效率等緣由正被像硬質合金這樣的刀具資料所替代。但在少許成形刀具以及工藝零碎剛性差的要求下，采?用高速鋼刀具資料加工低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，高速鋼刀具切削速率低，在某些特定要求下其損失的效率能夠經過采用大?的切削深度來補償，由于高速鋼刀具資料有更高的強度和韌性，且刃口能夠更尖利，發生的切削熱更低，加工硬化景象更輕。?
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用于加工低溫?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功能高速鋼。?
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在高速鋼中參加過量的鈷后，由于鈷可促進奧氏體中碳?化物的溶解作用，能夠進步高速鋼的熱穩固性和二次硬度，低溫硬度失掉進步；一同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，增長彌散硬化效果，?因此能進步高速鋼的回火硬度，從而進步高速鋼的耐磨性。在高速鋼中增長鈷量可改善其導熱性，特殊是在低溫時更為分明，這有利于切削功能的進步，在相反要求?下，刀刃溫度可減小30～75℃。一同鋼中參加鈷后，可降低刀具與工件間的摩擦系數，并改善其加工性。如車削低溫合金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粗大而平均的高速鋼結晶粉末，在低溫(1100℃)、高壓(100Mpa)下間接壓制成的刀具。這種工藝整個防止?了碳化物的偏析，在相反硬度要求下強度比熔煉鋼進步20%～80%，硬度則隨著密度加大而進步，組織平均，低溫硬度比熔煉鋼高0.5～1.0HRC，因而?有較好的切削功能。如在其中參加適當的碳化物(如TiC、TiCN、NaC等)，可增長耐磨性、耐熱性，這更有利于低溫合金的切削加工，如在加工航空發起?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起機零?件上銑削螺紋，用9/2＂的硬質合金螺紋銑刀可以加工5件，用粉末治金高速鋼CPM76(美)螺紋銑刀則能夠加工33件。
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硬質合金?刀具資料也已普遍使用于低溫合金的加工。由于加工低溫合金切削力大，切削溫度高并集中在刀刃左近，輕易發生崩刃和塑性變形景象，因此通常采用韌性和導熱性?較好的K類和低溫功能好的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，增長了粘結面積，進步了粘結強度，在低溫合金的加工中展現出優越的切削功能。如用含?WC89.5%、Co10%、Cr3C2?0.5%、晶粒尺寸小于0.2μm、密度14.5、抗壓強度為3700Mpa的超細晶粒合金(HRA91.5，sbb=2800Mpa)能夠將鎳基合金?GH141方棒(152mm×152mm×7100mm)車成圓棒，在Vc=42m/min，f=0～3.5mm/r要求下，一次走刀車整個長。?
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PVD涂層硬質合金已被證實可有用加工低溫合金。經歷PVD涂層工藝，能在刀具外表涂覆一層很薄的TiAlN層，因此特殊適用于對尖利切削刃的涂覆，這?一點對低溫合金加工尤為緊要。PVD涂層刀片涂層溫度低，堅持了基體的高強度，并且能給刀具切削刃外表提供一個可避免低溫合金切削中最輕易發生裂紋的壓應?力，而沒有增加刀具韌性，因此它能提供一個密度高、金相組織平均的涂覆外表，極好地延伸了刀具壽命。如伊斯卡CNMG120408-TFIC908是一種?細顆粒基體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”也已使用于?低溫合金的加工，這種AlTiN涂層，“Al”分子?的含量增長到65%～80%molAlN，涂層有更高的致密度和低溫硬度。“Al”分子在AlTiN涂層中最為生動，切削時，它與空氣中的氧聯合在刀具外?表構成一層氧化鋁維護膜，其后果是在不犧牲韌性的前提下，極好地進步了涂層的紅硬性。如伊斯卡的IC903為含鈷量12%的超細顆粒合金，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，用于加工低溫合金的涂層合金已開展?為由幾層配合而成，理論已證實了這種配合比其他任何一種單一涂層在很寬領域的運用時更有用，因而，針對低溫合金使用PVD復合涂層或許能成為加工低溫合金?的硬質合金新涂層資料的優點。?
