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1 磨削过程中的可加工性概念

可加工性被理解为一种材料在特定条件下允许切屑去除的特性。因此，它描述了材料在切屑形成过程中的行为。

材料的可加工性必须始终与加工方法、刀具和加工参数一起考虑。

与具有几何定义切削刃的加工相比，磨削表现出明显的工艺差异，影响着材料的可加工性。在磨削过程中，加工是通过大量独立的微粒接触实现的。与几何定义的切屑去除相比，由于微粒具有强烈的负刃倾角，摩擦和变形功增加，导致过程中的能量转换更多。这反过来又会导致表面层承受更大的热应力。小的切削深度源于磨削的几何过程特征和高的切削速度。因此，工件材料的晶粒尺寸以及夹杂物（例如，碳化物）的大小在可加工性方面起着作用。这一问题肯定应该在工艺设计中作为缩放效应加以考虑。

为了评估各种材料的可磨性，必须考虑接触区的系统边界（图 1）。在磨削过程中，形成了大量独立的微粒接触。因此，除了特定的磨粒之外，还必须考虑微粒之间的空间以及整个磨料涂层粘合剂。

材料的可加工性由磨削系统的所有元素决定。所有部件，即磨轮（规格和准备）、工艺参数和冷却润滑剂，都必须针对各自的材料和加工目标（部件要求、生产率、质量）进行调整。

图1. 可加工性系统边界

2 影响钢材可加工性的材料特性

钢材的可加工性，从材料特性的角度来看，取决于以下因素：

• 碳含量（C含量）

• 合金元素

• 热处理

其中，碳含量是影响钢材可加工性最主要的因素。碳含量决定了钢材的结构组成，从而影响了其硬度和强度。

非热处理钢材的基本结构组成包括：

• 铁素体（α-铁）

• 渗碳体（Fe3C）

• 珠光体

这些结构组成的比例因碳含量的不同而变化。

表1列出了铁碳体系中基本结构组成的力学性能。

铁素体

铁素体是体心立方（bcc）α-铁晶体。铁素体具有较低的强度和硬度，但具有较高的塑性。

渗碳体

渗碳体是铁碳化合物（Fe3C）的金相学名称。渗碳体结构组分硬而脆，难以加工。渗碳体可根据钢材的碳含量而自由出现或溶解在珠光体中。

珠光体

珠光体是铁素体和渗碳体的共析混合物。珠光体中大部分是片状、线状的渗碳体。但经过相应的热处理（退火）后，也可形成球状（球形）渗碳体。

奥氏体

奥氏体是面心立方（fcc）γ-铁。在低合金碳钢中，室温下的奥氏体一般不稳定，在Ac1温度以下分解为铁素体和渗碳体。在高合金钢中，周期表第VIII族元素和锰等元素可稳定奥氏体到较低的温度。在极端情况下，通过阻止奥氏体分解，可在室温下获得纯奥氏体组成的钢材。

马氏体

马氏体是一种具有四方紧张晶格的结构形式，由奥氏体的快速冷却而形成。

碳含量低于0.8%的碳钢称为亚共析碳钢。非合金亚共析碳钢的基本结构组成如图2所示。

低碳钢（C含量<0.25%）主要由铁素体组成。铁素体具有较低的强度和硬度，但具有较高的塑性。因此，低碳钢具有良好的可加工性。

随着碳含量的增加（0.25%<C<0.4%），珠光体含量增加。珠光体是由铁素体和渗碳体组成的共析混合物。珠光体具有较高的强度和硬度，但塑性较差。因此，随着珠光体含量的增加，钢材的可加工性会有所下降。

当碳含量达到0.8%时，钢材中只存在珠光体。在这种情况下，钢材的可加工性会进一步下降。

超高碳钢（C>0.8%）中除了珠光体之外，还存在渗碳体。渗碳体是一种硬而脆的结构组分，会显著降低钢材的可加工性。

在超高碳钢中，渗碳体通常以晶界析出的方式存在。晶界渗碳体会导致切削力增加、表面粗糙度增加和刀具磨损加快。

图2  碳钢的结构成分 

总体而言，碳含量越高，钢材的可加工性越差。具体来说，碳含量的增加会导致以下影响：

• 铁素体含量减少，珠光体含量增加。

• 钢材的强度和硬度增加，塑性降低。

• 切削力增加，表面粗糙度增加，刀具磨损加快。

以下是一些具体的例子：

• 碳含量为0.1%的钢材，可加工性良好，适合切削、磨削、钻孔等加工方式。

• 碳含量为0.4%的钢材，可加工性一般，适合切削、磨削等加工方式。

• 碳含量为0.8%的钢材，可加工性较差，适合切削等加工方式。

• 碳含量为1.2%的钢材，可加工性很差，仅适合切削等加工方式。

当然，碳含量是影响钢材可加工性的因素之一，其他因素也可能影响钢材的可加工性。例如，合金元素、热处理等因素也会影响钢材的可加工性。

2.2 合金元素对钢材可加工性的影响

合金元素和微量元素可以通过改变钢材的成分或形成润滑或磨蚀性夹杂物来影响钢材的可加工性。以下将介绍最常用元素对钢材可加工性的影响。

锰

锰可以提高钢材的淬透性和强度（每1%合金元素约增加100 N/mm2）。由于锰与硫的亲和力很强，因此会与硫形成硫化物。锰硫化物的影响将在硫元素部分进行说明。锰含量高达1.5%可以通过良好的切屑形成来促进低碳钢的可加工性。另一方面，在高碳钢中，锰的合金会由于刀具磨损而对可加工性产生负面影响。

