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:

2.Kobaltbasis-Superlegierungen

International gängige Sorten:

Gängige chinesische Sorten (mit internationalen Äquivalenten):

3.Eisenbasis-Superlegierungen

Eigenschaften:Geringe Kosten, gute Zerspanbarkeit; geeignet für mittlere Temperaturen (≤700 °C).

International gängige Sorten:

Gängige chinesische Sorten (mit internationalen Äquivalenten):

4.Vergleich von Nickel-, Kobalt- und Eisenbasis-Superlegierungen

V. Anwendungsbeispiele für Superlegierungen

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.)

Sorte

Korngröße (µm)

Co-Gehalt (%)

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

<4), um die Steifigkeit zu erhöhen.

4.3 Optimieren Sie die Vorrichtungsgestaltung, um die Werkstückstabilität zu verbessern.

4.4 Planen Sie den Schnittweg sorgfältig und verwenden Sie nach Möglichkeit das Umfangfräsen anstelle des Planfräsens.

5. Lösungen für Werkzeugadhäsion und Aufbauschneide:5.1 Wählen Sie Beschichtungen mit geringen Reibungskoeffizienten (z. B. TiB₂, DLC, nACo), um die Adhäsionstendenzen zu reduzieren.

5.2 Verwenden Sie Kühlschmierstoffe oder MQL, um die Schmierung zu verbessern.

5.3 Halten Sie die Schneidkanten scharf, um Kratzen und Wärmestau durch stumpfe Werkzeuge zu vermeiden.

6. Lösungen für schlechte Oberflächenqualität:

6.1 Optimieren Sie die Freiwinkel und die Kantenbehandlung, um die Schnittglätte zu verbessern.

6.2 Reduzieren Sie den Vorschub, um Vibrationen und Schnittmarken zu minimieren.

6.3 Verwenden Sie Feinschliffwerkzeuge für die Fertigbearbeitung und ziehen Sie mehrere Durchgänge in Betracht: Schruppen → Schlichten → Fertigbearbeiten.

6.4 Tragen Sie Kühlschmierstoffe auf, um lokale Überhitzung und Oxidationsverfärbungen zu verhindern.

7. Lösungen für kurze Werkzeugstandzeit und hohe Bearbeitungskosten:

7.1 Implementieren Sie die oben genannten Strategien umfassend, um die Lebensdauer jedes Werkzeugs zu verlängern.

7.2 Installieren Sie Werkzeugüberwachungssysteme (z. B. automatische Werkzeugwechsel-/Lebensdauererkennung), um eine Überbeanspruchung zu vermeiden.

7.3 Wählen Sie bekannte Marken oder hochwertige beschichtete Werkzeuge, um die Gesamtkosteneffizienz zu verbessern.

7.4 Für die Serienbearbeitung von Superlegierungen wird empfohlen, kundenspezifische Werkzeuge zu verwenden, um die Effizienz und die Kosten zu optimieren.

IX.

Empfohlene Schnittparameter

Beispiel: Inconel 718

Parameter

SchruppenSchlichten

Werkzeugdurchmesser

Diese Parameter sind für die Bearbeitung von Inconel 718 optimiert und berücksichtigen seine anspruchsvollen Materialeigenschaften wie hohe Festigkeit, Härte und Neigung zur Verfestigung. Anpassungen können je nach den spezifischen Maschinenfähigkeiten und Werkzeugbedingungen erforderlich sein.

X. Schlussfolgerung

Obwohl die Bearbeitung von Superlegierungen eine Herausforderung darstellt, ist sie mit der richtigen Werkzeugauswahl und Prozessoptimierung beherrschbar. Fräser spielen eine entscheidende Rolle, und der Erfolg hängt von einer Kombination aus Materialauswahl, Geometrie, Beschichtungen, Kühlung und Strategie ab.

Für kundenspezifische Werkzeuganforderungen oder spezifische Lösungen zur Bearbeitung von Superlegierungen können Sie sich gerne an uns wenden, um technischen Support und Muster zu erhalten.