Platforma znanja

Obdelava zlitin na osnovi niklja

Kjer prevladujejo zelo visoke termične in mehanske obremenitve – npr. pri številnih sestavnih delih v letalski in vesoljski industriji, avtomobilski industriji ali pri proizvodnji energije – se pogosto uporabljajo sestavni deli iz zlitin na osnovi niklja. 

Kaj so zlitine na osnovi niklja?

Zlitine na osnovi niklja so materiali, katerih glavni sestavni del je težka kovina nikelj, in so proizvedeni z vsaj še enim drugim kemijskim elementom (večinoma s postopkom taljenja). Uporabljajo se zlitine nikelj-baker, nikelj-železo, nikelj-železo-krom, nikelj-krom, nikelj-molibden-krom, nikelj-krom-kobalt, nizko legirane nikljeve zlitine (z deležem niklja do 99,9 %) in druge kompozitne zlitine. 

Gnetne zlitine in livarske zlitine

Na splošno razlikujemo med dvema skupinama zlitin na osnovi niklja: gnetne zlitine in livarske zlitine. Gnetne zlitine se uporabljajo pri izdelavi turbin za ploščice in obroče, zaradi svojih lastnosti pa so primerne za temperature do 730 stopinj Celzija. Livarske zlitine se uporabljajo predvsem za sestavne dele z visokimi toplotno-mehanskimi obremenitvami in kompleksno geometrijo. Pri tem sestavne dele pred dokončnim oblikovanjem ulijemo s polikristalno strukturo in nato samo še nekoliko mehansko obdelamo. 

Lastnosti zlitin na osnovi niklja

Zlasti razširjene nikelj-kromove zlitine se odlikujejo po visoki toplotni odpornosti do kar 750 stopinj Celzija, kar pomeni, da prenesejo stalno izpostavljenost temperaturam blizu tališča. Poleg tega jih odlikujeta visoka elastičnost in trdnost ter nizka toplotna prevodnost, hkrati pa omogočajo dobro hladno preoblikovanje in so izjemno odporne proti koroziji. Zaradi nizke gostote in visoke kemijske odpornosti ter ker so odporne na obrabo, so zlitine zanimive zlasti za uporabo pri visokih temperaturah, pri katerih sta aluminij in jeklo nestabilna.

Prav te dobre lastnosti zlitin po drugi strani otežujejo mehansko obdelavo: pri kratki življenjski dobi orodja je mogoče uporabljati samo razmeroma nizke rezalne hitrosti. Pri obdelavi aluminija z orodji iz karbidne trdine brez prevleke je običajna življenjska doba samo nekaj dni, pri litem železu s krogličnim grafitom se ta skrajša na približno eno uro, pri zlitinah na osnovi niklja pa znaša med pet in deset minut. 

Rezalni materiali za zlitine na osnovi niklja

Hitrorezno jeklo

»Hitrorezno jeklo High Speed Steel (HSS)« se pri obdelavi zlitin na osnovi niklja zaradi visoke žilavosti uporablja za obdelavo s prekinjenim rezom, kot so rezkanje, rezanje navojev, posnemanje in udarjanje. Pri zlitinah na osnovi niklja je mogoče uporabiti rezalne hitrosti v območju od 5 do 10 m/min. Podajanje na zob je lahko razmeroma visoko od 0,1 do 0,16 mm zaradi žilavosti hitroreznega jekla (HSS).

Karbidna trdina

Karbidne trdine (HM) so sestavljene iz kovinskih karbidov, praviloma volframovega karbida, ki so vezani v mehko kovinsko fazo in zato spadajo med kompozitne materiale. Praviloma se orodja iz karbidne trdine uporabljajo pri zlitinah na osnovi niklja s primerljivo nizkimi rezalnimi hitrostmi od 20 do 40 m/min. Višje rezalne hitrosti povzročijo hitro obremenitev rezalnega materiala in jih zato v večini primerov ni mogoče uporabiti procesno varno. 

Borov nitrid

Kubični borov nitrid (cBN) je poleg diamanta drugi najtrši znan material. Tako je trši, odpornejši na obrabo in dražji od rezalne keramike. Na podlagi lastnosti kubičnega borovega nitrida je mogoče pri obdelavi s struženjem uporabljati visoke rezalne hitrosti. Za rezkanje zlitin na osnovi niklja se kubični borov nitrid ne uporablja. Uporablja pa se za obdelavo materiala Inconel 718 s struženjem. Priporočajo se rezalne hitrosti v območju od 400 m/min do 600 m/min. V neposredni primerjavi z orodji iz karbidne trdine HM s prevleko TiAlN ima kubični borov nitrid pri rezalni hitrosti vc 50 m/min za 100 odstotkov daljšo življenjsko dobo. Za gladilno rezkanje nestabilnih struktur je kubični borov nitrid prva izbira v industrijski uporabi. 

Rezalna keramika

Rezalna keramika je sintrana iz keramičnega praška brez dodatkov veziv. Standard DIN ISO 513 rezalno keramiko deli v pet skupin:

CA = rezalna keramika, glavni sestavni del aluminijev oksid (Al2O3)

CM = mešana keramika, glavni sestavni del aluminijev oksid (Al2O3), skupaj z drugimi sestavnimi deli kot oksidi

CN = keramika s silicijevim nitridom, glavni sestavni del silicijev nitrid (Si3N4 )

CR = ojačana keramika, rezalna keramika, glavni sestavni del aluminijev oksid (Al2O3)

CC = rezalna keramika, vse zgoraj navedene, vendar s prevleko

Keramična orodja ohranijo svojo trdoto tudi pri visokih temperaturah, ki se pojavijo pri rezkanju superzlitin, odpornih proti vročini (HRSA). Tako je mogoče v primerjavi z orodji iz karbidne trdine doseči od 20- do 30-krat višjo hitrost.

Rezalni materiali iz keramike izvirajo iz obdelave s struženjem. Termične obremenitve pri struženju so razmeroma stabilne. V nasprotju s tem pa temperatura pri rezkanju niha, saj je rez prekinjen. Hitro segrevanje pri trenju in naknadno ohlajanje močno obremenita rezilo. Za preprečitev termičnega šoka zaradi ohlajanja orodja se pri rezkanju s keramičnimi rezili ne uporablja hladilno mazalno sredstvo. Keramični izdelki iz SiAlON (silicijevega aluminij-oksid-nitrida) na splošno niso tako občutljivi na temperaturna nihanja kot ojačana keramika in so zato najboljša izbira za postopke rezkanja. 

Predpogoj za rezkanje s keramičnimi rezili so rezkalni stroji za visokohitrostno obdelavo, ki lahko vretena za kratek čas pospešijo na več kot 10.000 vrt/min, kar predstavlja dodaten izziv za orodja.

Medtem ko so na trgu na voljo sistemi orodij s keramičnimi obračalnimi rezalnimi ploščicami v različnih oblikah in se uporabljajo v industriji, rezkalna orodja s premerom pod 16 mm iz navedenih razlogov še niso tako razširjena. Tako za orodja iz hitroreznega jekla in karbidne trdine dolgo ni obstajala nobena alternativa.

Ob kemični obrabi, ki je pogojena s temperaturo, se pri keramičnih rezalnih materialih pogosto pojavlja prijemanje odrezkov na orodje: zaradi vročine, ki nastaja na mestu obdelave, nastajajo kovinski hlapi, ki se spojijo s površino rezalnega materiala – pri odstranjevanju nastalega sloja se lahko odluščijo deli keramike.