超高温高压流变仪耐压测试腔的加工制造技术研究

刘长安，韩天夫，邓都都，李圣年，张有波，丁明，杜环，孙涌

(1.青岛海通达专用仪器有限公司，青岛 266100；2.北京探矿工程研究所，北京 100083)

0 引言

哈氏合金是一种含W的Cr-Ni-Mo合金，具有极低的硅碳含量，被认为是万能的抗腐蚀合金，主要在各种氧化性氯化物、氯化盐溶液、硫酸与氧化性盐、低温与中温盐酸等中均有很好的耐蚀性能，其力学性能也非常突出，具有高强度、高韧性的特点，其抗拉强度σb≥790 MPa，延伸率δ≥40%[3]。因此在化工、石油化工、烟气脱硫、纸浆和造纸、环保等工业领域有着相当广泛的应用[1-2]。哈氏合金是制造耐压测试腔的最佳选择，能够保证超高温高压流变仪耐压测试腔在350 ℃、260 MPa的条件下安全可靠。但是哈氏合金硬度特高，切削加工性能极差，耐压测试腔制造难度很高。

1 主要制造难点

1.1 机加工性能差

哈氏合金强度与韧性很高，其硬度高达30 HRC，在机加工方面有一定的难度；而且其应变硬化倾向极强，当变形率达到15%时，约为不锈钢的两倍，超高的硬度导致加工过程极容易损坏刀具。由于哈氏合金钢具有良好的塑性和韧性，切削时切屑不易卷曲和折断，还会缠绕在工件和刀具上，影响切削的顺利进行[4]。

1.2 材料敏感

哈氏合金存在中温敏感区，其敏感倾向随变形率的增加而增大。当温度较高时，哈氏合金易吸收有害元素使它的力学性能和耐腐蚀性能下降。加工过程中过高的温度导致残余应力过大，出现应力腐蚀裂纹[5]，这对于超高压容器是致命的。

1.3 零件结构复杂

耐压测试腔为测试样品的载体，内部为精密的黏度测量系统。部分零件设计中存在许多高精度的孔、缝、螺纹以及连接结构，结构复杂，常规的刀具与加工方式很难完成加工。

1.4 制造精度要求高

由于超高温高压流变仪属于精密测试仪器，耐压测试腔很多结构都有很高的尺寸精度要求，而且对于超高压容器本身来说，筒体壁面以及密封接触面需要有很高的表面粗糙度(一般要求Ra≤1.6 μm)，保证足够的表面粗糙度是提高容器疲劳强度的有效措施[6]。

2 哈氏合金加工特性分析

哈氏合金的切削性能极差，这是由于材料本身的化学成分(表1)和机械性能(表2)所决定的。

表1 哈氏合金主要化学成分表

表2 不同材料机械性能与切削力对比

从表1中可以看出，哈氏合金以熔点较高的镍元素作为合金的基体，并含有高熔点的钼、钒、铁等元素，使得哈氏合金强度大、硬度高，且有较高的延伸率[7]。

与45#钢、1Cr18Ni9Ti钢相比，哈氏合金在切削过程中有以下特点：①塑性变形大，其延伸率比45#钢大300%，比延伸率较大的1Cr18Ni9Ti钢还大63%；②切削温度高，哈氏合金在切削过程中产生较大的塑性变形，刀具与工件之间存在着强烈的摩擦，产生大量的切削热，而哈氏合金的导热系数较低，致使切削温度继续升高；③切削力大，由于哈氏合金强度高，塑性变形抗力大，且冷硬现象较严重，所以切削力很大，比45#钢的切削力高150%；④冷硬现象严重，切削哈氏合金时，已加工表面的硬度比基体的硬度高50%～100%；⑤刀具极易磨损，由于以上特点导致哈氏合金在切削加工过程中刀具出现严重的机械磨损和粘接磨损。

