Inconel 718、Inconel 625和Monel 400热车削加工性能的研究

工程科学与技术，国际期刊21（2018）364完整文章Inconel 718、Inconel 625和Monel 400热车削加工性能Asit Kumar Paridaa， Koukada Maityba印度德里理工学院机械工程系，印度b印度Rourkela国立技术学院机械工程系阿提奇莱因福奥文章历史记录：2017年3月3日收到2018年3月16日修订2018年3月30日接受在线提供2018年保留字：热车削镍基合金切削性能切削力刀具磨损A B S T R A C T本文研究了三种镍基合金（Inconel 718、Inconel 625和Monel-400）在火焰加热热车削过程中的切屑形成。在室温和高温条件下（300 °C和600 °C）测定了切削力、刀具寿命、切屑形态、刀具磨损和表面完整性（加工表面下的表面粗糙度和显微硬度）。火焰加热（液化石油气和氧气）与车削操作一起用于三种材料的加工。据观察，切削力、刀具磨损、颤振形成、表面粗糙度显著降低，刀具寿命、切屑刀具接触长度等增加，对于所有三种镍基合金在热加工中与室温加工相比©2018 Karabuk University. Elsevier B.V.的出版服务。这是CCBY-NC-ND许可证（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。1. 介绍镍基合金由于具有耐腐蚀性好、重量轻、耐高温等优点，在航空航天、核能、船舶、汽车等领域得到了广泛的应用镍基合金由于导热系数低、高温下与刀具材料的化学反应性、硬度高、弹性模量低等特点，被称为硬质材料或难加工材料[1]。一般来说，在镍基合金中，第二相颗粒的形成使合金更坚固，耐磨且难以加工[2]。由于形成应变硬化的趋势尽管许多技术已经成功地应用于硬加工材料，如硬车削[3-但其缺点是投资成本高、操作人员技术要求高、材料去除率低等。还有另一种方法来解决这个问题是热加工。在热加工中，材料在加工操作之前或过程中被加热，以降低剪切强度，并允许在不影响材料的冶金行为的情况下容易加工[11]。必须使用*通讯作者。电子邮件地址：asitzone4u@gmail.com（A.K.Parida）。由Karabuk大学负责进行同行审查加工特定材料的适当加热方法。否则，它可能对工件表面和刀具有害.热加工防止冷硬化、应变硬化，降低切削力、刀具磨损，提高材料去除率和表面光洁度。有两种加热方式。等离子、激光和火焰加热被认为是局部加热，而感应加热、电加热和炉加热被称为整体加热，因为它加热整个工件而不是工件的一部分或一部分。研究人员已经研究了硬质材料加工中的不同加热方法。等离子体辅助加工[12最简单的加热方法是火焰加热，其中工件用氧气和液化石油气的组合加热，并已被许多研究人员使用。火焰加热与其他热源法相比，设计简单，容易获得，成本较低。Thandra和Choudhary[26]研究了切割速度、进给和切割深度对气体火焰热加工响应的影响。施加热后，表面光洁度提高，切削力和推力下降。还发现，与常规加工相比，后刀面磨损减少了33.95%。Upad-hyaya等人[27]研究了使用热加工的钛合金的可加工性。将工件加热至300 °C，并讨论了加热对切削力、后刀面磨损和表面粗糙度的影响。他们还研究了芯片分析，管状芯片是https://doi.org/10.1016/j.jestch.2018.03.0182215-0986/©2018 Karabuk University.出版社：Elsevier B.V.这是一篇基于CC BY-NC-ND许可证的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。可在ScienceDirect上获得目录列表工程科学与技术国际期刊杂志主页：www.elsevier.com/locate/jestchA.K. Parida，K.Maity/工程科学与技术，国际期刊21（2018）364365-可热处理镍铬铁合金不可热处理的镍铬铁合金镍铜合金工业纯镍基合金镍基合金在室温下形成，而带状芯片在加热条件下形成。原子力显微镜用于测量表面形貌和粗糙度。在芯片背面粗糙度与预热减少是由于在高温下较低的芯片断裂应力Davami和Zadshakoyan[2]研究了使用未涂层硬质合金刀片热加工AISI 1060实验分两种情况进行他们最后得出结论，表面粗糙度在热加工是更好的相比，室温。通过将热电偶放置在工具尖端的相对侧来测量工具温度变化在切削开始时，各切削速度下的温度随时间呈指数增长，然后达到稳定状态。在加工硬化材料时使用火焰加热研究[21，28]可以显著提高其他研究人员在硬质材料的加工中使用火焰加热[29在本研究中，火焰加热用于加工三种镍基合金。这是闲置的方法，因为它是简单的设计，成本较低，容易获得。