Poradenstvo a zkúsenosti

Obrábanie zliatin na báze niklu

Tak, kde dochádza k vysokému tepelnému a mechanickému zaťaženiu - ako tomu je u celého radu komponentov používaných v leteckom a kozmickom priemysle, v automobilovom alebo energetickom priemysle - sa často používajú komponenty zo zliatin na báze niklu. 

Čo sú to zliatiny na báze niklu?

Zliatiny na báze niklu sú materiály, ktorých základná súčasť, ťažký kov nikel, sa vyrába zlučovaním s minimálne jedným ďalším chemickým prvkom (väčšinou metódou tavenia). Používajú sa zliatiny niklu a medi, niklu a železa, niklu, železa a chrómu, niklu a chrómu, niklu, molybdénu a chrómu, niklu, chrómu a kobaltu, nízkolegovanej zliatiny niklu (s až 99,9% podielom niklu) a iné viaczložkové zliatiny. 

Tvárne zliatiny a zlievarenské zliatiny

Všeobecne rozlišujeme dve skupiny zliatin na báze niklu: tvárne zliatiny a zlievarenské zliatiny. Tvárne zliatiny sa používajú v oblasti výroby turbín na disky a lopatkové kruhy a vďaka svojím vlastnostiam sú vhodné pre teplotný rozsah do 730 stupňov Celzia. Zlievarenské zliatiny sa používajú najmä na výrobu komponentov s vysokým tepelno-mechanickým zaťažením a s komplexnou geometriou. Pritom sa komponenty odlievajú v tvare podobnom finálnemu produktu s polykryštalickou štruktúrou a iba nepatrne sa obrábajú mechanicky. 

Vlastnosti zliatin na báze niklu

Obzvlášť rozšírené zliatiny niklu s chrómom sa vyznačujú extrémnou žiaruvzdornosťou až do 750 stupňov Celzia, sú teda schopné odolávať trvalému zaťaženiu blížiacemu sa bodu tavenia. Súčasne vykazujú vysokú rozťažnosť a pevnosť i nízku tepelnú vodivosť a súčasne dobrú tvarovateľnosť za studena a vysokú antikoróznu odolnosť. Nízka hustota, vysoká chemická odolnosť a vysoká oteruodolnosť vytvárajú zo zliatin zaujímavé riešenia pre oblasť vysokých teplôt, pri ktorých pôsobení sú hliník a oceľ nestabilné.

Práve tieto dobré procesné vlastnosti zliatin naopak sťažujú ich mechanické obrábanie: V prípade krátkej životnosti nástroja je možné využívať iba relatívne nízkych rezných rýchlostí. Pri obrábaní hliníka pomocou TK nástrojov bez povlaku činí bežná životnosť nástrojov niekoľko dní, v prípade obrábania tvárnej liatiny táto životnosť klesá na zhruba jednu hodinu a pri obrábaní zliatin na báze niklu sa životnosť pohybuje medzi piatimi až desiatimi minútami. 

Rezné materiály na zliatiny na báze niklu

Rýchlorezná oceľ

Rýchlorezná oceľ („High-Speed-Steel (HSS)“) sa pri obrábaní zliatin na báze niklu používa na základe svojej vysokej húževnatosti pre operácie s prerušovaným rezom, ako je frézovanie, rezanie závitov, preťahovanie a drážkovanie. Pri obrábaní zliatin na báze niklu je možné využívať rezných rýchlostí v rozsahu od 5 do 10 m/min. Posuvy na zub je možné vďaka hodnotám húževnatosti HSS od 0,1 do 0,16 mm voliť relatívne vysoké.

Tvrdokov

Tvrdokovy (TK) sa skladajú z metalických karbidov, spravidla z karbidu volfrámu, ktoré sú uložené v mäkkom metalickom spojive a patria tak ku kompozitným materiálom. Spravidla sa materiály z tvrdokovu používajú pre obrábanie zliatin na báze niklu s porovnateľne nízkymi reznými rýchlosťami činiacimi 20 až 40 m/min.. Vyššie rezné rýchlosti spôsobujú rýchle preťaženie rezného materiálu a vo väčšine prípadov tak neumožňujú dosiahnuť požadovanej procesnej bezpečnosti. 

