Odborně-vzdělávací a zpravodajský portál z oblasti strojírenství a navazujících oborů
Články >> Sústruženie žiarupevných niklových zliatin
Chcete dostávat MM Průmyslové spektrum ZDARMA až do Vaší schránky? Více informací zde.

Sústruženie žiarupevných niklových zliatin

Žiaruvzdorné a žiarupevné zliatiny niklu sú vysokopevné konštrukčné materiály používané tam, kde nepostačujú svojimi vlastnosťami špičkové žiarupevné ocele. Sú teda určené pre prevádzkové teploty nad 750 °C.

Vývoj týchto zliatin bol motivovaný predovšetkým vývojom spaľovacích turbín a potrebou pracovať so stále vyššími vstupnými teplotami spalín (najmä u najexponovanejších súčastí, ako sú obežné lopatky). Po vyčerpaní možností ocelí sa pozornosť nakoniec obrátila k zliatinám niklu (Veľká Británia) a zliatinám kobaltu (USA). Pre najvyššie tepelno-pevnostné podmienky sa dnes ako konštrukčné materiály používajú komplexne legované vytvrditeľné zliatiny niklu, označované pre svoje vlastnosti superzliatiny. Britské zliatiny dostali označenie Nimonic a stali sa východiskom pre vývoj v ďalších krajinách. Britským žiarupevným niklovým zliatinám Nimonic odpovedá celý rad obdobných, čiastočne modifikovaných niklových zliatin, ktoré sa označujú podľa krajiny pôvodu (české AKN a LVN, ruské EI, EP a pod.).

Obrábateľnosť niklových zliatin

Ich veľká húževnatosť, pevnosť i tvrdosť, ktoré si dokážu udržať aj pri vysokých teplotách (napr.: EI 698 VD - Rm = 1130 MPa, Rp0,2 = 705 MPa, A = 17%, Z = 19 %, HB = 363) sú na jednej strane vhodné, čo sa týka ich použitia, avšak na strane druhej tieto vlastnosti spolu s nízkou tepelnou vodivosťou sú vážnou prekážkou ich produktívneho obrábania.
Väčšina niklových zliatin sa všeobecne zaraďuje medzi ťažkoobrábateľné materiály. Príčin ich veľmi zlej obrábateľnosti je viacero. Udržiavajú si vysokú pevnosť aj počas obrábania, kedy je v zóne rezania vysoká teplota, vzhľadom na ich žiarupevnosť. Počas ich obrábania dochádza k ich výraznému spevňovaniu, čo je hlavný faktor prispievajúci k vytváraniu výraznej drážky na reznej hrane v mieste, kde obrobok vychádza zo záberu. Nástrojový materiál je vystavený vysokému abrazívnemu účinku vzhľadom na prítomnosť veľmi tvrdých karbidov v zliatine. Pri vysokých teplotách charakteristických pre obrábanie týchto materiálov sa vyskytujú chemické reakcie, pri použití bežných nástrojových materiálov, čo vedie k ich intenzívnemu difúznemu opotrebeniu. Pre obrábanie niklových zliatin je charakteristické vytváranie nárastku na reznej hrane, čo vedie k vytváraniu drážky na čele nástroja. Ďalšou príčinou zlej obrábateľnosti žiarupevných niklových zliatin je vytváranie spevnenej kontinuálnej triesky, ktorá sa obtiažne formuje, čo vedie k degradáciam nástroja vplyvom odierania sa triesky a vytvárania krátera. Zlá tepelná vodivosť niklových zliatin má za následok generovanie vysokých teplôt na hrote nástroja ako aj vysoký teplotný gradient v nástroji.

