先來看下什么是高溫合金
高溫合金是指以鐵、鎳、鈷為基,能在600℃以上的高溫及一定應力作用下長期工作的一類金屬材料;并具有較高的高溫強度,良好的抗氧化和抗腐蝕性能,良好的疲勞性能、斷裂韌性等綜合性能。高溫合金為單一奧氏體組織,在各種溫度下具有良好的組織穩定性和使用可靠性,
基于上述性能特點,且高溫合金的合金化程度較高,又被稱為“超合金”,是廣泛應用于航空、航天、石油、化工、艦船的一種重要材料。按基體元素來分,高溫合金又分為鐵基、鎳基、鈷基等高溫合金。鐵基高溫合金使用溫度一般只能達到750~780℃,對于在更高溫度下使用的耐熱部件,則采用鎳基和難熔金屬為基的合金。 鎳基高溫合金在整個高溫合金領域占有特殊重要的地位,它廣泛地用來制造航空噴氣發動機、各種工業燃氣輪機最熱端部件。若以150MPA-100H持久強度為標準,而目前鎳合金所能承受的最高溫度〉1100℃,而鎳合金約為950℃,鐵基的合金〈850℃,即鎳基合金相應地高出150℃至250℃左右。所以人們稱鎳合金為發動機的心臟。目前,在先進的發動機上,鎳合金已占總重量的一半,不僅渦輪葉片及燃燒室,而且渦輪盤甚至后幾級壓氣機葉片也開始使用鎳合金。與鐵合金相比,鎳合金的優點是:工作溫度較高,組織穩定、有害相少及抗氧化腐蝕能力大。與鈷合金相比,鎳合金能在較高溫度與應力下工作,尤其是在動葉片場合。
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高溫合金為何難加工
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在切削加工中,高溫合金的難加工性主要表現在以下幾方面:(1)常溫和高溫強度高,切削力大
切削一般材料時,由于切削溫度升高,強度明顯下降,使切削易十進行,而高溫合金在較高溫度下,仍具有較高的強度,使切削力增大。通常,切削高溫合金的單位切削力要比中碳鋼高1~3倍。在相同的磨削工藝條件下,高溫合金的磨削力約比45鋼提高2倍。
(2)加工硬化傾向大,切削困難
高溫合金的硬度一般都不高,但切削時塑性變形區的品格歪扭現象嚴重,使已加工農而產生冷作硬化。切削高溫合金時,已加工表面的硬度要比基體硬度高50%—99%。
(3)熱導率低,加工過程中切削溫度高
切削高溫合金時,產生較大的塑性變形,工件間有強烈摩擦,切削力大,因此產生大量的切削熱。因高溫合金的導熱系數很低,所以高溫合金的散熱性很差,大部分削熱集中在切削區,使切削溫度升高,一般可達到1 000℃。高溫不僅會加劇擴散磨損和氧化磨損,也會使上件產生變形,造成尺寸精度小易控制。
在磨削高溫合金的過程中,砂輪磨粒頂部表面極易與高溫合金黏附,使黏附在磨粒上的金屬層與被磨零件表面接觸,摩擦因數增大,再加上磨削高溫合金時所消耗的變形功比磨削普通鋼料時高,磨削熱量高,而材料本身的導熱率低,因而使磨削熱集中在被磨工件表層,使磨削溫度高。磨削高溫合金的磨削溫度大約比磨削普通鋼料高200℃左右。磨削高溫合金時所產生的大量磨削熱會造成零件表面燒龜裂,使零件表面完整性變差。
(4)磨損嚴重
由于高溫合金的高溫強度高,加工硬化嚴重,而且高溫合金中含有許多由金屬碳化物、氮化物、硼化物以及金屬間化合物等構成的硬質點,尤其是具有相構成的微質點,因此機械摩擦磨損嚴重。不僅如此,由于切削力大,切削溫度高,在高溫高壓下,一切屑界面產生黏結,造成的黏結磨損。此外,在較高的切削溫度下,加劇了材料中某些合金元素(如鎢、鈷、鈦、鈮等)同上件及切屑間的擴散作用,造成擴散磨損。同時,在高溫條件下,周圍介質中的碳、氫、氧、氮等元素容易浸入切削界面,使材料生成相應脆性相,加大了材料表層組織的應力集中,使產生裂紋,甚至崩刃。在磨削高溫合金的過程中,砂輪磨粒除了有較嚴重的磨耗磨損外,砂輪還有較嚴重的黏附堵塞。
(5)工件易產生熱變形,加工表面質量和精度不易保證
由于切削力大、切削溫度高,而且砂輪磨損快,因此高溫合金的加工表面完整性較難保證。切削加工高溫合金時,在零件表面處將產生較大的殘余拉應力,然后沿零件表層深度急劇下降。另外,零件加工表面的冷作硬化也較突出,特別是冷作硬化深度層較深
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那么高溫合金的磨削,
我們需要怎么辦呢?