Nitrid boru

Kubický nitrid boru (cBN) je po diamante druhým najtvrdším známym materiálom. Je teda tvrdší, oteruodolnejší a drahší ako rezná keramika. Na základe vlastností cBN je možné pri sústružení dosahovať vysokých rezných rýchlostí. Pri frézovaní zliatin na báze niklu sa cBN nepoužíva. Pri sústružení Inconelu 718 avšak už využitie nachádza. Odporúčame zvoliť rozsah rezných rýchlostí od 400 m/min. do 600 m/min.. V priamom porovnaní s TK nástrojmi obstaranými povlakom TiAlN vykazuje cBN v prípade reznej rýchlosti vc = 50 m/min. o 100 percent dlhšiu životnosť. Pre dokončovacie sústruženie nestabilných štruktúr predstavuje cBN v priemyselných prevádzkach prvú voľbu. 

Rezná keramika

Rezné keramiky sa zlinujú z keramických práškov bez pridávania spojív. Norma DIN ISO 513 rozdeľuje rezné keramiky do piatich skupín:

CA = rezná keramika, hlavnou súčasťou je oxid hlinitý (Al2O3)

CM = zmesná keramika, hlavnou súčasťou je oxid hlinitý (Al2O3), spoločne s inými komponentmi ako sú oxidy

CN = keramika na báze nitridu kremíka, hlavnou súčasťou je nitrid kremíka (Si3N4 )

CR = whiskery vystužená keramika, rezná keramika, hlavnou súčasťou je oxid hlinitý (Al2O3)

CC = rezná keramika, všetky vyššie uvedené keramiky, avšak povlakované

Keramické nástroje si zachovávajú svoju tvrdosť i pri vysokých teplotách, ktoré vznikajú pri frézovaní žiaruvzdorných superzliatin (HRSA). Tým je možné v porovnaní s TK nástrojmi dosiahnuť 20 násobnej až 30 násobnej rýchlosti.

Keramické rezné materiály sa pôvodne používali pri sústružení. Tepelné zaťaženie zostáva pri sústružení relatívne stabilné. Pri frézovaní oproti tomu teplota na brite kolísa, pretože ide o prerušovaný rez. Náhle zmeny teplôt v dôsledku trenia a rýchleho ochladzovania zaťažujú brit. Aby sa zabránilo tepelnému šoku spôsobenému ochladzovaním nástroja, pri frézovaní pomocou keramických britov sa nepoužívajú chladiace médiá. Keramiky SiAlON (silikón alumína nitrid) sú všeobecne menej citlivé na teplotné výkyvy ako whiskermi vystužené keramiky. Pre frézovanie teda predstavujú lepšiu voľbu. 

Základným predpokladom pre frézovanie pomocou keramických britov sú vysokorýchlostné frézky, ktoré sú schopné urýchliť vreteno miestami až na 10.000 ot./min., čo predstavuje dodatočné zaťaženie pre používané nástroje.

Zatiaľ čo sa nástrojové systémy s keramickými vymeniteľnými britovými doštičkami vyskytujú na trhu v rôznorodých variantoch a používajú sa pri priemyselnom obrábaní, frézy do priemeru 16 mm nie sú z vyššie uvedených dôvodov doteraz toľko rozšírené. Tu dlhú dobu neexistovala alternatíva k nástrojom z rýchloreznej ocele a tvrdokovu.

Popri chemickom opotrebení vyvolaného pôsobením teploty sa u keramických rezných materiálov často vytvárajú nárastky: V žiari, ktorý vzniká v oblasti obrábania, sa tvoria kovové páry, ktoré tavením splývajú s povrchom rezného materiálu - pri uvoľňovaní sa môžu odlupovať časti keramiky.