I. Einleitung
Superlegierungen sind metallische Werkstoffe, die bei hohen Temperaturen eine ausgezeichnete Festigkeit, Oxidationsbeständigkeit und Korrosionsbeständigkeit beibehalten. Sie werden häufig in Luft- und Raumfahrtmotoren, Gasturbinen, Kernkraftwerken und Energieanlagen eingesetzt. Ihre überlegenen Eigenschaften stellen jedoch erhebliche Herausforderungen für die Bearbeitung dar. Insbesondere beim Einsatz von Fräsern für Fräsvorgänge sind Probleme wie schneller Werkzeugverschleiß, hohe Schnitttemperaturen und schlechte Oberflächenqualität besonders ausgeprägt. Dieser Artikel untersucht die häufigsten Probleme beim Fräsen von Superlegierungen und bietet entsprechende Lösungen.
II. Was ist eine Superlegierung?
Superlegierungen (oder Hochtemperaturlegierungen) sind metallische Werkstoffe, die unter erhöhten Temperaturen eine hohe Festigkeit und eine hervorragende Oxidations- und Korrosionsbeständigkeit beibehalten. Sie können unter komplexer Belastung in oxidierenden und gasförmigen Korrosionsumgebungen von 600 °C bis 1100 °C zuverlässig arbeiten. Superlegierungen umfassen hauptsächlich Nickel-, Kobalt- und Eisenbasislegierungen und werden häufig in der Luft- und Raumfahrt, Gasturbinen, Kernkraft, Automobil- und petrochemischen Industrie eingesetzt.
III. Eigenschaften von Superlegierungen
1.Hohe Festigkeit bei erhöhten Temperaturen
Fähigkeit, hohen Belastungen über längere Zeiträume bei hohen Temperaturen ohne nennenswerte Kriechverformung standzuhalten.
2.Hervorragende Oxidations- und Korrosionsbeständigkeit
Behält die strukturelle Stabilität auch bei Einwirkung von Luft, Verbrennungsgasen oder chemischen Medien bei erhöhten Temperaturen bei.
3.Gute Ermüdungs- und Bruchzähigkeit
Fähigkeit, thermischen Zyklen und Stoßbelastungen in extremen Umgebungen standzuhalten.
4.Stabile Mikrostruktur
Weist eine gute strukturelle Stabilität auf und widersteht einer Leistungsverschlechterung bei langfristigem Hochtemperatureinsatz.
IV. Typische Superlegierungswerkstoffe
1.Nickelbasis-Superlegierungen
International gängige Sorten:
Eigenschaften & Anwendungen
Eigenschaften
Typische Anwendungen
Inconel 718
Hervorragende Hochtemperaturfestigkeit, gute Schweißbarkeit
Flugzeugtriebwerke, Kernreaktorkomponenten
Inconel 625
Hohe Korrosionsbeständigkeit, beständig gegen Meerwasser und Chemikalien
Marineausrüstung, Chemiebehälter
Inconel X-750
Hohe Kriechfestigkeit, geeignet für langfristige Hochtemperaturbelastungen
Turbinenteile, Federn, Befestigungselemente
Waspaloy
Behält hohe Festigkeit bei 700–870 °C bei
Gasturbinenschaufeln, Dichtungskomponenten
Rene 41
Überlegene mechanische Hochtemperatureigenschaften
Brennkammmern von Strahltriebwerken, Düsen
2.Kobaltbasis-Superlegierungen
International gängige Sorten:
Eigenschaften & Anwendungen
Eigenschaften
Anwendungen
Stellite 6
Hervorragende Verschleiß- und Heißkorrosionsbeständigkeit
Ventile, Dichtflächen, Schneidwerkzeuge
Haynes 188
Gute Oxidations- und Kriechbeständigkeit bei hohen Temperaturen
Turbinengehäuse, Brennkammerteile
Mar-M509
Hohe Korrosions- und Thermoschockbeständigkeit
Heißendkomponenten von Gasturbinen
Gängige chinesische Sorten (mit internationalen Äquivalenten):
Eigenschaften & Anwendungen
Eigenschaften
Anwendungen
K640
Äquivalent zu Stellite 6
Ventillegerungen, Wärmeausrüstung
GH605
Ähnlich wie Haynes 25
Bemannte Weltraummissionen, Industrieturbinen
3.Eisenbasis-Superlegierungen
Eigenschaften:Geringe Kosten, gute Zerspanbarkeit; geeignet für mittlere Temperaturen (≤700 °C).
