鎳基合金Inconel718可切削加工性的試驗研究

1、制造技術(shù)/工藝裝備現(xiàn)代制造工程2010年第2期鎳基合金Inconel 718可切削加工性的試驗研究徐林紅1, 2, 3, 江征風1, Jan E ric St h l3(1武漢理工大學機電工程學院, 武漢430070; 2中國地質(zhì)大學(武漢機電工程學院, 武漢430070; 3瑞典隆德大學工業(yè)生產(chǎn)系, 瑞典22100摘要:Incone l 718是一種高強度耐熱鎳基合金, 具有優(yōu)良的高溫強度、高溫硬度和耐蝕性, 在高溫條件下能長期工作, 已被廣泛地應用于宇航工業(yè)、航空工業(yè)的渦輪發(fā)動機和相關零件的制造。分析Inconel 718的機械性能、微觀組織結(jié)構(gòu)及其對切削加工性能的影響并進行了相關的試驗驗

2、證, 在試驗數(shù)據(jù)的基礎上, 研究Inconel 718中含碳量對切削過程中刀具磨損的影響。試驗結(jié)果表明, Incone l 718中含碳量在刀具后刀面磨損中起著非常重要的作用, Incone l 718合金中含碳量越高, 合金中所含的細微硬質(zhì)夾雜物也越多, 在切削過程中使刀具產(chǎn)生嚴重的后刀面磨粒磨損, 從而降低材料的切削加工性。關鍵詞:鎳基合金Inconel 718; 可切削加工性; 刀具磨損中圖分類號:TH 16 文獻標識碼:A 文章編號:1671 3133(2010 02 0091 04Research on the i nfl uence of carbon contenton the

3、machi nability of Inconel 718XU L in hong1, 2, 3, JI A NG Zheng feng 1, Jan E ric St hl3(1Schoo l o fM echan ical and E lectron ic Eng i n eer i n g , W uhan U niversity o fTechno logy , W uhan 430070, Ch i n a ; 2Schoo l o fM echan ica l and E lectronic Eng ineeri n g , China Un i v ersity o fG eos

4、ciences , W uhan430074, Ch i n a ; 3D i v isi o n of Production and M ater i a ls Eng ineeri n g , LTH, Lund Un i v ersity , 22100, Sw edenAbstrac t :T he m echan i ca l properties and m icrostruct ure of the s upera lloy Inconel 718w ere analyzed . T he m achi nability and be hav ior duri ng m ach

5、i n i ng t he Incone l 718w ere a lso presented. T he re l a ted i ndustr i a l experi m ents were conducted to i nvesti ga te t he re lati onship bet ween the carbon content and t he correspond i ng too lw ear o f th i s workp i ece m ater i a l duri ng m eta l cutti ng. T he re su lts showed that

6、t he carbon content of Incone l 718p l ays a key ro l e i n tool flank wear dur i ng m ach i n i ng. M ore serious wear w as observed w ith the i ncrease of carbon content . K ey word s :l ncone l 718; m ach i nab ility ; too lw ear0 引言材料的可切削加工性是指對某種材料進行切削加工的難易程度。工件材料的可切削加工性主要取決于材料的力學、物理性能(如硬度、強度、塑性

7、、韌性和導熱率, 同時材料的化學成分、金相組織形態(tài)及微觀硬度對材料的可切削加工性也有一定的影響。Inconel 718鎳基合金是由美國國際鎳公司于20世紀50年代末期開始研制的一種沉淀硬化的鎳鉻合金, 含有較多的鐵、鈮和鉬, 以及少量的鋁和鈦。它把耐蝕性、高強度與杰出的焊接性能結(jié)合在一起, 發(fā)展至今是目前國內(nèi)外航空發(fā)動機上用途最廣、用量最大和品種最為齊全的一種高溫合金, 也是制造飛機、艦船、工業(yè)和車輛用燃氣輪機高溫部件的重要材料。與其他鎳基合金一樣, 從可切削加工性的角度來說, I nconel 718也屬于難加工材料之一。目前國內(nèi)外在I n conel 718鎳基合金的切削加工方面做了大量研

8、究1。但目前這些研究工作僅限于Incone l 718加工中刀具材料的選用、刀具幾何角度以及經(jīng)濟的切削加工條件等方面。而很少有關于I ncone l 718的化學成分及其機械性能對可切削加工性影響的相關報道。而生產(chǎn)實踐(以西門子瑞典公司為例 表明, 不同批次的I n conel 718合金工件中其化學成分及機械性能差別明顯, 如果對這些不同批次的工件材料選用相同的切削91現(xiàn)代制造工程2010年第2期制造技術(shù)/工藝裝備參數(shù), 在加工過程中其刀具的磨損很不相同, 從而影響零件的精度甚至引起刀具在切削過程中發(fā)生意外破損, 這在高精度關鍵零件的加工中是不允許的。因此, 本文從化學成分、微觀組織結(jié)構(gòu)及機

