試論高溫合金切削加工技術

王英武

摘?要： 高溫合金是特種行業常見的材料，廣泛應用于航空航天發動機等尖端領域。本文闡述了高溫合金的分類及性能，說明了高溫合金的切削加工特點，最后，討論了改進高溫合金切削加工的工藝研究方向。

關鍵詞：高溫;合金;切削;加工

伴隨全世界制造業的日新月異，各種高精尖產品不斷涌現，對各類材料也不斷提出了新的要求。高溫合金以其高溫強度大、熱穩定性好、抗疲勞性能佳等優異性能，成為了眾多行業眾多工業產品尤其是航空航天發動機所離不開的重要基礎材料。

1 高溫合金的分類及性能

1.1 高溫合金的分類

按照成型工藝，高溫合金可以分為以下幾類。

1）變形高溫合金。即通過冷、熱變形工藝加工獲得的高溫合金。冷、熱變形工藝是最常見的高溫合金加工工藝，也是我國和全世界采用較多的高溫合金加工工藝。但隨著科技的進步與發展，其他加工工藝的不斷涌現，冷、熱變形工藝所占比例已經開始減少，但是從目前來看，今后一定時期，變形高溫合金仍將是全世界范圍內使用最多的高溫合金。

2）鑄造高溫合金。即通過鑄造方法加工而成的高溫合金。由于鑄造工藝的基本特點，鑄造高溫合金具有合金化程度高、抗蠕變性能好等特點。目前航空發動機使用鑄造高溫合金的比例越來越高。

3）粉末高溫合金。即以金屬粉末為原料，加工獲得的高溫合金。粉末高溫合金加工工藝一般為熱等靜壓和等溫鍛造等方法。粉末高溫合金最大的優勢在于能夠有效解決其他高溫合金加工工藝過程中難以避免的偏析問題，具有屈服強度高、晶粒細小、疲勞性能優異等特點。

1.2 高溫合金的性能

高溫合金雖然種類繁多，但總體來看，都具備熱強度高、組織性能穩定、抗氧化性強、抗腐蝕性強、硬度大、熔點高、無毒、抗蠕變性能佳的特點，可以保證它們在復雜惡劣的工作條件下仍然能夠具有良好的綜合性能，發揮其應用的作用。

2 高溫合金的切削加工特點

高溫合金都是為特殊的工作環境而生，因此，高溫合金的加工質量極為重要。高溫合金的切削加工具有以下特點。

2.1 切削力大

高溫合金普遍具備極高的硬度，從微觀結構上來說，高溫合金極為穩定，要破壞這樣的穩定結構，刀具的切削力也要足夠大才可以。

2.2 切削溫度高

較大的切削力會導致較大的產熱，而高溫合金的導熱性相對于一般金屬又比較差，這就會致使加工過程中的散熱不良，進而導致切削溫度高，影響刀具壽命。

2.3 加工硬化嚴重

加工硬化是高溫合金加工過程中不可避免的現象。一方面，高溫合金具有較高的塑性和韌性，在刀具刃口和后刀面的擠壓和摩擦作用下，已加工表面的材料會產生明顯的塑性變形，導致強度和硬度的增加; 另一方面，高溫合金的切削加工會產生較高的切削溫度，導致合金中的強化相從固溶體中析出，并呈彌散相分布，使加工硬化現象變得更為明顯。

2.4 對刀具要求高

前面所述的切削溫度高和加工硬化嚴重對切削工藝中使用的刀具提出了高要求，刀具的使用壽命和散熱等都是高溫合金加工過程中需要重點關注的問題。

2.5 排屑困難

高溫合金的塑性都比較好，因此切削過程中產生的切屑往往會連續成條狀，經常會與材料本身及刀具發生纏繞。排屑難度大，對加工效率、刀具壽命乃至加工質量都會產生不利影響。

3 改進高溫合金切削加工的工藝研究

對于高溫合金的切削加工的研究主要集中在刀具和冷卻工藝兩個方面。

3.1 刀具優化

與傳統切削工藝所使用的刀具相比較，加工高溫合金的刀具需要更好的抗腐蝕、抗氧化及耐熱性能，才能更好保障刀具的壽命和加工質量。目前常用的高溫合金加工刀具有以下幾種類型。