International gängige Sorten:
Eigenschaften & Anwendungen
Eigenschaften
Anwendungen
A-286 (UNS S66286)
Gute Hochtemperaturfestigkeit und Schweißbarkeit
Befestigungselemente für Flugzeugtriebwerke, Gasturbinenkomponenten
Legierung 800H/800HT
Hervorragende strukturelle Stabilität und Korrosionsbeständigkeit
Wärmetauscher, Dampferzeuger
310S Edelstahl
Oxidationsbeständig, kostengünstig
Ofenrohre, Abgassysteme
Gängige chinesische Sorten (mit internationalen Äquivalenten):
Eigenschaften & Anwendungen
Internationales Äquivalent
Anwendungen
1Cr18Ni9Ti
Ähnlich wie 304 Edelstahl
Allgemeine Hochtemperaturumgebungen
GH2132
Äquivalent zu A-286
Schrauben, Dichtungen, Federn
4.Vergleich von Nickel-, Kobalt- und Eisenbasis-Superlegierungen
Legierungstyp
Betriebstemperaturbereich
Festigkeit
Korrosionsbeständigkeit
Kosten
Typische Anwendungen
Nickelbasiert
≤1100 °C
★★★★★
★★★★★
Hoch
Luft- und Raumfahrt, Energie, Kernkraft
Kobaltbasiert
≤1000 °C
★★★★
★★★★★
Relativ hoch
Chemische Industrie, Gasturbinen
Eisenbasiert
≤750 °C
★★★
★★★
Niedrig
Allgemeine Industrie, Strukturteile
V. Anwendungsbeispiele für Superlegierungen
Industrie
Anwendungskomponenten
Luft- und Raumfahrt
Turbinenschaufeln, Brennkammern, Düsen, Dichtungsringe
Energieanlagen
Gasturbinenschaufeln, Kernreaktorkomponenten
Chemische Industrie
Hochtemperaturreaktoren, Wärmetauscher, korrosionsbeständige Pumpen und Ventile
Ölbohrung
Hochtemperatur- und Hochdruckdichtungen, Bohrlochwerkzeuge
Automobilindustrie
Turboladerkomponenten, Hochleistungsabgassysteme
VI. Herausforderungen bei der Bearbeitung von Superlegierungen
1. Hohe Festigkeit und Härte:
Superlegierungen behalten auch bei Raumtemperatur eine hohe Festigkeit (z. B. übersteigt die Zugfestigkeit von Inconel 718 1000 MPa). Während der Bearbeitung neigen sie dazu, eine verfestigte Schicht zu bilden (mit einer 2-3-fachen Härte), was den Schnittwiderstand bei nachfolgenden Operationen erheblich erhöht. Unter solchen Bedingungen wird der Werkzeugverschleiß verstärkt, die Schnittkräfte schwanken stark und die Wahrscheinlichkeit von Ausbrüchen an der Schneidkante ist größer.
2. Schlechte Wärmeleitfähigkeit und konzentrierte Schnittwärme:
Superlegierungen haben eine geringe Wärmeleitfähigkeit (z. B. beträgt die Wärmeleitfähigkeit von Inconel 718 nur 11,4 W/m·K, etwa ein Drittel der von Stahl). Die Schnittwärme kann nicht schnell abgeführt werden, und die Temperatur der Schneidspitze kann 1000 °C übersteigen. Dies führt dazu, dass sich das Werkzeugmaterial erweicht (aufgrund unzureichender Rotgluthärte) und der Diffusionsverschleiß beschleunigt wird.
3. Starke Verfestigung:
Die Materialoberfläche wird nach der Bearbeitung härter, was den Werkzeugverschleiß weiter verstärkt.
4. Hohe Zähigkeit und Schwierigkeiten bei der Spanabfuhr:
Die Späne von Superlegierungen sind sehr zäh und brechen nicht leicht, wodurch oft lange Späne entstehen, die sich um das Werkzeug wickeln oder die Werkstückoberfläche zerkratzen können. Dies beeinträchtigt die Stabilität des Bearbeitungsprozesses und erhöht den Werkzeugverschleiß.