研究了Inconel718、625和Monel-400镍合金热切削时的切屑形态、切削力、刀具磨损和表面完整性（表面粗糙度和显微硬度），并与相应的室温切削条件进行了比较。2. 实验程序所有的加工操作都是在中心车床上进行的。使用KennametalSNMG方形刀片，带有PSBNR 1616k16刀架，具有6°后倾角、6°后角和75°的主切削角为了加热工件，使用氧气和液化石油气。自动加热系统用于加热目的，使得所需的温度可以冲击到工件。 红外高温计用于测量工件的表面温度，其测量范围为20-1200 °C。氧气（30ml/min）和液化石油气（110 ml/min）的流量保持恒定，使得加热没有波动。切割变量表1实验中使用的加工参数切削参数幅度切割速度（m/min）100进给速度（mm/rev）0.13切割深度（mm）0.5加热温度（°C）30、300、600表5高温合金的机械性能[36]。高温合金Inconel 718Inconel 625Monel-400密度（g/cm3）8.28.48.8抗拉强度（MPa）16001050512–620弹性模量（GPa）205205179硬度（HB）350–450320110–150导热系数（W m-1 K-1）11.41021.8泊松0.280.310.32比热（J kg-1 K-1）432410427断裂伸长率（%）1525–3048图1.一、镍基合金的分类对于所有三种材料，采用相同的切削速度（切削速度、进给速率、切削深度和加热温度），并示于表1中。Inconel 718、625和Monel-400的化学成分分别列于表2、3和4中。所有三种超级合金的机械性能列于表5中。镍基合金的分类如图1所示。加工试验在室温和300 °C和600 °C的加热温度下进行。最高加热温度选择为600 °C，因为大多数镍基合金在此温度下会降低其剪切强度[14]。加工装置的示意图如图2所示。在加工操作期间或之后记录输出参数。测量设备包括1. 应变计测力计（切削力、进给力和径向力的测量）2. 光学显微镜（工具磨损）3. 红外线高温计（测量工件表面温度4. 显微硬度计（显微硬度测量）5. Talysurf轮廓仪（表面粗糙度测量）表2Inconel 718的化学成分（重量%）[30]。NiFeCRBCCoCuMNNBPSSiTiAl5318190.0060.0810.30.355.10.0150.0150.350.90.5表3Inconel 625的化学成分（重量%）[34]。镍%Cr%钼%Nb + Ta%铁%C%铜%P%硅含量%Al5820–238–103.15-4.1550.10.50.0150.150.5表4Monel 600的化学成分（重量%）[35]。镍%铜%锰%P%铁%C%硅含量%Al63分钟28–3420.015最大2.5250.5因科洛伊合金、哈氏合金Inconel X-750、Nimonic、Waspaloy、蒙乃尔合金含镍不低于99%366A.K. Parida，K.Maity/工程科学与技术，国际期刊21（2018）364火焰火炬工件切割工具图二.火焰热加工示意图。3. 结果和讨论在本节中，比较了三种材料的切削性能，包括刀具寿命、切削力、进给力、径向力、表面光洁度、刀具磨损、切屑形态和切屑-刀具接触长度。3.1. 加热温度对刀具寿命的影响在每次切削操作中，使用新的切削刀片，以便可以容易地测量刀具磨损。在2 ° C下测量的刀具磨损或间隔3min，借助不同放大倍数的光学显微镜。据观察，Inconel 718的加工中的刀具寿命在室内和加热条件下都较低，而Inconel 625的刀具寿命最高。如图3所示，与室温加工条件相比，在600 °C下加工Inconel 718使刀具寿命提高了160%（从5分钟提高到13分钟），而Inconel 625使刀具寿命提高了238%（从13分钟提高到44分钟），Monel 400使刀具寿命提高了107%（从14分钟提高到29分钟）。背后的原因是，Inconel 718具有较低的导热率和较高的拉伸强度。与其他两种材料相比，3.2. 加热对切削力、进给力和径向力的影响在稳态加工条件下使用应变计测力计记录力。研究了切削力、进给力和径向力随工件温度45040035030025020015010025020015010050014121086420Inconel 718Inconel 718Inconel 718Inconel 625工件材料（一）Inconel 625工件材料（b）第（1）款Inconel 625工件材料（c）第（1）款Monel 400Monel 400Monel 400材料如图4（a-c）所示。据观察，切削力更多的加工过程中的Inconel 718相比，Inconel 625和Monel 400。对于Inconel 718，降低了17%（从393 N到323 N），对于Inconel718，降低了29%（从393 N到323 N），对于Inconel718，降低了29%（从393 N到32350403020100见图4。