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镍基高温合金的切削加工ＣｕｔｔｉｎｇｏｆＮｉｃｋｅｌ－ＢａｓｅｄＨｉｇｈＴｅｍｐｅｒａｔｕｒｅＡｌｌｏｙ沈阳黎明航空发动机（集团）有限责任公司山东大学机械工程学院赵秀芬高级工程师．现主要从事航空发动机难加材料的匹配刀具选择．高效加工．切削参数优化．刀具国产化等方面的研究。
现在的涡扇发动机的材料中难加工材料占绝大部分，其中高温合金有６５％，其相对加工性很低。
同时，航空航天发动机中叶片、机匣件等形状复杂，表面完整性要求又高，使镍基高温合金零件的切削加工更为困难。
航空发动机零件结构复杂，而高温合金等难加工材料加工难度更大。
对工件来说，复杂型面数控程序优化难，高温合金材料容易造成加工变形和让刀，使加工精度不符合要求；对４６航空制造技术・２０１０年第１１期赵秀芬王玉华刘阳王兴林万熠航空发动机零件结构复杂。
而高温合金等难加工材料加工难度更大。
对工件来说。
复杂型面数控程序优化难，高温合金材料容易造成加工变形和让刀，使ｉｊｕ－ｒ精度不符合要求；对刀具来说，ＪｊⅡ＂ｒ镍基高温合金零件，容易造成刀具快速磨损。
刀具消耗大。
刀具来说，加工镍基高温合金零件，容易造成刀具快速磨损，刀具消耗大。
镍基高温合金材料的主要成分为镍，以ＧＨ４１６９为例，其镍的含量为５０％．５５％，其余主要元素有Ｆｅ、Ｃｒ、Ｎｂ等。
它是以体心立方Ｎｉ３Ｎｂ（１，，）和面心立方Ｎｉ３（Ａ１，Ｔｉ，Ｎｂ）（＾ｙ’）强化的镍铁基合怠通常称为镍基合金），从低温到７００ｏｃ以下具有高的屈服强度、拉伸强度和持久强度。
在６５０。
Ｃ～７６００Ｃ具有良好的塑性，一般认为ＧＨ４１６９的组织是由１基体和ＮｂＣ、１’、１，，、８相组成。
ＮｂＣ（Ｔｉ、Ｎｂ）（ＣＮ）等碳化物数量很少，比较稳定。
＾ｙ”相数量最多，是合金的主要强化相。
晶格常数为ａ０＝３．６４２Ａ，ｃ０＝７．４０６Ａ，呈圆盘状在基体中弥散析出，强化作用是通过１，，的共格畸变而实现。
７’相数量次之，呈球状弥散析出，对合金起一部分强化作用，此外还有一些碳化物起强化相作用。
刀具的基础知识一、刀具的基本概念刀具是机械制造中用于切削加工的工具，又称切削工具。
广义的切削工具既包括丿J具，还包括磨具。
绝人多数的刀具是机用的，但也冇手用的。
由于机械制造中使用的刀具基木上都用于切削金属材料，所以“刀具” 一词一般就理解为金属切削刀具。
切削木材用的丿J具则称为木工刀具。
二、刀具的发展刀貝的发展在人类进步的历史上占有巫耍的地位。
中国早在公元前20世纪，就已岀现黄铜锥和紫铜的锥、钻、刀等铜质刀具。
战国后期（公元前三世纪），由于掌握了渗碳技术，制成了铜质刀具。
当时的钻头和锯，与现代的扁钻和锯已有些相似Z处。
然而，刀貝的快速发展是在18世纪厉期，伴随蒸汽机等机器的发展而來的。
1783年，法国的勒内首先制出铳刀。
1792年，英国的莫兹利制出丝锥和板牙。
有关麻花钻的发明授早的文献记载是在1822年，但直到1864年才作为商品生产。
那时的刀具是用整体高碳工具钢制造的，许用的切削速度约为5米/分。
1868年，英国的穆舍特制成含钩的合金工具钢。
1898年，美国的泰勒和•怀特发明高速钢。
1923年，徳国的施勒特尔发明硬质合金。
在采用合金工具钢时，刀具的切削速度提髙到约8米/分，采用高速钢时，乂提高两倍以上，到采用硬质合金时，乂比用高速钢提高两倍以上，切削加工出的工件表面质量和尺寸精度也人人提高。
由于高速钢和硬质合金的价格比较昂贵，刀貝岀现焊接和机械夹固式结构。