Rezné podmienky

Vzhľadom na vyššie uvedené faktory nie je možné obrábať niklové zliatiny za rezných podmienok, ktoré sa bežne aplikujú pri obrábaní ocelí. Kritickou je predovšetkým rezná rýchlosť. Maximálne ekonomicky akceptovateľné rezné rýchlosti pri aplikácii nástrojov zo spekaných karbidov sú niekde pod hranicou 30 m.min-1. Pri aplikácii nástrojov z rýchlorezných ocelí pod hranicou 10 m.min-1. Z toho vyplýva, že základné ťažkosti pri obrábaní niklových zliatin sú spojené s nízkymi hospodárnymi reznými rýchlosťami a tým dlhým časom rezania. S ohľadom na presnosť geometrického tvaru, rozmerovú presnosť a akosť obrábaného povrchu je potrebné zvládnuť problémy, ktoré súvisia s obrábaním niklových zliatin a určiť také pracovné podmienky, pri ktorých bude obrábanie čo najhospodárnejšie. Preto je potrebné pri obrábaní niklových zliatin zabezpečiť čo najvyššiu tuhosť sústavy stroj - nástroj - obrobok, aby boli vylúčené vynútené a samobudené kmity, nevoliť veľmi malé hodnoty posuvu a hĺbky triesky, pretože vzniká nebezpečenstvo spevňovania, prípustnú hodnotu opotrebenia nástroja voliť menšiu ako zvyčajne. Je taktiež potrebné zaistiť pravidelný, stály záber, nástroj kvalitne ostriť a správne nastavovať vzhľadom k obrobku a, ak je to možné, pri práci používať reznú kvapalinu.

Nástrojový materiál

Nástrojový materiál pre obrábanie niklových zliatin by mal mať vysokú pevnosť a húževnatosť, dobrú odolnosť voči opotrebeniu, vysokú pevnosť pri vysokých teplotách, odolnosť voči tepelným rázom a dostatočnú chemickú stabilitu pri zvýšených teplotách.
Rýchlorezné ocele sú väčšinou používané na frézovanie, rezanie závitov a vŕtanie. V poslednej dobe bol zaznamenaný zvýšený podiel zmesnej keramiky pre obrábanie niklových zliatin (Al2O3 +TiC, SiC + Al2O3). Čisto oxidová keramika nie je vhodný materiál na obrábanie niklových zliatin aj napriek jej chemickej stabilite, vysokej tvrdosti, ktorú si udržiava aj pri vysokých teplotách a vysokej odolnosti voči opotrebeniu. Má však malú odolnosť voči tepelným a mechanickým rázom a nízku húževnatosť. Oveľa vhodnejším materiálom pre obrábanie niklových zliatin je zmesná keramika (Al2O3+TiC). Z najnovších výskumov vyplýva, že sústruženie niklovej zliatiny takýmto materiálom umožňuje použiť rezné rýchlosti až do 300 m.min-1. Kompozit SiC a Al2O3 ako nástrojový materiál bol vyvinutý špeciálne pre obrábanie niklových zliatin. Tento materiál je obzvlášť vhodný pre obrábanie pri vysokých rezných rýchlostiach a posuvoch. Si3N4 má relatívne vysokú húževnatosť a pri dodržaní istých podmienok je ho možné taktiež použiť na obrábanie niklových zliatin. Taktiež bol urobený výrazný pokrok pri aplikácii multipovlakov (TiN+TiCN+TiN) nanášaných PVD technológiou.

Použitie reznej kvapaliny

Rezná kvapalina je jedným z najvýznamnejších faktorov ovplyvňujúcich produktivitu obrábania niklových zliatin. Zníženie teploty v zóne rezania vplyvom aplikácie reznej kvapaliny vedie k predĺženiu trvanlivosti rezných nástrojov. Ak napríklad ? fáza v nástroji Si3N4 začína mäknúť nad teplotou 1000 °C, rezná kvapalina znížením teploty v kontakte nástroja a obrobku zabraňuje jej zmäknutiu. Zníženie teploty vplyvom aplikácie reznej kvapaliny sa tiež významne pozitívne prejavuje pri obrábaní nástrojmi z Al2O3 vystužených vláknami SiC. Zníženie teploty v nástroji redukuje v ňom tepelné napätie, ktoré vzniká ako následok rôznej tepelnej rozťažnosti týchto dvoch fáz. Vysokotlaková aplikácia reznej kvapaliny pri obrábaní niklových zliatin sa neodporúča.