在切削速度100 m/min、进给量0.13 mm/rev和切削深度0.5 mm的条件下，不同材料中的（a）切削力（b）进给力（c）径向力随不同工件温度的变化。与室温相比，当工件温度在600 °C下加热时，Inconel 625和Monel 400分别为26%（从175 N到128 N）。同样，Inconel 718的进给力为10%（从231 N到166 N），28%对于Inconel 625和45%（从155 N到132 N），85 N）。类似地，与室温加工条件相比，在600 °C的加热温度下，Inconel 718和Inconel625以及Monel 400的径向力分别减少46%（从13 N到7 N）、36%（从11 N到7 N）和55%（从9 N到4 N）。力的减小是由于在工件上施加加热而降低了材料的剪切强度。Inconel 718 Inconel 625 Monel 400 Workpice材料图3.第三章。在Vc= 100 m/min、进给速度f= 0.13 mm/rev和切削深度为0.5 mm的条件下，对不同类型的镍基合金在加热温度下的刀具寿命进行比较3.3. 加热对三种不同材料表面粗糙度的影响使用Talysurf轮廓仪沿不同位置测量所有加工表面三次，并取平均值。加热温度对表面粗糙度的影响30 ºC 300 ºC 600 ºC30ºC 300 ºC 600ºC30 °C 300 °C 600 °C30 °C 300 °C 600 °C进给力（N）刀具寿命（min）切割力（N）径向力（N）A.K. Parida，K.Maity/工程科学与技术，国际期刊21（2018）36436720μmD= 50 mm2.521.510.50热影响区45040035030025020015010050应变硬化区Inconel 718 Inconel 625 Monel 40020 40 6080100120140160180 200表面以下深度（μm）母金属带Inconel 718 Inconel 625 Monel 400工件材料图五、在f= 0.13 mm/rev和Vc= 100 m/min时，加热对三种不同材料表面粗糙度的影响在三种材料上显示为图。 五、观察到Inconel 625的表面光洁度优于其他两种材料，即， Inconel 718 和 Monel 400 。 Inconel 718 在600 ℃下的加工°C时，与室温相比，表面粗糙度降低了23%（从1.7mm降低到1.3mm）。类似地，从室温到600 °C的加热温度，Inconel 625和Monel 400的表面粗糙度分别降低了42%（从1.12 m m m降低到0.64 m m）和50%（从2.2 m m降低到1.09 m m）。3.4. 加热对机床表面以下显微硬度的影响对Inconel 718、625和Monel-600合金表面进行热加工可能会影响其力学性能。为了分析加热对已加工表面和亚表面的影响，将工件用线切割机切割成横截面，用磨床进行精加工，并用不同牌号的抛光纸进行抛光。利用显微硬度计对加工后的表面和亚表面进行对于三种合金的所有测量，保持150 gm的载荷和15 s的停留时间相同显微硬度是在从机器表面的边缘到工件的中心的20m图1所示为在加工表面下方朝向中心的显微硬度样品测量结果。 六、加工过程中加热，软化机器表面以下的薄层。下加工表面的表层在硬度方面可分为三个区域，即加热见图6。工件加工表面以下显微硬度的取样测量图7.第一次会议。工 件 温度600 °C，切削速度100 m/min，进给速度0.13 mm/rev时，三种材料加工表面以下的显微硬度值比较影响区、应变硬化区和基底材料区[37]。热车削（600 °C）后的显微硬度分布略低于室温和300 °C。这可能由于加热，位错密度降低，从而减少了应变硬化，降低了硬度。可以看出，在室温下，没有晶粒生长发生，但当加热温度增加到600 °C时，原子排列开始并形成晶粒生长[38]。在所有三种材料中，显微硬度随着加热温度的增加而降低，由于退火（从加工表面到65m m）。然而，当距离增加（从65m m到145mm），硬度值增加，由于应变硬化，这一区域被称为应变硬化区。同样，当测量从（145μ m到工件中心）的显微硬度时，应变硬化和塑性变形减少，并且硬度值降低到基底或母体金属硬度，其几乎等于供应商提供的材料的初始硬度。三种材料在600 ℃时的显微硬度值C显示在图中。7.第一次会议。3.5. 加热对刀具磨损镍基合金的机械性能，例如低导热性、合金微观结构中硬颗粒的存在、低弹性模量等，在加工操作过程中影响切削刀具。镍基合金中硬质颗粒的存在，使刀具承受更大的切削压力，从而腐蚀刀具上的某些材料。这种类型的磨损称为磨损。在热加工操作中，工件不仅受到热的影响，而且还受到刀具的影响。在高温下，切削工具上的一些颗粒熔化并蒸发。这种类型的磨损称为扩散磨损。