粉末冶金高溫合金車削加工用立方氮化硼刀具試切


（河南超硬材料研究所，轉載請說明出處）

以航空航天用發動機渦輪加工為例說明

渦輪盤是發動機重要的熱端部件之一。它的工作條件極為苛刻，在飛行時承受著循環機械應力和溫差引起的熱應力的疊加作用，很輕易產生渦輪盤疲憊斷裂。另一方面, 渦輪盤件用的γ′相沉淀強化型合金由于強化元素不斷增多，嚴重的偏析使熱加工性能惡化、低周疲憊性能降低、裂紋輕易擴展，且投料比達19∶1以上。高投料比和復雜鑄造工藝，使其本錢大為進步。為保證航空發動機的可靠性和穩定性、本錢的經濟性，對于此部件的材料歐美等發達國家多用粉末高溫合金，我國也正在逐步改用之中。

粉末高溫合金渦輪盤組織均勻、晶粒細小、無明顯偏析、合金化程度高、抗屈服強度高、抗疲憊性能好，是高推比發動機渦輪盤等部件的*材料；而與變形高溫合金相比，它降低了原材料的消耗，金屬的利用率大大進步，本錢低；渦輪盤壽命也明顯進步，由原來的1032h進步到1500h。但同時也增加了加工過程的難度，粉末冶金零件的切削加工性較差, 一般只能低速加工, 并且在使用普通的刀片時刀具磨損很快,刀尖鈍化嚴重, 加工質量難以保證。現結合現場所做粉末高溫合金盤的切削試驗，介紹一下不同的刀具對的試驗加工情況。

2 粉末高溫合金的切削性能

粉末高溫合金具有組織均勻、晶粒細小、屈服強度高、抗疲憊性能好等優點，但是由于其中含有很多（如鉻、鈷、鉬、鈮、鎳、鐵、鉭等）高熔點合金元素且g相含量高，使得粉末高溫合金得到很大的強化效應，在一定的溫度范圍內，隨溫度升高，其硬度反而有所進步，由于其材料本身的化學成分及獨特的多孔性結構，在較小的面積內其硬度值也有一定的波動。即使測得的宏觀硬度為20~35 HRC，但組成零件的顆粒硬度會高達60HRC，這些硬顆粒會導致嚴重而急劇的刃口磨損，因此粉末冶金高溫合金是典型的難加工材料。

渦輪盤的切削試驗

試驗目的：選擇好的品牌、好的刀具材料，優化切削參數。

試驗刀具：焊接硬質合金刀具、涂層硬質合金刀具、CBN刀具、陶瓷刀具。

試驗機床：CK61100（轉速范圍：4~400r/min。

*小進給0.001m/min；*大回轉直徑1000mm）。

工藝要求：工件材料FGH96，材料硬度（HB）>388，工件直徑610mm；

加工方法：車削。

丈量儀器：千分表、卡尺。



試驗結果與分析

1 焊接硬質合金刀具切削試驗

根據上述粉末高溫合金的切削性能分析可知：粉末高溫合金比變形高溫合金更難加工，所以在焊接硬質合金刀具幾何角度的選擇上，刀具前角應略小，以保證刀具的刀尖強度。研究中在FGH96 渦輪盤粗加工時通過比較試驗*采用YD類的焊接刀具，試驗時切削參數如下：

切削速度v=10~30m/min，切削深度ap=0.25mm，進給速度f=0.1~0.2mm/r。

試驗中采用三因素正交試驗法，試驗幾組參數：

（1）v =30m/min，ap=0.25mm，f=0.2mm/r。

（2）v =25m/min，ap=0.25mm，f=0.2mm/r。

（3）v =25m/min，ap=0.25mm，f=0.2mm/r。

（4）v =20m/min，ap=0.25mm，f=0.1mm/r。

（5）v=13.5m/min，ap=0.25mm，f=0.1mm/r。

試驗結果表明，（1）~（3）組參數刀具磨損劇烈，很快失效。而后刀面的磨損，既包含了主后刀面磨損，又包含了副后刀面磨損，工件表面質量極差，材料幾乎被剝落。由于切削力大、切削溫度高，切削路徑長度大約在2~3m 時刀尖塑性變形嚴重。（4）組參數固然好于前3 組，但刀具的磨損使刀具的壽命仍然不能保證連續加工一個面。（5）組參數相對較好，能保證粗加工的使用要求，但是加工效率很低，由于其價格便宜，可以在加工毛料時使用。

2 涂層硬質合金刀具切削試驗

通過試驗比較，*選用材料S05F這種刀片材料。硬質合金S05F這種刀片材料采用了新技術，是專為解決鎳基高溫合金的切削而設計的。材料的晶粒更細，表面有4μm的CVD TiCN-Al2O3-TiN的薄涂層，此刀片特別適合粉末高溫合金的精加工，其耐磨性好，適用于小切深。

S05F V型刀片切削用量：v=30~60m/min，ap=0.25mm，f=0.1mm/r。采用速度逐漸遞增的方式。

試驗結果：表面質量很不好。刀具表面有崩刃現象，后經檢查發現刀片在安裝時沒有固定好，致使在切削過程中刀片振顫。

改進后結果：經過重新定位調整后，切削用量采用：v=35m/min，ap=0.25mm，f=0.1mm/r。效果相對較好。切削流暢，每段切屑長度大約在5~6cm左右，切屑易于控制。加工過的表面跳動值大約在0.01mm。加工后表面端跳動值約為0.01mm，效果更好。

