鑄造高溫合金K423A的切削加工性能研究

1、鑄造高溫合金K423A的切削加工性能研究徐 寧（福建信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院 福州, 350003）摘要：對(duì)鑄造高溫合金的切削加工進(jìn)行介紹，重點(diǎn)對(duì)K423A的材料特點(diǎn)和加工性能進(jìn)行了分析，并對(duì)其切削加工的條件從刀具材料、幾何參數(shù)、切削用量的選擇等方面進(jìn)行了研究。關(guān)鍵詞：K423A；高溫合金；切削加工 前言鑄造高溫合金含有大量的鐵、鎳、鈷基本元素外，還含有鋁、鈦、釩、鉻、鎢、鉬等強(qiáng)化元素，合金中強(qiáng)化元素含量越高，則越難加工。鑄造高溫合金K423A的基本成分如下表。表1 K423A鎳基高溫合金化學(xué)成分元素CCrNiCoMoAlTiB含量%余40.005SiMnSAgBiFeNbPbWK423A的主要特性如

2、下：（1）含有高熔點(diǎn)合金元素和其它合金元素，形成了組織致密的奧氏體合金；（2）它的沉淀硬化物呈彌散分布，其穩(wěn)定性較強(qiáng)；（3）導(dǎo)熱系數(shù)小=0.025cal/(cmsC)（45#鋼的=0.115cal/(cmsC)），不利于散熱，對(duì)刀具的影響較大；（4）基體以奧氏體-金屬間化合物作為主要強(qiáng)化物，在相當(dāng)高的溫度范圍內(nèi)，隨溫度升高，其硬度反而有所上升，即在一定的溫度范圍內(nèi)，仍能保持相當(dāng)高的硬度和強(qiáng)度。一、K423A高溫合金切削加工的主要特點(diǎn)1、切削力大切削一般材料時(shí)，由于切削溫度升高，強(qiáng)度明顯下降，使切削易于進(jìn)行，而K423A由于含有大量的合金元素，不但有很高的常溫強(qiáng)度，而且有很高的高溫強(qiáng)度，在切削加

3、工時(shí)，隨著切削溫度的升高其硬度還有所上升，這是切削力大的主要原因，通常情況下切削K423A的切削力要比一般中碳鋼增大約23倍。2、加工硬化現(xiàn)象嚴(yán)重切削鎳基高溫合金時(shí)，硬化程度H（加工后與加工前的硬度之比）可達(dá)200%500%，加工一般金屬材料時(shí)也存在著加工硬化，但隨著切削溫度上升而引起的軟化現(xiàn)象可減少一部分硬化的程度。由于高溫合金的軟化溫度高，速度慢，在刀具熱硬性允許的切削溫度范圍內(nèi)，隨著切削的變形，硬化程度大于軟化程度。此外，在較高的切削溫度下，合金中的強(qiáng)化相常常從固溶體中分解出來，呈極細(xì)彌散相均勻分布，又進(jìn)一步加大了硬化的程度。3、切削溫度高切削K423A時(shí)，由于材料強(qiáng)度高、塑性變形大，刀

4、面與切屑和工件間有強(qiáng)烈摩擦，單位切削功率大，消耗的功率多，因此產(chǎn)生大量的切削熱。而它的熱導(dǎo)率很低，使得切削熱從切削區(qū)間向外傳遞很慢，大部分切削熱集中在切削區(qū)，使切削區(qū)平均溫度很高，常達(dá)7501000。高溫不僅會(huì)加劇刀具的擴(kuò)散磨損和氧化磨損，也會(huì)使工件產(chǎn)生變形，使尺寸及形狀精度不易控制。4、刀具易磨損切削K423A時(shí)，由于材料的高溫強(qiáng)度高，加工硬化嚴(yán)重，而且K423A中含有大量合金元素的碳化物和氧化物，以及金屬間化合物等構(gòu)成的硬質(zhì)點(diǎn)，尤其是具有相構(gòu)成的微質(zhì)點(diǎn)，因此機(jī)械摩擦磨損嚴(yán)重。又由于切削力大，切削溫度高，在高溫高壓下，使刀具與切削界面間產(chǎn)生粘結(jié)，造成刀具粘結(jié)磨損。另外，在較高的切削溫度下，加

