Platforma znanja

Obrada legura na bazi nikla

Tamo gdje su vrlo velika toplinska i mehanička opterećenja - kao što je to slučaj kod mnogih komponenti u zrakoplovnoj industriji, automobilskoj industriji ili proizvodnji električne energije - često se upotrebljavaju komponente izrađene od legura na bazi nikla. 

Što su legure na bazi nikla?

Legure na bazi nikla su materijali čija se glavna komponenta, teški metal nikal, proizvodi s najmanje još jednim kemijskim elementom (obično postupkom taljenja). U upotrebi su legure nikal-bakar, nikal-željezo, nikal-željezo-krom, nikal-krom, nikal-molibden-krom, nikal-krom-kobalt i niskolegirane legure nikla (s udjelom nikla do 99,9 %) te druge višekomponentne legure. 

Kovane legure i lijevane legure

Općenito razlikujemo dvije skupine legura na bazi nikla: Kovane legure i lijevane legure. Kovane legure se upotrebljavaju u konstruiranju turbina za diskove i prstenove, a zbog svojih svojstava prikladne su za temperaturni raspon do 730 Celzijevih stupnjeva. Lijevane legure uglavnom se upotrebljavaju za komponente s velikim termomehaničkim opterećenjima i složenom geometrijom. Pritom se komponente lijevaju blizu svog konačnog oblika s polikristalnom strukturom i samo se još malo mehanički obrađuju. 

Svojstva legura na bazi nikla

Legure nikla i kroma koje su u širokoj upotrebi posebno karakterizira njihova iznimna otpornost na toplinu do oko 750 Celzijevih stupnjeva, tako da mogu izdržati trajna opterećenja blizu točke taljenja. One istodobno pokazuju visoku duktilnost i čvrstoću, kao i nisku toplinsku vodljivost s dobrom sposobnošću hladnog oblikovanja i velikom otpornošću na koroziju. Niska gustoća, visoka kemijska otpornost i velika otpornost na trošenje čine legure posebno zanimljivima za primjene na visokim temperaturama na kojima su aluminij i čelik nestabilni.

S druge strane, upravo ta dobra svojstva primjene legura otežavaju mehaničku obradu: Kod kratkog vijeka trajanja alata, mogu se primjenjivati samo relativno niske brzine rezanja. Pri obradi aluminija neobloženim alatima od tvrdog metala, uobičajeni životni vijek je po nekoliko dana, kod lijevanog željeza sa sfernim grafitom to pada na oko jedan sat, a kod legura na bazi nikla između pet i deset minuta. 

Rezni materijali za legure na bazi nikla

Čelik za brzu obradu

„Brzi čelik (HSS)" se upotrebljava u obradi legura na bazi nikla zbog svoje velike žilavosti za primjene s prekinutim rezovima kao što su glodanje, urezivanje navoja, razvrtanje i nabijanje. Kod legura na bazi nikla primjenjive su brzine rezanja u rasponu od 5 do 10 m/min. Zubni posmaci zbog žilavosti HSS-a od 0,1 do 0,16 mm mogu se odabrati relativno visoki.

Tvrdi metal

Tvrdi metali (HM) sastoje se od metalnih karbida, obično volframovog karbida, koji su ugrađeni u meku metalnu veznu fazu i time pripadaju kompozitnim materijalima. U pravilu se alati izrađeni od tvrdog metala koriste s legurama na bazi nikla s relativno niskim brzinama rezanja, od 20 do 40 m/min. Veće brzine rezanja dovode do brzog preopterećenja materijala za rezanje i stoga se u većini slučajeva ne mogu pouzdano upotrebljavati. 

Bor-nitrid

Kubni bor nitrid (cBN) drugi je najtvrđi poznati materijal nakon dijamanta. To ga čini težim, otpornijim na trošenje i skupljim od rezne keramike. Zbog svojstava cBN-a pri tokarskoj obradi se mogu primjenjivati velike brzine rezanja. cBN se ne upotrebljava za glodanje legura na bazi nikla. S druge strane, primjenjuje se kod tokarenja Inconela 718. Preporučuju se brzine rezanja između 400 m/min i 600 m/min. U izravnoj usporedbi s alatima od tvrod metala obloženima TiAlN-om, cBN ima 100 posto dulji vijek trajanja pri brzini rezanja vc od 50 m/min. Za završno tokarenje nestabilnih konstrukcija cBN je prvi izbor u industrijskoj primjeni. 

Rezna keramika

Rezna keramika sinterira se iz keramičkog praha bez dodavanja veziva. Standard DIN ISO 513 reznu keramiku dijeli u pet skupina:

CA = rezna keramika, glavna komponenta aluminijev oksid (Al2O3)

CM = mješana keramika, glavna komponenta aluminijev oksid (Al2O3), zajedno s drugim komponentama osim oksida

CN = keramika od silicijevog nitrida, glavna komponenta silicijev nitrid (Si3N4 )

CR = Whisker-ojačana rezna keramika, glavna komponenta aluminijev oksid (Al2O3)

CC = rezna keramika, sve gore navedeno, ali s prevlakom

Keramički alati zadržavaju svoju tvrdoću čak i pri visokim temperaturama koje se javljaju pri glodanju superlegura otpornih na toplinu (HRSA). To omogućuje 20 do 30 puta veću brzinu u odnosu na alate od tvrdog metala.

Keramički rezni materijali izvorno dolaze iz tokarske obrade. Pri tokarenju toplinsko opterećenje ostaje relativno stabilno. S druge strane, pri glodanju temperatura na reznom rubu varira, jer se rez prekida. Nagla promjena između topline uslijed trenja i hlađenja opterećuje oštricu. Kako bi se spriječio toplinski udar od hlađenja alata, keramičke rezne oštrice se upotrebljavaju za glodanje bez rashladnih maziva. SiAlON keramika (silicij-aluminijev oksid-nitrid) općenito je manje osjetljiva na temperaturna kolebanja od Whisker-ojačane keramike, zbog čega je bolji izbor kod glodanja. 

Osnovni preduvjet za glodanje s keramičkim reznim oštricama su brze glodalice koje u nekim slučajevima mogu ubrzati vreteno na preko 10 000 okretaja u minuti, što za alate predstavlja dodatni izazov.

Iako su sustavi alata s keramičkim okretnim reznim pločicama dostupni na tržištu u različitim oblicima i upotrebljavaju se u industriji, alati za glodanje promjera alata manjeg od 16 mm još nisu toliko rašireni iz spomenutih razloga. Dugo vremena nije postojala alternativa za alate izrađene od čelika za brzu obradu i tvrdog metala.

Pored kemijskog trošenja povezanog s temperaturom, keramički rezni materijali često pate i od naslaga na rubovima: U toplini koja nastaje u zoni obrade nastaju metalne pare, koje se stapaju s površinom reznog materijala - dijelovi keramike mogu se ljuštiti kad se odvoje.