9、械性能的角度出發(fā), 研究Inconel 718的可切削加工性, 該研究對在生產(chǎn)實踐中如何根據(jù)I ncone l 718的化學成分及機械性能, 調(diào)整切削用量及預測切削過程中刀具的磨損及壽命有著實際的指導意義。1 試驗方案1 1 工件材料本試驗是在瑞典隆德(Lund 大學和西門子瑞典公司合作完成的, 試驗中所用材料的化學成分、機械性能和含碳量如表1和表2所示。表1Inconel 718的化學成分(質(zhì)量百分數(shù)%含量CS iM nPSC r N i M o Nb T iA l Com i n17502 84 750 650 2m ax 0 080 350 350 0150 01521553 35 51

10、 150 81表2 試驗中各試件的性能指標及其含碳量試件編號延伸率/%抗拉強度/(N mm -2硬度/HB 含碳量/%導熱系數(shù)/(W m -1 K 122 9014554220 022511222 1014604220 024511320 1014704150 023011421 9014954220 022511518 0015004150 022511619 5015054440 024011721 0015154220 0260111 2 切削刀具及切削條件 在加工I nconel 718合金時, 通常選用陶瓷和金剛石(CBN 這兩種材料的刀具進行切削加工。這兩種刀具材料都具有硬度高、耐

11、磨性能好、耐熱性和化學穩(wěn)定性優(yōu)良, 以及不易與金屬產(chǎn)生粘結(jié)的特點, 因此已成為高速切削高溫合金的主要刀具材料。與金剛石(CBN 刀具相比, 陶瓷刀具相對便宜, 因此在本試驗中采用如圖1所示的DNGN 型號的陶瓷刀具來完成I nconel 718的切削加工試驗。試驗中, 所有這些試件的加工條件完全一致并在切削過程中保持不變 , 圖1 試驗用DNGN 陶瓷刀片試驗條件為:切削速度為250m /m in , 進給量為0 15mm /r, 切削深度為0 2mm, 每個試件的切削加工時間均為5m i n 。2 試驗結(jié)果及分析2 1 試驗結(jié)果陶瓷刀具在切削加工這七個Inconel 718試件后, 相應的刀

12、具前刀面磨損量(VB 1 和后刀面的磨損量(VB 2 分別如表3所示。從表3中的數(shù)據(jù)可以看出, 刀具在切削加工后, 前刀面和后刀面上都會發(fā)生磨損現(xiàn)象。表3 含碳量與刀具磨損量試驗結(jié)果試件含碳量/%前刀面磨損量VB 1/mm 后刀面磨損量VB 2/mm10 02250 110 1620 02450 200 130 02300 120 0840 02250 100 1150 02250 160 0760 02400 260 2370 02600 270 292 2 I nconel 718硬度和強度對可切削加工性的影響從圖2所示的強度和硬度與切削過程中刀具磨損的關系可以看出, Inconel 71

13、8的硬度和強度越高, 刀具在切削過程中無論是刀具前刀面還是刀具后刀面的磨損都明顯增加。這是由于工件材料強度和硬度越高, 切屑與前刀面的接觸長度減小, 因此前刀面上法向應力增大, 摩擦熱量集中在較小的刀 屑接觸面上, 促使切削溫度增高和磨損加劇。同時由于Incone l 718導熱性很差, 高的硬度和差的導熱性相結(jié)合, 使得在切削過程中切削區(qū)域溫度過高, 從而導致在切削過程中刀刃在高的切削應力和熱應力的作用下塑性變圖2 Incone l 718抗拉強度和硬度與刀具磨損量的關系制造技術(shù)/工藝裝備現(xiàn)代制造工程2010年第2期形嚴重, 刀具發(fā)生過度磨損, 同時切削區(qū)的高溫也會使工件和刀具之間容易發(fā)生粘

14、結(jié)。2 3 I ncone l 718的微觀組織結(jié)構(gòu)及含碳量對切削加工性的影響 通常, 合金元素在鎳基合金中主要以高硬度的化合物形式存在, 如T i C 、VC 、VbC 、W C 或T i N 、VN 、NbN 等。這些碳化物的顯微硬度高達維氏硬度為24003200HV, 而氮化物的顯微硬度則更高。此外, 還有A l 2O 3和S i O 2等相間硬質(zhì)顆粒, 還有的合金元素溶于固溶體中, 形成N i 3A l 、N i 3T i 等細小而又彌散分布的金屬間化合物, 使基體強化。I nconel 718的典型微觀組織結(jié)構(gòu)如圖3所示, 其中含有一些T i C 顆粒。這些作用均能使鎳基合金的高溫硬

