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Super-Effektivität ist für die Bearbeitung von Superlegierungen erforderlich

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Superlegierungen - Metalllegierungen, die ihre komplexe Legierungsstruktur widerspiegeln, sind seit langem zu einem der wichtigsten technischen Werkstoffe geworden. Sie zeichnen sich durch eine extrem hohe Festigkeit bei hohen Temperaturen aus und werden daher oft als Hochtemperatursuperlegierungen (HTSA) oder hitzebeständige Superlegierungen (HRSA) bezeichnet.

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Die Geschichte der Superlegierungen begann mit der Entwicklung von Gasturbinenmotoren, die zuverlässige Werkstoffe für hohe Betriebstemperaturen erforderten. Als Ergebnis intensiver Forschung und Fortschritte in der Metallurgie bieten moderne Superlegierungen (SA) eine lange Lebensdauer bei Betriebstemperaturen von über 1000°C.

Die größten Abnehmer von Superlegierungen sind heute verständlicherweise die Hersteller von Flug- und Schiffsmotoren (Abb. 1). Superlegierungen sind auch in der medizinischen Industrie weit verbreitet, wo sie für prothetische Implantate in der orthopädischen Chirurgie verwendet werden. Darüber hinaus sind Superlegierungen in der Energieerzeugung sowie in der Öl- und Gasindustrie als wichtige Werkstoffe für wichtige Teile verschiedener Geräte weit verbreitet.

Außergewöhnliche Hochtemperaturfestigkeit und Korrosionsbeständigkeit sind die unbestreitbaren Vorteile von Superlegierungen. Die Medaille hat jedoch zwei Seiten: Superlegierungen sind nicht nur sehr teuer, sondern auch schlecht zerspanbar, was eine Herausforderung für die Fertigung darstellen kann. Die spezifische Schnittkraft, die den Widerstand des Werkstoffs gegen die Zerspanung kennzeichnet und die mechanische Belastung eines Schneidwerkzeugs bestimmt, ist bei Superlegierungen hoch. Obwohl die Hauptschwierigkeit die Wärme ist, haben Superlegierungen eine schlechte Wärmeleitfähigkeit. Elementare und lose Späne, die in der Regel bei der Bearbeitung von Superlegierungen anfallen, sorgen nicht für eine ausreichende Wärmeabfuhr aus der Schnittzone. Die Neigung zur Kaltverfestigung verschlimmert die Situation.

Der Hersteller hat es mit verschiedenen SA-Werkstücken zu tun: gegossen, geknetet, gesintert, usw. Auch die Herstellungsmethoden der Werkstücke wirken sich auf die Bearbeitbarkeit aus. So ist beispielsweise die Abrasivität von geschmiedeten Werkstücken höher als die von gegossenen Werkstücken und im Vergleich zu gesinterten Werkstücken wesentlich geringer.

Folglich ist ein Schneidwerkzeug einer erheblichen thermischen und mechanischen Belastung ausgesetzt, was die Lebensdauer des Werkzeugs drastisch verringert. Daher ist bei der Bearbeitung von Superlegierungen die Schnittgeschwindigkeit, die direkt mit der Wärmeentwicklung während der Zerspanung zusammenhängt, im Vergleich zu anderen gängigen technischen Werkstoffen wie Stahl oder Gusseisen erheblich niedriger. Die direkte Folge der begrenzten Schnittgeschwindigkeit ist eine geringe Produktivität. Die Überwindung von Bearbeitungsschwierigkeiten und die Steigerung der Produktivität sind daher die wichtigsten Herausforderungen für die Hersteller von SA-Teilen.

Nach der Norm ISO 513 werden Superlegierungen zusammen mit Titanlegierungen in der Gruppe ISO S eingesetzt. Je nach dem vorherrschenden Element werden die Superlegierungen in drei Arten unterteilt: Legierungen auf Eisen- (Fe), Nickel- (Ni) und Kobaltbasis (Co). Die Zerspanbarkeit nimmt in der angegebenen Reihenfolge ab: von den Eisenbasislegierungen, die mit austenitischem rostfreiem Stahl verglichen werden können, bis zu den Kobaltbasislegierungen, die die am schwersten zu bearbeitenden Werkstoffe der Gruppe darstellen.

Die Steigerung der Effizienz bei der Bearbeitung von Superlegierungen steht im Mittelpunkt verschiedener wissenschaftlicher Untersuchungen und technologischer Verbesserungen. Das Ergebnis war ein bedeutender Fortschritt bei der Herstellung von SA-Komponenten. Die Fertigung hat neue Bearbeitungsstrategien und innovative Methoden der Kühlmittelzufuhr wie Hochdruckkühlung (HPC), Minimalmengenschmierung (MMS) und sogar kryogene Kühlung erfolgreich eingeführt. Dies hat die Produktivität bei der Bearbeitung von Superlegierungen auf ein neues Niveau gehoben. Das Schlüsselelement zur Verbesserung der Produktivität bei der SA-Bearbeitung ist jedoch, wie bei Titanlegierungen, ein Schneidwerkzeug, das direkt Materialschichten von einem Werkstück abträgt und Späne erzeugt. Ein Zerspanungswerkzeug zeichnet sich durch seinen Werkstoff und seine Geometrie aus, die über den Erfolg oder Misserfolg des Werkzeugs entscheiden.