如图所示，在Inconel 718的加工中，扩散磨损是主要的磨损机制，而在Inconel 625的加工中，缺口磨损是主要的磨损机制，而在Monel 400的加工中，磨损和粘着磨损是主要的磨损机制图8.第八条。在室温加工条件下，观察到Inconel 718加工中的刀具磨损和Inconel 718加工中的缺口磨损的磨损类型。如图所示，在室温下加工蒙乃尔合金时，会形成积屑瘤（BUE），与其他两种材料相比，它提高了刀具寿命。3.第三章。 虽然BUE有助于增加室温下的刀具寿命，但它增加了Monel-400加工的表面粗糙度，如图所示。 五、3.6. 加热对芯片形貌研究了三种材料的加热片上形态的影响，并在图中示出。9.第九条。30ºC 300 ºC 600ºC表面粗糙度（μm）显微硬度（HV）368A.K. Parida，K.Maity/工程科学与技术，国际期刊21（2018）364扩散磨损磨损和粘着磨损沟槽磨损Inconel 718 Inconel 625 Monel-400堆积边缘形成见图8。 在室温和600 °C的加热温度下，Vc =100 m/min，f = 0.13 mm/rev时加工不同材料时的刀具磨损。见图9。 不同工件温度下Vc= 100 m/min，f= 0.13 mm/rev时三种不同材料的切屑形成情况对于每个车削操作，使用新的刀片，并将切屑收集并放置在纸袋中，纸袋上标有加工条件，如（切削速度，进给速度和切削深度，加热温度，测试编号和切削刀具材料）。结果表明，在室温下，三种材料的切屑均为不连续的螺旋状，而当加热温度升高时，不连续的切屑转变为连续的切屑。加工过程中形成的切屑Inconel 718Inconel 625Monel-400600ºC30ºC30 ºC300 ºC600 ºCA.K. Parida，K.Maity/工程科学与技术，国际期刊21（2018）364369切屑-刀具接触长度Inconel 718 Inconel 625 Monel-400见图10。 加热温度为600 °C时三种镍基合金的切屑-刀具接触长度的光学视图。6005004003002001000Inconel 718 Inconel 625Monel-400工件温度加热的效果显着提高了刀具寿命在所有三种材料的加工。在相同的切削条件下，Inconel 718的切削刀具寿命这可能是由于与Inconel 625和Monel-400相比，Inconel 718的低热膨胀率和高硬度;在室温和加热条件下，Inconel 718获得了高切削力，Inconel625获得了高进给力，而Monel-400获得了低切削力和进给力;在相同的切削条件下，Inconel 718的表面光洁度优于其他两种材料;在Inconel 718的加热条件下形成的芯片是对于Inconel 625为盘绕和直的，而对于Monel-400，在高温下是连续的;见图11。加热温度对三种合金切不同的工件温度。Inconel 718的切削相当连续且呈螺旋形，而Inconel 625的切削产生的切屑呈螺旋形，但较小或不连续，而Monel-400的切削产生的切屑是连续的而不是螺旋形。导热系数和其他力学性能的差异可能会影响三种不同镍基合金中切屑的形成。3.7. 加热对切屑-刀具接触长度的影响图10显示了三种材料的切屑-刀具接触长度的光学视图，图11显示了加热温度对三种合金的切屑-刀具接触长度的影响。借助于光学显微镜测量切屑-刀具接触长度。Inconel 718的切屑-刀具接触长度在室温和加热温度下最低，从室温到600 °C增加约277%。178% （2.01亿人）Inconel 625和Monel-400的切屑-刀具接触长度分别增加了303%（从141m m增加到570m m）。切屑刀具接触长度的增加降低了刀具上的法向应力，将热点从刀刃上移开4. 结论本文从切削力、进给力、径向力、刀具磨损、刀具寿命、表面光洁度、显微硬度、切屑-刀具接触长度和切屑形态等方面比较了Inconel718、Inconel 625和Monel-400三种镍基合金的热车削加工性能。将热车削结果与室温结果进行了比较，发现加热显著影响所有上述材料的可加工性。从目前的工作中可以得出以下结论：Inconel 718与其它两种材料相比切削区温度高;加热温度为600 °C时，Inconel 625的刀具发生缺口磨损，而Inconel 718和Monel-400的刀具分别发生坑蚀和扩散磨损;Inconel 718的切削过程中切屑-刀具接触长度较小，而Monel-400的切削在加热温度为600 °C时产生较大的接触长度;显微硬度在加工表面之下三由于施加热量，材料在热影响区较低。三种材料的显微硬度在应变硬化区均有所增加，在原始金属区再次达到工件的初始硬度。引用[1] I. 乔杜里先生El-Baradie，镍基高温合金的可加工性：综述，J. 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