194旷1950年间，美国开始在车刀上采用可转位刀片，不久即应用在铳刀和其他刀具上。
1938年，徳国徳古萨公司取得关于陶瓷刀具的专利。
1972年, 美国通用电气公司生产了聚晶人造金刚石和聚晶立方氮化硼刀片。
这些非金属刀貝材料可使刀貝以更高的速度切削。
1969年，瑞典山特维克钢厂-取得用化学气相沉积法，生产碳化钛涂层硬质合金刀片的专利。
1972年, 美国的邦沙和拉古兰发展了物理气相沉枳法，在硬质合金或高速钢刀具表面涂覆碳化钛或氮化钛硬质层。
表而涂层方法把基体材料的高强度和韧性，与表层的高硬度和耐辭性结合起來，从而使这种复合材料貝有更好的切削性能。
常用刀具材料分类、特点及应用学校：学院：班级：姓名：学号：目录摘要 (3)一、刀具材料的基本要求 (4)二、常用刀具材料 (6)1.高速钢 (6)2.硬质合金 (9)三、涂层刀具 (12)1.硬质合金 (12)2.CVD Chemical Vapor Deposition (化学气相沉积) (12)3.PVD Physical Vapor Deposition（物理气相沉积） (13)四、金属陶瓷 (15)五、陶瓷 (17)六、立方氮化硼 (19)七、聚晶金刚石 (21)八、牌号 (22)1.车削牌号 (22)2.切断、切槽和螺纹加工牌号 (22)3.铣削牌号 (23)4.钻削牌号 (23)九、参考文献 (24)摘要要使金属切削工序获得满意的效果，切削刀具材料和牌号的选择是重要的考虑因素。
因此必须基本了解每种切削刀具材料及其性能，以便为每一切削应用做出正确选择。
本文旨在对目前常用刀具的材料进行分类，刀具材料的特点及应用进行总结，并根据每种切削刀具材料的性能给出应用建议。
关键词刀具材料分类刀具材料特点刀具材料性能刀具材料应用一、刀具材料的基本要求1.高硬度刀具是从工件上去除材料，所以刀具材料的硬度必须高于工件材料的硬度；刀具材料最低硬度应在60HRC以上；对于碳素工具钢材料，在室温条件下硬度应在62HRC以上；高速钢硬度为63HRC～70HRC；硬质合金刀具硬度为89HRC～93HRC2.高强度与强韧性刀具材料在切削时受到很大的切削力与冲击力；如车削45钢，在背吃刀量ap＝4㎜，进给量f ＝0.5㎜/r的条件下，刀片所承受的切削力达到4000N，可见，刀具材料必须具有较高的强度和较强的韧性；一般刀具材料的韧性用冲击韧度a K表示，反映刀具材料抗脆性和崩刃能力3.较强的耐磨性和耐热性刀具耐磨性是刀具抵抗磨损能力。
一般刀具硬度越高，耐磨性越好。
刀具金相组织中硬质点（如碳化物、氮化物等）越多，颗粒越小，分布越均匀，则刀具耐磨性越好；刀具材料耐热性是衡量刀具切削性能的主要标志，通常用高温下保持高硬度的性能来衡量，也称热硬性。
硬质合金刀具材料的研究现状与发展思路【深度解读】内容来源网络，由“深圳机械展（11万㎡，1100多家展商，超10万观众）”收集整理！更多cnc加工中心、车铣磨钻床、线切割、数控刀具工具、工业机器人、非标自动化、数字化无人工厂、精密测量、数控系统、3D打印、激光切割、钣金冲压折弯、精密零件加工等展示，就在深圳机械展.材料、结构和几何形状是决定刀具切削性能的三要素，其中刀具材料的性能起着关键性作用。
国际生产工程学会(CIRP)在一项研究报告中指出：“由于刀具材料的改进，允许的切削速度每隔10年几乎提高一倍”。
刀具材料已从20世纪初的高速钢、硬质合金发展到现在的高性能陶瓷、超硬材料等，耐热温度已由500——600℃提高到1200℃以上，允许切削速度已超过1000m/min，使切削加工生产率在不到100 年时间内提高了100多倍。