15、度提高, 但同時這些硬質(zhì)顆粒的存在使得加工I nconel 718非常困難。其原因一是因為硬質(zhì)點的硬度都很高, 在切削過程中對刀具有擦傷作用, 導致刀具的刃口破損和后刀面磨損; 二是因為工件材料晶界處微細硬質(zhì)點的存在, 能使材料強度和硬度提高的同時也使得其在切削時對剪切變形的抗力增大, 切屑形成困難, 從而導致Inconel 718材料的可切削加工性降低。 圖3 Inconel 718的微觀組織結(jié)構(gòu) 由于工件材料中存在的硬質(zhì)點在切削過程中對刀具后刀面的磨粒磨損是影響刀具后刀面磨損的主要因素, 而刀具前刀面的磨損通常是磨粒磨損、粘接磨損等多種因素共同作用的結(jié)果, 因此本試驗主要研究工件材料中硬質(zhì)

16、點的含量對刀具后刀面磨損的影響。以上試驗數(shù)據(jù)結(jié)果表明, 該實驗中最大和最小的刀具后刀面磨損量所對應的加工試件分別含有最大的含碳量和最小的含碳量。圖4和圖5分別反映出刀具在切削加工試件1(最小含碳量 和試件7(最大含碳量 后的刀具后刀面的磨損情況。雖然Incone l 718中存在的硬質(zhì)顆粒并不是導致刀具后刀面磨損的唯一因素, 但從圖6的含碳量和刀具后刀面磨損量的關系中仍然可以看出, 雖然看起來線性關系不太明確, 但從趨勢上看, 仍存在一定線性關系, 經(jīng)Ex ce l 軟件擬合為y =45 333x -0 92直線, 線性相關系數(shù)R 2=0 5308, I ncone l 718合金中的含碳量在

17、切削加工過程中對刀具后刀面的磨損起著非常關鍵的作用。而且I ncone l 718合金中含碳量的微小差異就可能引起刀具后刀面磨損的較大變化, 如本試驗中試件含碳量按表3中含碳量選取, 試件1的最低含碳量為0 0225%, 試件7最高含碳量為0 026%, 最大和最小的含碳量差別為0 0035%, 但對應的刀具后刀面的磨損量卻分別為0 07mm 和0 29mm 。研究表明, 引起刀具后刀面磨損的主要原因是工件材料中存在的硬質(zhì)顆粒如碳化物和氮化物對刀具后刀面造成的溝槽磨損, 由此可以看出含碳量的多少對硬質(zhì)顆粒的形成起著決定性的作用。圖4 切削試件1后的刀具后刀面磨損圖5 切削試件7后的刀具后刀面磨

18、損圖6Incone l 718含碳量與刀具后刀面磨損量之間關系趨勢圖93現(xiàn)代制造工程2010年第2期制造技術(shù)/工藝裝備3 結(jié)語從以上分析可以得到如下的結(jié)論。1 I ncone l 718強度和硬度越高, 切削加工時刀具的前刀面和后刀面的磨損也越嚴重。2 雖然Inconel 718中含碳量很少, 但Incone l 718中含碳量的微小變化都會引起刀具后刀面磨損量的明顯變化, 因此可以得到這樣的結(jié)論, Incone l 718中碳元素的存在, 對材料中硬質(zhì)顆粒的形成起著決定性的作用, 同時這些硬質(zhì)顆粒的存在直接影響切削過程中刀具后刀面的磨損程度。因此在生產(chǎn)實踐中可以比較不同批次工件中I ncon

19、e l 718中的含碳量, 來選用適當?shù)那邢饔昧坎㈩A測刀具的磨損和壽命, 這對于在關鍵高精度零件的加工中, 如何在保證產(chǎn)品質(zhì)量的前提下提高刀具的利用率, 具有非常重要的指導意義。參考文獻:1 黃傳真, 艾興. 加工鎳基合金時切削力和切削溫度的特點J.工具技術(shù), 1995, 29(5.2 L oria E A. R ecen t D eve l op m ent i n the P rog ress of Superall oy 718J.Journa l o fM a teria l s P rocessi ng T ech no l ogy , 1992, 44(6:33-36.3 E z

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24、planni ng i n supp l y chai n des i gn f o r a new m arket op portun ity J.In ternati onal j ourna l of produc ti on re search , 2004, 42(11 :2197-2206. 4D i m itri o s V, P atrok l o s G, E leftherios I . A syste m dy nam ic m ode l fo r dynam ic capac ity plann i ng of re m anu factur i ng in closed loop supp l y cha i nsJ.Co m puter &operations research , 2