铸造高温合金K423A的切削加工性能研究

徐 宁

（福建信息职业技术学院 福州, 350003）

摘要：对铸造高温合金的切削加工进行介绍，重点对K423A的材料特点和加工性能进行了分析，并对其切

削加工的条件从刀具材料、几何参数、切削用量的选择等方面进行了研究。

关键词：K423A；高温合金；切削加工

前言

铸造高温合金含有大量的铁、镍、钴基本元素外，还含有铝、钛、钒、铬、钨、钼等强化元素，合金中强化元素含量越高，则越难加工。铸造高温合金K423A的基本成分如下表。

表1 K423A镍基高温合金化学成分

元素 含量% Si ≤0.2 C 0.12～0.18 Mn ≤0.2 Cr 14.0～15.5 S ≤0.010 Ni 余 Ag ≤0.0005 Co 8.2～8.9 Bi ≤0.00005 Mo 6.8～8.3 Fe ≤0.5 Al 3.9～4.4 Nb ≤0.25 Ti 3.4～3.8 Pb ≤0.0010 B 0.004～0.005 W ≤0.2 K423A的主要特性如下：

（1）含有高熔点合金元素和其它合金元素，形成了组织致密的奥氏体合金； （2）它的沉淀硬化物呈弥散分布，其稳定性较强；

（3）导热系数小λ=0.025cal/(cm·s·ºC)（45#钢的λ=0.115cal/(cm·s·ºC)），不利于散热，对刀具的影响较大；

（4）基体以奥氏体-金属间化合物作为主要强化物，在相当高的温度范围内，随温度升高，其硬度反而有所上升，即在一定的温度范围内，仍能保持相当高的硬度和强度。 一、K423A高温合金切削加工的主要特点 1、切削力大

切削一般材料时，由于切削温度升高，强度明显下降，使切削易于进行，而K423A由于含有大量的合金元素，不但有很高的常温强度，而且有很高的高温强度，在切削加工时，随着切削温度的升高其硬度还有所上升，这是切削力大的主要原因，通常情况下切削K423A的切削力要比一般中碳钢增大约2～3倍。 2、加工硬化现象严重

切削镍基高温合金时，硬化程度H'（加工后与加工前的硬度之比）可达200%～500%，加工一般金属材料时也存在着加工硬化，但随着切削温度上升而引起的软化现象可减少一部分硬化的程度。由于高温合金的软化温度高，速度慢，在刀具热硬性允许的切削温度范围内，随着切削的变形，硬化程度大于软化程度。此外，在较高的切削温度下，合金中的强化相常常从固溶体中分解出来，呈极细弥散相均匀分布，又进一步加大了硬化的程度。 3、切削温度高

切削K423A时，由于材料强度高、塑性变形大，刀面与切屑和工件间有强烈摩擦，单位切削功率大，消耗的功率多，因此产生大量的切削热。而它的热导率很低，使得切削热从切削区间向外传递很慢，大部分切削热集中在切削区，使切削区平均温度很高，常达750℃～1000℃。高温不仅会加剧刀具的扩散磨损和氧化磨损，也会使工件产生变形，使尺寸及形状精度不易控制。 4、刀具易磨损

切削K423A时，由于材料的高温强度高，加工硬化严重，而且K423A中含有大量合金元素的碳化物和氧化物，以及金属间化合物等构成的硬质点，尤其是具有γ′相构成的微质点，因此机械摩擦磨损严重。又由于切削力大，切削温度高，在高温高压下，使刀具与切削界面间产生粘结，造成刀具粘结磨损。另外，在较高的切削温度下，加剧了刀具材料中某些合金元素（如钨、钴、钛、铌等）向工件及切削中的扩散作用，造成扩散磨损。同时，在高温条件下，周围介质中碳、氢、氧、氮等元素易浸入切削界面，使刀具材料生成相间脆性相，加大了刀具材料表层的应力集中，使刀具产生裂纹，甚至崩刀。

根据K423A的性质及加工特点，切削时应十分注意降低切削温度，减小加工硬化，刀具刃口应保持锋利，而且工艺系统的刚性要好。 二、K423A高温合金的合理切削加工条件 1、选择合理的热处理方式改善切削性能

K423A可采用淬火处理，因为基体中的奥氏体-金属间化合在淬火加热时，使金属内的化合物转变为固溶体，而在淬火的快速冷却中很少析出金属间化合物，从而降低切削时的阻力，改善切削加工性。 2、正确选择刀具材料

加工K423A时刀具材料应具有高温硬度高（即热硬性好）、强度足够、抗冲击能力强、耐磨性好、导热性好的特点。

高速钢，主要是新型高性能高速钢，如含钴高速钢中，W2Mo9Cr4VCo8（M42）、W7Mo4Cr4V2Co5（M41）、W6Mo5Cr4V2Co8 （M36）、W12Mo3Cr4V3Co5Si（Co5Si） 等都有良好的高温硬度和抗氧化能力，均可用于加工K423A，其中应用最广的是M42，它的综合性能好，热处理硬度可达HRC70，高温硬度和基体硬度高，因而耐磨性好，另外，可磨性较好，所以应用非常普遍。但是这一种钢含有较多的钴元素，所以价格较昂贵。除此之外，无钴高速钢如含铝超硬高速钢W6Mo5Cr4V2Al（M2A）和含硅铌铝的超硬高速钢W12M03Cr4V3SiNbAl等也可用于加工镍基高温合金，但由于热处理温度难以控制，且这几种材料的可磨性能较差，因此采用较少。

