硬质合金刀具制造-硬质合金刀具-昂迈工具

一、高温合金的概念、原理和分类

高温合金一般是指能在600~1200℃的高温下抗痒化、抗腐蚀、抗蠕变，并能在较高的机械应力效果下长期作业的合金资料。

高温合金强调的不是耐受温度指标，耐受温度比高温合金高的资料有很多，比如难熔合金、陶瓷及碳碳复合资料等。高温合金底子的特性在于必定温度下所具有的高强度。以一般的修建用钢材为例，硬质合金刀具制造，它在室温下强度---，但在修建焚烧时强度会急剧下降，从而导致修建坍塌。高温合金的长处是，在600~1200℃的高温下，它仍然能坚持---的强度和硬度以接受较高的载荷。因而俄罗斯将其称为热强合金，而欧美称之为超合金（superalloy）。

一般钢材含有十多种化学元素，而高温合金一般含有---30-40种元素，高温合金之所以能在高温下坚持较高的强度和硬度首要原因在于这些元素在安排中发挥着强化金属功能的效果。

高温合金的分类有多种：1）按制造工艺分为变形高温合金、铸造高温合金和粉末高温冶金三类。2）按合金的首要元素分为铁基高温合金、镍基高温合金和钴基高温合金三类。3）按强化办法分为固溶强化、时效强化、氧化物弥散强化和晶界强化等。

以工艺分类来看，变形高温合金运用规划广，占比达70%，其次是铸造高温合金，占比20%。以合金首要元素来看，镍基高温合金运用规划广，占比达80%，其次为镍-铁基，占比14.3%，钴基占比少，占比5.7%。

二、高温合金展开进程及概略

高温合金早诞生于20世纪初期的美国，被用作车站的防腐支架。从开端，高温合金的研发进入了高速展开时期，镍基高温合金、钴基高温合金、铁基高温合金纷纷研发成功，并大量运用。现在镍基高温合金是现代航空发起机、航天器和火箭发起机以及舰船和工业燃气轮机的要害热端部件资料（如涡轮叶片、导向器叶片、涡---、焚烧室等），也是核---、化工设备、煤转化技能等方面需求的重要高温结构资料。

高温合金的展开首要阅历了几个阶段：二十世纪40时代以前提出概念，40-50时代实现在喷气发起机的运用，50-60时代在真空熔炼技能取得重大进展，60-70时代会集在合金化方面，70时代后首要在工艺研讨方面，定向凝结、单晶合金、粉末冶金、机械合金化和陶瓷过滤等新工艺成为高温合金展开的首要动力，其间定向凝结工艺制备的单晶合金尤为重要，在航空发起机涡轮叶片中运用尤为广泛。二十世纪80时代以来，---广泛展开数值模仿研讨，取得了重要进展，并在此基础上展开了显微安排及冶金缺点猜测研讨。

三、镍基高温合金

在整个高温合金领域中，镍基高温合金占有---重要的---，与铁基和钴基合金比较，镍基合金具有---的高温功能、---的抗痒化和抗腐蚀功能。镍基高温合金是高温合金中运用广、高温强度蕞高的一类合金。其首要原因，一是镍基合金中能够溶解较多合金元素，且能坚持较好的安排安稳性；二是能够构成共格有序的a3b型金属间化合物[ni3(al，ti)]相作为强化相，使合金得到有用强化，获得比铁基高温合金和钴基高温合金更高的高温强度；三是含铬的镍基高温合金具有比铁基高温合金---的抗痒化和抗燃气腐蚀才能。能够说，镍基高温合金的展开决定了航空涡轮发起机的展开，也决定了航空工业的展开。选用定向凝结技能制备出的镍基单晶合金，其运用温度已接近合金熔点的90%，成为今世---航空发起机热端部件不行替代的重要结构资料。

镍基高温合金含有十多种元素，增加合金元素对高温合金的功能起要害的效果。以铸造镍基高温合金为例，铸造镍基高温合金以γ相为基体，增加铝、钛、铌、钽等构成γ’相进行强化，γ’相数量较多，有的合金---60%；参加钴元素能前进γ’相溶解温度，前进合金的运用温度；钼、钨、铬具有强化固溶体的效果，铬、钼、钽还能构成一系列对晶界发生强化效果的碳化物；铝、铬有助于抗痒化才能，但铬下降γ’相的溶解度和高温强度，因而铬含量应低些；铪改进合金中温塑性和强度；为了强化晶界，增加适量的硼、锆等元素。研讨标明，gmr235铸态合金的含碳量为0.18%时，硬质合金刀具，高温耐久寿数和抗拉强度蕞大，且具有较好的塑性，增加硼和锆的合金耐久性明显改进，合金的枝晶距离削减，碳化物的析出量削减且碳化物颗粒细化，从而改进各方面功能。