因此可以说，刀具材料的发展历程实际上反映了切削加工技术的发展史。
常规刀具材料的基本性能1) 高速钢1898 年由美国机械工程师泰勒(F.W.Taylor)和冶金工程师怀特(M.White)发明的高速钢至今仍是一种常用刀具材料。
高速钢是一种加入了较多W、Mo、Cr、V等合金元素的高合金工具钢，其含碳量为0.7%——1.05%。
高速钢具有较高耐热性，其切削温度可达600℃，与碳素工具钢及合金工具钢相比，其切削速度可成倍提高。
高速钢具有良好的韧性和成形性，可用于制造几乎所有品种的刀具，如丝锥、麻花钻、齿轮刀具、拉刀、小直径铣刀等。
但是，高速钢也存在耐磨性、耐热性较差等缺陷，已难以满足现代切削加工对刀具材料越来越高的要求；此外，高速钢材料中的一些主要元素(如钨)的储藏资源在世界范围内日渐枯竭，据估计其储量只够再开采使用40——60年，因此高速钢材料面临严峻的发展危机。
2) 陶瓷与硬质合金相比，陶瓷材料具有更高的硬度、红硬性和耐磨性。
因此，加工钢材时，陶瓷刀具的耐用度为硬质合金刀具的10——20倍，其红硬性比硬质合金高2——6倍，且化学稳定性、抗氧化能力等均优于硬质合金。
数控刀具型号编号规则——山特维克事例：CNMG120408-PM 4205C:刀片形状，菱形80N:刀片后脚，负角型刀片M:公差G:刀片类型PM：刀片槽形4205：刀片牌号（材质）GC4205(HC)–P05(P01-P15）CVD涂层牌号，具有优良的耐沟槽磨损性和抗塑性变形性。
当在钢的半精加工到粗加工应用中要求高金属去除率时推荐用于稳定的工况。
能承受高温，并且不会降低干湿加工应用中的刃线安全性。
1.2.刀片牌号（车削）用于普通车削的牌号----P钢、铸钢、长切屑可锻铸铁。
基本牌号CT5015(HT)–P10(P01-P20)具有优良的抗积屑瘤和抗塑性变形能力的非涂层金属陶瓷牌号。
新型配方提高了韧性。
用于要求高表面质量与/或低切削力的低合金钢和合金钢的精加工。
fnxap<0.35mm2GC1125(HC)–M25(M10-M30PVD涂层微颗粒硬质合金。
推荐用于中等到低切削速度下各种不锈钢的精加工。
锋利的切削作用与优良的切削刃韧性相结合时，或要求很高的表面质量时，该牌号表现优异。
其很高的耐热冲击性能适用于轻间断切削。
GC1525（HC）-P15（P05-P25）PVD涂层金属陶瓷牌号。
具有优良的耐磨损性和刃口韧性。
用于低碳钢和低合金钢的精加工和半精加工。
适用于中等和高切削速度下要求高表面质量的场合。
fnxap<0.35mm2GC4205(HC)–P05(P01-P15CVD涂层牌号，具有优良的耐沟槽磨损性和抗塑性变形性。
当在钢的半精加工到粗加工应用中要求高金属去除率时推荐用于稳定的工况。
能承受高温，并且不会降低干湿加工应用中的刃线安全性。
GC4215(HC)-P15(P01-P30)用于精加工到粗加工的CVD涂层硬质合金牌号，适合于钢和钢铸件的连续切削至轻型间断切削应用。
梯度基体与耐磨涂层相结合，最佳化了硬度和韧性。
不论湿切削还是干切削均能承受高温，同时又不会牺牲刃线安全性。
GC4225(HC)-P25(P10-P40CVD涂层硬质合金材质，用于钢和钢铸件的精加工到粗加工。
粉末高温合金的成分及生产工艺各国研制成功的粉末高温合金有10余种，其中作用较广的有IN100，Rene’95，MERL76，Rene’88DT，зΠ741HΠ等。
它们都属于沉淀强化型镍基高温合金，化学成分见表15所示。
