粉末高温合金与其他的铸造和变形高温合金相同,含有许多高熔点合金元素,例如,fgh95(fg02-01)粉末高温合金就含有铬、钴、钼、铌、镍、铁、钽等。这种粉末高温合金是先将合金制成粉末,经热等静压成形,再经锻造而制成的。粉末高温合金的g相含量约为50%(体积),组织均匀,晶粒细小,屈服强度高,抗疲劳性能好,可用于制造涡轮发动机的涡轮盘等。由于g相含量高,且弥散分布于晶粒间,使粉末高温合金得到很大的强化效应,且在相当高的温度范围内,随温度升高,其硬度反而有所提高,使切削加工性很差。车削时,若采用硬质合金刀具,则刀具磨损十分严重,为此,国内外相继研究采用新刀具材料加工粉末高温合金,与yd15和yg10ht等硬质合金刀片的切削寿命相比,立方氮化硼(cbn)刀片的切削寿命可提高很多倍。试验结果表明,cbn刀片是精车、半精车粉末高温合金的一种理想的刀具材料。
图1 复合聚晶cbn刀片(ge6000)
本课题采用了图1所示的美国通用电器公司(ge)生产的复合聚晶cbn刀片(以下简称cbn刀片),其牌号为ge6000,其中含有96%的cbn及4%的co。cbn基底为硬质合金(wc+co),在高温高压条件下,co从扩散源(硬质合金)基体出发,沿cbn晶界形成co网络。提高这种cbn刀片质量的关键是减小cbn层与硬质合金层之间的应力差。
图2 cbn聚晶体扫描电镜图片(×3 500)
2) 车削fgh95粉末高温合金的刀具几何参数刀具几何参数对cbn刀片的切削寿命有很大影响。刀具宜取负前角,对于精车刀具,可用0°~-10°;对于半精车刀具可超过-10°;。刀具后角可在6°~12°范围内选取。为了增强刀刃,可采用负倒棱和刀尖圆弧,负倒棱宽度br1可取0.1mm,负前角γr1可取-10°~-20°,刀尖圆弧半径γδ可取0.5~1mm。
图3 车削fgh95时采用的cbn刀具几何参数
2 车削粉末高温合金的刀具磨损特征
(a)后刀面磨损(×400) (b)刀尖塌陷(×650) (c)前刀面破碎磨损凹坑(×300)
用cbn刀片车削粉末高温合金时,刀具磨损量很小,若在扫描电镜下观察刀具后刀面,可发现刀刃并无缺损,仅沿主刀刃和副刀刃处有一条白带,见图5(工件材料:fgh95;刀具材料:ge6000;切削用量:v=70m/min,ap=0.2mm,f=0.1mm/r;切削距离l=151m)。图中右边示出cbn刀片车削fgh95粉末高温合金时形成的带状切屑。这条白带是一层粘附物,是粘结在刀具表面上的粉末高温合金材料,呈层叠云雾状。主后刀面和副后刀面的粘附物形态示于图6(切削条件与图5相同)。从整体上看,cbn车刀车削粉末高温合金的后刀面粘附与硬质合金车削时不同,cbn车刀的粘附物较少,只有极薄的一层,而且粘附宽度很窄。图示的粘附物宽度不大于100µm;硬质合金车刀的粘附量则较大,接触区的粘结层已产生周期性局部破坏。
图5 cbn刀片车削粉末高温合金的后刀面扫描电镜图片(×200)
(a)主后刀面粘附(×700) (b)副后刀面粘附(×700)
3 cbn刀片车削粉末高温合金的刀具磨损机理
(a)刃区粘附全貌(×220) (b)刃区粘附局部放大(×700)
(a)刃区粘附全貌(×250) (b)刃区粘附局部放大(×770)
2) cbn刀片的氧化磨损和相变磨损
(a)刀刃处全貌(×110) (b)刀刃与切屑作用区的放大形貌(×200)
4 车削粉末高温合金时cbn与硬质合金刀具磨损的比较
图10 切削路程l与后刀面磨损量vb的关系曲线
结论