(1)砂輪速度。磨削高溫合金的砂輪速度一般應在(20~25)m/s左右。據有關資料介紹,應在20m/s以下,以減輕砂輪的粘附和降低磨削溫度。采用立方氮化硼砂輪的速度為(30~35)m/s。
(2)工件速度。工件速度對磨削燒傷有很大影響,對于韌性高、導熱系數低的高溫合金,應適當提高工件速度,以減小和克服燒傷現象。但工件速度不宜太高,否則會引起自激振動。外圓和內圓磨削時,工件速度為30m/min左右。平面磨削時的工作臺速度,粗磨時為(25~28)m/min,精磨時為(15~25)m/min。
(3)進給量。它的大小對磨削表面粗糙度有較大影響。外圓磨削時縱向進給量為(0.05~0.5)Bmm/r,精磨時取小值。內圓磨削時縱向進給量為(0.1~0.3)Bmm/r;平面磨削時橫向進給量為(0.4~0.6)Bmm/dst。
(4)磨削深度。外圓磨削時的磨削深度為(0.01~0.06)mlTl,內圓磨削為(0.01~0.05)mm,平面磨削為(0.01~0.05)mm。粗磨時取大值。
(5)磨削余量。高溫合金的磨削余量應比磨削一般材料小一些,以減少磨削工作量。
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高溫合金磨削砂輪的選擇
(1)磨料。磨削高溫合金時,一般的情況下采用白剛玉(wA),因為白剛玉的
硬度比較高,磨粒不易磨鈍,切削性能好。再因白剛玉的韌性較低,磨削時磨粒容易破裂而形成新的切削刃,故刃口較為鋒利,可以減小磨削力和磨削熱。磨削高溫合金比較好的磨料,是單品剛玉(SA)。這種磨料每個顆粒都是單晶體,顆粒均勻,鋒利多棱,它有大量的晶面,具有許多切削刃,在磨削過程中不易破碎,切削能力強,適合于磨削高溫合金。還有鐠釹剛玉(NA),這種磨料的硬度較高,脆性稍高于白剛玉,在磨削過程中自銳性好,有利于形成鋒利的切削刃,磨削高溫合金(GH37、GH2132、K5、K3、K12)時,都有良好的效果。用它和單晶剛玉磨削高溫合金內孔較好。最好磨削高溫合金的磨料是立方氮化硼(CBN)。用立方氮化硼砂輪,可以解決用普通磨料磨削高溫合金磨削比低的難題。用立方氮化硼砂輪磨削GH4169高溫合金時的磨削比約為35,是單晶剛玉和白剛玉砂輪的(17~35)倍。
(2)粒度。對磨削表面粗糙度要求一般時,采用46#粒度的砂輪。對工件表面粗糙度要求更低時,先用46#粒度的砂輪磨至Ra(0.8~O.4)μm后,再用60#~80#粒度的砂輪磨。與磨外圓相比,磨內孔、端面、薄壁件時,應選用較粗粒度的砂輪。
(3)硬度。磨削高溫合金的砂輪硬度應比磨削碳鋼砂輪硬度低,以使砂輪易脫落獲得自銳性。一般選用砂輪硬度為J~N。中軟的K、L為常用。在粗磨時選用稍硬的砂輪,精磨時選用較軟的砂輪。在成形磨時,應選用較硬的砂輪,以保持正確的幾何形狀。
(4)結合劑。由于高溫合金的性能和磨削特點,要求砂輪有較好的強度,在磨削過程中能承受較大的沖擊載荷,一般應選用耐蝕性、耐熱性較高的陶瓷結合劑。
(5)組織。高溫合金大都屬奧氏體組織,磨屑易粘附、堵塞砂輪工作表面。不但要求砂輪的硬度軟一些,而且砂輪的組織應疏松,以容納磨屑。一般應選用5~8的絹織號。