TEAM CUTTING TOOLS
Съдържание

Обработка на сплави на никелова основа

Там, където съществуват много високи термични и механични натоварвания - както при много детайли във въздухоплаването и космонавтиката, автомобилната индустрия или производството на енергия - често се използват детайли от сплави на никелова основа. 

Какво представляват сплавите на никелова основа?

Базовите никелови сплави са материали, чийто главен компонент, тежкият метал никел, се добива с поне още един химичен елемент (най-често по метода на топене). Използват се медно-никелови, желязо-никелови, желязо-хром-никелови, хром-никелови, хром-молибден-никелови, кобалт-хром-никелови нисколегирани никелови сплави (със съдържание на никел от до 99,9 %) и други многокомпонентни сплави. 

Сплави, поддаващи се на обработка чрез пластична деформация и леярски сплави

Най-общо се различават две групи сплави на никелова основа: Сплави, поддаващи се на обработка чрез пластична деформация и леярски сплави. Сплавите, поддаващи се на обработка чрез пластична деформация, се използват в турбиностроенето за дискове и пръстени и въз основа на техните свойства са подходящи за обработка за температурен диапазон до 730 градуса по Целзий. Леярските сплави се използват основно за детайли с високи термомеханични натоварвания и комплексна геометрия. При това детайлите се изливат близко до крайната форма с поликристална структура и се обработват незначително допълнително механично. 

Свойства на сплавите на никелова основа

По-специално разпространените хром-никелови сплави се отличават с екстремна термоустойчивост до температури от около 750 градуса по Целзий, следователно могат да издържат на продължителни натоварвания, близки до точката на топене. Същевременно те показват висока еластичност и устойчивост, както и слаба топлопроводимост при едновременно добра способност за деформиране в студено състояние и висока корозионна устойчивост. Ниската плътност, високата химическа устойчивост и високата устойчивост на износване правят сплавите интересни по-специално за подобни високотемпературни приложения, при които алуминия и стоманата са нестабилни.

Именно тези експлоатационни характеристики на сплавите от друга страна затрудняват механичната обработка: При нисък жизнен цикъл на инструмента могат да се използват само относително ниски скорости на рязане. При обработката с твърдосплавни инструменти без покритие от алуминий са обичайни времена на издръжливост от няколко дни, при сферографитен чугун те спадат до един час, а при сплави на никелова основа - между пет и десет минути. 

Материали за инструмента за сплави на никелова основа

Бързорежеща стомана

Високоскоростната стомана (HSS) се използва при обработката на сплави на никелова основа въз основа на високата жилавост при приложния с непрекъснато рязане като фрезоване, резбонарязване, протегляне и издълбаване. При сплави на никелова основа се прилагат скорости на рязане в диапазон от 5 до 10 m/min. Въз основа на жилавостта на HSS стоманата могат да се избират относително големи подавания на зъби с 0,1 до 0,16 mm.

Твърда сплав

Твърдите сплави (HM) се състоят от метални карбиди, по правило волфрамов карбид, които се вграждат в мека метална фаза на свързване и по този начин се причисляват към композитните материали. По правило при сплави на никелова основа се използват инструментите от твърда сплав със сравнително ниски скорости на рязане от 20 до 40 m/min. По-високи скорости на рязане водят до бързо претоварване на материала на инструмента и поради това в повечето случаи не могат да се използват безопасно. 

Бор нитрид

Кубичният борнитрид (cBN) e известен като втория по твърдост материал след диаманта. Поради това той е по-твърд, по-износоустойчив и по-скъп от металорежещата керамика. Въз основа на свойствата на кубичния борнитрид (cBN) при обработката чрез струговане могат да се използват високи скорости на рязане. Кубичният борнитрид (cBN) не се използва за фрезоване на сплави на никелова основа. Но се използва при обработката чрез струговане на сплав Inconel 718. Препоръчителни са диапазони на скорости на рязане между 400 m/min и 600 m/min. При директно сравняване с твърдосплавни инструменти с покритие от TiAlN кубичният борнитрид (cBN) показва 100% по-висока издръжливост при скорост на рязане vc от 50 m/min. За окончателното струговане на лабилни структури кубичният борнитрид (cBN) е приоритетен избор за промишлени цели. 

Металорежеща керамика

Металорежещите керамики се синтероват от керамични прахове без добавка на свързващи вещества. Металорежещите керамики се класифицират в пет групи по DIN ISO 513:

CA = металорежеща керамика, главен компонент алуминиев оксид (Al2O3)

CM = смесена керамика, главен компонент алуминиев оксид (Al2O3), заедно с други съставки освен оксиди

CN = силициева нитридна керамика, главен компонент силициев нитрид (Si3N4 )

CR = керамика, усилена с нишковидни кристали, металорежеща керамика, главен компонент алуминиев оксид (Al2O3)

CC = металорежеща керамика, всички горе споменати, но с покритие

Керамичните инструменти запазват своята твърдост дори и при високите температури, които възникват при фрезоване на топлоустойчиви суперсплави (HRSAs). По този начин в сравнение с изцяло твърдосплавните инструменти могат да се постигнат 20 до 30 пъти по-високи скорости.

Керамичните материали за режещи инструменти водят своя произход от обработката чрез струговане. Термичното натоварване остава относително стабилно при струговането. При фрезоването температурата по режещия ръб обаче варира, тъй като рязането се осъществява непрекъснато. Рязкото редуване на топлина в резултат на триене и охлаждане натоварва режещия ръб. За да се предотврати топлинен удар в резултат на охлаждане на инструмента, при фрезоване с керамични режещи ръбове се работи без охлаждащо-смазочни течности. Керамики от SiAlON (силициев нитрид с добавка на алуминиев оксид) по принцип са по слабо чувствителни към температурни колебания в сравнение с усилени с нишковидни кристали керамики, поради което те са по-добрият избор при фрезови операции. 

Основна предпоставка за фрезоване с керамични режещи ръбове са високоскоростните фрезовъчни машини, които са в състояние да ускорят частично шпиндела до над 10 000 об./мин, което представлява допълнително предизвикателство за инструментите.

Докато системите от инструменти с керамични сменяеми режещи пластини се предлагат на пазара в най-разнообразна форма и се използват в индустрията, фрезовите инструменти с диаметър под 16 mm все още не са така широко разпространени поради посочените причини. В случая инструменти от високоскоростна стомана и твърда сплав дълго време бяха без алтернатива.

Наред с температурно обусловеното химическо износване при керамичните материали за инструменти често явление е и образуване на наслойка по режещия ръб: При топлината, която се получава в зоната на обработка, се образуват метални пари, които се свързват с повърхността на материала на инструмента - при отделяне могат да се отслоят части от керамиката.