硬质合金刀具材料，通常选用钨钴类（YG）硬质合金，常用牌号为YG8、YG6等。目前，国内研究的一批细晶粒、超细晶粒含钽、铌、铬碳化物的新型硬质合金，如YS2、YD15、3M、813等，切削镍基高温合金也取得了很好的效果。需要提出的是，不宜选用钨钛钴

类硬质合金（YT类），因为YT类硬质合金抗弯强度低，导热性也差（YT15的热导率只有YG8的1/2），切削热难以向周围介质传出，使切削区温度增加。此外，刀具材料中的TiC在镍中的溶解度极大，在高温状态下容易产生磨损。 3、切削时的机床及冷却介质的选择

加工K423A高温合金时，由于切削力较大，要选用刚性好、功率大的机床，加工过程尽可能地平稳。

根据K423A材质硬质点多、热导率低、切削热不易散出、刀具磨损较快的特点，对切削液的冷却润滑作用都有高要求，应选用极压切削油或极压乳化液。 三、合理选择刀具的几何参数

切削K423A时，应注意降低切削温度和减少加工硬化程度，因此刀具应尽可能磨得锋利。

1、前角的选择：为保证刀具锋利，前角宜取正值，但为了保证刀具有足够的强度，前角不宜过大，经过反复摸索我们认为最佳状态是：粗加工时：高速钢材质的刀具前角可取5°～8°，硬质合金刀具的前角则取3°～6°；精加工时：高速钢材质的刀具前角可取6°～10°，硬质合金刀具的前角则取5°～8°为宜。

2、后角的选择：为了减小刀具后刀面与加工表面的摩擦，应选较大的后角。后角适当增大，可显著减小后刀面的磨损，而提高刀具的耐用度。粗加工时：高速钢刀具的后角可选10°～12°，硬质合金刀具后角则取8°～10°；精加工时 高速钢刀具后角取12°～15°，硬质合金刀具后角应取10°～12°。

3、刃口及槽形：为减小加工硬化程度，切削K423A时，断屑槽磨成平面形即可，刃口用天然油石进行“钝化”处理，即将刃口研磨为R0.018～R0.026的圆角，而不是呈锯齿状的锐口，以保证刃口平直无缺陷，同时，前刀面的表面粗糙度值要小于Ra0.4，最好达到Ra0.2以内。

4、刀具类型的选择：断续切削和粗车时，宜用焊接式硬质合金刀具在普车上加工，刀具可重磨以降低刀具成本，连续切削和精车时，可采用机夹可转位刀具在数车上加工，以提高效率和保持尺寸的稳定性。 四、合理切削用量的选择

1、切削深度：为使刀刃不在加工硬化层里切削，宜取较大的切削深度，粗加工时，宜取ap=1～6mm；精加工时ap不能小于0.2mm，取ap=0.2～0.35为宜。

2、进给量：由于切削K423A时变形抗力大，因此进给量不能过大，在避免硬化层后宜取较小值，粗加工时取f=0.3～0.5mm/r，精加工时宜取f=0.2～0.3mm/r。

3、切削速度：切削高温合金的切削速度主要受刀具耐用度的制约，在不同的切削速度下，刀具的的磨损情况是不同的。当切削深度和进给量确定后，最佳切削速度对应的最佳温度称作最佳切削温度。用高速钢刀具切削K423A时，其最佳切削温度在425～600℃，用硬质合

金切削K423A时，切削温度在750～1000℃较好。其对应的切削速度，高速钢刀具，Vc=20～25m/min，硬质合金刀具，Vc=30～40m/min。

进给量对最佳切削速度也有影响，如图1所示，用YG8和YG6刀具加工高温合金，当f=0.1mm/r 时，相对磨损为最小的最佳切削速度分别为40m/min和35m/min，当f=0.2mm/r 时，相对磨损为最小的最佳切削速度分别为25m/min和18m/min，当f=0.3mm/r 时，相对磨损为最小的最佳切削速度分别为20m/min和25m/min。

YG8 YG6

图1 进给量与最佳切削速度

五、结束语

铸造高温合金是一种难加工材料，通过对K423A切削加工性能的研究，并具体针对某航空产品的加工进行全程跟踪，不断改进工艺参数，取得了很好的效果，生产效率提高一倍以上，而且加工精度和尺寸非常稳定。以上研究结果对加工同类铸造高温合金材料有一定的实际指导意义。

参考文献：

[1] 李企芳.难加工材料的加工技术[M].北京：北京科学技术技术出版社,1992. [2] 韩荣第,于启勋.难加工材料切削加工[M].北京：机械工业出版社,1996.