镍基高温合金是20世纪30时代后期开端研发的。英国于1941年首先出产出镍基高温合金nimonic75；为了前进蠕变性又增加了铝，研发出nimonic80。美国于40时代中期，苏联于40时代后期，我国于50时代中期也研发出镍基合金。

镍基合金的展开包含两个方面：合金成分的改进和出产工艺的改造。50时代初，真空熔炼技能的展开，为炼制含高铝和钛的镍基合金创造了条件。初期的镍基合金大都是变形合金。50时代后期，因为涡轮叶片作业温度的前进，要求合金有更高的高温温度，可是合金的强度高了，就难以变形，乃至不能变形，于是选用熔模精细铸造工艺，硬质合金刀具参数，展开出一系列具有---高温强度的铸造合金。60时代中期展开出功能---的定向结晶和单晶高温合金以及粉末冶金高温合金。为了满意舰船和工业燃气轮机的需求，60时代以来还展开出一批抗热腐蚀功能较好、安排安稳的高铬镍基合金。在从40时代初到70时代末大约40年的时间内，镍基合金的作业温度从700℃前进到1100℃，平均每年前进10°c左右。

镍基高温合金按照制造工艺，可分为变形高温合金、铸造高温合金、粉末冶金高温合金。

3.1 变形高温合金

变形高温合金是高温合金中运用广的一类，占比到达70%。变形高温合金首要选用常规的锻、轧和揉捏等冷、热变形手段加工成材。我国镍基变形高温合金以拼音字母gh加序号表明，如gh4169、gh141等。

变形高温合金塑性较低，变形抗力大，运用一般的热加工手段变形有必定困难，因而需求采纳钢锭直接轧制、钢锭包套直接轧制和包套墩饼等新工艺来加工，也选用加镁微合金化和弯曲晶界热处理工艺来前进塑性。

变形高温合金在航空发起机中至今仍然是首要用材。其间gh4169在我国航空发起机中已得到广泛运用，被称为高温合金中的。其材质水平和加工工艺水平近年来得到明显前进。gh4169合金的冶金产品有不同标准的锻棒、热轧棒、冷拉棒、板、带、丝、管和锻件，制造的零件有各类盘、转子、环、机匣、轴、紧固件、弹性元件、阻尼元件等。

3.2 铸造高温合金

跟着运用温度和强度的前进，高温合金的合金化程度越来越高，热加工成形越来越困难，必须选用铸造工艺进行出产。另外，选用冷却技能的空心叶片的内部杂乱型腔，只能选用精细铸造工艺才能出产，因而镍基铸造高温合金在实际出产运用中不行缺少。铸造高温合金运用也较为广泛，占比约20%。国内的铸造高温合金以“k”加序号表明，如k1、k2等。

按结晶办法，铸造高温合金又能够分为多晶铸造高温合金、定向凝结铸造高温合金、定向共晶铸造高温合金和单晶铸造高温合金等4种类型。铸造高温合金的特点是：1）具有更宽的成分规划。因为不用统筹变形加工功能，合金的规划能够会集考虑优化其运用功能。2）具有更广阔的运用领域。因为铸造办法具有的---长处，可依据零件的运用需求，规划、制造出近终型或无余量的具有任意杂乱结构和形状的高温合金铸件。

刀具经过砂轮刃磨后，刃口会存在不同程度的微观缺陷，在切削过程中，刀具刃口微观缺口极易扩展，加快刀具的磨损和损坏。刃口钝化是延常刀具寿命的金属切削配套技术，能有效减少或消除刃磨后的刀具刃口微观缺陷，以达到圆滑平整，提高刀具抗冲击性能，使刀具刃口锋利坚固。

刃口钝化方式可分为传统刃口钝化和特种刃口钝化。传统刃口钝化方式主要包括磨削钝化、毛刷钝化、拖曳钝化和喷砂钝化等；特种刃口钝化方式主要包括激光钝化、电火花电蚀钝化、电化学钝化和磨料水射流钝化等。

