基于镍基高温合金加工工艺的研究与应用

基于镍基高温合金加工工艺的研究与应用

2010年9月

文章编号：1002－6673（2010）05－143－03

Development＆InnovationofMachinery＆ElectricalProducts

机电产品开发与创新

Vol．23,No．5·数控机床世界Sep．,2010·

基于镍基高温合金加工工艺的研究与应用

刘逢博

（安捷伦科技（上海）有限公司，上海200131）

摘要：通过对气相质谱分析仪中镍基高温合金Inconel625零件(离子源腔体)的切削加工工艺的分析研

究，以及通过对不同切削刀具（涂层刀具CVD&PVD）的性能研究和参数的组合试验，验证并总结出了合理有效的工艺方案，攻克了加工难点并卓有成效地达到延长刀具寿命和设计目标，又降低了制造成本。

关键词：Inconel625特性；切削刀具；CVD&PVD涂层；参数及刀具寿命；加工时间中图分类号：TG68

文献标识码：A

doi:10.3969/j.issn.1002-6673.2010.05.058

Research&ApplicationonHighTemperatureAlloyPartMachiningProcess

LIUFeng-Bo

（AgilentTechnologies（Shanghai）Co.,Ltd,Shanghai200131，China）

Abstract:HavestudiedandresearchedcuttingapproachesandprocessonNickel-basedhightemperaturealloy(Inconel625),whichisusedforGCmassspectrometerinstrumentsourcebody;anddesignedoutdifferentcuttingsolutiontoexperimentandtesttomeetourdesignedgoal；finally,optimizedandsummarizedoutsoeffectivemachiningprocessthatovercomemachiningdifficultiesandobtainsuccess;meanwhile,lowerdownmanufacturingcostaswell.

Keywords:inconel625characteristic；cuttingtool；CVD&PVDcoating；parameterandtoollifetime；machiningtime

0引言

一般我们所讲的高温合金按基本元素成分的不同来划分，分为铁镍基高温合金，镍基高温合金和钴基高温合金；基体元素为铁基，含镍量在30%~45%的高温合金为铁镍基高温合金；含镍量在45%以上的高温合金为镍基高温合金；而钴基高温合金是含钴量达50%以上；它们的基本特性是高温下的耐蚀性，抗氧化以及高强度。在此文章中，主要论述镍基高温合金材料的一种典型代表Inconel625的切削加工工艺研究和在质谱仪中的应用。

合金

表1Inconel625的化学成分Tab.1Inconel625chemicalcomposition

最小

镍

铬

钼

铌钽铁

铝

钛

碳

锰

硅

铜

磷

硫

625

582083.15且耐盐雾气氛下的应力腐蚀；Inconel625中含有有少量铌和钽，用以加强合金的硬度，因此此合金不需要热处理就能增加很高的强度。同时，向镍中加入Cr，Mo可以提高其耐酸性，此合金还可以在很多种严酷的酸性环境中抵御腐蚀，特别是耐斑点腐蚀及裂隙腐蚀；它运用于化学加工，航空领域，轮机引擎，污染控制设备和核反应设备等。

镍基耐热高温合金可分为固溶强化型合金和析出强化型合金。在我公司高端质谱分析仪产品中，其离子源腔体采用的材料就是镍基耐热合金-Inconel625，其设计使用目的是应用其优异的化学惰性和抗高温氧化性。

1Inconel625特性

Inconel625是一种镍铬钼合金，其镍含量高达58%

以上。其化学元素含量见表1。它从低温到1000℃均具有良好的拉伸性能和疲劳性能以及抗氧化和耐蚀性，并

收稿日期：2010－07－05

作者简介：刘逢博（1975-），男，陕西宝鸡人，在读研究生，工程师。已发表论文三篇。

2高温合金的切削加工特点

众所周知，高温合金是最难加工的材料之一，如果

45#钢的加工性能为100%，则高温合金的相对加工性能

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仅为5%～20%；其主要切削加工的特点有：①切削力大：是切削普通合金钢材的2～5倍；②切削温度高：切削高温合金时，会产生较大的塑性变形，刀具与工件间有强烈摩檫，切削力增大，因此会产生大量的切削热，最高可达1000℃左右。高温不仅会加剧刀具的扩散磨损和氧化磨损，也会使工件产生热变形，使得尺寸及形状精度不易控制；③加工硬化严重：切削塑性变形区的晶格畸变现象严重，使已加工表面产生冷硬化。已加工表面的硬度，比基体硬度高出100%～200%；④刀具易磨损：由于加工硬化严重以及高温合金中含有微观硬质点，从而加速刀具磨损。本文作者主要研究了硬质涂层刀具在