刀具磨損情況：刀尖及邊界磨損極為嚴重，后刀面也產生了溝紋磨損。由于FGH96鎳基高溫合金的導熱性差，粉末高溫合金粘結傾向大，輕易粘刀產生積屑瘤，在合金中存在大量的金屬碳化物，切削過程中相當于對刀具進行研磨，另外國產材料中大都有硬質點，這對刀具有很強的沖擊性和破壞性，因此會造成上述磨損。

由于粉末高溫合金中的微量元素在高溫下會與硬質合金刀具產生親和作用，使得硬質合金微粒隨切屑一同被帶走，形成了刀具材料的局部剝落，切削刃已呈現須狀崩碎紋。在車削粉末高溫合金時硬質合金刀片磨損嚴重，只能在很短的時間內保證加工精度。另外，使用TiAlN涂層的刀具壽命要好于其他刀具，由于鋁在加工過程中形成氧化鋁可以阻止刀具的進一步磨損。

上述硬質合金刀片切削粉末高溫合金，固然效率不盡如人意，但與焊接刀具相比有很大進步，尤其在加工輻板和蓖齒時，需要刀具有很高的抗沖擊韌性，更是其他刀具不能取代的。

3 陶瓷刀具切削試驗

陶瓷刀具的試驗采用了WG-300和KY2100兩種材料的圓刀片。WG-300和KY2100都是Si3N4賽阿龍陶瓷刀片，非常適合加工鎳基高溫合金，也適合加工粉末高溫合金。

切削用量：v=110~150m/min，ap=0.5mm，f=0.1mm/r。

試驗結果表明：切屑長而薄，自動斷屑狀態不好，屬于自卷曲斷屑，零件表面端跳動值在0.04~0.05mm，刀片邊沿稍微崩裂，后刀面有溝槽磨損的現象。經過試驗，*采用的切削用量為：v=145m/min、ap=0.5mm、f=0.1mm/r，效果很好。

用賽阿龍陶瓷刀片進行加工時，加大切削速度效果反而更好。這是由于賽阿龍陶瓷刀具采用Al2O3作為耐磨相，Si3N4為硬化相，具有很高的室溫與高溫硬度，優良的化學穩定性和抗機械磨損性能，在1000℃的高溫下仍能進行切削。速度越高，產生的切削溫度越高。靠材料的自軟性，刀片的切削加工更為輕易，刀具工作壽命延長。因此，陶瓷刀具切削粉末高溫合金，增加切削熱，往往成為改善切削加工性的有利因素。

用陶瓷刀具高速切削粉末高溫合金時，使用圓刀片增大刀片的強度。但是使用圓形刀片時，應當減小切深以降低切削抗力。另一方面用陶瓷刀具切削既可干切，也可使用冷卻液。使用冷卻液，要保證充足的壓力以使冷卻充分。公道使用冷卻液，不僅可以阻止積屑瘤的形成，還有利于降低切削區域的溫度、帶走多余的熱量，減少刀具的磨損。

4 CBN刀具切削試驗

立方氮化硼（CBN）刀具材料是用六方氮化硼（白石墨）為原料，經高溫高壓燒結而成的無機超硬材料。制造方法為：可做成整體的圓柱形燒塊，或在碳化鎢硬質合金基體上燒結成0.5mm厚的復合刀片。立方氮化硼刀具可用金剛石磨輪磨出新的幾何角度。由于立方氮化硼有很高的硬度和耐磨性、很高的熱穩定性、優良的化學穩定性，適合于難加工材料的切削加工，尤其是粉末高溫合金, , 的高速切削加工。

切削用量：v=90~110m/min，ap=0.5mm，f=0.1mm/r。在切削用量為v=105m/min、ap=0.5mm、f=0.1mm/r時，由于材料中有硬質點的存在，受到沖擊力，產生了稍微崩刃的現象。切屑長而薄，自動斷屑狀態不好，屬于自卷曲斷屑，刀具*紅熱，表面氧化發黑。

而采用切削參數為v=90m/min、ap=0.5mm、f=0.1mm/r，并使用切削液時，切屑呈暗紅色的“半熔態”，沿副刀刃方向流出，切削溫度很高。在高溫高壓作用下造成粘結磨損；零件表面端跳動值在0.02mm左右。與硬質合金相比，CBN刀片車削粉末高溫合金的刀具的后刀面磨損量VB要小得多，而且CBN刀片的加工精度可以得到保證。在質量相差不大的情況下，CBN的刀具壽命明顯要高于涂層硬質合金。

但是在高溫高壓下粉末高溫合金與CBN 刀片表面會發生親合作用，因而發生較明顯的粘結，造成粘結磨損，因此要通過使用高壓切削液和減少切削抗力的辦法減少磨損。因此加冷卻液是進步CBN刀具壽命的措施之一。

結語：用CBN刀具加工粉末高溫合金，效率高于硬質合金刀具，刀具壽命高于陶瓷刀具。