Kennisplatform

Bewerking van nikkelbasis legeringen

Waar zeer hoge thermische en mechanische belastingen heersen - zoals het geval is bij veel componenten in de lucht- en ruimtevaart-, de automobielindustrie of energieopwekking - worden vaak werkstukken op nikkelbasis legeringen ingezet. 

Wat zijn nikkelbasis legeringen?

Nikkelbasis legeringen zijn materialen waarvan het hoofdbestanddeel, het zwaarmeteaal nikkel geproduceerd wordt met minstens een ander chemisch element (meestal door middel van een smeltproces). Ingezet worden nikkel-koper, nikkel-ijzer, nikkel-ijzer-chroom, nikkel-chroom, nikkel-molybdeen-chroom, nikkel-chroom-kobalt, laaggelegeerde nikkellegeringen (met een nikkelgehalte tot 99,9%) en andere legeringen met meer meer stoffen. 

Kneedlegeringen en gietlegeringen

Over het algemeen worden nikkelbasis legeringen in twee groepen ingedeeld: Kneedlegeringen en gietlegeringen Kneedlegeringen worden gebruikt in de turbinebouw voor schijven en ringen en zijn vanwege hun eigenschappen geschikt voor een temperatuurbereik tot 730° Celsius. Gietlegeringen worden hoofdzakelijk gebruikt voor werkstukken met hoge thermomechanische belastingen en complexe geometrieën. Daarbij worden de werkstukken met een polykristallijne samenstelling in een vorm gegoten en daarna mechanisch nabewerkt. 

Eigenschappen van nikkelbasis legeringen

Met name de populaire nikkel-chroomlegeringen worden gekenmerkt door hun extreme hittebestendigheid tot circa 750° Celsius, waardoor ze bestand zijn tegen permanente belastingen dichtbij het smeltpunt. Tegelijkertijd vertonen ze een hoge ductiliteit en sterkte, evenals een lage thermische geleidbaarheid met tegelijkertijd een goede koude vervormbaarheid en een hoge corrosiebestendigheid. Lage dichtheid, hoge chemische bestendigheid en hoge slijtvastheid maken de legeringen bijzonder interessant voor zulke toepassingen met hoge temperaturen, waarbij aluminium en staal instabiel zijn.

Anderzijds zijn het juist deze goede toepassingseigenschappen van de legeringen die de mechanische bewerking bemoeilijken: Bij een korte standtijd kunnen alleen relatief lage snijsnelheden worden gebruikt. Bij het bewerken van aluminium met ongecoate hardmetalen gereedschappen is een standtijd van meerdere dagen gebruikelijk, bij nodulair gietijzert daalt dit tot ongeveer een uur en bij legeringen op nikkelbasis tussen de vijf en tien minuten. 

Snijmaterialen voor nikkelbasis legeringen

Snelstaal

"High Spees Steel (HSS)" wordt gebruikt bij de bewerking van nikkelbasis legeringen vanwege de hoge taaiheid voor toepassingen met onderbroken snedes zoals frezen, draadsnijden, ruimen en spiebaansteken. Bij nikkelbasis legerungen zijn snijsnelheden in een bereik van 5 bis 10 m/min toepasbaar. Voedingen kunnen vanwege de taaiheid van HSS met 0,1 tot 0,16 mm relatief hoog gekozen worden.

Hardmetaal

Hardmetalen (HM) bestaan uit metallische carbiden, meestal wolframcarbide, welke zijn ingebed in een zacht metallisch bindmiddel en dus behoren tot de composieten. Gereedschappen van hardmetaal worden in de regel ingezet op nikkelbasis legeringen met relatief lage snijsnelheden van 20 tot 40 m/min. Hogere snijsnelheden leiden al snel tot overbelasting van het snijmateriaal en kunnen daarom meestal niet betrouwbaar worden toegepast. 

Boornitride

Het kubische bornitride (CBN) is na diamant het op twee na hardste bekende materiaal. Daarmee is het harder, slijtvaster en duurdar als keramiek. Door de eigenschappen van CBN kunnen bij het draaien hoge snijsnelheden gebruikt worden. Voor het frezen van nikkelbasis legeringen wordt CBN niet ingezet. Bij het draaien van Inconel 718 daarentegen wel. Hier worden snijsnelheden tussen 400 en 600 m/min aanbevolen. In een directe vergelijking met TiAlN gecoate HM gereedschappen heeft CBN bij een snijsnelheid Vc van 50m/min een 100% langere standtijd. Voor het finishen van instabiele constructies is CBN bij industriële inzet de eerste keus. 

Snijkeramiek

Snijkeramiek wordt uit keramische poeders gesinterd zonder toevoeging van bindmiddelen. De DIN ISO 513 deelt de snijkeramieken in vijf groepen in:

CA = keramiek, hoofdbestanddeel aluminiumoxide (Al2O3)

CM = gemengd keramiek, hoofdbestanddeel aluminiumoxide (Al2O3), samen met andere bestanddelen zoals oxiden

CN = siliciumnitride-keramiek, hoofdbestanddeel siliciumnitride (Si3N4 )

CR = Whiskerversterkte keramiek, hoofdbestanddeel aluminiumoxide (Al2O3)

CC = keramiek, alle hierboven genoemde echter gecoat

Keramische gereedschappen behouden hun hardheid ook bij de hoge temperaturen die bij het frezen van hittebestendige superlegeringen (HRSAs) optreden. Daardoor kan in vergelijking met volhardmetaal gereedschappen een 20- tot 30-voudige snelheid bereikt worden.

Keramische snijmaterialen komen oorspronkelijk uit de draaibewerking. De thermische belasting blijft bij draaien relatief stabiel. Bij frezen varieert daarentegen de temperatuur aan de snijkant, terwijl de snede onderbroken wordt. Het abrupte wisselen van de wrijvingswarmte en afkoelen belast de snijkant. Om een thermoschock door afkoeling vna het gereedschap te verhinderen, wordt bij frezen met keramiek zonder koeling gewerkt. SiAlON-­keramieken (silicium-aluminiumoxide-nitride) zijn over het algemeen minder gevoelig voor temperatuurwisselingen als Whisker-versterkte keramieken. Voor freesbewerkingen zijn deze daarom de betere keuze. 

De basisvereiste voor frezen met keramische snijkanten zijn hoge snelheid freesmachines die in staat zijn de spil in sommige gevallen tot meer dan 10.000 omw/min te kunnen laten draaien, wat een extra uitdaging voor de gereedschappen betekent.

Hoewel gereedschapssystemen met keramische wisselplaten in verschillende vormen op de markt verkrijgbaar zijn en in de industrie worden gebruikt, zijn freesgereedschappen met een gereedschapsdiameter van minder dan 16 mm om de genoemde redenen nog niet zo wijdverspreid. Er was lange tijd geen alternatief voor gereedschappen van snelstaal en hardmetaal.

Naast temperatuurgerelateerde chemische slijtage ontstaat bij keramische snijmaterialen vaak snijkantsopbouw: In de warmte die in de bewerkingszone ontstaat, worden metaaldampen gevormd die samensmelten met het oppervlak van het snijmateriaal - wanneer ze loskomen kunnen delen van het keramiek afschilferen.