Inconel625零件上的切削试验和刀具寿命应用，这里的

涂层主要有：TiN,TiCN,TiALN,TiN+TiALN。

3硬质涂层刀具的性能特点

刀具硬质涂层技术主要是通过化学或物理气相沉淀的方法，在刀具表面获得几微米到十几微米厚的硬质薄膜，因其具有硬度高，润滑性好，耐高温等特点，而使切削刀具获得优良的切削力学性能；使得切削效率大幅提高，加工表面质量也大幅提高；同时，在合适的参数配合运用下，可实现高速，高效，高精加工。

按涂层技术的方法分类有：化学气相沉淀CVD（ChemicalVaporDeposition）和物理气相沉淀技术PVD（PhysicsVaporDeposition）两大类。

CVD是在一定温度和真空度下，刀具表面和气相界

面进行分解，化和等反应，在刀具表面形成一层或几层均匀一致的化合物薄膜层的过程；目前，CVD工艺按沉积温度的不同，可分为高，中，低温三种CVD，沉积温度界线为600℃/700~900℃/900℃。其中，适合刀具硬质涂层的化学气相沉积技术有高温HT-CVD和中温

MT-CVD+HT-CVD的复合涂层技术。采用CVD的刀具

硬质涂层材料主要有：TiC，TiN，TiCN，Al2O3；其单一涂层厚度一般为2~9μm，复合涂层厚度可达20μm；

CVD后的刀具涂层表面的显微硬度可达2000~3000HV，

大幅度提高了切削刃的耐磨性和抗热震性，故大幅度提高了刀具寿命。

PVD在真空和放电条件下，固态反应物经过“蒸发

和溅射”后，与通入的反应气体经过电离，复合和反应沉淀等物理过程，在刀具表面生成一层均匀一致的硬质涂层及其复合涂层。常见的刀具PVD涂层有：TiN，

TiAlN，CrAlN，TiCN和复合层TiAlN+TiN；TiN+TiCN+TiN等。其PVD膜厚一般为2~6μm，复合涂层厚度可达12μm；PVD后的刀具表面的显微硬度也达2200~3000HV，其耐磨性，红硬性，韧性，耐氧化性能也得

到大幅度提高；很重要的一点，由于PVD涂层刀片涂

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层时温度低，这样保持了刀具基体的高强度和韧性，会使一般硬质合金基体的抗弯强度下降量小于10%，因此，在同样涂层厚度的情况下，PVD刀具的使用寿命一般会稍高于CVD刀具。

在刀具供应商（Sandvik，Seco，Kenna，TaeguTec）提供的资料和相关的文献中，PVD涂层硬质合金已被证明可有效加工高温合金。但对于如下具体的Inconel625零件要求，刀具涂层的选择和加工参数的确定是需要试验验证，同时要考虑刀具使用寿命最优化。

4Inconel625零件工艺分析和试验设计

从图1所示的加工元素和尺寸公差及表面粗糙度要求来看，加工难点分别有：①内孔φ13.56±0.02,

Ra0.1μm；②四个M2X0.4螺纹孔；③内孔φ19.07±0.02，Ra0.4μm；④外圆φ23.00±0.02。同时，刀具的寿命和加

工参数的匹配将是一个至关重要的问题。试制工艺步骤设计如图3所示。

图12D剖面图

Fig.12Dsectiondrawing

试验发现和总结：①完成一个零件的CycleTime为160分钟；②在车铣复合机床上完成所有工序所用时间达100分钟；③切削刀具寿命普遍太短，尤其是用于M2螺纹的钻头和丝攻；④以原来的工艺（刀具，设备，参数）每月所能交付出的成品最大为：288件（在未考虑更换新刀具所花时间和无报废的情况下）。（(8h/

图23D视图

shift*2shift*30*60）/100=288pcs），当

Fig.23Ddrawing

我们以5%的余量来考虑报废和停机时间时，其实际产出为：273件。然而，实际中本零件的月需求量为310~

粗车内外

外圆磨削

半精车内孔

铣削外圆方槽

去毛刺&清洗内孔精磨&抛钻攻螺纹孔精/超车内孔

图3试制工艺步骤设计

Fig.3Trialdesignprocesssteps

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330件，目前的制造能力还不能满足生产订单的需求，

同时刀具的寿命偏短，更换太过频繁，这样使得到刀具成本超出了最初的期望值，在设计加工工艺初期和成本核算时，希望平均换刀控制在15pcs/次（除去内磨和外磨工序）以上；然而，从以上的试验数据分析，其平均换刀仅为：8pcs/次（（5+8+12+8+12+3）/6=8）。

