高温合金的切削加工

高温合金的切削加工

作者：刘春杰

来源：《世界家苑·学术》2018年第02期

摘要：目前我国经济发展十分快速，科学技术行业发展也十分快速，科技的进步使得更多新能源、新技术、新材料被广泛应用，其中新材料具有的独特优势使其不断在航空航天、能源开发等领域脱颖而出，俨然成为大势所趋。由于航空航天等行业需要能够承受高温、高压的金属零部件，为此，耐热超级合金便作为主要的加工材料倍受人们青睐，然而长期以来，以合金为主的超级合金都存在切削加工的难题，其工艺复杂性决定了在今后的应用过程中要持续进行技术的探析和精进，以期工艺愈加完善，促进领域发展。

关键词：高温合金；切削；加工

引言

随着我国现代化进程的不断加快，航空事业、能源开发领域也得以迅猛发展，由于石油开采与航空航天都需要在高温、高压等严酷环境下进行，所以对金属零部件的要求极高，诸如合金、铁基合金等超级合金便大派用场。文本试对高温合金的特性与切削加工进行分析，旨在为今后的工作展开提供理论支持。

1高温合金的特性

高温合金是以镍为基体（含量通常要大于50%）的高温合金，在超高温范围内具有良好的抗氧化、抗燃气腐蚀能力，且强度十分理想。不仅如此，还具有极强的热稳定性与组织稳定性，这就意味着即使处于高氧化性或燃气条件下高温合金的表面特性也不会发生改变，而其所具有的良好延展性与韧性使其在保持机械强度的同时能够抗拉伸、抗蠕变破裂，与其他超级合金相比，高温合金的性能优越，使用的温度上限较高，且极具市场性价比，性能在铁基高温合金之上，成本却低于钴基高温合金，这也便使得高温合金的市场份额要远超出其他高温合金，成为航空航天制造业的材料佼佼者，主要被应用于燃烧室、涡轮两个高温部位。

2高温合金的切削特点

由于高温合金的性能，他的切削加工性很差。以45钢的相对切削加工性为1，则高温合金的相对切削加工性只有0.08～0.3。这其中以高温合金和铸造高温合金为最差。所以说，高温合金是各种难切削材料中最难切削的材料。高温合金中的强化相愈多，分散程度愈高，其热强性愈好，热强性越好，则切削加工性越差。其切削特点如下。

2.1切削力大

由于高温合金大多数具有很高的塑性，如GH1140在室温下的伸长率达40%。同时合金中许多高熔点的合金元素与其他合金元素构成了纯度高、组织致密的奥氏体固溶体合金，具有晶格滑移系数大，塑性变形大的特点。并且由于高温合金中有众多的高熔点、激活能大的组元，原子组合稳定，切削时欲使其原子脱离平衡位置所需要的能量很大，使变形抗力大大上升。又由于合金中的沉淀硬化相呈弥散分布，不仅增大了塑性变形抗力，而且塑性变形的晶格严重扭曲，使硬度大大提高，又使变形抗力增大。所以，在切削高温合金时，其单位切削力比切削一般钢材大2-3倍。

2.2加工硬化现象严重

在金属产生塑性变形的同时，存在着强化和软化（又称恢复）的过程。由于高温合金的软化温度高，软化速度低，故而强化系数大。同时，在切削过程的高温作用下，合金中的强化相从固溶体中分解出来，并呈极细的弥散相分布，使强化能力增加，加大了冷硬程度。所以在切削高温合金时，已加工表面和切削表面的硬度要比基体硬度高1倍以上。

2.3刀具易磨损

由于高温合金中的各种强化相，特别是含有许多碳化物、氮化物、硼化物及金属间化合物，构成细微的硬质点。加之硬化现象严重，切削温度高，刀具材料与工件材料的粘结和亲和作用，刀具材料某些合金元素（W、Co、Ti或Nb）向工件材料和切屑中扩散，致使刀具产生严重的磨料、粘结、扩散、氧化、沟纹和边界磨损，甚至使切削刃崩落。

3问题来源

高温合金又称耐热合金或热强合金，他是在一定温度下具有耐热性的合金。耐热性包括热稳定性和热强性两种性能。热稳定性是指在高温下抗氧化、抗燃气腐蚀的能力；热强性则是指合金在高温下抵抗塑性变形和断裂的能力。高温合金除含有大量的铁、铬、镍和钴等基本元素外，还含有铝、钛、铌、钡、钒、钨、钼及锰等强化元素。其抗氧化温度可达900℃～1100℃，能够在高温氧化气氛或燃气条件下工作，目前已广泛应用于各个领域，特别是航空、航天和造船等工业部门。

4高温合金切削加工的要点及策略

4.1切削速度与角度的确定

一般情况下，高温合金的切削加工主要分为精车、粗车、铳削、钻孔、攻螺丝等，进行不同切削加工过程时应选用不同的刀具，采取不同的措施。需要注意的是，刀具切削的速度与角度同样会影响到高温合金的加工质量。为了延长刀具的使用寿命，在切削时不宜过快或过慢，必须有所针对，应用硬质合金刀具时切削速度保持在25mm/min，应用陶瓷刀具时切削速度保

持在220mm/min左右。另一方面，刀具切入角也十分关键，刃倾角应保持在4度左右，继而提高刀具的硬度、强度、防止出现刃崩的现象。

4.2刀具的正确选择

为了保障高温合金的顺利切削加工，尽量避免切削中断的情况出现，在其切削加工的过程中要时刻关注切削刀具的状况，即刀具必须保持锋利，但是不能刃磨的过薄，否则刀具会因高温合金的强度断裂，为了让刀具具备切削高温合金的刀尖强度，在刃磨时要使其刃口足够光滑，决不能存在任何类似缺口、裂纹一类的损坏，一旦发现刀具出现了崩刃等情况，便要及时进行更换，刀具要耐磨、合金颗粒尽可能小，形状为圆形，且经过涂层强化处理，这样才能保障高温合金的加工质量。目前我国一直在进行有效切削加工高温合金的刀具的试验，结果表明，同样具有耐高温性能的强化陶瓷刀片作为刀具极为合适，由于750摄氏度情况下，高温合金开始软化，而强化陶瓷刀片即使处于一千摄氏度高温下仍保持高速切割性能，因此，是进行切削加工的不二选择。

结语

虽然高温合金的切削加工性极差，是塑性难切削材料中最难切削的。但只要充分认识他们各自的性能和切削特点，合理选择切削条件和掌握应注意的问题，是可以顺利完成切削加工的。

参考文献

[1]韩荣第，于启勋.难加工材料切削加工[M].北京：机械工业出版社，1996.

[2]郑文虎.难切削材料加工技术[M].北京：国防工业出版社，2008.

[3]陈云，杜齐明，董万福.现代金属切削刀具实用技术[M].北京：化学工业出版社，2008.

（作者单位：上海烟草机械有限责任公司）