PDF《用于加工 Inconel718 的切削刀具发展现状》

1000) ,逐渐被 硬质合金等刀具材料所取代.但在一些成形刀具以 及工艺系统刚性差的条件下 ,采用高速钢刀具材料 加工高温合金仍是很好的选择.此外 ,高速钢刀具 材料有较高的强度和韧性 ,且刃口可以更锋利 ,产生 的切削热更低 ,加工硬化现象较轻 ,这使高速钢有能 力对部分种类镍基合金进行加工.目前 ,用于加工 镍基合金的高速钢刀具材料主要有含钴高速钢和粉 末冶金高速钢两种[29] . 含钴高速钢即在高速钢中添加钴 ,它有三个作 用 :一是适量的钴能促进高速钢奥氏体中碳化物的 溶解 ,提高高速钢的热稳定性和二次硬度 ;

同时钴还 可促进高速钢回火时从马氏体中析出钨或钼的碳化 物 ,增加弥散硬化效果 ,提高高速钢的回火硬度 ,增 加高速钢的耐磨性.二是在高速钢中增加钴量能改 善其导热性 ,特别是高温时更为明显 ,在相同条件 下 ,刀刃温度可减小

30 ℃-

75 ℃,这对于减轻镍基 合金切削过程中的加工硬化是非常有利的.三是高 速钢中加入钴后 ,可降低刀具与工件间的摩擦系数 , 改善其加工性.M42 (W2Mo9Cr4VCo8) 是镍基合金 切削和制造精密成型刀具中应用最多的高速钢 ,可 用于多种镍基合金的磨削、 铣削和切削.同时 ,M42 也是拉削 Inconel718 涡轮盘的主要刀具材料[28] . 粉末冶金高速钢是用细小而均匀的高速钢结晶 粉末在高温高压 (1100 ℃,100MPa) 下直接压制而 成[29] .这种工艺完全避免了碳化物的偏析 ,在相同 硬度条件下强度比熔炼钢提高

20 % -

80 % ,硬度随

4 工具技术着密度加大而提高 ,组织均匀 ,高温硬度比熔炼钢高

015 - 110HRC.其中加入适当的碳化物 (如TiC、 TiCN、 NaC 等) 增加了耐磨性、 耐热性 , 为加工 In2 conel718 在内的镍基高温合金创造了条件.车削铸 造高 温合金K214 时,国产粉末高速钢GF3 比W18Cr4V 刀具耐用度提高

7 倍 ,车削 Inconel718 时提 高2倍[28] . 近些年还研制出了 TiN、 ZrN、 CrN、 AlTiN 和TiCN 等PVD 涂层高速钢 ,广泛用于麻花钻、 立铣刀、 丝锥 等刀具.涂层的使用明显提高了这些刀具在高温条 件下的使用寿命[30 ,31] ,但对高速钢车刀使用寿命的 提高并不显著[32] . 2.

2 硬质合金刀具 硬质合金刀具目前占世界范围内刀具总费用的

30 %左右 ,金属切除量约占

70 %.作为常用的金属 切削刀具材料 ,高速钢的常温硬度为

63 - 70HRC (83 - 8316HRA) , 而硬质合金的硬度可达89 - 94HRA ;

高速钢的耐热温度为

500 ℃-

650 ℃,而硬质 合金的耐热温度为

800 ℃-

1000 ℃ [28] .从这些数据 来看 ,硬质合金比高速钢更适宜对镍基合金的切削 加工.然而 ,硬质合金刀具切削 Inconel718 的一般 速度为

20 - 30m/ min ,当刀具以

50 - 200m/ min 高速 切削时 ,工件缺口处温度的急剧升高会导致刀具边 缘的过早变形或破碎[32 - 36] .目前有两个途径可以 解决这个问题 :刀具材料改性和刀具涂层. 2. 2.

1 刀具材料改性 硬质合金刀具是以高硬度难熔金属的碳化物 (WC、 TiC) 微米级粉末为硬质相 , 以钴 ( Co) 或镍 (Ni) 、 钼(Mo) 为粘结相 ,在真空炉或氢气还原炉中 烧结而成的粉末冶金制品.硬质相与粘结相的比例 以及硬质相颗粒的大小对合金的性能有重大影响. 随着硬质相 (主要是 WC) 晶粒尺寸的减小 ,刀具的 硬度、 弯曲强度以及抗磨损性有显著提高[37] .根据 Hall - petch 关系 ,硬质合金中 WC 的晶粒尺寸越小 , 粘结相 Co 的平均自由程越短 ,则合金的硬度和强度 越高.而当 WC 的晶粒尺寸降低到 100nm 左右时 , 其硬度和强度都有很大提高[38] .研究人员采用高 能球磨方法将 WC - Co 粉碎细化复合 ,得到平均 10nm 的WC 晶粒 ,WC 颗粒被 Co 分离和覆盖[39] ,如 此得到的硬质合金刀具的高温硬度和强度显著提 高 ,切削镍基合金中的刀具寿命也得到相应延长. 此外 ,也有人通过对硬质合金粉末进行梯度烧结的 方法 ,使刀具表面形成缺立方相碳化物和碳氮化物 的韧性区域 ,在不降低刀具硬度的情况下 ,提高刀具 的韧性和塑性 ,从而延长刀具寿命[40] .这种方法有 效地解决了镍基合金高速切削过程中硬质合金刀具 韧性与硬度之间的矛盾. 2. 2.