難加工金屬—高溫合金的加工特點(diǎn)

航空制造技術(shù)是一種高尖端技術(shù)，其中航空發(fā)動(dòng)機(jī)作為飛機(jī)的心臟，不僅是飛機(jī)飛行的動(dòng)力，也是促進(jìn)航空事業(yè)發(fā)展的重要推動(dòng)力。而發(fā)動(dòng)機(jī)中最需要技術(shù)含量的就是葉片了，因?yàn)樗墓ぷ鳝h(huán)境極其惡劣，這就要求它的材質(zhì)必須非常堅(jiān)硬，耐高溫且性能優(yōu)異。

我們經(jīng)?？梢栽谝恍┟襟w報(bào)道中看到，戰(zhàn)斗機(jī)啟動(dòng)或飛行中發(fā)動(dòng)機(jī)會(huì)產(chǎn)生尾焰，給予飛機(jī)飛行的推動(dòng)力，就溫度而言，尾焰顏色對(duì)應(yīng)的溫度分別是：

暗紅色——600攝氏度左右

深紅色——700攝氏度左右

橘紅色——1000攝氏度左右

純橘色——1100攝氏度左右

金橘色——1200攝氏度左右

金黃色——1300攝氏度左右

金白色——1400攝氏度左右

純白色——1500攝氏度左右

白藍(lán)色——1500攝氏度以上

天藍(lán)色——2000攝氏度左右

藍(lán)色——2500攝氏度以上

由此可知，發(fā)動(dòng)機(jī)中的部件往往需要承受2000攝氏度的高溫。零部件選用的材質(zhì)對(duì)性能的要求也更為嚴(yán)苛。

高溫合金是指以鐵、鎳、鈷為基，能在600℃以上的高溫及一定應(yīng)力作用下長(zhǎng)期工作的一類金屬材料；并具有高溫強(qiáng)度大，良好的抗氧化和抗腐蝕性能，良好的疲勞性能和斷裂韌性等綜合性能。

高溫合金的材料特征使其成為航空發(fā)動(dòng)機(jī)中不可替代的關(guān)鍵材料，尤其是鎳基高溫合金，在高溫條件下，仍然具有很高的抗疲勞強(qiáng)度、高屈服強(qiáng)度、抗拉伸強(qiáng)度和抗腐蝕性、抗氧化性。目前已研制的航天發(fā)動(dòng)機(jī)中，高溫合金材料已經(jīng)占到發(fā)動(dòng)機(jī)所用材質(zhì)一半以上。

高溫合金切削加工特性

由于高溫合金中含有許多高熔點(diǎn)合金元素Fe、Ti、Cr、Ni等，這些合金元素與其他合金元素構(gòu)成純度高、組織致密的奧氏體合金。而且有的元素又與非金屬元素C、B、N等構(gòu)成硬度高、比重小、熔點(diǎn)高的金屬與非金屬化合物，使其切削加工性變得很差。它的相對(duì)切削加工性只有45號(hào)鋼的5~20%。

作為典型的難加工材料，高溫合金微觀強(qiáng)化項(xiàng)硬度高，加工硬化程度嚴(yán)重，并且其具有高抗剪切應(yīng)力和低導(dǎo)熱率，切削區(qū)域的切削力和切削溫度高，在加工過(guò)程中經(jīng)常出現(xiàn)加工內(nèi)表面質(zhì)量低、刀具破損非常嚴(yán)重等問(wèn)題。在一般切削條件下，高溫合金表面會(huì)產(chǎn)生硬化層、殘余應(yīng)力、白層、黑層、晶粒變形層等過(guò)大的問(wèn)題。

1）切削變形大

切削加工過(guò)程中，切削溫度高，切削表面塑性變形明顯增大，高速切削時(shí)個(gè)別延伸率超過(guò)40%，合金中奧氏體晶格滑移系數(shù)增多產(chǎn)生塑性測(cè)流，導(dǎo)致切削加工比較困難。