5、劇了刀具材料中某些合金元素（如鎢、鈷、鈦、鈮等）向工件及切削中的擴(kuò)散作用，造成擴(kuò)散磨損。同時(shí)，在高溫條件下，周圍介質(zhì)中碳、氫、氧、氮等元素易浸入切削界面，使刀具材料生成相間脆性相，加大了刀具材料表層的應(yīng)力集中，使刀具產(chǎn)生裂紋，甚至崩刀。根據(jù)K423A的性質(zhì)及加工特點(diǎn)，切削時(shí)應(yīng)十分注意降低切削溫度，減小加工硬化，刀具刃口應(yīng)保持鋒利，而且工藝系統(tǒng)的剛性要好。二、K423A高溫合金的合理切削加工條件1、選擇合理的熱處理方式改善切削性能 K423A可采用淬火處理，因?yàn)榛w中的奧氏體-金屬間化合在淬火加熱時(shí)，使金屬內(nèi)的化合物轉(zhuǎn)變?yōu)楣倘荏w，而在淬火的快速冷卻中很少析出金屬間化合物，從而降低切削時(shí)的阻力，改

6、善切削加工性。2、正確選擇刀具材料 加工K423A時(shí)刀具材料應(yīng)具有高溫硬度高（即熱硬性好）、強(qiáng)度足夠、抗沖擊能力強(qiáng)、耐磨性好、導(dǎo)熱性好的特點(diǎn)。高速鋼，主要是新型高性能高速鋼，如含鈷高速鋼中，W2Mo9Cr4VCo8（M42）、W7Mo4Cr4V2Co5（M41）、W6Mo5Cr4V2Co8 （M36）、W12Mo3Cr4V3Co5Si（Co5Si） 等都有良好的高溫硬度和抗氧化能力，均可用于加工K423A，其中應(yīng)用最廣的是M42，它的綜合性能好，熱處理硬度可達(dá)HRC70，高溫硬度和基體硬度高，因而耐磨性好，另外，可磨性較好，所以應(yīng)用非常普遍。但是這一種鋼含有較多的鈷元素，所以價(jià)格較昂貴。除此之

7、外，無鈷高速鋼如含鋁超硬高速鋼W6Mo5Cr4V2Al（M2A）和含硅鈮鋁的超硬高速鋼W12M03Cr4V3SiNbAl等也可用于加工鎳基高溫合金，但由于熱處理溫度難以控制，且這幾種材料的可磨性能較差，因此采用較少。硬質(zhì)合金刀具材料，通常選用鎢鈷類（YG）硬質(zhì)合金，常用牌號(hào)為YG8、YG6等。目前，國內(nèi)研究的一批細(xì)晶粒、超細(xì)晶粒含鉭、鈮、鉻碳化物的新型硬質(zhì)合金，如YS2、YD15、643M、813等，切削鎳基高溫合金也取得了很好的效果。需要提出的是，不宜選用鎢鈦鈷類硬質(zhì)合金（YT類），因?yàn)閅T類硬質(zhì)合金抗彎強(qiáng)度低，導(dǎo)熱性也差（YT15的熱導(dǎo)率只有YG8的1/2），切削熱難以向周圍介質(zhì)傳出，使切