5. Hohe chemische Reaktivität:
Nickelbasislegierungen neigen zu Diffusionsreaktionen mit Werkzeugmaterialien (wie WC-Co-Hartmetallen), was zu Adhäsionsverschleiß führt. Dies führt dazu, dass das Werkzeugoberflächenmaterial abgetragen wird, wodurch ein halbmondförmiger Verschleißkrater entsteht.
VII. Häufige Probleme beim Fräsen von Superlegierungen mit Fräsern
1. Starker Werkzeugverschleiß
• Die hohe Härte und Festigkeit von Superlegierungen führen zu einem schnellen Verschleiß der Span- und Freiflächen des Fräsers.
• Hohe Schnitttemperaturen können zu thermischen Ermüdungsrissen, plastischer Verformung und Diffusionsverschleiß im Werkzeug führen.
2. Übermäßige Schnitttemperatur
• Die schlechte Wärmeleitfähigkeit von Superlegierungen bedeutet, dass die große Wärmemenge, die beim Schneiden entsteht, nicht rechtzeitig abgeführt werden kann.
• Dies führt zu lokaler Überhitzung des Werkzeugs, was in schweren Fällen zu Werkzeugausfall oder Ausbrüchen führen kann.
3. Starke Verfestigung
• Superlegierungen neigen während der Bearbeitung zur Verfestigung, wobei die Oberflächenhärte schnell zunimmt.
• Der nächste Schnittvorgang trifft auf eine härtere Oberfläche, was den Werkzeugverschleiß verschlimmert und die Schnittkräfte erhöht.
4. Hohe Schnittkräfte und starke Vibrationen
• Die hohe Festigkeit des Materials führt zu großen Schnittkräften.
• Wenn die Werkzeugstruktur nicht richtig konstruiert ist oder das Werkzeug nicht sicher eingespannt ist, kann dies zu Bearbeitungsvibrationen und Rattern führen, was zu Werkzeugschäden oder schlechter Oberflächengüte führt.
5. Werkzeugadhäsion und Aufbauschneide
• Bei hohen Temperaturen neigt das Material dazu, an der Schneidkante des Werkzeugs anzuhaften und eine Aufbauschneide zu bilden.
• Dies kann zu instabilem Schneiden, Oberflächenkratzern auf dem Werkstück oder ungenauen Abmessungen führen.
6. Schlechte Oberflächenqualität
• Häufige Oberflächenfehler sind Grate, Kratzer, Oberflächenhärtepunkte und Verfärbungen in der wärmebeeinflussten Zone.
• Eine hohe Oberflächenrauheit kann die Lebensdauer des Teils beeinträchtigen.
7. Kurze Werkzeugstandzeit und hohe Bearbeitungskosten
• Die kombinierte Wirkung der oben genannten Probleme führt zu einer viel kürzeren Werkzeugstandzeit im Vergleich zur Bearbeitung von Materialien wie Aluminiumlegierungen oder kohlenstoffarmem Stahl.
• Häufiger Werkzeugwechsel, geringe Bearbeitungseffizienz und hohe Bearbeitungskosten sind die Folgen. 8. Lösungen & Optimierung
VIII. Lösungen und Optimierungsempfehlungen
1. Lösungen für starken Werkzeugverschleiß:
1.1. Wählen Sie ein Feinstkorn-Hartmetallmaterial (Submikron-/Feinstkorn-Hartmetall), das eine überlegene Verschleißfestigkeit und Querbruchfestigkeit bietet.
*Feinstkorn-Hartmetall wird aufgrund seiner hervorragenden Verschleißfestigkeit und hohen Härte häufig in Formen, Schneidwerkzeugen, Präzisionsbearbeitung, elektronischen Bauteilen und anderen Bereichen eingesetzt. Die typische WC-Korngröße liegt im Bereich von etwa 0,2 bis 0,6 µm. Entsprechend den Standards verschiedener Länder und Marken sind die üblicherweise verwendeten Sorten von Feinstkorn-Hartmetall wie folgt:
A. Gängige chinesische Feinstkorn-Hartmetallsorten (z. B. XTC, Zhuzhou Cemented Carbide, Jiangxi Rare Earth, Meirgute usw.)
Eigenschaften & Anwendungen
K3130,4
6,0
Hohe Härte, geringer Co-Gehalt, geeignet für die Bearbeitung von harten Materialien.