2）加工硬化傾向大

塑性形變過(guò)程中活躍的奧氏體將部分轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定的馬氏體，合金中強(qiáng)化因子也會(huì)分散出來(lái)，同時(shí)化合物的分解融合都將導(dǎo)致合金材料的表面強(qiáng)化和硬度的提高，增大切削難度，試驗(yàn)表明，切削速度越高，進(jìn)給量越小硬化程度就越小。

3）刀具磨損較大

切割產(chǎn)生的大量熱貼附在切削區(qū)，并沒(méi)有傳遞給工件或被切屑帶走，過(guò)高的溫度和過(guò)多的熱量促使刀具的刃口迅速磨損、崩裂，磨損的刀刃反過(guò)來(lái)又使切削區(qū)域產(chǎn)生更多的熱量，進(jìn)一步縮短刀具的壽命。

目前國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的超硬刀具切削高溫合金時(shí)，工件與刀具接觸發(fā)生卷屑，雙方的內(nèi)部不穩(wěn)定的化學(xué)元素在切削區(qū)域中擴(kuò)散與結(jié)合，導(dǎo)致原材料的物理與化學(xué)性能發(fā)生改變，導(dǎo)致刀刃很快變鈍，前刀面無(wú)月牙洼，后刀面磨損嚴(yán)重，刀具表面變得脆弱，從而加劇了刀具的磨損。

4）切削區(qū)域溫度較高

高溫合金具有較高的屈服強(qiáng)度較大的塑性變形，較大的進(jìn)給速度下較大切深會(huì)產(chǎn)生大量的熱量，而材料的導(dǎo)熱系數(shù)又較小，切削區(qū)域聚集很多切削熱，刀具磨損加重。

5）切削精度較低

高溫合金的導(dǎo)熱性散熱性能很差導(dǎo)致工件表面溫度較高，劇烈的切割會(huì)使工件產(chǎn)生輕微的熱變形，可能與需要測(cè)量數(shù)值有所偏差。又因切削時(shí)刀具前角較小、速度較低時(shí)產(chǎn)生的切屑呈擠裂狀，切削產(chǎn)生的變形會(huì)使所測(cè)物理量產(chǎn)生影響。

切削液的選擇

切削高溫合金時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的切屑和熱量均較多，由于高溫合金的導(dǎo)熱系數(shù)低，散熱性能差，將會(huì)導(dǎo)致刀具磨損加劇，影響加工精度和操作安全，由此必須采取相應(yīng)冷卻措施降低切削溫度并及時(shí)將高溫切屑從切削區(qū)轉(zhuǎn)移出去。

一般的切削液，在200℃左右就失去潤(rùn)滑能力?？墒窃谇邢饕褐刑砑訕O壓添加劑(如氯化石蠟、四氯化碳、硫代磷酸鹽、二烷基二硫代磷酸鋅）后，就成為潤(rùn)滑性能良好的極壓切削液，可以在600～1000℃高溫和1470～1960MPa高壓條件下起潤(rùn)滑作用。所以含硫、氯、磷等極壓添加劑的乳化液和切削油，特別適合于難切削材料加工過(guò)程的冷卻與潤(rùn)滑。

切削液在選擇時(shí)要考慮工件與刀具的材質(zhì)

1）用高速鋼刀具切削時(shí)，使用以冷卻為主的水溶液，以降低切削溫度。

2）用硬質(zhì)合金刀具切削時(shí)，應(yīng)使用含S、P以及Cl為添加劑的極壓切削油或者極壓乳化液，不僅可降低切削溫度、減少摩擦和防止粘結(jié)，還可使刀具壽命提高4倍左右。

3）對(duì)PCBN刀具只能用切削油，千萬(wàn)不可用水基切削液，否則會(huì)加劇PCBN刀具磨損。

4）對(duì)鎳基高溫合金，應(yīng)避免使用含硫切削液，以免對(duì)工件造成應(yīng)力腐蝕，降低零件的疲勞強(qiáng)度。

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