Beschichtete Hartmetalle sind heute die gängigsten Werkstoffe für Schneidwerkzeuge zur Bearbeitung von Superlegierungen. Die Entwicklung einer Hartmetallsorte, bei der sich Festigkeit und Verschleißfestigkeit gegenseitig ergänzen, ist ein schwieriger Prozess, der ein geeignetes Hartmetallsubstrat, eine geeignete Beschichtungszusammensetzung und eine geeignete Beschichtungsmethode erfordert. Zum Erstaunen derjenigen, die glauben, dass die Möglichkeiten für einen Durchbruch in dieser Richtung fast erschöpft sind, entwickeln die Hersteller von Schneidwerkzeugen immer wieder neue effektive Hartmetallsorten. Darüber hinaus wird bei der Bearbeitung von Superlegierungen bereits Keramik - ein weiterer Werkzeugwerkstoff, der wesentlich höhere Schnittgeschwindigkeiten ermöglicht - aktiv eingesetzt.

Während Werkzeugwerkstoffe vor allem mit Materialwissenschaften und Metallurgie in Verbindung gebracht werden, ist die Schneidengeometrie eher ein Thema für die Werkzeugkonstruktion. Die Sicherstellung einer Hochleistungsgeometrie erfordert tiefgreifendes Ingenieurwissen und technologische Fähigkeiten. Einerseits werden ein positiver Spanwinkel, ein ausreichend großer Freiwinkel und eine scharfe Schneide benötigt, um die Wärmeentwicklung und Kaltverfestigung zu minimieren. Andererseits schwächt eine solche Form die Schneide, die einer erheblichen mechanischen Belastung standhalten muss. Daher ist die richtige Schneidkantenbeschaffenheit ein entscheidender Erfolgsfaktor. Gesinterte Hartmetall-Wendeplatten haben den Vorteil, dass sie komplexe Spanformungs- und Spanbrecherformen für die Spanflächen der Wendeplatten ermöglichen. Die Computermodellierung von Spanformungs- und Pressvorgängen mit Hilfe der Finite-Elemente-Methode ist heute ein wirksames Instrument zur Optimierung der bereits in der Entwurfsphase befindlichen Formen. Bei Vollmaterial-Schaftfräsern führt eine variable Teilung zu einer verbesserten Schwingungsfestigkeit. Die Schneidkanten dieser Fräser werden durch Schleifen hergestellt, und um Abplatzungen und Kantenfehler zu vermeiden, ist die strikte Einhaltung der technologischen Prozessanforderungen von großer Bedeutung.

Die Hersteller von Schneidwerkzeugen legen großen Wert auf die Verbesserung ihrer Produktpalette für die Bearbeitung von Superlegierungen. Die Neuigkeiten von ISCAR sind ein gutes Beispiel dafür.

Die Hartmetallsorte IC806, die in den letzten Jahren für das Einstechen von Superlegierungen und austenitischem rostfreiem Stahl eingeführt worden war, wurde erfolgreich von ISCARs Gewindeschneid- und Tiefbohrlinien übernommen. Diese Sorte verfügt über ein hartes Submikron-Substrat und eine PVD-TiAlN/AlTiN-Beschichtung mit Nachbehandlung gemäß der SUMO TEC-Technologie von ISCAR. IC806 bietet eine bemerkenswerte Beständigkeit gegen Abblättern und Abplatzen und sorgt für zuverlässige und wiederholbare Ergebnisse.

Bei der Bearbeitung von Superlegierungen mit Vollhartmetallfräsern und Wechselköpfen gewährleistet die Sorte IC902, die ein ultrafeines Kornsubstrat und eine PVD-TiAlN-Beschichtung im Nanobereich kombiniert, eine extrem hohe Verschleißfestigkeit und verlängert die Standzeit der Werkzeuge. Diese Sorte hat sehr gute Ergebnisse bei der Herstellung von Geräten für Knie- und Hüftgelenkersatz aus schwer zerspanbaren Kobalt-Chrom-Legierungen gezeigt (Abb. 2).

ISCAR hat das Angebot an Produkten für ISO S-Anwendungen aus verschiedenen Schneidkeramiken wie Siliziumnitrid, SiAlON und whiskerverstärkten Sorten erheblich erweitert. Die neu eingeführten keramischen Produkte ergänzen sowohl Wendeschneidplatten als auch Vollmaterialfräser (Abb. 3).

Die neuesten Spanflächenausführungen F3M und F3P für ISO-Norm-Drehplatten sind speziell für schwer zerspanbare austenitische rostfreie Stähle und Superlegierungen vorgesehen (Bild 4). Ihre positive Spanwinkelgeometrie reduziert die Schnittkraft und sorgt für einen gleichmäßigen Schnitt, während die Abweiser an der Spanfläche die Spankontrolle verbessern.

Bei den doppelseitigen keramischen Wendeschneidplatten für Dreh- und Fräswerkzeuge hat ISCAR neue Optionen für abgeschrägte und kombinierte (abgeschrägte und abgerundete) Schneidkantenzustände für schwierige Anwendungen eingeführt.

ISCAR hat das Angebot an Lösungen für die Hochdruckkühlung um neue Wendeschneidplattenkörper und Werkzeughalter erweitert. So wurden zum Beispiel Thermoschrumpffutter mit polygonalen Kegelschäften, die über Kühlmittelkanäle entlang der zentralen Bohrung verfügen, in die Produktlinie der Werkzeughalter aufgenommen.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Notwendigkeit, die Produktivität bei der Bearbeitung von HTSA zu erhöhen, eine ständige Herausforderung für die Hersteller von Schneidwerkzeugen darstellt, und dass in naher Zukunft mit neuen effektiven Werkzeugentwicklungen zu rechnen ist.

Für weitere Informationen, Website: www.iscar.in

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