Szuperötvözetek hatékony megmunkálása

A szuperötvözetek – komplex szerkezetű fémötvözetek, régóta az egyik legfontosabb ipari alapanyagcsoportot jelentik. Rendkívül magas hőálló képességgel rendelkeznek, emiatt sokszor hívják őket hőálló szuperötvözeteknek is. A szuperötvözetek térnyerése a gázturbinák kifejlesztésével kezdődött, amelyekhez olyan megbízható alapanyag kellett, ami ellenáll a rendkívül magas üzemi hőmérséklet-tartományoknak. Az intenzív kutatás és kohászati fejlesztések eredményeként a modern szuperötvözetek hosszú élettartamot biztosítanak, akár 1000°C feletti hőmérsékleten is.  

Nem meglepő, hogy manapság a szuperötvözetek legnagyobb felhasználói közé a repülőgépek és hajók meghajtórendszereinek gyártói tartoznak (1. kép). A szuperötvözetek gyakoriak még az orvosi iparban, ahol ortopédiai műtéti implantátumokban használják őket. Ezen felül, a szuperötvözetek elterjedtek az energiatermelő, valamint az olaj és gáziparban is, ahol különböző készülékek létfontosságú alkatrészeit gyártják belőlük.

Forrás: ISCAR

- Hirdetés -

A szuperötvözetek legfontosabb előnyei a kiváló ellenálló képességük a magas hőmérsékletekkel és a korrózióval szemben. Azonban ennek az éremnek is két oldala van: a szuperötvözetek nem csupán drágák, de a megmunkálhatóságuk is nehézkes, ami kihívások elé állítja a gyártókat. Az alapanyag forgácsolással szembeni ellenálló képessége miatt a szerszámon ébredő specifikus vágóerők és mechanikus terhelés egyaránt jelentős a szuperötvözetek esetében. Azonban a legnagyobb probléma a hő, hiszen a szuperötvözetek rossz hővezetők. Az apró forgács, mely a szuperötvözetek megmunkálásakor leválasztható, nem képes akkora hőmennyiség elvezetésre a forgácsolási zónából, ami szükséges lenne. Az, hogy az alapanyag megmunkálás közben hajlamos a felkeményedésre, további problémákat vet fel.

A gyártók különböző szuperötvözet alkatrészekkel dolgoznak: öntött, kovácsolt, szinterezett, stb. A munkadarab előgyártási metódusa befolyásolja annak megmunkálhatóságát is. Például a kovácsolt alkatrészek sokkal jobban koptatják a szerszámokat, mint az öntött, vagy a szinterezett alkatrészek.

Mindebből következik, hogy a jelentős mechanikus- és hőterhelés alatt álló szerszám éltartama nagymértékben lecsökken. Vagyis a szuperötvözetek megmunkálása jelentősen kisebb vágósebességgel történhet csak, mint az általános gyártási alapanyagok, mint pl. az acél vagy az öntöttvas esetében, épp a hőtermelés nagysága miatt. A csökkentett vágósebesség alkalmazásának következménye a kisebb termelékenység. Tehát a megmunkálási nehézségek megoldása és a termelékenység növelése a fő kihívások, melyekkel a szuperötvözet alkatrészek gyártói szembe kell, hogy nézzenek.

Az ISO 513-as szabvány szerint a szuper- és titán-ötvözetek az ISO S alapanyagcsoportba tartoznak. A fő ötvöző anyag függvényében a szuperötvözetek három csoportra bonthatók: vas (Fe), nikkel (Ni) és kobalt (Co) alapú ötvözetekre. A megmunkálhatóság az előző sorrend alapján csökken; a vas alapú ötvözetektől, melyek megmunkálhatósága az ausztenites rozsdamentes acélokéhoz hasonló, a kobalt alapú ötvözetek a csoport legnehezebben forgácsolható anyagait jelentik.

A szuperötvözetek hatékonyabb megmunkálása különböző tudományos kutatások és technológiai fejlesztések fő irányává vált. Az eredmény jelentős fejlődést hozott a szuperötvözet alkatrészek gyártásában. Az új, hatékony megmunkálási stratégiák alkalmazása, valamint az innovatív hűtési rendszerek, mint például a nagy nyomású hűtés (HPC), a minimális mennyiségű folyadékkal történő hűtés (MQL), sőt, a kriogén hűtés is egyre gyakoribb. Ez termelékenyebb szintre emelte a szuperötvözetek forgácsolását. Azonban, ugyanúgy, mint a titán-ötvözetek esetében, a szuperötvözetek megmunkálásának termelékenyebbé tételének kulcsfontosságú eleme a forgácsot leválasztó szerszám. A forgácsolószerszám sikere vagy bukása a minőségen és a geometrián múlik.

Manapság a bevonatos keményfém lapkák a szuperötvözetekhez leggyakrabban használt szerszámok. Azonban olyan lapkaminőség kifejlesztése, mely erősebb és kopásállóbb, bonyolult folyamat, mely megfelelő porszemcsés alapanyagot, bevonó keveréket és bevonatoló eljárást kíván. Azok meglepetésére, akik szerint az ilyen irányú fejlesztésekkel már nem érhetünk el áttöréseket, a forgácsolószerszám gyártók egyre hatékonyabb minőségeket gyártanak. Ezen felül, a szuperötvözetek megmunkálásához kerámiát – egy másik, nagyobb vágósebességet lehetővé tevő szerszám alapanyagot – is aktívan használnak már.