5改进措施

作者和零件制造商针对制造效率和刀具寿命的问题，对切削刀具和冷却液进行了改善；刀具主要从粗车，半精车刀，精车刀，铣刀和M2底孔钻头，丝攻这几个方面入手；冷却液主要是改善车铣中心的冷却液种类和流量和出口压力。

（1）粗车刀具由硬质合金刀具改为表面PVD涂层-

TiAlN的株洲钻石刀具公司的M10-YBG203；半精车刀

和精加工车刀由单一涂层PVD的TiN（厚度为4um）改用SECO公司的PVD复合涂层TiAlN+TiN的车刀-

CP250，其基体为超细颗粒的高硬度硬质合金，涂层厚

度为8μm；粗铣刀和精铣刀也该用SECO公司的PVD复合涂层TiALN+TiN铣刀片F40M，其涂层膜厚10μm；M2丝攻和钻头表面涂层改为PVD的TiAlN，膜厚为4μm。

（2）同时在研究TiALN涂层的硬度随切削温度变化时，我们发现在小于500°C时，其涂层表面硬度基本保持在HV2700以上，影响不大；但温度升高超过500°C后，其显微硬度急剧下降；因此，切削加工时的冷却至关重要。TiALN涂层硬度与温度变化如图4所示。

（3）冷却液改为：60%煤油+20%松节油+20%油酸；机床冷却泵改进为大流量和大扬程的冷却泵，其流量由

25L/min提高到75L/min，扬程由10m提高到20m；这样

的目的在于快速有效地带走切削区温度，提高刀具寿命。采用改善措施后，其加工数据和时间采集见表2。从表中数据可以得出如下结论：

第一，加工CycleTime由160分钟减至137分钟；提高约14.5%；车铣复合加工的瓶颈时间由100分钟减少至83分钟，效率提高了17%；使得月产能提高到337件（288×1.17=337），而且报废率由于刀具和切削状态的改善而下降至1%以内；满足了生产订单的要求。

3500显微硬度/HVVS温度℃

300025002000150010005000

2004006008001000

图4TiALN涂层硬度与温度变化

Fig.4TiALNcoatinghardnessVstemperature

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表2加工数据和时间采集

Tab.2Collectingdataofmachiningandtime

参数项目

粗车

半精车

精车

内磨

粗铣

精铣

钻攻螺纹

转速rpmS560S720S100050000S700S1000S600,S70

进给速度

mm/rF0.16F0.05F0.025F0.005F0.08F0.06F0.03,0.4切深mm0.20.10.030.0150.150.10.1加工时间

min2924155171512刀具寿命

min580480450200340480108（钻头，丝攻）

零件数量（个）

15

20

30

40

20

32

9

第二，刀具寿命指标大幅度提高，基本是改善前的

2.5～3倍；而刀具的增加成本仅为30%～40%左右；而平均

换刀由8pcs/次提高到21pcs/次，分摊后的刀具成本反而比改善前降低了约45%～50%。

第三，M2X0.4的丝锥的寿命是整个流程的“瓶颈”，需要在制造程序中加入提醒指令和增加检查环节的检查频次；同时将M2螺孔列入后续改善项目，可以考虑用改进型PCBN钻头和丝锥尝试去提高寿命和效率；在本文章中不再遨述。

以上的制造流程和改善后的工艺稳定运行一个月后，我们现场对完工后的零件进行了数据采集去验证其过程能力，主要目标是内径φ13.56±0.02,φ19.07±0.02,和外圆φ23.00±0.02；样本数量为30件；检测结果都达到了相对较为理想的状态，CPk值分别为：1.42/1.29/1.59。

6结束语

（1）采用合理有效的切削刀具和工艺参数，成功地攻克了Inconel625加工的难点，达到了图纸设计的要求，满足了离子腔体在质谱仪中使用要求；并节省约30万美金。

（2）在加工高温合金Inconel625过程中，有TiAlN涂层的硬质合金刀具寿命和切削能力比一般硬质合金刀具得到大幅度提高；同时，TiALNPVD涂层刀具比TiN涂层刀具更适合于Inconel625切削加工。

（3）复合涂层可以增强刀刃的耐磨性和红硬性，和基体之间的附着力以及提高耐机械冲击，从而大幅度提高了切削寿命。

（4）选择合适匹配的的切削参数（切削速度，进给量，切深）和强有力的冷却方式对加工效果和刀具寿命的延长都非常重要。参考文献：

[1]现代表面工程技术[M].机械工业出版社，2009.[2]高温耐热合金[M].化学工业出版社，2000.

[3]现代金属切削刀具实用技术[M].化学工业出版社，2008.

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/8it1.html