Forgácsolási ismeretek

Nikkelalapú ötvözetek megmunkálása

A nagyfokú termikus és mechanikus terheléssel járó területeken – például a repüléstechnikában, a gépjárműiparban és az energiatermelésben – gyakran használnak nikkelalapú ötvözetekből készült alkatrészeket. 

Mik a nikkelalapú ötvözetek?

A nikkelalapú ötvözetek olyan anyagok, amelyek fő összetevőjét a nikkel nehézfém alkotja, legalább egy másik kémiai elemmel együtt (általában olvasztással elegyítve). Nikkel-vörösréz, nikkel-vas, nikkel-vas-króm, nikkel-króm, nikkel-molibdén-króm és nikkel-króm-kobalt ötvözeteket, kis ötvözőtartalmú (akár 99,9% nikkeltartalmú) nikkelötvözeteket és egyéb többalkotós ötvözeteket használnak. 

Alakítható ötvözetek és ötvözött öntvények

Általában különbséget teszünk a nikkelalapú ötvözetek két csoportja között: alakítható ötvözetek és ötvözött öntvények. Az alakítható ötvözeteket turbinagyártásban használják, tárcsákhoz és gyűrűkhöz. Tulajdonságaik alapján ezek az anyagok 730 Celsius-fokig alkalmazhatóak. Az ötvözött öntvényeket főként nagyfokú termomechanikai igénybevételnek kitett, bonyolult geometriájú alkatrészekhez használják. Az alkatrészeket a végleges formájukhoz közelire öntik, polikristályos szerkezettel, és csak kismértékű mechanikus megmunkálásnak vetik alá. 

A nikkelalapú ötvözetek tulajdonságai

A népszerű nikkel-króm ötvözetekre különösen jellemző a rendkívül nagy hőállóság, körülbelül 750 Celsius-fokig, vagyis ezek az ötvözetek képesek elviselni az olvadáspontjukat közelítő, állandó terhelést. Ezzel egyidejűleg nagyfokú alakíthatóság és szilárdság, csekély hővezető képesség, jó hidegalakíthatóság, és korrózióval szembeni nagyfokú ellenállás is jellemzi az anyagokat. Az alacsony sűrűség, a nagy kémiai ellenállás és a nagyfokú kopásállóság különösen érdekessé teszi az ötvözeteket olyan nagy hőmérsékletű alkalmazásokban, ahol az alumínium és az acél instabilnak bizonyul.

Ezek a kedvező alkalmazási jellemzők azonban az ötvözetek mechanikus megmunkálását is megnehezítik. A rövid szerszám-éltartam alatt csak viszonylag kis forgácsolási sebességeket lehet használni. Bevonat nélküli keményfém szerszámokkal végzett alumíniummegmunkálásnál megszokott a többnapos éltartam. Gömbgrafitos öntöttvas esetén ez kb. egy órára csökken, nikkelalapú ötvözetekkel pedig öt és tíz perc között van. 

Szerszámanyagok a nikkelalapú ötvözetekhez

Gyorsacél

A gyorsacélt (High Speed Steel = HSS) megszakított forgácsolásnál (pl. marásnál, menetkészítésnél, üregelésnél és vésésnél) tanúsított nagyfokú szívóssága miatt használják nikkelalapú ötvözetek megmunkálásához. Nikkelalapú ötvözeteknél 5-10 m/min forgácsolási sebesség alkalmazható. A HSS szívósságának köszönhetően viszonylag nagy, 0,1-0,16 mm-es fogankénti előtolás használható.

Keményfém

A keményfémek (HM) fém-karbidokat, általában volfrám-karbidot tartalmaznak lágy, fémes kötőfázisba ágyazva, így a kompozit anyagok közé tartoznak. A keményfémből készült szerszámok rendszerint viszonylag kis, 20-40 m/min forgácsolási sebességgel alkalmazhatóak nikkelalapú ötvözetekben. A nagyobb forgácsolási sebességek a szerszámanyag gyors túlterheléséhez vezetnek, ezért a legtöbb esetben nem használhatóak folyamatbiztos módon. 

Bór-nitrid

A köbös bór-nitrid (CBN) a második legkeményebb ismert anyag a gyémánt után. Így tehát keményebb, kopásállóbb és drágább a forgácsolókerámiánál. Tulajdonságainak köszönhetően a CBN nagy forgácsolási sebességekkel alkalmazható esztergáláshoz. A CBN-t nem használják nikkelalapú ötvözetek marásához. Inconel 718 esztergálásához azonban igen. 400 és 600 m/min közötti forgácsolási sebesség ajánlott. TiAlN bevonatú keményfém szerszámokkal összehasonlítva a CBN 100%-kal hosszabb éltartamot nyújt vc = 50 m/min forgácsolási sebességnél. Ipari felhasználásban a CBN az elsődleges választás instabil szerkezetek simítóesztergáláshoz. 

Forgácsolókerámia

A forgácsolókerámiákat kerámiaporból szinterezik, kötőanyag hozzáadása nélkül. A DIN ISO 513 szabvány öt csoportra bontja a forgácsolókerámiákat:

CA = forgácsolókerámia, fő összetevője: alumínium-oxid (Al2O3)

CM = keverék kerámia, fő összetevője: alumínium-oxid (Al2O3) és egyéb oxidok

CN = szilícium-nitrid kerámia, fő összetevője: szilícium-nitrid (Si3N4 )

CR = whisker / tűkristályos forgácsolókerámia, fő összetevője: alumínium-oxid (Al2O3)

CC = forgácsolókerámia, a fentiek mindegyike, de bevonattal

A kerámiaszerszámok még a hőálló szuperötvözetek (HRSA) marásakor kialakuló magas hőmérsékleteken is megőrzik a keménységüket. Ennek köszönhetően 20-30x akkora sebességet lehet elérni, mint keményfém szerszámokkal.

A kerámia szerszámanyagok eredetileg az esztergálásból származnak. Esztergálás közben viszonylag stabil a hőterhelés. Marás közben azonban változik az forgácsolóél hőmérséklete, mivel megszakított a forgácsolás. A súrlódási hő és a lehűlés közötti hirtelen váltás megterheli az élt. A szerszám lehűléséből eredő lökésszerű hőhatás elkerülése érdekében maráshoz hűtő-kenőanyag nélkül használjuk a kerámia forgácsolóéleket. A SiAlON kerámiák (szilícium-nitrid alumínium-oxiddal) általánosan kevésbé érzékenyek a hőmérsékletingadozásokra, mint a tűkristállyal megerősített (whisker) kerámiák, ezért kedvezőbb választást jelentenek marási műveletekhez. 

A kerámia forgácsolóéllel történő marás alapvető feltétele a nagy sebességű marógép, amely percenként 10.000 fordulat fölé tudja gyorsítani az orsót. Ez további kihívást jelent a szerszámoknak.

Sokféle kerámia váltólapka kapható a piacon és használatos az iparban, de a fent említett okok miatt még nem széles körben elterjedtek a 16 mm-nél kisebb átmérőjű marószerszámok. Ezen a területen sokáig nem volt alternatívája a gyorsacélból és a keményfémből készült szerszámoknak.

A hőmérsékletfüggő kémiai kopás mellett kerámia szerszámanyagoknál gyakori az élrátét-képződés is. A megmunkálási zónában kialakuló hő hatására fémgőzök keletkeznek, amelyek összeolvadnak a szerszámanyag felületével. Leváláskor lepattoghat a kerámia egy része.