铬、钼、钨

铬、钼和钨可以提高钢材的淬透性，从而影响淬火和热处理钢材的结构和强度。在高碳/合金含量的钢材中，这些元素会形成硬质的特殊和混合碳化物，这可能会降低可加工性。

镍

加入镍会提高钢材的强度。这通常会导致不利的可加工性，尤其是在奥氏体镍钢的情况下。

硅

硅可以提高钢材的铁素体强度。在没有强力脱氧剂（如铝）的情况下，硅与氧会形成硬质的硅氧化物（硅酸盐）夹杂物。在切屑去除过程中，这可能会导致刀具磨损增加。

磷

磷的合金仅在某些自由切削钢中进行，会导致钢材中产生偏析。即使经过后续的热处理和热变形，偏析也无法去除，并导致α-铁晶体（铁素体）变脆。

钛、钒

钛和钒即使在少量的情况下，也能由于极其分散的碳化物和碳氮化物的析出而显著提高强度。此外，它们还会导致晶粒细化。

硫

硫在铁中仅微溶，但会根据钢材的合金成分形成各种稳定的硫化物。铁硫化物（FeS）是不理想的，因为它们熔点低，主要在晶界处形成沉积物。另一方面，锰硫化物（MnS）具有熔点高得多。MnS对可加工性产生的积极影响是短逗号切屑、改善工件表面和减少堵塞磨削轮的倾向。随着MnS长度的增加，MnS对机械性能如强度、应变、缩径率和冲击值产生负面影响，尤其是当其横向于应变方向存在时。

非金属夹杂物

用于钢材脱氧的元素，如铝、硅、锰或钙，会结合钢凝固时释放的氧。随后在钢材中发现的硬质、不可变形的夹杂物，例如氧化铝和二氧化硅，会降低可加工性，尤其是当氧化物在钢材中较大或呈线性形式时。但是，通过选择合适的脱氧剂，也可以对钢材的可加工性产生积极影响。例如，在某些加工条件下，钙-硅或铁-硅脱氧后会形成具有阻止磨损的氧化物和硫化物保护层。

总体而言，合金元素和微量元素对钢材可加工性的影响是复杂的，取决于元素的类型、含量和钢材的其他成分。

以下是一些具体的例子：

• 在低碳钢中加入1%锰可提高可加工性。

• 在高碳钢中加入1%铬可提高强度，但会降低可加工性。

• 在自由切削钢中加入0.05%磷可提高可加工性。

当然，合金元素对钢材可加工性的影响只是影响因素之一。其他因素，如钢材的组织结构、热处理状态和加工方法等，也会影响钢材的可加工性。

2.3 热处理对材料性能的影响

热处理是指通过对工件或工件部分进行特定的加热和冷却过程，使其成分和性能达到预期要求的加工方法。

根据热处理对材料结构的影响，可将热处理分为以下三种基本类型：

• 均匀化热处理：使整个截面形成均匀的晶粒结构，该结构在很大程度上处于热力学平衡状态（例如退火结构）或非平衡状态（例如珠光体、贝氏体、马氏体）。

• 局部硬化热处理：在保持化学成分不变的情况下，使截面较小区域形成硬化结构（尤其是表面层淬火）。

• 改变化学成分的表面结构：使表面形成具有不同化学成分的结构（例如碳化、渗碳）。

以下是常用的热处理方法，它们可以根据钢材的化学成分，不仅影响钢材的机械性能，还可以影响钢材的可加工性和刀具磨损。

热处理可以使钢材的结构发生以下变化：

• 退火：从珠光体或马氏体结构转变为细晶粒的珠光体结构，强度和硬度降低，可加工性改善。

• 淬火：将钢材加热到奥氏体区，然后以较快的冷却速度冷却，使奥氏体转变为马氏体结构，强度和硬度显著提高，可加工性恶化。

• 回火：将淬火后的钢材加热到一定温度，然后以较慢的冷却速度冷却，使马氏体转变为回火马氏体结构，强度和硬度降低，可加工性改善。

总体而言，热处理可以通过改变钢材的结构来显著影响钢材的性能。在选择热处理方法时，应根据具体的要求进行综合考虑。

3 各种钢材的结构

钢材根据其合金元素、结构成分和机械性能进行分类。这种钢材分类对于功能性能的选择和加工条件的确定都很有帮助。

根据合金含量进行分类，可分为以下三类：

• 非合金钢。

• 低合金钢：合金元素含量＜5.0%。

• 高合金钢：合金元素含量≥5.0%。

非合金钢可进一步区分为非热处理钢（普通碳素结构钢）和热处理钢（优质钢和特种钢）。

除了根据合金含量进行分类外，钢材还根据其实际用途和应用进行分类。可分为以下七类：

• 渗碳钢

• 热处理钢

• 氮化钢

• 滚动轴承钢

• 工具钢

• 耐腐蚀、耐火和高温钢

3.1 表面硬化钢

这些钢种的共同特点是碳含量相对较低（C < 0.2 %）。下表 列出了表面硬化钢的典型碳含量和合金成分。

表面硬化钢的加工通常在硬化后的状态进行。在表面硬化过程中，工件的表面层被渗碳，碳含量提高到 0.6 – 0.9 %。硬化过程使得外层形成马氏体组织（如图 6）。此外，当碳含量超过 0.7% 时，可能存在残余奥氏体和/或碳化物。在这种情况下，硬度可达 60 HRC，同时具有高抗拉强度和低韧性。