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陶瓷刀具資料具有硬度高、耐磨功能好、耐熱性和化學穩固性優秀、不易與金屬發生粘結的特點，已成為高?速切削低溫合金的重要刀具資料之一。氧化鋁(Al2O3)基陶瓷(如Al2O3)+TiC)在1200℃時也能堅持HRA80的硬度實行切削，因此能夠用?比硬質合金高4～5倍的切削速率加工低溫合金，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?度和韌性(抗彎強度為900～1500Mpa)、較高的耐熱功能(可達1300～1400℃以上)、優秀的耐熱沖擊才能(是Al2O3的2～3倍)和高的?導熱系數，車削鎳基合金時，切削速率可達300m/min以上。如加工因康鎳901硬質合金Vc=310m/min，f=0.16mm/r，壽命?4min，而硬質合金刀具的壽命十分短，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，效率為硬質合金的21倍。?
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立方氮化硼CBN有高的硬度和耐磨性，其顯微硬度為?8000～9000HV，有很高的熱穩固性(可達1400~1500℃)，有抵抗周期性低溫作用的才能。CBN還有優秀的化學穩固性、較好的導熱性(是硬?質合金的20倍)和較低的摩擦系數(系數值為0.1～0.3，硬質合金的摩擦系數為0.4～0.6)，低的摩擦系數和優秀的抗粘才能使CBN刀具切削時不?易構成滯流和積屑瘤，故適于高速切削低溫合金，如加工因康鎳718，最佳切削速率為100～120m/min。?
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PCBN是在低溫高?壓下將微細的CBN資料經過聯合合金元素(TiC、TiN、Al、Ti等)燒結在一同的多晶資料，含85%～95%?的CBN、粒度為2～3μm的PCBN刀具也能夠用來高速切削鎳基低溫合金，切削速率普通為120～240m/min，進給量0.05～0.15mm?/r，切削深度0.1～3.0mm。?
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金剛石有極高的硬度和耐磨性、很低的摩擦系數、很高的導熱功能，而且切削刃十分尖利。因金剛石?(碳)在鈦中的溶解度比在鐵中小得多，故其分散磨損很小，能夠用于加工鈦合金類低溫合金，如用自然金剛石刀具在乳化液冷卻的要求下加工TC4鈦合金，切削?速率可達200m/min(K類硬質合金切速20～50m/min)，并且切30min后金剛石刀具簡直沒有磨損，若不必切削液，允許的切削速率也有?100m/min。?
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低溫合金優秀的功能把Issue(問題)和費用顯如今刀具上，這些難加工資料的切削，與切削普通鋼件相比，需求?耗費更多的能量，在切削區發生很高的切削溫度，因而需求運用能降低切削溫度和耐低溫的刀具。要完成低溫合金的高效切削，刀具資料的正確選擇是第一個緊要?Issue(問題)，不同的刀具資料有不同的適用狀況，如鈦合金的銑削，K類和S類硬質合金刀具能夠是一種正確選擇，較好的耐磨性的硬質合金刀具能在合理加工本錢下完成較高的切削效率，但這一合理加工本錢是以刀具必需有“很高韌性”或抵抗沖擊才能為前提的，而通常硬質合金的脆性遠遠大于高速鋼，因而，在鈦合金的加工中，有能夠的是新一代的高速鋼將是硬質合金的良好替代資料。另一方面，正如前所述，切削鈦合金的復雜、多刃刀具選用高鈷高速鋼、粉末冶金高速鋼?等，一樣能夠高效切削鈦合金，尤其在較小剛性的機床上加工鈦合金，高韌性的高速鋼刀具能夠經過大切深而不是進步切削速率來完成高效切削加工。?
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高速切削低溫合金實踐上是一種低溫切削加工，硬質合金在低溫下(例如1000℃)與因康鎳718等低溫合金一樣硬度會明顯下降，刀具在很短的時刻內生效，而在此溫度下CBN仍堅持常溫的硬度和強度，從而可較輕易地加工已然變軟的工件。陶瓷刀具也有一樣的展現。但這些刀具的使用有一個前提：機床-工件-?刀具工藝零碎要有足夠的動力和剛性，并且工件以及機床要能接受高的切削熱和大的切削力帶來諸如變形的影響。?
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當然，刀具資料唯有和合?理的幾何參數，好的刀具構造，合理的運用辦法等要素圓滿聯合才干充沛發揚出其應有的功能。
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