Ha a szerszám alapanyagának leginkább az anyagtudományhoz és a kohászathoz van köze, a szerszám geometriája inkább a szerszámtervezéshez áll közel. A nagy teljesítményű geometriák kifejlesztése átfogó mérnöki tudást és technológiai ismereteket igényel. Egyfelől, a hőtermelés és a munkadarab felkeményedésének minimalizálása érdekében szükséges a pozitív élszög, a megfelelő méretű hátszög, valamint az éles vágóél. Másfelől, egy ilyen geometria meggyengíti a vágóélt, aminek jelentős mechanikai terhelést kellene elviselnie. Így a siker kulcsa a vágóél helyes kialakítása. A szinterezett keményfém lapkáknak megvan az az előnyük, hogy az élükön komplex forgácsalakító és forgácstörő formákat lehet kialakítani. Manapság, a számítógépek által modellezett forgácsolási és préselési folyamatok, valamint a véges-elem analízisek hatékonyabb formák kialakítását segítik elő, már a szerszámok tervezési fázisában. Tömör keményfém szármarók esetében a különböző horonykialakítások növelik a vibrációcsökkentést. Az ilyen marók vágóéleit köszörüléssel alakítják ki, és a lepattogzás, vagy a hibás élek megjelenése csak úgy küszöbölhető ki, ha a szigorú technológiai paramétereket a teljes folyamat alatt betartják.

A forgácsolószerszám gyártók nagy figyelmet fordítanak a szuperötvözetek megmunkálására alkalmas kínálatuk bővítésére. Az ISCAR újdonságai kiváló példák erre.

A szuperötvözetek és ausztenites rozsdamentes acél homlokbeszúrására kifejlesztett IC806-os keményfém minőség, melyet az elmúlt években mutattunk be, sikeresen teljesít az ISCAR menetmegmunkáló és mélyfúró szerszámcsaládjaiban is. Ez a minőség kemény porszemcsés alapanyagból készül, fizikai TiAlN/AlTiN bevonattal és speciális, SUMO TEC technológiával végzett utókezeléssel. Az IC806 kimondottan ellenálló a lepattogzással szemben, és megbízható, ismételhető eredményeket biztosít.

Szuperötvözetek tömör keményfém szármarókkal és cserélhető fejű szerszámokkal történő megmunkálásakor az IC902-es minőség, mely kombinálja az ultrafinom szemcsés alapanyag és a fizikai TiAlN nano-réteg bevonat előnyeit, rendkívül kopásálló és hosszabb éltartamot nyújt. Ez a minőség kiváló eredményeket hozott térd- és csípőprotézisek gyártásában, melyeket nehezen megmunkálható kobalt-króm ötvözetekből készítenek. (2. kép).

Combcsontra kerülő térdprotézis megmunkálása MULTI-MASTER szármaróval és cserélhető fejű, kúpos maróval Forrás: ISCAR

Az ISCAR jelentős mértékben kibővítette az ISO S alapanyagok megmunkálására alkalmas kerámia szerszámai körét, mint például a szilikon-nitrid, SiAlON, és szálerősítéses minőségek. Az újonnan bevezetett kerámia termékek elérhetők a váltólapkás és a tömör szármaró szerszámok körében is (3. kép).

Váltólapkás marók kör alakú kerámia lapkákkal, melyek nagyobb vágósebességet tesznek lehetővé, a nagyobb termelékenység érdekében Forrás: ISCAR

A legújabb vágóél-geometriák szabványos ISO eszterga lapkákhoz, az F3M és az F3P, kimondottan nehezen megmunkálható ausztenites rozsdamentes acélhoz és szuperötvözetekhez készültek. (4. kép). A pozitív élszögű geometriák csökkentik a vágóerőket, és sima vágást biztosítanak, míg az élszalagon elhelyezett terelők javítják a forgácseltávolítás hatékonyságát.

Az ISCAR újonnan bemutatott M3M (balra) és F3M (jobbra) forgácstörői, szabványos ISO eszterga lapkákon, ISO S és ISO M alapanyagcsoportok megmunkálására

Az eszterga és maró szerszámokhoz tartozó kétoldalas kerámia lapkák mellett az ISCAR új élletöréssel és kombinált élkialakítással (élletört és lekerekített) rendelkező lapkákat is kínál, nehéz megmunkálásokhoz.

Az ISCAR a nagy nyomású hűtési rendszerekhez is kibővítette a választékát, új váltólapkás maró szerszámokkal és befogókkal. Ilyenek például a sokszögkúpos zsugorbefogók, melyek a központi furat melletti hűtőfolyadék csatornákkal rendelkeznek, már a szabványos szerszámtartó kínálat részét képezik.

Összefoglalva nyilvánvaló, hogy a szuperötvözetek megmunkálásának termelékenység-növelése egy olyan folyamatos kihívás a forgácsolószerszám gyártók előtt, ami a folytatódni fog, és aminek következtében új, hatékonyabb szerszám rendszerek érkeznek majd a közeljövőben.

ISCAR