喷砂是以压缩空气为动力，以形成高速喷射束将喷料高速喷射到需要处理的工件表面，实现对工件表面的加工。由于磨料对工件表面的冲击和切削作用，工件的表面性能和形状会发生改变。而微喷砂技术是以传统喷砂技术为基础，采用微米级尺寸的磨料颗粒来进行待加工表面处理的技术，广泛应用于材料的表面处理，包括表面清洁、表面钝化和表面形貌处理。微喷砂处理的材料去除机理，包括裂纹扩展导致的脆性去除和磨料微切削产生的塑性去除。微喷砂技术在刀具领域主要应用在表面处理方面，如涂层刀具。通过对刀具基体表面进行相应的微喷砂处理，来改变基体的表面形貌，以增加涂层与刀具基体之间的粘结力，提高刀具的切削寿命。研究表明，对刀具的涂层表面进行微喷砂处理可以增加涂层硬度，提高刀具切削寿命。微喷砂技术在刀具刃口钝化领域没有得到广泛应用，理论研究还不充分。

本文通过微喷砂技术对硬质合金刀片yt15进行刃口钝化，研究微喷砂工艺参数对刃口半径的影响以及微喷砂处理对刃口的影响，并分析微喷砂处理的材料去除机理。

1试验步骤

试验以喷砂压力p、磨料比重w和喷砂时间t为因素，其中磨料比重w为磨料占水和磨料总的比重。每个因素设4个水平，进行64组全因素刃口钝化试验，因素水平见表1。

表1  微喷砂全因素试验因素水平

采用湿式手动喷砂机，喷砂角度45°，喷砂距离8mm。磨料为320目白刚玉，微喷砂加工如图1所示。选用可转位硬质合金刀片yt15，其尺寸标准为snmn120404，相应的材料性能见表2。通过激光共---显微镜(lsm，keyence vk-x200k)对微喷砂处理后的刀片刃口进行观测，试验观测指标为刀片刃口半径r和刃口线粗糙度ra，终结果为三次测量后的平均值。同时对其刃口形貌进行扫描电子显微镜镜(sem)观察，分析刃口材料去除机理。

图1  硬质合金刀具yt15微喷砂加工示意图

表2  硬质合金刀具yt15物理力学性能

2试验结果与分析

(1)微喷砂工艺参数对刃口半径的影响

图2为硬质合金刀具yt15刃口半径随微喷砂各工艺参数的变化趋势。图2a、图2b、图2c和图2d分别是在喷砂时间为20s、30s、40s和50s时刃口半径随喷砂压力的变化图。对比发现，在相同的喷砂压力和磨料比重下，随喷砂时间的增加，刀具刃口半径增大，这实质上是材料去除随着时间累积的结果。在相同的喷砂时间和磨料比重下，随喷砂压力的增加，刀具刃口半径增大。这是因为随着喷砂压强的增加，磨料流的出口速度增加，单颗粒磨料速度也相应增加。

硬质合金可看作是硬脆材料，根据单颗粒磨料冲蚀模型可知，单颗粒磨料的材料去除量与磨料颗粒的速度的指数成正比，使得单颗粒磨料的材料去除量增加。同时磨料流速度的增加，使单位时间内有效冲击刀具刃口的磨料颗粒数量增加，刃口材料的去除量变大。因此，增加喷砂压力相当于既增加磨料比重又增加喷砂时间，两者的共同作用使刃口半径增大。

由图2分析磨料比重对刀具刃口半径的影响可知，在喷砂压力为0.2mpa和0.25mpa时，随着磨料比重的增加，刀具的刃口半径先增大而后减小；而在喷砂压力为0.3mpa和0.35mpa时，随着磨料比重的增加，刀具的刃口半径呈现一直增大的趋势。同理，根据单颗粒磨料冲蚀模型分析可知，当喷砂压力较小时，随着磨料比重的增加，虽然单颗粒磨料速度减小，但是单位体积内磨料颗粒的数量增加，造成单位时间内磨料颗粒对刀具刃口的冲击次数增加，所以刃口材料的去除量变大。当磨料比重过大时，根据能量守恒可知，磨料流的速度减小很多，其中磨料颗粒的速度大幅降低，不仅减少了单颗粒磨料材料的去除量，也使单位时间内磨料对刀具刃口的冲击次数减少，进一步减少材料去除量，使得刃口半径随着磨料比重的增加先增大后减小。当喷砂压力较大时，随着磨料比重的增加，在单位时间内增加的磨料对刀具刃口的冲击次数所增加的材料去除量要多于单颗粒磨料速度降低而减少的材料去除量。总的来说，单位时间内材料去除量增加，因此在较大喷砂压力下，刀具的刃口半径随着磨料比重的增加而增加。