3 改善加工性能的措施

3.1 哈氏合金热处理

哈氏合金与普通奥氏体不锈钢有相似的成形性能。但由于其比普通奥氏体不锈钢的强度要大，所以，在车削加工过程中会有更大应力。此外，这种材料的加工硬化速度比普通不锈钢快得多，因此在冷车削加工过程中，要采取中途退火处理，退火过程为900±20 ℃保温24 h，然后自然冷却，以改善其加工性能。哈氏合金以退火状态进行车削加工时，对它的加工硬化要有清醒的认识，例如：相对于标准奥氏体不锈钢要采用较慢的切削速度，对于表面的硬化层要采用较大的进刀量，并使刀具处于连续的工作状态。而且冷加工硬度超过120%时，需进行固溶处理。冷成形过程中，变形率较大时要采用分步成形工艺。分步成形要进行中间热处理，选用固溶处理方式，温度控制在1000 ℃以上。加工件最终成形后还要再进行一次固溶处理，以消除残余的应力。哈氏合金固溶处理温度控制在1060～1080 ℃之间，之后进行水淬，当材料厚度在1.5 mm以上时可以快速空冷以获得最好的耐腐蚀性能[8]。

哈氏合金材料或设备部件在进行热处理时要注意以下问题：为了防止设备部件热处理变形，应采用不锈钢加强环；对装炉温度、加热和冷却时间应严格控制；装炉前，对热处理件进行预处理，防止产生热裂纹。在热处理之前和热处理过程中，应始终保持工件清洁和无污染，这一点非常重要；加热炉选用电炉，在加热过程中，工件不能接触硫、磷、铅及其他低熔点金属，否则会损害合金的性能，使合金变脆[9]。

3.2 加工参数优选

3.2.1 车削刀具选择

由于切削哈氏合金时负荷重、切削温度高、冷硬现象严重，所以要求刀具材料的硬度和强度高，同时还要有良好的耐热性和耐磨性。实践证明，一般高速钢刀具磨损很快，只有在断续切削或排屑困难的情况下才是用高速钢；虽然YT类硬质合金的硬度和耐磨性很高、但它的抗弯强度低，而且TiC在镍中溶解度极大，在高温下容易引起扩散磨损，因此也不宜采用YT类硬质合金刀具。最终刀具材料选用硬质合金和立方氮化硼，切削哈氏合金常用的硬质合金牌号有：YG813、YM051、YD05、YG8、YG10H[10]。粗车时用YD05、YG10H、YG8，精车时用YG813、M051、YD05。

3.2.2 几何参数选择

由于哈氏合金的加工硬化严重，所以刀具要尽量锋利，不允许有锯齿形缺陷。为了减小被切金属的变形并降低切削力和切削温度，粗车时前角γ0取值可大一些，一般取10°左右；精车时为了保证工件精度和提高刀具的耐用度，前角数值要小，取值0°～5°。对于后角α0，为了减轻后刀面与工件已加工表面的摩擦，粗车时采用较大的后角，取值8°左右，后刀面粗糙度Ra值小于0.2 μm。对于主偏角Kr，为了使刀具具有足够的强度和散热性，同时还要保证在切削时不震动，取值Kr在45°～75°之间。对于刃倾角λs，粗车时取-1°，精车时为了避免切削划伤已加工表面取值0°～3°。

3.2.3 切削要素选择

一般来说切削速度低，很容易产生刀瘤，使得加工表面粗糙；而速度过高则导致切削温度过高，缩短刀具寿命。根据实际加工经验粗车时取40～50 m/min；精车时速度不超过60 m/min。对于切削深度，由于哈氏合金的加工硬化很严重，所以切削深度不宜过小，粗车时取值2～5 mm，精车时取值0.2～0.5 mm。对于进给量f，为了减小切削力，进刀量不宜过大，取值0.1～0.5 mm/r，粗车时取大值，精车时取小值。