表面硬化钢主要用于制造高磨损和受力不均匀的零件，例如齿轮、齿轮轴、接头、连接器等。例如，常见的表面硬化钢包括 Ck15_、_16MnCr5_、_20MoCr4 和 18CrNi8 [N.N.98]。

3.2 热处理钢

热处理钢是因其化学成分而可淬硬的机械结构钢，热处理后在特定抗拉强度下表现出优异的韧性。热处理钢的碳含量在 0.2% 到 0.6% 之间，因此比表面硬化钢具有更高的强度。主要合金成分为锰、铬、钼、镍，有时还含钒和硅。

热处理钢的可加工性主要取决于其显微结构，因此变化很大。与合金成分相比，热处理形成的材料结构对可加工性的影响更大。通常情况下，热处理发生在粗加工和精加工之间。粗加工通常采用几何确定的方法处理处于正火状态的材料，其可加工性的特点是铁素体和珠光体组织导致的相对低磨损。

图6  热处理钢 42CrMo4 的显微剖面图

另一方面，热处理钢的磨削加工则是在材料热处理之后进行。热处理后形成回火马氏体组织，比淬硬后的组织更均匀、更细小，因此脆性也更低。回火的目的是改善韧性特性，但通常会相应降低强度。

磨削实践中经常使用的热处理钢包括 Ck45_、_42CrMo4_、_30CrMoV9 和 36CrNiMo4 等。这些材料适用于中高应变的部件，尤其用于汽车和航空器（连杆、轴、轴销、转子和曲轴、弹簧、齿轮）领域。

热处理钢因其良好的可加工性和热处理后的优异性能，广泛应用于各类结构和承载零件的制造。

3.3 氮化钢

氮化钢的碳含量在 0.2% 到 0.45% 之间，可淬硬，并添加铬和钼（提高淬硬性）以及铝或钒（氮化物形成元素）等合金元素。氮化是在 500 到 600 °C 的温度下进行，即低于钢的铁素体-奥氏体转变温度。

与通过 γ-α 相变和马氏体形成实现高硬度的表面硬化钢不同，氮化钢的极硬表面是由于脆性金属氮化物的存在。在氮化过程中扩散到表层的氮与合金元素铬、钼和铝形成特殊氮化物，这些氮化物大多以亚微米形式沉淀，导致高晶格应力，即高表面硬度。图 7 展示了氮化钢 31CrMo12 的组织照片。

图7 氮化钢 31CrMo12 的显微切面

然而，这种材料的切屑去除通常在氮化之前进行，通常处于热处理状态，结构由回火马氏体和细小均匀分布的碳化物组成。氮化钢的应用范围与表面硬化钢类似（齿轮、导向条）。

3.4 滚珠轴承钢

用于滚珠轴承的钢材因承受应变需要具备高硬度（52 – 65 HRC）、高纯度、均匀的组织结构和高耐磨性。化学成分、熔炼和热处理决定了滚珠轴承钢的最终组织结构，进而决定其性能。

德国主要使用可淬硬钢，尤其是 100Cr6 钢，而美国则广泛使用表面硬化钢作为滚珠轴承钢。

热处理后，这种钢获得马氏体和碳化物组织结构（见图9）。过共析钢的碳含量很高，可以达到 64 HRC 的全马氏体硬度，但仍有 5-10% 体积未溶解的二次碳化物残留在基体中。由于这些碳化物比马氏体更硬，使过共析滚珠轴承钢的硬度可以达到 65 HRC。坚硬的碳化物和马氏体组织对加工工具有强烈的研磨作用，从而导致较高的加工力 。

图8 经过热处理的滚柱轴承钢 100Cr6 的显微截面图 

3.5 工具钢

工具钢通常分为两类：

• 未合金工具钢

• 合金工具钢

它们用于不同的应用，因此进一步细分为冷作钢、热作钢和高速钢三种类型。工具钢的归类仅取决于其实际用途，而并非基于其合金成分进行区分，因为化学成分差异很大（见表 4-6），并且制造工艺也会影响其性能。

这三种类型的工具钢主要的区别在于可达到的硬度和退火温度对硬度的影响。

淬火后，工具钢的组织结构主要由表面层的马氏体组成，逐渐向内转变为贝氏体和细层珠状珍珠岩。对于过共析钢，如果淬火前处于球化状态，基体中还会嵌入碳化物颗粒。如果不进行这种预处理，则脆性碳化物网络的残留物会替代碳化物颗粒。

选择工具钢的合金元素主要基于它们对表面硬度、硬度深度、回火稳定性、韧性和耐磨性的影响，特别对于高合金钢，需要与碳含量进行适当配合。钢中的碳含量决定了组织中耐磨碳化物的数量，因此是耐磨性的关键因素。

碳还会影响淬硬性，并通过淬火和回火过程中的碳化物反应，决定回火稳定性和韧性。

冷作钢（图 9 左）具有较高的初始硬度，但随着温度升高到 200 °C 以上，硬度会迅速下降。它们主要用于室温或稍高温度下，用作切割、冷成型和塑性成型工具的材料。

热作钢（图 9 右）的初始硬度明显较低，但即使在高达 600 °C 的退火温度下，硬度仍能保持稳定。它们用于高温非切割金属成型，例如铸件成型以及锻造机的模具和锤子。

高速钢既具有较高的初始硬度，又具有良好的高温硬度稳定性，主要用于切削工具以及成型和精加工工具。根据其成分，高速钢是基于铬、钨、钼和钒的高合金特种钢，碳含量超过 0.7 %。它们含有大量碳化物 。

图9 工具钢的切片显微结构

3.6 耐腐蚀、防火和高温钢

耐腐蚀钢具有良好的耐化学腐蚀性，通常铬含量大于 12%。耐腐蚀钢按结构成分可分为铁素体、马氏体和奥氏体钢。

马氏体铬钢含有约 0.4 – 1.2% C 和 12 – 18% Cr，主要用于刀具钢以及需要高硬度、耐磨性和耐腐蚀性的机械部件。

碳含量 ≤ 0.1% 和铬含量 ≥ 16% 的钢属于耐腐蚀铁素体铬钢，铬含量最高可达 30%。为了提高耐腐蚀性，这些钢种含有高达 2% 的钼。该系列钢种的基本类型是退火的 X7Cr17 钢，其组织由铁素体和碳化物组成。

在耐腐蚀奥氏体铬镍钢中，通过添加镍等奥氏体形成元素，使面心立方奥氏体晶格在室温下扩展。由于其特性，这些钢种在耐腐蚀钢中具有最重要的意义。X5CrNi18 10 钢可作为基本类型。奥氏体对冷成型具有很强的倾向。图 10 展示了不同显微组织的铬钢显微照片。

耐火钢的主要功能是在超过 550°C 的高温下具有足够的耐高温气体腐蚀性。除了铁素体钢之外，还使用铬镍奥氏体钢（进一步提高耐热性）。高温钢在高温（高达 800°C）下长期受载时，表现出优良的机械性能和高长时抗断裂强度。12% 铬钢组也属于这类钢种。含有 16-18% 铬和 10-13% 镍的钢种，其奥氏体组织在高温下表现出更高的抗形变性，具有更高的耐热性。例如，奥氏体锰钢在室温下由亚稳奥氏体（柔软和可锻）组成。在加工过程中，奥氏体转变为稳定的马氏体。这种转变导致切削区域的硬化。

图. 10.各种不生锈的铬钢的显微切片

4 钢材各种结构成分的磨削

• 铁素体组织: 由于强度和硬度低，铁素体结构钢材通常采用几何确定的切削刃加工，很少使用磨削。磨削时，其低强度和高变形性会导致磨具频繁堵塞。因此，使用开口磨具和高初始峰谷高的修整方式是有利的。增加切削速度可以减小切屑深度，从而降低堵塞倾向，但要注意更高的切削速度会带来更大的热应变，增加堵塞倾向。

• 珠粒铁组织: 比铁素体更强的强度和硬度使得磨具磨损加剧。更高的强度也带来更大的磨削力，对磨粒刃口产生更高的应力，导致更高的磨削温度。得益于珠粒铁组织的低变形性和更低的堵塞倾向，可以使用峰谷高度较低的磨具，从而获得更低的粗糙度值。

• 奥氏体组织: 奥氏体材料具有韧性的特点，磨削时容易堵塞磨具，因此推荐使用峰谷高度较高的磨具。然而，与铁素体不同，奥氏体的强度更高，在高磨削力下也会对磨具造成更大的压力。

• 马氏体组织 / 热处理组织: 马氏体和热处理组织具有高硬度和强度，对磨具的应力和磨削力都很大。为了降低磨具磨损，需要使用高硬度的磨粒。因此，如果需要高表面质量、高切屑去除率和高形位精度，cBN 非常适合高速磨削。增加切削速度可以减小切屑深度，从而降低对磨粒刃口的机械应力。此外，用于淬硬钢材加工的常见磨粒还有贵刚玉和溶胶刚玉，但它们的磨损会比 cBN 更大。

• 尤其是在马氏体或热处理组织的情况下，必须避免过大的热负荷，以免产生回火区和/或脆化硬化区（即“磨烧”）。可以通过定制的磨具参数和加工参数以及有效的冷却液来防止这种情况的发生。

5 铸铁材料的磨削

铸铁磨削的特性主要取决于其石墨形态和基体组织。

• 首先，退火铸铁、片状石墨铸铁、蛭石铸铁和白口铸铁是最常见的铸铁磨削材料。还有一种相对较新的铸铁材料是ADI (奥氏体可锻铸铁)。图 11 展示了各种铸铁材料的性能和结构。

• 石墨的存在和形态对铸铁的磨削性能有很大影响。石墨夹杂物一方面减少了刀具和工件之间的摩擦，另一方面破坏了金属基体，从而提高了可加工性，与无石墨铸铁或钢材相比，铸铁产生短而弯曲的切屑，磨削力小，刀具寿命长。

• 除了石墨夹杂物之外，铸铁基体组织也对可加工性有很大影响。低强度铸铁的基体主要由铁素体组成。随着珠粒铁含量的增加，材料强度增加，磨具磨损也随之增加。高强度和高硬度的铸铁通常具有贝氏体、莱氏体或马氏体组织。

• 对于可锻铸铁，根据热处理的不同，可以分为白口铸铁 (GTW) 和黑心可锻铸铁 (GTS)。球状石墨 (石墨) 和基体中的硫化锰使黑心可锻铸铁具有良好的断屑性能。黑心可锻铸铁在整个刀具截面上具有均匀的组织，而白口铸铁的脱碳外层纯为铁素体。

• 在片状石墨铸铁 (灰铸铁, GGL) 中，片状石墨破坏了钢状基体，因此形成短而弯曲的切屑，磨削力减小。在磨削过程中，工件边缘通常不会产生毛刺，但会出现崩裂。

• 除了磨削条件之外，工件表面的质量还取决于灰铸铁基体的细度和均匀性。铸件的外层比芯部更难加工，这一方面是由于非金属夹杂物，另一方面是铸皮下方石墨结构和微观结构的改变，以及氧化皮造成的。

• 在蛭石铸铁中，石墨呈球状夹杂物形式存在。低强度和良好韧性铸铁 (例如 GGG40) 的微观结构主要由铁素体组成。随着微观结构中珠粒铁含量的增加，材料强度和硬度也会增加。

• 蛭石铸铁的结构特点使其具有良好的韧性和可加工性。在磨削过程中，蛭石夹杂物可以起到润滑和缓冲的作用，从而减少磨削力和磨具磨损。

• ADI 是一种新型铸铁材料，具有优异的力学性能和可加工性。ADI 的石墨为球状形态，基体组织为针状铁素体和稳定的、高碳奥氏体。ADI 的拉伸强度和断裂伸长率都很高，且具有良好的耐磨性和减振性。

• 由于石墨的存在和基体组织的差异，铸铁材料比钢材更容易磨削。然而，铸铁材料的强度和硬度也比钢材小，因此需要选择合适的磨具和磨削参数。

图11  各种铸铁材料的性能和结构 

6 镍基材料磨削

6.1 结构和组织

镍基材料的特定性能取决于化学成分、冷成型工艺和热处理方式，这些特性根据应用领域而有所不同。根据其最重要的合金元素，镍基合金可以分为以下几个主要类别:

• I. 镍铜合金

• II. 镍钼合金和镍铬钼合金

• III. 镍铁铬合金

• IV. 镍铬铁合金

• V. 镍铬钴合金

图 12. 各种镍基合金的典型微观结构。(a）锻造合金，b）传统凝固多晶铸造合金，c）定向凝固铸造合金，d）单晶铸造合金） 

特定的合金元素通过形成混合晶体 (Cr, Co, Mo, W, Ta)、金属间化合物 (Al, Ti, Nb) 或碳化物 (Cr, Al, Ti, Mo, W, Ta, C) 来提高材料的强度 。第二组的镍基合金通常由于其化学成分而无法硬化。它们的强度来自其化学成分 (混合晶体和碳化物形成) 和冷成型的程度。另一方面，其余主要组的合金确实可以通过适当的铝和/或钛添加剂进行硬化。在这种情况下，通过相应的热处理 (固溶热处理和析出硬化) 获得所需的强度特性，在此过程中，硬颗粒 (金属间化合物和碳化物) 沉淀在基体中 。

微观结构方面，镍基合金还可以分为锻造合金和铸造合金。通常，锻造合金是指可以通过变形方法 (轧制、锻造、压铸等) 成型的金属材料 。由于锻造合金析出硬化，包括碳化物和硼化物相，因此这些材料通常难以加工。镍基合金的一个典型代表是材料 INCONEL 718 (图12 a)。

对于铸造合金，我们可以进一步区分传统球形、定向凝固和单晶材料。传统凝固球形铸造合金 (图 12 b) 的弱点是大量晶界，尤其是垂直于应变方向的晶界，降低了材料对低应变速率变形的抵抗力。定向凝固材料 (图12 c) 通过将晶界排列在主应变方向上，减少了单个晶界并提高了材料强度。然而，由于这些晶界也代表着弱点，当代铸造方法的发展旨在生产没有晶界、即单晶的材料 (图 12 d)。例如，今天许多新型大型发动机的高压级涡轮叶片都是通过精密铸造制造的单晶叶片 。

精密铸造通常伴随热处理。它包括用于均匀结构的固溶热处理和随后将金属间化合物γ'-相析出的析出硬化阶段。

6.2 性能和应用

镍基合金具有极高的耐高温性、抗腐蚀性和韧性。因此，它们是目前最常用的材料，用于在高达 1100°C 的工作温度下承受不均匀机械应变的部件。由于其在航空涡轮机高温范围内的出色耐热性、抗热疲劳性和抗氧化性，它们首选用于燃气轮机结构和化学仪器制造。

在涡轮结构中，高功率密度的压缩机和涡轮会使部件，尤其是涡轮叶片，承受高度复杂的应力状态。它们承受着极高的气体流入温度造成的热应变，以及旋转引起的离心力带来的额外机械应变，并且必须承受因操作条件变化而引起的应力变化 [TREF96]。根据需求特性，在这种情况下会使用不同微观结构的镍基合金。

6.3 镍基合金磨削行为 - 对磨削过程的影响

一般来说，镍基合金因其机械、热和化学特性，被归类为难加工的材料。然而，由于化学成分和微观结构的不同，镍基合金的可加工性也会有所变化。

总体而言，镍基合金的高耐热性、低导热性以及磨削过程中碳化物和金属间相的磨蚀作用，会导致刀具承受高热应力和机械应力 。由于其延展性高，镍基合金可归为长切屑材料组。

根据这些材料的不同微观结构，对磨削过程的要求也各不相同，因此从经济和技术角度来看，需要根据特定的加工任务调整加工策略。

使用普通磨具

加工镍基合金时，主要使用由刚玉制成的传统磨具。材料的低导热性，要求选择适合加工情况的磨轮规格、适当的磨轮调质以及冷却润滑液的最佳排热方式，以防止工件表层受热损伤。

因此，通常使用粒度约为 F60 的开孔磨具。预先使用 CD (连续修整) 方法进行准备，通过连续在线修整使磨轮保持最佳状态。同时，还要注意磨轮磨损由修整进给量 fRd 和工件速度 vw 决定，从而与磨削时间相关。较高的修整进给量 frd 会导致较高的磨轮有效峰谷高度。这样，可以有效地从加工区域去除热量。然而，缺点是工件粗糙度会随着有效峰谷高度的增加而上升，刀具磨损也会增加。在这种情况下，溶胶刚玉没有优势。

增加切削速度通常会导致表面质量改善和切削力减小。由于修整进给量随磨轮转动而移动，因此切削速度增加会导致刀具磨损增加。此外，较高的切削速度会增加工件的热应力。通常范围为 vc = 20 到 35 m/s。

与超硬磨料相比，传统磨具确实相对便宜，但除了刀具成本之外，还需要考虑更换磨轮带来的设置成本 。

在使用传统磨具进行平面磨削时，通常采用蠕动 (进给) 磨削工艺，通常一次进给去除余量。这种方法的优点是与摆动磨削相比，表面粗糙度更低，刀具磨损更少。在磨削发动机叶片根部时，切深可达 10 毫米或以上。随着切深增加，切屑量增加，冷却润滑液添加变得更加困难，这可能会导致热应力，尤其是在复杂几何形状的情况下。

增加单位金属去除率 Q'w 通常会导致工件粗糙度恶化，热应力增加，刀具磨损增加。在 CD 磨削中，可以通过增加修整进给量来补偿磨损。常规 CD 磨削工艺的单位金属去除率范围约为 Q'w = 20 mm³/mms。在 HSCD (高速连续修整) 磨削工艺中，可以实现 Q'w = 100 mm3/mms 的单位金属去除率。

使用超硬磨具

除了传统磨具之外，cBN 磨轮 (有陶瓷和金属结合剂两种) 也被尝试用于加工镍基合金。根据结合剂类型，通常使用水基冷却润滑液 (针对陶瓷结合剂) 和磨削油 (针对金属结合剂)。

由于镍基合金被认为是长切屑材料，cBN 磨轮需要通过修整调整较高的磨轮有效峰谷高度，以便去除切屑并添加冷却润滑液。使用成型辊修整时，修整深度为 aed = 2 到 4 μm 时，qd = 0.5 到 0.8 的修整速度比值效果良好。对于粗加工或简单操作，可以设置不同程度的修整深度。类似的修整速度比值也适用于轮廓辊。在这种情况下，径向修整进给速度在 frd = 0.5 到 0.7 μm 的范围内。

磨削深度对切屑去除过程有决定性影响，随着切深增加，接触长度会增加。这样，为接触区提供冷却润滑液并去除热量变得更加困难。使用 cBN 磨轮，切深 ae ≤ 250 μm 的摆动磨削操作通常比深磨削工艺更实用。临界单位金属去除率 (Grenzzeitspanungsvolumina) 通常仅为 Q'w = 5 到 10 mm³/mms。通过速度冲击磨削技术，在小切深下，表面积速度 vw 为 200 m/min，单位金属去除率可提高到 Q'w = 100 mm³/mms。在 cBN 磨削工艺中，切削速度通常为 vc ≥ 100。

尽管这些磨削条件已经在许多不同镍基合金的加工中得到了验证，但可加工性仍然取决于结构状态和合金成分。与锻造合金 INCONEL 718 相比，在多晶铸造合金 (如 MAR-M247) 的情况下，通常会产生更高的磨削力，导致磨轮磨损增加。这可以归咎于更大的强化金属间 γ' 碳化物含量。单晶镍基合金在没有晶界的情况下具有最高的刀具使用寿命。

对于定向凝固铸造合金，切屑去除行为取决于凝固方向。在凝固方向上进行磨削会导致切削力比在凝固方向上进行磨削高出 5 倍。

总结

镍基合金具有极高的耐高温性、抗腐蚀性和韧性，但由于其机械、热和化学特性，被归类为难加工材料。在加工镍基合金时，需要注意以下几点：

• 使用合适的磨具和磨削工艺，以减少刀具磨损和工件热应力。

• 控制磨削深度和切削速度，以避免工件变形和磨具磨损。

• 根据合金的结构状态和成分调整磨削参数。

通过合理的加工策略，可以有效提高镍基合金的可加工性。

7 钛合金磨削

钛合金因其轻质高强、耐高温耐腐蚀等优异特性，广泛应用于航空航天、化工等领域。然而，由于其特殊的物理化学性质，钛合金的加工难度相对较高。其可加工性主要取决于材料类型（金属钛或金属间化合物钛）、合金成分以及热机械预处理工艺。

7.1 结构与成分

金属钛

钛合金的密度低（ρ = 4.5 g/cm³），抗拉强度高（Rm = 900 – 1400 N/mm²），且具有良好的耐热性（约500°C）和耐腐蚀性。这些特性使其在航空航天、化工等领域大放异彩，但其价格也远高于钢铝合金，限制了其更广泛的应用。

金属钛可分为四类见下表：

• • I. 纯钛

• • II. α合金

• • III. (α + β)合金

• • IV. β合金

纯钛，又称未合金化钛，含有少量的氧、碳、氮和铁。添加少量氧（最多0.45%）可以提高其强度，添加钯（最多0.2%）则可以增强其耐腐蚀性。

钛在室温下呈α-相六方晶结构，但在882.5°C时转变为β-相正方晶结构。通过添加合金元素，β-α转变温度可以降低，使β-相在室温及以下稳定存在。

α合金主要添加铝、锡和锆作为合金元素，也可添加钒、硅、铜和钼（最多1%）。含铜的α合金具有硬化特性。

β合金则含有钒、钼、锰、铬、铜和铁等元素。钒和钼与钛形成一系列稳定的混合晶体，即使在低温下也保持稳定。其他合金元素形成的混合晶体会于低温分解成共晶组织。β合金除了β-相，还可能存在α-相。

(α + β)合金结合了上述两种合金的合金元素，这类双相合金的强度高于单相α合金，可进一步强化，适用于高温环境。

金属间化合物钛 (γ-钛铝合金)

金属间化合物不像传统合金那样，不会完全继承两种成分的晶格结构，而是形成独特的晶格类型。这种化合物中，两种元素原子的比例与合金成分的比例一致 [BUER01]。钛铝体系也形成稳定的金属间化合物  。这类化合物基材被称为钛铝合金。γ-钛铝合金的特性主要取决于两种相的性质：α2-(Ti3Al)和γ-(TiAl)。α2-(Ti3Al)具有最紧密的六方晶结构，γ-(TiAl)则为四方晶结构。这两种相可以出现在不同的比例和微观结构中，例如双相结构或全层状结构。

双相结构由球形的γ晶粒、α2颗粒以及层状的γ/α2晶粒组成，它们在体积上大致相等，如图13右图所示。这是钛铝合金中最细粒的微观结构，具有良好的室温延展性。延展性取决于结构的均匀性，同时也受其他合金元素或杂质含量的影响。

全层状 (FL) 结构由平行排列的层状TiAl相和Ti3Al相组成，Ti3Al相具有最紧密的六方晶结构。层状结构的宽度根据热处理工艺和合金添加剂的不同而变化，一般在0.15到3微米之间，α2层通常比γ层更薄。这种结构使得晶粒之间可以形成“钩状”连接，提高蠕变强度，但同时也降低了材料的加工性能 。与双相结构相比，全层状结构具有更高的断裂韧性、更优异的高温强度和疲劳极限。

图 13. 左图：具有 Fl 结构的 TiAl 基合金（Ti-45Al- 2Mn-2Nb + 0.8 %TiB2）的显微结构；右图：具有 DP 结构的 TiAl 基合金（Ti-46.5Al-3Nb-2.1Cr-0.2W）的显微结构 

7.2 性能与应用

钛材料最突出的特点是高比强度和优异的耐腐蚀性。正是因此，它们在以下领域广受欢迎：

• 化工业 ：钛材料在强腐蚀性环境中表现出优异的耐受性，是化工设备的重要原材料。

• 轻量化结构：钛材料的轻质高强特性使其成为航空航天和汽车领域的理想结构材料，可减轻重量的同时保持强度和刚性。

• 阀门材料：钛材料的耐腐蚀性和耐高温性使其适用于汽车发动机等苛刻环境中的关键阀门部件。

• 医疗植入物：钛材料的生物相容性良好，被广泛用于人工骨骼、牙科植入物等医疗领域。

除了常用的 Ti-6Al-4V 等钛合金之外，基于钛铝的金属间化合物也逐渐被应用于各种领域。这些材料兼具钛的强度和铝的轻质特性，展现出更广阔的应用潜力。

7.3 磨削行为 - 影响因素

金属钛

经济高效地加工钛材料需要充分考虑其物理特性。钛合金的强度很高，但断裂伸长率低（约5-15%），弹性模量约为钢的50%，导热系数约为钢的80%。

磨削过程中，接触区会产生高温。切屑只能带走少量热量，大部分热量需要通过刀具和冷却液散去，与加工钢材相比，钛合金的散热效率更低。磨削会产生裂纹，影响最终部件的功能和寿命 。此外，机械加工还可能在钛铝合金表面附近形成硬化区，微硬度高达800 HV0.025，厚度最大180 μm，对刀具寿命不利。

钛与氧、氮、氢和碳的反应性，以及接触区的高温，会增加磨削轮磨损。磨损主要分为两种：

• 粒磨损（疲劳粘着磨损）：当结合剂在高温下的耐热性和耐机械性不足时，磨粒与结合剂之间的结合失效，导致粒磨损。

• 粘着磨损：磨粒在过大的应变或热/化学磨损下剥落，导致粘着磨损。一项研究表明，在磨削钛合金TiAl6V4时，粘着磨损占总磨损的80%，主要由粒剥落和结合剂断裂造成，这些因素也会削弱结合剂，导致磨粒钝化，增加切削力 。

实践证明，碳化硅和金刚石磨轮更适合磨削钛合金。磨削TiAl6V4时，使用金刚石磨轮比金刚石磨轮，在相同单位材料去除率（Q'w = 3mm³/mms）下，切削力高出两到三倍，磨损也增加了一倍以上。因此，由于金刚石磨轮导热性低，不建议使用。

与CD磨削方法相比，金属或陶瓷结合金刚石磨轮在无连续整形的情况下，能获得更好的表面质量。对于Ti-6Al-4V，摆磨工艺更适合于深磨工艺，因为较小的切深和较高的工作台速度能改善热边界条件。

需要注意，钛切屑与空气中的氧气和雾化磨削油反应可能会引起爆炸或机器中的油雾着火。

γ-钛铝合金磨削行为 - 影响因素

与钛合金 TiAl6V4 相比，γ-钛铝合金在磨削过程中表现出更低的切削力、更低的刀具磨损、更少磨轮堵塞以及更佳的表面质量。使用传统磨轮规格，γ-钛铝合金比金属钛合金更容易实现精确的形状和尺寸。在这种情况下，磨削比可以提高高达10倍。

磨具选择:

• 高有效峰谷高度磨轮: 通过高正进给整形和深整形切割，可以获得高有效峰谷高度的磨轮，这种磨轮对γ-钛铝合金磨削非常有效。

• 大排屑空间: 由于γ-钛铝合金切屑极易堵塞磨轮，因此需要较大的排屑空间。磨削过程中应使用清洁喷嘴，及时清除磨轮孔隙中的切屑和杂质。

• 冷却润滑剂: 由于材料导热系数低、接触区温度高，选择合适的冷却润滑剂尤为重要。冷却润滑剂应沿磨轮圆周速度喷射。使用磨削油时，由于高温切屑的强反应性，存在油雾-空气混合物爆炸的风险，因此通常使用乳液进行磨削。

• 金刚石磨轮: 使用陶瓷结合金刚石磨轮加工DP型γ-钛铝合金，当切削率Q'w = 5 mm³/mms、切深ae = 25 μm时，磨削比可以超过500。对于摆磨工艺，更高的切削率会导致刀具磨损过大、使用寿命缩短，经济性较差。

• 碳化硅磨轮: 与金刚石相比，碳化硅硬度和耐磨性较低，使用陶瓷结合碳化硅磨轮会显著增加磨轮径向磨损，但仍能实现无裂纹加工，这对于航空航天领域的安全部件至关重要。

• 氧化铝磨轮: 陶瓷结合氧化铝磨轮不适合加工γ-钛铝合金，容易因导热系数低而产生裂纹，磨损也较大，难以实现尺寸和形状精度。

• 速度行程磨削技术: 使用速度行程磨削技术，可以实现vw = 200 m/min的高工作台速度，FL型γ-钛铝合金磨削时，切削率Q'w可达70 mm³/mms，磨削比高达200。由于该技术的高工作台进给速度，低加工强度可将对表面层的热影响降至最低，防止裂纹形成。由于高工作台速度和高切削率会产生较厚的切屑，因此应选择较高的切削速度。考虑到冷却润滑剂喷射速度与磨轮转速一致，切削速度只能在一定范围内灵活选择。v_c = 125 – 140 m/s、v_KSS ≈ 130 m/s 的组合已被证明有效。进一步提高磨轮圆周速度会导致冷却润滑剂供应问题，增加磨损并可能导致材料裂纹。

总结:

γ-钛铝合金的磨削性能很大程度上取决于其微观结构。金刚石磨轮通常比碳化硅磨轮更耐磨，但在加工DP型γ-钛铝合金时，由于FL型γ-钛铝合金强度更高，其“钩状”晶界结构会产生更大的阻力，导致金刚石磨轮磨损更大。因此，需要高尺寸精度时，应使用金刚石磨轮，并采用低切削率和浅切深进行磨削。

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