超高溫高壓流變儀耐壓測試腔的加工制造技術(shù)研究

劉長安，韓天夫，鄧都都，李圣年，張有波，丁明，杜環(huán)，孫涌

(1.青島海通達專用儀器有限公司，青島 266100；2.北京探礦工程研究所，北京 100083)

0 引言

哈氏合金是一種含W的Cr-Ni-Mo合金，具有極低的硅碳含量，被認為是萬能的抗腐蝕合金，主要在各種氧化性氯化物、氯化鹽溶液、硫酸與氧化性鹽、低溫與中溫鹽酸等中均有很好的耐蝕性能，其力學性能也非常突出，具有高強度、高韌性的特點，其抗拉強度σb≥790 MPa，延伸率δ≥40%[3]。因此在化工、石油化工、煙氣脫硫、紙漿和造紙、環(huán)保等工業(yè)領域有著相當廣泛的應用[1-2]。哈氏合金是制造耐壓測試腔的最佳選擇，能夠保證超高溫高壓流變儀耐壓測試腔在350 ℃、260 MPa的條件下安全可靠。但是哈氏合金硬度特高，切削加工性能極差，耐壓測試腔制造難度很高。

1 主要制造難點

1.1 機加工性能差

哈氏合金強度與韌性很高，其硬度高達30 HRC，在機加工方面有一定的難度；而且其應變硬化傾向極強，當變形率達到15%時，約為不銹鋼的兩倍，超高的硬度導致加工過程極容易損壞刀具。由于哈氏合金鋼具有良好的塑性和韌性，切削時切屑不易卷曲和折斷，還會纏繞在工件和刀具上，影響切削的順利進行[4]。

1.2 材料敏感

哈氏合金存在中溫敏感區(qū)，其敏感傾向隨變形率的增加而增大。當溫度較高時，哈氏合金易吸收有害元素使它的力學性能和耐腐蝕性能下降。加工過程中過高的溫度導致殘余應力過大，出現(xiàn)應力腐蝕裂紋[5]，這對于超高壓容器是致命的。

1.3 零件結(jié)構(gòu)復雜

耐壓測試腔為測試樣品的載體，內(nèi)部為精密的黏度測量系統(tǒng)。部分零件設計中存在許多高精度的孔、縫、螺紋以及連接結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)復雜，常規(guī)的刀具與加工方式很難完成加工。

1.4 制造精度要求高

由于超高溫高壓流變儀屬于精密測試儀器，耐壓測試腔很多結(jié)構(gòu)都有很高的尺寸精度要求，而且對于超高壓容器本身來說，筒體壁面以及密封接觸面需要有很高的表面粗糙度(一般要求Ra≤1.6 μm)，保證足夠的表面粗糙度是提高容器疲勞強度的有效措施[6]。

2 哈氏合金加工特性分析

哈氏合金的切削性能極差，這是由于材料本身的化學成分(表1)和機械性能(表2)所決定的。

表1 哈氏合金主要化學成分表

表2 不同材料機械性能與切削力對比

從表1中可以看出，哈氏合金以熔點較高的鎳元素作為合金的基體，并含有高熔點的鉬、釩、鐵等元素，使得哈氏合金強度大、硬度高，且有較高的延伸率[7]。

與45#鋼、1Cr18Ni9Ti鋼相比，哈氏合金在切削過程中有以下特點：①塑性變形大，其延伸率比45#鋼大300%，比延伸率較大的1Cr18Ni9Ti鋼還大63%；②切削溫度高，哈氏合金在切削過程中產(chǎn)生較大的塑性變形，刀具與工件之間存在著強烈的摩擦，產(chǎn)生大量的切削熱，而哈氏合金的導熱系數(shù)較低，致使切削溫度繼續(xù)升高；③切削力大，由于哈氏合金強度高，塑性變形抗力大，且冷硬現(xiàn)象較嚴重，所以切削力很大，比45#鋼的切削力高150%；④冷硬現(xiàn)象嚴重，切削哈氏合金時，已加工表面的硬度比基體的硬度高50%～100%；⑤刀具極易磨損，由于以上特點導致哈氏合金在切削加工過程中刀具出現(xiàn)嚴重的機械磨損和粘接磨損。

3 改善加工性能的措施

3.1 哈氏合金熱處理

哈氏合金與普通奧氏體不銹鋼有相似的成形性能。但由于其比普通奧氏體不銹鋼的強度要大，所以，在車削加工過程中會有更大應力。此外，這種材料的加工硬化速度比普通不銹鋼快得多，因此在冷車削加工過程中，要采取中途退火處理，退火過程為900±20 ℃保溫24 h，然后自然冷卻，以改善其加工性能。哈氏合金以退火狀態(tài)進行車削加工時，對它的加工硬化要有清醒的認識，例如：相對于標準奧氏體不銹鋼要采用較慢的切削速度，對于表面的硬化層要采用較大的進刀量，并使刀具處于連續(xù)的工作狀態(tài)。而且冷加工硬度超過120%時，需進行固溶處理。冷成形過程中，變形率較大時要采用分步成形工藝。分步成形要進行中間熱處理，選用固溶處理方式，溫度控制在1000 ℃以上。加工件最終成形后還要再進行一次固溶處理，以消除殘余的應力。哈氏合金固溶處理溫度控制在1060～1080 ℃之間，之后進行水淬，當材料厚度在1.5 mm以上時可以快速空冷以獲得最好的耐腐蝕性能[8]。

哈氏合金材料或設備部件在進行熱處理時要注意以下問題：為了防止設備部件熱處理變形，應采用不銹鋼加強環(huán)；對裝爐溫度、加熱和冷卻時間應嚴格控制；裝爐前，對熱處理件進行預處理，防止產(chǎn)生熱裂紋。在熱處理之前和熱處理過程中，應始終保持工件清潔和無污染，這一點非常重要；加熱爐選用電爐，在加熱過程中，工件不能接觸硫、磷、鉛及其他低熔點金屬，否則會損害合金的性能，使合金變脆[9]。

3.2 加工參數(shù)優(yōu)選

3.2.1 車削刀具選擇

由于切削哈氏合金時負荷重、切削溫度高、冷硬現(xiàn)象嚴重，所以要求刀具材料的硬度和強度高，同時還要有良好的耐熱性和耐磨性。實踐證明，一般高速鋼刀具磨損很快，只有在斷續(xù)切削或排屑困難的情況下才是用高速鋼；雖然YT類硬質(zhì)合金的硬度和耐磨性很高、但它的抗彎強度低，而且TiC在鎳中溶解度極大，在高溫下容易引起擴散磨損，因此也不宜采用YT類硬質(zhì)合金刀具。最終刀具材料選用硬質(zhì)合金和立方氮化硼，切削哈氏合金常用的硬質(zhì)合金牌號有：YG813、YM051、YD05、YG8、YG10H[10]。粗車時用YD05、YG10H、YG8，精車時用YG813、M051、YD05。

3.2.2 幾何參數(shù)選擇

由于哈氏合金的加工硬化嚴重，所以刀具要盡量鋒利，不允許有鋸齒形缺陷。為了減小被切金屬的變形并降低切削力和切削溫度，粗車時前角γ0取值可大一些，一般取10°左右；精車時為了保證工件精度和提高刀具的耐用度，前角數(shù)值要小，取值0°～5°。對于后角α0，為了減輕后刀面與工件已加工表面的摩擦，粗車時采用較大的后角，取值8°左右，后刀面粗糙度Ra值小于0.2 μm。對于主偏角Kr，為了使刀具具有足夠的強度和散熱性，同時還要保證在切削時不震動，取值Kr在45°～75°之間。對于刃傾角λs，粗車時取-1°，精車時為了避免切削劃傷已加工表面取值0°～3°。

3.2.3 切削要素選擇

一般來說切削速度低，很容易產(chǎn)生刀瘤，使得加工表面粗糙；而速度過高則導致切削溫度過高，縮短刀具壽命。根據(jù)實際加工經(jīng)驗粗車時取40～50 m/min；精車時速度不超過60 m/min。對于切削深度，由于哈氏合金的加工硬化很嚴重，所以切削深度不宜過小，粗車時取值2～5 mm，精車時取值0.2～0.5 mm。對于進給量f，為了減小切削力，進刀量不宜過大，取值0.1～0.5 mm/r，粗車時取大值，精車時取小值。

3.2.4 切削液的選擇

用硬質(zhì)合金和立方氮化硼刀具加工哈氏合金時一般采用干切，由于切削時切削力較大，切削溫度較高，為了改善切削性能，提高加工質(zhì)量，也可試用切削液進行冷卻潤滑，使用硬質(zhì)合金刀具可采用極壓切削液，使用立方氮化硼刀具推薦使用70%～80%的煤油加20%～30%硫化切削油。由于切削哈氏合金材料時切削溫度過高，故加切削液時流量要足夠、澆注要充分、否則刀頭有可能因冷卻不均勻而產(chǎn)生裂紋。