8、削區(qū)溫度增加。此外，刀具材料中的TiC在鎳中的溶解度極大，在高溫狀態(tài)下容易產(chǎn)生磨損。3、切削時(shí)的機(jī)床及冷卻介質(zhì)的選擇加工K423A高溫合金時(shí)，由于切削力較大，要選用剛性好、功率大的機(jī)床，加工過程盡可能地平穩(wěn)。根據(jù)K423A材質(zhì)硬質(zhì)點(diǎn)多、熱導(dǎo)率低、切削熱不易散出、刀具磨損較快的特點(diǎn)，對(duì)切削液的冷卻潤滑作用都有高要求，應(yīng)選用極壓切削油或極壓乳化液。三、合理選擇刀具的幾何參數(shù)切削K423A時(shí)，應(yīng)注意降低切削溫度和減少加工硬化程度，因此刀具應(yīng)盡可能磨得鋒利。1、前角的選擇：為保證刀具鋒利，前角宜取正值，但為了保證刀具有足夠的強(qiáng)度，前角不宜過大，經(jīng)過反復(fù)摸索我們認(rèn)為最佳狀態(tài)是：粗加工時(shí)：高速鋼材質(zhì)的刀具

9、前角可取58，硬質(zhì)合金刀具的前角則取36；精加工時(shí)：高速鋼材質(zhì)的刀具前角可取610，硬質(zhì)合金刀具的前角則取58為宜。 2、后角的選擇：為了減小刀具后刀面與加工表面的摩擦，應(yīng)選較大的后角。后角適當(dāng)增大，可顯著減小后刀面的磨損，而提高刀具的耐用度。粗加工時(shí)：高速鋼刀具的后角可選1012，硬質(zhì)合金刀具后角則取810；精加工時(shí) 高速鋼刀具后角取1215，硬質(zhì)合金刀具后角應(yīng)取1012。3、刃口及槽形：為減小加工硬化程度，切削K423A時(shí)，斷屑槽磨成平面形即可，刃口用天然油石進(jìn)行“鈍化”處理，即將刃口研磨為的圓角，而不是呈鋸齒狀的銳口，以保證刃口平直無缺陷，同時(shí)，前刀面的表面粗糙度值要小于，最好達(dá)到以內(nèi)。

10、4、刀具類型的選擇：斷續(xù)切削和粗車時(shí)，宜用焊接式硬質(zhì)合金刀具在普車上加工，刀具可重磨以降低刀具成本，連續(xù)切削和精車時(shí)，可采用機(jī)夾可轉(zhuǎn)位刀具在數(shù)車上加工，以提高效率和保持尺寸的穩(wěn)定性。 四、合理切削用量的選擇1、切削深度：為使刀刃不在加工硬化層里切削，宜取較大的切削深度，粗加工時(shí)，宜取ap=16mm；精加工時(shí)ap不能小于，取ap為宜。2、進(jìn)給量：由于切削K423A時(shí)變形抗力大，因此進(jìn)給量不能過大，在避免硬化層后宜取較小值，粗加工時(shí)取/r，精加工時(shí)宜取/r。3、切削速度：切削高溫合金的切削速度主要受刀具耐用度的制約，在不同的切削速度下，刀具的的磨損情況是不同的。當(dāng)切削深度和進(jìn)給量確定后，最佳切削速

11、度對(duì)應(yīng)的最佳溫度稱作最佳切削溫度。用高速鋼刀具切削K423A時(shí)，其最佳切削溫度在425600，用硬質(zhì)合金切削K423A時(shí)，切削溫度在7501000較好。其對(duì)應(yīng)的切削速度，高速鋼刀具，Vc=2025m/min，硬質(zhì)合金刀具，Vc=3040m/min。 進(jìn)給量對(duì)最佳切削速度也有影響，如圖1所示，用YG8和YG6刀具加工高溫合金，當(dāng)f=/r 時(shí)，相對(duì)磨損為最小的最佳切削速度分別為40m/min和35m/min，當(dāng)f=/r 時(shí)，相對(duì)磨損為最小的最佳切削速度分別為25m/min和18m/min，當(dāng)f=/r 時(shí)，相對(duì)磨損為最小的最佳切削速度分別為20m/min和25m/min。 YG8 YG6圖1 進(jìn)給量與最佳切削速度五、結(jié)束語鑄造高溫合金是一種難加工材料，通過對(duì)K423A切削加工性能的研究