3.2.4 切削液的选择

用硬质合金和立方氮化硼刀具加工哈氏合金时一般采用干切，由于切削时切削力较大，切削温度较高，为了改善切削性能，提高加工质量，也可试用切削液进行冷却润滑，使用硬质合金刀具可采用极压切削液，使用立方氮化硼刀具推荐使用70%～80%的煤油加20%～30%硫化切削油。由于切削哈氏合金材料时切削温度过高，故加切削液时流量要足够、浇注要充分、否则刀头有可能因冷却不均匀而产生裂纹。

4 难点加工分析

4.1 深对接小孔的加工

中间体零件上对接孔的最大深度为102.5 mm直径3 mm。一般来说对于加工硬化不太敏感的材料，为了保证加工的精度和同心度，可采用超长麻花钻头一次性加工。但是超长的的麻花钻头在加工过程中，钻头的韧性差、易产生震动；同时孔很小，排屑非常困难，冷却液很难进入到孔内，钻刃会因为无法及时冷却而造成磨损严重。对于冷硬现象严重的哈氏合金，这些问题会非常明显，所以这种方式根本行不通。

对于哈氏合金加工中遇到这种小孔、深孔、对接孔，首先要选用多组规格长度40 mm、80 mm、130 mm 的优质硬质合金超长麻花钻头，要改进冷却液的喷射角度及压力和流量、并采用多次加工多次退火的工艺。首先采用40 mm钻头钻孔进给量0.1 mm/r。为了保证钻头冷却充分，防止哈氏合金冷硬，每钻一定长度后必须退回零件孔外，对钻头进行充分的冷却和冲刷，这样切削液既冷却了钻头，同时切削液流进孔内对零件加工位置也进行了降温，钻孔深度越长退刀次数相应越多。加工过程中一旦出现钻头磨损应立即对钻头进行修复，将钻头磨成115°，这样才能使钻头既有强度又保证同心度。加工一旦出现硬化现象，应立即进行一次退火处理。退火过程为900±20 ℃保温24 h，然后自然冷却，才能进行加工。钻头使用的优先顺序为40 mm>80 mm>130 mm，直至加工到规定尺寸。

4.2 螺纹加工

对于中间体零件中，如图1深孔小螺纹，该类螺纹具有孔很小且深度大的特点。哈氏合金材料硬度高，对于这种小而深的螺纹攻丝很容易出现切屑堵塞。一旦堵住，丝锥挤压切屑造成牙松、垂直度超差、表面粗糙、底孔烧结、螺纹粘结、螺纹划伤、振动及丝锥崩牙或折断等问题。

图1 深孔小螺纹

根据经验，在加工过程中采用先钻底孔，然后倒角，最后用带有涂层的螺旋丝锥进行攻丝的工艺路线；为了保证螺纹质量、提高加工的效率，选择极压型嗒牙油，每旋进1～2牙将丝锥旋出，清理排屑；对于深孔哈氏合金攻丝切不可一次性攻入，一次性攻入会在丝锥与工件间产生很高的温度增加材料硬化的速度，一旦丝锥卡住，只能用电化学的加工方式将其取出，且会损伤工件的加工面。采用多次退屑的方式，这样能够有效地保证加工精度和质量。如若出现材料硬化无法加工的问题，进行退火处理后再进行加工。类似的结构在耐压测试腔加工中还有很多，经过长时间的加工摸索，通过优化加工参数和改进加工工艺等方式，最终将困难逐一攻克，达到了图纸设计的技术要求，圆满的完成了第一台耐压测试腔体的加工制造，具体零件见图2。

图2 耐压测试腔

5 结论

哈氏合金具有高强度、高韧性、硬度特高的特点，其切削加工性能极差；耐压测试腔的结构复杂，零件要求精密，给实际的加工制造业带来了很大的困难。经过反复的实验与总结经验，通过材料热处理的方式，改善了哈氏合金的切削加工性能，又通过选择良好的刀具、优化加工参数、改进加工方法、优选冷却液等方法，最终顺利地完成了第一台超高温高压流变仪耐压测试腔的制造。

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