3.1.1 高速鋼

高速鋼的特點是強度和韌性好，是傳統切削工藝中的常見刀具。但是高速鋼易發生崩刃，使用壽命短，加工效率不高。為了滿足高溫合金的切削需要，研究人員研發了新型高速鋼刀具，例如高鈷高速鋼M42和鋁高速鋼501等，均在高速合金的加工過程中取得了應用。但應當指出的是，隨著新工藝的出現，高速鋼刀具在高溫合金的加工工藝中的應用已經越來越少。

3.1.2 硬質合金

硬質合金塑性好、耐磨性好、硬度高，是高溫合金切削加工中最常用的刀具材料。由于高溫合金切削溫度高的加工特點，常用的硬質合金刀具材料以K類和S類硬質合金為主。除這兩者之外，隨著對高溫合金加工精度要求的逐步提高，超細晶硬質合金刀具已成為業內普遍關注的一個發展方向。

3.1.3 涂層硬質合金

顧名思義，涂層硬質合金即刀具上具備一個涂層，起到保護刀具以延長其使用壽命的作用。

研究人員發現，涂層可以減少刀具與工件之間的接觸擴散與化學反應，保持刀具的硬度和耐磨度，延長刀具使用壽命。目前，用于高溫合金加工的涂層硬質合金刀具已逐漸由單一涂層發展為復合涂層。今后的涂層硬質合金刀具的研究方向將是新型涂層的開發與應用。

3.1.4 陶瓷基材料

陶瓷材料除了硬度高、耐熱性好之外，作為切削高溫合金刀具材料最大的優點是難于與工件發生黏結。可以顯著提升加工效率。但是陶瓷材料的脆性大、導熱系數小，對刀具使用壽命有一定的不利影響，限制了它的應用。

3.2 合理的冷卻工藝

前已述及，高溫合金的加工過程產熱量大、散熱困難，因此，冷卻工藝也是高溫合金切削加工的關鍵工藝之一。

3.2.1 微量潤滑切削

微量潤滑切削技術是將壓縮后的氣體和極少量的潤滑劑混合氣化后，形成微米級氣溶膠噴向切削區域，減少刀具與工件的摩擦黏結，便于切屑排出。目前，傳統的微量潤滑切削已經不能滿足高溫合金加工的需求，新型的微量潤滑技術偏向于研制新的潤滑劑或與其他技術相結合的方向發展。

3.2.2 高壓冷卻切削

高壓冷卻切削是指將冷卻液壓力升至預定數值后，利用高壓效應將冷卻液噴射到切削區域，從而降低加工區域溫度的一種新技術。盡管高壓冷卻技術是一個很有前景的研究方向，但是，如何選擇合理的壓力和高壓冷卻劑也是非常值得研究的內容。

3.2.3 低溫冷卻切削

低溫冷卻切削將液氮等低溫流體噴射到切削區域，在加工區域內形成超低溫環境，此時部分材料會發生韌脆性轉變，使高溫合金切削加工性得到改善，提高切削質量和效率。

大量試驗結果表明，低溫切削工藝對切削區域具有連續冷卻效果，可以顯著降低高溫合金加工過程中產生的切削熱，大幅降低切削溫度，有助于改善合金切削質量，但是，低溫切削所用的冷卻劑制造成本較高，經濟價值與需求不符，是限制低溫切削工藝發展的一個重要原因。

4 結語

高溫合金在具備可以滿足復雜工作條件的優異性能的同時，也具備加工難度大的特點。因此，如何在不斷提高高溫合金性能的同時，有效降低加工難度，提升加工質量已經成為行業內普遍關注的熱點問題。目前，全世界的研究者都將目光聚焦在刀具材料和冷卻工藝兩個方面，希望能夠實現突破，進一步提高高溫合金的應用范圍，滿足更大范圍的應用需要。

參考文獻：

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