表15 几种国外粉末高温合金的化学成分FGH95是我国研制的第一个粉末高温合金，其成分相当于美国GE公司的R ene’95合金（表16），是一种高合金化的r′相沉淀强化型镍基高温合金，其r′体积含量为50%～55%，r′形成元素含量（原子）为28%。
它是当前650℃使用条件下强度水平最高的涡轮盘材料。
除用于高、低压涡轮盘外，也可用于压气机盘、涡轮轴、涡轮挡环、高温密封件等高温零件。
表16 FGH95粉末高温合金化学成分根据不同使用要求，对粉末高温合金可以采用HIP（热等静压）直接成形、HIP+模锻、HIP+等温锻和挤压+等温锻等不同工艺路线。
在我国没有大型挤压机和大型等温锻造机的条件下，曾选用HIP+包套模锻的成形工艺路线，模锻出φ420mm和φ630mm的全尺寸涡轮盘，盘件的性能基本达到了美国同类合金Rene’95技术条件的要求。
存在的问题是粉末中的陶瓷夹杂含量较高，致使材料性能不太稳定。
采用等离子旋转电极制粉设备制得粉末，其粉末质量大幅度提高。
φ420mmFGH95粉末高温合金涡轮盘的制造工艺流程如图24所示。
图24 粉末盘制造工艺流程（1）母合金熔炼用200kg真空感应炉冶炼，熔炼温度1550℃,真空度1.3×10-1Pa，浇注成φ80×1000mm的圆棒，处理后准备重熔喷粉。
（2）雾化制粉用65kg真空感应炉—氩气雾化装置将母合金重熔，熔液经漏嘴流下，用高压氩气将其雾化成粉末。
浇注温度为1520℃，氩气喷吹压力为1.6～1.8MPa。
（3）粉末处理粉末高温合金对粉末质量要求十分严格。
FGH95合金粉末在氩气保护下筛分，粒度为-150目。
粉末经静电分离法去除陶瓷夹杂。
h硬丽硬质合金謬第硬质合金涂第一！-<•硬质材料包括硬质合金f并包括组成硬质合金的碳化磚粉、碳化起.碳化帆、碳化错、碳化钛这些硬质粉末”以及金刚石（C）f PcD （多晶钻），cBN （立方氮化硼）f和Si3N4 氮化硅。
PcD （多晶钻）是一种使用金刚石微粒和化学粘合剂混合之后,在高温高压环境下沉积为相干结构的人造材料。
cBN （立方氮化硼）是来自PcBN的多晶体。
PcBN是一种由cBN微粒和陶瓷或金属触媒粘合剂在高温高压下沉积而成的聚合体。
Si3 N4氮化硅是一种具有高抗碎性能的陶瓷材料。
硬质合金和碳-氮化合物一尽管高速钢对于如钻孔. 拉削这样的应用仍然非常重要■但大多数的金属切削都是通过硬质合金工具完成的。
对于那些非常难于加工的材料,硬质合金现在正逐渐由碳氮化合物、陶瓷制品和超硬材料所替代。
渗碳的（或烧结的）硬质合金和碳氮化合物,被世界上大多数一致认为是硬金属, 是一系列通过粉末;台金技术制成的非常硬的.耐火. 耐磨的合金。
微小的硬质合金或者氮化物颗粒在处于烧结題液体时被金属粘结剂”胶结"o个体硬金属的成分和属性与那些黄铜和高速钢是不同的。
所有的硬金属都是金属陶瓷,是由陶瓷颗粒和金属粘结剂化合而成。
第一节硬质合金• “碳化磚”是非常硬的硬质合金颗粒,特别是碳化锯在工能力。
早期富铁基质的出现的硬质合金在用于工业用途时过于脆弱■但是不久发现将碳化锯粉末与大约10%的金属,如铁、银或钻,允许压坯在大约1500°CT 烧结,在这个过程中生成的产品具有低孔隙率、非常高的硬度,而且相当大的强度。
这些性质的组合使得材料理想的适合用来作为切削金属的加工刀具。
•硬质合金的变化是由铜焊接硬质合金嵌入变成夹具嵌入,以及涂敷技术的迅速发展。
硬质合金刀具材料的制法：一种是经过压锻和烧结至精确的形状和尺寸。
另外的一个进步是高温真空固态渗粘法(HIP)的应用。