Sústruženie niklových zliatin

Pri sústružení niklových zliatin sú zložky reznej sily výrazne vyššie v porovnaní s oceľou, obr. 1. Zvýšenie zložiek reznej sily pri sústružení niklu vyplýva so zvýšeného deformačného odporu týchto materiálov, vysokej pevnosti i húževnatosti, ktoré si žiarupevné niklové zliatiny udržiavajú aj pri zvýšených teplotách.
Štúdium teploty v zóne rezania ukazuje, že teplota v tejto oblasti pri sústružení niklovej zliatiny je oveľa vyššia ako je tomu u ocele (obr. 2) a navyše maximum teploty sa často nachádza bezprostredne za reznou hranou na rozdiel od ocelí, kde je maximum v istej vzdialenosti od reznej hrany. Štúdium poškodeného nástroja ukazuje, že na čele sa vytvára kráter, pričom vrstvy na dne krátera a blízko reznej hrany obsahujú spekaný karbid menší a viac guľovitý, ako je východiskový materiál. Kráter sa vyskytuje na mieste, kde je maximum teploty. Hrana krátera začína bezprostredne za reznou hranou a s rastúcou reznou rýchlosťou sa jeho najhlbšie miesto posúva bližšie k reznej hrane - tam, kde je maximum teploty.
Vzhľadom na malú tepelnú vodivosť niklových zliatin (12,3 W.m-1.K-1) je teplo generované v zóne rezania zle odvádzané trieskou, koncentruje sa v zóne rezania a spôsobuje vysoké prírastky teploty v nástroji. Vysoké prírastky teploty v nástroji majú za následok vznik vysokých napätí v ňom. Vzhľadom na vysokú rýchlosť ohrevu nástroja a vysoké teploty musia v ňom vzniknúť veľmi veľké napätia. Tieto sa sčítavajú s napätiami vyvolanými mechanickým namáhaním, čo má za následok intenzívne opotrebenie nástrojov pri obrábaní niklových zliatin.

Opotrebenie nástrojov

Opotrebenie pri obrábaní niklových zliatin je charakteristické vytváraním drážky na chrbte v mieste vychádzania nástroja zo záberu, obr. 3. Veľmi často dochádza k vyštrbovaniu, alebo lomu reznej hrany. Vytváranie drážky v mieste vychádzania nástroja zo záberu je spôsobené predovšetkým tým, že v tomto mieste prichádza do kontaktu rezná hrana s vrstvou spevneného materiálu, ktorej mikrotvrdosť ako aj ďalšie mechanické vlastnosti sa už výrazne odlišujú od základného materiálu. Pokiaľ mikrotvrdosť základného materiálu EI 698 VD je 363 HVm, po sústružení (vc = 20 m.min-1, f = 0,15 mm, ap = 1,5 mm) sa povrchová vrstva spevní takmer na 500 HVm. Vytváranie drážky prebieha procesom nalepovania obrábaného materiálu na reznú hranu a následnom vytrhávaní materiálu nástroja. Sprievodným javom tohto procesu je vytváranie ostrín v tomto mieste.
Vyššie uvedený mechanizmus opotrebenia je charakteristický pre obrábanie niklových zliatin nízkymi reznými rýchlosťami. Pri rezných rýchlostiach nad 120 m.min-1 pri aplikácii zmesnej keramiky tento proces nie je natoľko intenzívny, čo je dané predovšetkým tým, že pri vysokých rezných rýchlostiach je už pokles mechanických vlastností vplyvom teploty výrazný. Vysokorýchlostné obrábanie niklových zliatin zmesnou keramikou taktiež ukázalo, že trvanlivosť nástroja sa predĺži, ak sa použije technika vykláňania a natáčania reznej platničky. Takáto technika má za následok premennú hĺbku rezu počas rezu, čím sa miesto vychádzania zo záberu rozkladá na rovnomernejšie pozdĺž reznej hrany. Výrazne sa tým eliminuje lom reznej hrany.
Pri obrábaní nástrojmi zo spekaného karbidu je vhodné voliť spekané karbidy skupiny M s vysokým obsahom kobaltu, vzhľadom na to, že ako ukazuje tabuľka 1, aj napriek vysokej teplote v zóne rezania pevnosť rezného klina je dominantná z hľadiska jeho trvanlivosti.

Další články

Obráběcí stroje a technologie

Komentáře

Nebyly nalezeny žádné příspěvky

Sledujte nás na sociálních sítích: