TEAM CUTTING TOOLS
Содержание

Обработка сплавов на основе никеля

Детали, предназначенные для эксплуатации в условиях высоких тепловых и механических нагрузок, – в частности, для аэрокосмической и автомобильной промышленности или энергетической отрасли – часто изготавливаются из сплавов на основе никеля. 

Что представляют собой сплавы на основе никеля?

Сплавы на основе никеля – это материалы, основной компонент которых, тяжелый металл никель, смешивается по меньшей мере, еще с одним химическим элементом (как правило, посредством плавления). Применяются никелевые сплавы, содержащие медь, железо, железо и хром, хром, молибден и хром, хром и кобальт, низколегированные сплавы на основе никеля (с содержанием никеля до 99,9 %) и другие многокомпонентные сплавы. 

Ковкие и литейные сплавы

Сплавы на основе никеля подразделяются на две основные группы: ковкие и литейные сплавы. Ковкие сплавы применяются в турбостроении для изготовления рабочих колес и турбинных колец и благодаря их свойствам подходят для эксплуатации в диапазоне температур до 730 градусов Цельсия. Литейные сплавы в основном применяются для производства деталей, предназначенных для эксплуатации в условиях высоких термомеханических нагрузок, и деталей сложной геометрии. При этом детали, отлитые методом точного литья и имеющие поликристаллическую структуру, затем подвергаются лишь незначительной механической обработке. 

Свойства сплавов на основе никеля

В частности, широко применяемые сплавы на основе никеля, легированные хромом, отличаются очень высокой теплостойкостью (прим. до 750 градусов Цельсия), благодаря чему они способны выдерживать длительные нагрузки, близкие к точке плавления. В то же время они характеризуются высокой пластичностью и прочностью, а также низкой теплопроводностью при хорошей способности деформироваться в холодном состоянии и высокой коррозионной стойкости. Низкая плотность, высокая химическая устойчивость и износостойкость позволяют использовать сплавы в условиях высоких температур, в которых алюминий и сталь демонстрируют нестабильный характер.

С другой стороны, именно эти хорошие свойства сплавов затрудняют их механическую обработку: при небольшой стойкости инструментов можно применять лишь относительно низкие скорости резания. При обработке алюминия твердосплавными инструментами без покрытия стойкость обычно составляет несколько дней, при обработке высокопрочного чугуна она снижается примерно до одного часа, а в случае обработки сплавов на основе никеля можно рассчитывать на пять-десять минут. 

Инструментальные материалы для обработки сплавов на основе никеля

Быстрорежущая сталь

Благодаря ее высокой прочности быстрорежущая сталь (HSS) применяется для обработки сплавов на основе никеля в режиме прерывистого резания, в частности, для таких видов обработки как фрезерование, резьбонарезание, протягивание и долбление. При обработке сплавов на основе никеля возможны скорости резания от 5 до 10 м/мин. Значения подачи на зуб благодаря прочности быстрорежущей стали могут быть относительно высокими (от 0,1 до 0,16 мм).

Твердый сплав

Твердые сплавы (HM) состоят из карбидов металлов, как правило, из карбида вольфрама, которые связываются мягкой металлической связкой и поэтому относятся к группе абразивосодержащих материалов. Как правило, инструменты из твердых сплавов применяются для обработки сплавов на основе никеля со сравнительно низкими скоростями резания от 20 до 40 м/мин. При более высоких скоростях резания происходит быстрая перегрузка сплава и в большинстве случае не обеспечивается эксплуатационная надежность. 

Нитрид бора

Кубический нитрид бора (CBN) среди известных материалов по твердости уступает только алмазу. Таким образом, он более твердый, износостойкий и дорогой, чем керамика. Свойства CBN позволяют применять его для токарной обработки с высокими скоростями резания. Для фрезерования сплавов на основе никеля CBN не используется. Возможна токарная обработка сплава Инконель 718. При этом скорости резания рекомендуется поддерживать в диапазоне от 400 м/мин до 600 м/мин. При прямом сравнении с твердосплавными инструментами с покрытием TiAlN кубический нитрид бора при скорости резания vc 50 м/мин показал стойкость выше на 100 процентов. В промышленном секторе CNB является оптимальным материалом для чистового точения при нестабильных условиях. 

Керамика

Керамику получают спеканием из керамического порошка без добавки связующих. Согласно стандарту DIN ISO 513 керамика подразделяется на пять групп:

CA = минералкерамика, основной компонент оксид алюминия (Al2O3)

CM = смешанная керамика, основной компонент оксид алюминия (Al2O3), вместе с другими компонентами в качестве оксидов

CN = керамика на основе нитрида кремния, основной компонент нитрид кремния (Si3N4 )

CR = керамика, армированная нитевидными кристаллами, минералокерамика, основной компонент оксид алюминия (Al2O3)

CC = минералокерамика, все перечисленные выше виды, но с покрытием

Керамические инструменты сохраняют свою твердость даже при высоких температурах, возникающих при фрезеровании жаропрочных сплавов (HRSA). Благодаря этому возможно повышение скоростей резания в 20–30 раз по сравнению с твердосплавными инструментами.

Керамические инструментальные материалы впервые были применены для токарной обработки. Тепловая нагрузка при точении остается относительно постоянной. При фрезеровании, напротив, температура в зоне режущей кромки колеблется ввиду прерывистого резания. Вследствие резкого чередования нагрева от трения и охлаждения режущая кромка испытывает высокую нагрузку. Для предупреждения термошока в результате охлаждения инструмента при фрезеровании керамическими пластинами СОЖ не используется. Сиалоновая керамика SiAlON (кремний-оксид алюминия-нитрид) в целом менее чувствительна к колебаниям температуры по сравнению с керамикой, армированной нитевидными кристаллами, поэтому она оптимально подходит для фрезерования. 

Основным условием для фрезерования керамическими пластинами являются фрезерные станки для скоростной обработки, которые способны обеспечивать вращение шпинделя со скоростью более 10 000 об/мин, что связано с дополнительной нагрузкой на инструмент.

В то время как инструментальные системы с керамическими пластинами разной формы имеются в продаже и активно используются в промышленности, инструменты для фрезерования диаметром менее 16 мм по указанным причинам пока не получили такого широкого распространения. Здесь долгое время применялись исключительно инструменты из быстрорежущей стали и твердых сплавов.

Помимо химического износа под действием высоких температур, на керамике часто наблюдается наростообразование: высокие температуры в зоне обработке приводят к образованию паров металла, которые сплавляются с поверхностью режущего материала и могут откалываться вместе с керамикой.