此方法实际上允许通过高压下的惰性气体将硬质合金中所有的残余孔隙度都挤出来＞应用的温度大约是烧结温度。
Sialon陶瓷一Sialon陶瓷概述Sialon是Si、Al、O、N四种元素的合成词，音译为“塞隆”。
Sialon（塞隆）陶瓷，是由硅（Si）、铝（Al）、氧（O）、氮（N）组成的化合物,它是Si3N4中的Si和N被Al或（Al+M）（M为金属离子）以及O置换所形成的一大类固溶体的总称。
1972 年赛隆( SiAlON) 首先由英国的Jack、Wilson和日本的小山阳一几乎同时发现。
他们在对氮化硅陶瓷各种添加剂的研究中最早发现了金属氧化物在金属氮化物中的固溶体,即在SiO2-Al2O3系统中发现了Si3N4的固溶体,进而有效地促进了烧结，从而发现了这种新的无机非金属材料——Sialon(赛隆)。
Sialon陶瓷的主要类别有β’-Sialon、α’-Sialon、O’-Sialon三种，尤以前两种最为常见。
除此以外，由于铝和氧的固溶状态不同，Sialon还有x型和AIN多型体等晶体类型。
二Sialon陶瓷结构S i3N4-A l2O3-A lN -S iO2系统相图Sialon的晶体构型与Si3N4相类似。
理想的Si3N4结构是三个[SiN4]四面体共角形成空间骨架,具有两种晶型:α型和β型。
在Si-Al-O-N四元系统中,由于阳离子M (Si4+、Al3+)与阴离子X(N、O)的比例不同,形成的固溶体也不同,由相应相图可知,在该Si-Al-O-N四元系中存在β’-Sialon、α’-Sialon、O’-Sialon、X-Sialon和AlN多型体(8H、12H、15R、21R、27R等)。
α’-Sialon是以α-Si3N4为基的固溶体，它是在α-Si3N4的结构中Si-N键被数量不等的Al-N键和Al-O键所取代，而由此导致的电价不平衡，则由金属阳离子M的填隙来补偿，M可以是Li、Mg、Ca以及一些稀土元素等金属离子。
α’-Sialon的分子式为：M x Si l2-(m+n)Al m+n O m N16-n，式中0≤m≤12，0≤n≤16，m=Kx，x≤2，K表示填隙金属原子的化合价。
sialon化学式
Sialon（silicon aluminum oxynitride）化学式为Si₂Al₂O₂N₃，
是一种氧化铝、氮化硅、氧化铝、氧化钙四元复合物质，它的结构中
含有Si−O−Al和Si−N键，同时具有优异的性能。
1. 基本性质
Sialon 是一种非金属材料，具有较高的硬度和耐磨性，其硬度接近于
金刚石，在热膨胀系数、导热系数和导电性能方面也表现出良好的性能。
2. 用途
（1）陶瓷材料
Sialon 陶瓷材料具有优异的高温机械特性、耐磨性和化学稳定性，被
广泛应用于高温热处理、高速车削、轴承和阀门等领域。
（2）切削工具
由于其较高的硬度和耐磨性，Sialon 被用于制造切削工具，如车刀、
刨刀和钻头等。
（3）其他领域
Sialon 在半导体、电子和太阳能电池等领域中也应用广泛，在这些应
用中，Sialon 所占比重仍在不断增长。
3. 生产方法
Sialon 的制备方法主要有三种：氮气反应法、热压法和等离子烧结法。
其中，氮气反应法是最常用的制备方法之一，其原理是通过反应热处
理金属硅、氧化铝、氮气和氢气，使得反应生成了Sialon。
综上所述，Sialon 是一种具有优异性能的复合陶瓷材料，他的
化学式为 Si₂Al₂O₂N₃，主要应用于高温高速切削、轴承、阀门、热处
理等领域。
Sialon 的发展将为高温工业提供更高效、节能、环保的解
决方案。