(a)t=20s(b)t=30s(c)t=40s(d)t=50s

图2  刃口半径随微喷砂各工艺参数的变化趋势

(2)微喷砂处理对刃口线粗糙度的影响

图3是硬质合金刀片yt15经过微喷砂刃口钝化处理前后的切削刃形貌。采用微喷砂工艺参数：喷砂压力p=0.2mpa，磨料比重w=0.1，喷砂时间t=30s。通过测量得到切削刃的相关参数见表3。

图3  未处理刀片与微喷砂刃口钝化刀片的切削刃形貌

可以发现，硬质合金刀片yt15的刃口轮廓由原来的r=6μm锐刃变成r=27μm的圆弧刃口。其切削刃形貌得到---，刃口线粗糙度ra由原来的0.79μm下降到0.5μm，ry则由原来的6μm下降到3μm。这是由于微喷砂处理消除了刀具刃磨时产生的微观缺陷，---了刃口。

表3  未处理刀片与微喷砂刃口钝化刀片刃口参数对比(μm)

图4是微喷砂全因素试验时硬质合金刀片yt15的刃口线粗糙度的分布情况。可以得出，硬质合金yt15刀片的刃口线粗糙度为0.3-0.8μm，满足刀片的刃口粗糙度要求。

图4  硬质合金刀具yt15刃口线粗糙度分布

(3)微喷砂刃口材料去除机理研究

刀片的微喷砂过程实质上是高速磨料射流冲击材料表面，实现材料的去除。其材料去除机理主要归结为磨料颗粒对材料的去除方式。对于脆性材料，其去除机理往往不只有脆性去除，还包括磨料颗粒的微剪切引起的塑性去除。

图5是硬质合金刀具yt15在喷砂压力p=0.25mpa、磨料目数m=320、喷砂时间t=20s和磨料比重w=0.1时的刃口形貌。可以看出，经过微喷砂处理后，刀具出现了圆弧刃口，对其圆弧刃口的区域a进行放大，可以观察刃口材料去除形成的微观形貌。通过区域b可以看出，其硬质合金中硬质相的去除多为由裂纹扩展造成的脆性断裂，这是由于棱角尖锐的磨料颗粒对于硬质相的冲击作用，使之产生径向裂纹和侧向裂纹，由于磨料颗粒的高频率冲击，进而造成侧向裂纹的扩张形成网状裂纹，达到材料的去除。对于c区域的观察，也可以发现刃口材料上存在磨料颗粒的刻划痕迹，这主要是由于具有锋利刃口的白刚玉磨料颗粒对工件材料的微切削作用导致。由于刀具材料中除硬质相成分外，还包括粘结相，其微切削作用相对于粘结相更为明显，粘结相材料先于硬质相去除，使得硬质相成分显露出来。因此微喷砂处理硬质合金刀具yt15的材料去除机理，包括由磨料冲击和水楔作用引起裂纹扩展而导致硬质相材料的脆性去除，还包括磨料颗粒的微切削作用引起的材料塑性去除。

图5  硬质合金刀具yt15微喷砂刃口形貌sem图

小结

微喷砂处理可以对硬质合金刀具yt15刃口进行有效钝化，形成一定圆弧半径的刀具刃口。研究表明，刃口圆弧半径随着微喷砂时间和喷砂压力的增加而增大。对于磨料比重而言，在喷砂压力为0.2mpa和0.25mpa时，随着磨料比重的增加，刀具刃口半径先增大而后减小；在喷砂压力为0.3mpa和0.35mpa时，随着磨料比重的增加，刀具刃口半径呈现一直增大的趋势。微喷砂处理可有效---硬质合金刀具yt15的刃口，消除微观缺陷，降低刃口线粗糙度，在结构上对刀具刃口进行钝化。硬质合金刀具yt15刃口材料的去除机理，包含由裂纹扩展而导致硬质相材料的脆性去除和微切削作用引起的材料塑性去除。