0,6
0,4-0,5
10,0
YG8X
0,6
0,4-0,5
K40UF
YG10X
0,6
0,4-0,5
2. Lösungen für übermäßige Schnitttemperatur:
ZK10UF
~0,5
10,0
2. Lösungen für übermäßige Schnitttemperatur:
TF08
0,5
D. USA-Sorten (Kennametal,Carbide USA)
K40UF
WF25
0,5
D. USA-Sorten (Kennametal,Carbide USA)
0,5
B. Deutsche Sorten (z. B. CERATIZIT, H.C. Starck usw.)
Sorte
Eigenschaften & Anwendungen
K3130,4
6,0
Hohe Härte, geringer Co-Gehalt, geeignet für die Bearbeitung von harten Materialien.
8,0
0,6
K40UF
0,5
10,0
D. USA-Sorten (Kennametal,Carbide USA)
2. Lösungen für übermäßige Schnitttemperatur:
0,5
10,0
D. USA-Sorten (Kennametal,Carbide USA)
2. Lösungen für übermäßige Schnitttemperatur:
Sorte
Korngröße (µm)
Eigenschaften & Anwendungen
K3130,4
6,0
Hohe Härte, geringer Co-Gehalt, geeignet für die Bearbeitung von harten Materialien.
Sumitomos übliche Feinstkornsorte, geeignet für Präzisionsfräser.
TF20
2. Lösungen für übermäßige Schnitttemperatur:
12,0
Mitsubishi's hochzähe Feinstkornsorte, verwendet zum Fräsen von schwer zerspanbaren Materialien.
D. USA-Sorten (Kennametal,Carbide USA)
0,5
10,0
Verwendet für Bohrer mit kleinem Durchmesser, Leiterplattenwerkzeuge usw.
D. USA-Sorten (Kennametal,Carbide USA)
2. Lösungen für übermäßige Schnitttemperatur:
Korngröße (µm)
Co-Gehalt (%)
Eigenschaften & Anwendungen
K3130,4
6,0
Hohe Härte, geringer Co-Gehalt, geeignet für die Bearbeitung von harten Materialien.
KD10F
0,6
10,0
Universelle Feinstkornsorte mit hervorragender Verschleißfestigkeit.
GU10F
0,4-0,5
2. Lösungen für übermäßige Schnitttemperatur:
Wird in Anwendungen eingesetzt, die eine hohe Oberflächenqualität erfordern.
1.2. Optimieren Sie die Werkzeuggeometrie, z. B. durch Reduzierung des Spanwinkels und Beibehaltung eines moderaten Freiwinkels, um die Kantenfestigkeit zu erhöhen.
1.3. Führen Sie eine Kantenverrundung durch, um Ausbrüche und die Ausbreitung von Mikrorissen zu verhindern.
2. Lösungen für übermäßige Schnitttemperatur:
2.1 Verwenden Sie Hochleistungs-Hitzebeständige Beschichtungen, wie z. B. AlTiN, SiAlN oder nACo, die Schnitttemperaturen von 800–1000 °C standhalten können.
2.2 Implementieren Sie Hochdruck-Kühlsysteme (HPC) oder Minimalmengenschmierung (MQL), um die Schnittwärme umgehend abzuführen.
2.3 Reduzieren Sie die Schnittgeschwindigkeit (Vc), um die Wärmeentwicklung zu minimieren.
3. Lösungen für starke Verfestigung:
3.1 Erhöhen Sie den Vorschub pro Zahn (fz), um die Verweilzeit des Werkzeugs in der verfestigten Schicht zu reduzieren.
3.2 Entscheiden Sie sich für geringere Zustelltiefen (ap) und mehrere Durchgänge, um die gehärtete Schicht schrittweise zu entfernen.
3.3 Halten Sie das Werkzeug scharf, um zu vermeiden, dass mit einer stumpfen Schneide durch die gehärtete Schicht geschnitten wird.
4. Lösungen für hohe Schnittkräfte und starke Vibrationen:
4.1 Verwenden Sie Werkzeuge mit variabler Helix und variabler Teilung (ungleichmäßige Abstände), um Resonanzen zu reduzieren.
4.2 Minimieren Sie die Werkzeugüberhanglänge (halten Sie das L/D-Verhältnis