4 難點加工分析

4.1 深對接小孔的加工

中間體零件上對接孔的最大深度為102.5 mm直徑3 mm。一般來說對于加工硬化不太敏感的材料，為了保證加工的精度和同心度，可采用超長麻花鉆頭一次性加工。但是超長的的麻花鉆頭在加工過程中，鉆頭的韌性差、易產(chǎn)生震動；同時孔很小，排屑非常困難，冷卻液很難進入到孔內(nèi)，鉆刃會因為無法及時冷卻而造成磨損嚴重。對于冷硬現(xiàn)象嚴重的哈氏合金，這些問題會非常明顯，所以這種方式根本行不通。

對于哈氏合金加工中遇到這種小孔、深孔、對接孔，首先要選用多組規(guī)格長度40 mm、80 mm、130 mm 的優(yōu)質(zhì)硬質(zhì)合金超長麻花鉆頭，要改進冷卻液的噴射角度及壓力和流量、并采用多次加工多次退火的工藝。首先采用40 mm鉆頭鉆孔進給量0.1 mm/r。為了保證鉆頭冷卻充分，防止哈氏合金冷硬，每鉆一定長度后必須退回零件孔外，對鉆頭進行充分的冷卻和沖刷，這樣切削液既冷卻了鉆頭，同時切削液流進孔內(nèi)對零件加工位置也進行了降溫，鉆孔深度越長退刀次數(shù)相應越多。加工過程中一旦出現(xiàn)鉆頭磨損應立即對鉆頭進行修復，將鉆頭磨成115°，這樣才能使鉆頭既有強度又保證同心度。加工一旦出現(xiàn)硬化現(xiàn)象，應立即進行一次退火處理。退火過程為900±20 ℃保溫24 h，然后自然冷卻，才能進行加工。鉆頭使用的優(yōu)先順序為40 mm>80 mm>130 mm，直至加工到規(guī)定尺寸。

4.2 螺紋加工

對于中間體零件中，如圖1深孔小螺紋，該類螺紋具有孔很小且深度大的特點。哈氏合金材料硬度高，對于這種小而深的螺紋攻絲很容易出現(xiàn)切屑堵塞。一旦堵住，絲錐擠壓切屑造成牙松、垂直度超差、表面粗糙、底孔燒結(jié)、螺紋粘結(jié)、螺紋劃傷、振動及絲錐崩牙或折斷等問題。

圖1 深孔小螺紋

根據(jù)經(jīng)驗，在加工過程中采用先鉆底孔，然后倒角，最后用帶有涂層的螺旋絲錐進行攻絲的工藝路線；為了保證螺紋質(zhì)量、提高加工的效率，選擇極壓型嗒牙油，每旋進1～2牙將絲錐旋出，清理排屑；對于深孔哈氏合金攻絲切不可一次性攻入，一次性攻入會在絲錐與工件間產(chǎn)生很高的溫度增加材料硬化的速度，一旦絲錐卡住，只能用電化學的加工方式將其取出，且會損傷工件的加工面。采用多次退屑的方式，這樣能夠有效地保證加工精度和質(zhì)量。如若出現(xiàn)材料硬化無法加工的問題，進行退火處理后再進行加工。類似的結(jié)構(gòu)在耐壓測試腔加工中還有很多，經(jīng)過長時間的加工摸索，通過優(yōu)化加工參數(shù)和改進加工工藝等方式，最終將困難逐一攻克，達到了圖紙設計的技術(shù)要求，圓滿的完成了第一臺耐壓測試腔體的加工制造，具體零件見圖2。

圖2 耐壓測試腔

5 結(jié)論

哈氏合金具有高強度、高韌性、硬度特高的特點，其切削加工性能極差；耐壓測試腔的結(jié)構(gòu)復雜，零件要求精密，給實際的加工制造業(yè)帶來了很大的困難。經(jīng)過反復的實驗與總結(jié)經(jīng)驗，通過材料熱處理的方式，改善了哈氏合金的切削加工性能，又通過選擇良好的刀具、優(yōu)化加工參數(shù)、改進加工方法、優(yōu)選冷卻液等方法，最終順利地完成了第一臺超高溫高壓流變儀耐壓測試腔的制造。

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