Ⅰ. Inleiding

Superlegeringen zijn metalen materialen die uitstekende sterkte, oxidatiebestendigheid en corrosiebestendigheid behouden bij hoge temperaturen. Ze worden veel gebruikt in lucht- en ruimtevaartmotoren, gasturbines, nucleaire industrieën en energieapparatuur. Hun superieure eigenschappen vormen echter aanzienlijke uitdagingen voor verspanen. Vooral bij het gebruik van vingerfrezen voor freesbewerkingen zijn problemen zoals snelle gereedschapsslijtage, hoge snijtemperaturen en slechte oppervlaktekwaliteit bijzonder prominent aanwezig. Dit artikel onderzoekt de veelvoorkomende problemen die zich voordoen bij het vingerfrezen van superlegeringen en biedt bijbehorende oplossingen.

Ⅱ. Wat is een superlegering?

Superlegeringen (of hogetemperatuurlegeringen) zijn metalen materialen die een hoge sterkte en uitstekende oxidatie- en corrosiebestendigheid behouden in omgevingen met verhoogde temperaturen. Ze kunnen betrouwbaar werken onder complexe spanning in oxidatieve en gasvormige corrosieomgevingen van 600°C tot 1100°C. Superlegeringen omvatten voornamelijk legeringen op basis van nikkel, kobalt en ijzer en worden veel gebruikt in de lucht- en ruimtevaart, gasturbines, kernenergie, de auto-industrie en de petrochemische industrie.

Ⅲ. Kenmerken van superlegeringen

1.Hoge sterkte bij verhoogde temperaturen
Bestand tegen hoge spanningen gedurende langere perioden bij hoge temperaturen zonder significante kruipvervorming.

2.Uitstekende oxidatie- en corrosiebestendigheid
Behoudt structurele stabiliteit, zelfs bij blootstelling aan lucht, verbrandingsgassen of chemische media bij verhoogde temperaturen.

3.Goede vermoeiings- en breuktaaiheid
Bestand tegen thermische cycli en impactbelastingen in extreme omgevingen.

4.Stabiele microstructuur
Vertoont een goede structurele stabiliteit en is bestand tegen prestatievermindering bij langdurig gebruik bij hoge temperaturen.

Ⅳ. Typische superlegeringsmaterialen

1.Superlegeringen op basis van nikkel
Internationaal gangbare kwaliteiten:

2.Superlegeringen op basis van kobalt

Internationaal gangbare kwaliteiten:

Gangbare Chinese kwaliteiten (met internationale equivalenten):

3.Superlegeringen op basis van ijzer

Eigenschappen: Lage kosten, goede verspaanbaarheid; geschikt voor omgevingen met gemiddelde temperaturen (≤700°C).

Internationaal gangbare kwaliteiten:

Gangbare Chinese kwaliteiten (met internationale equivalenten):

4.Vergelijking van superlegeringen op basis van nikkel, kobalt en ijzer

Ⅴ. Toepassingsvoorbeelden van superlegeringen

Ⅵ. Uitdagingen bij het verspanen van superlegeringen

1. Hoge sterkte en hardheid:

Superlegeringen behouden een hoge sterkte, zelfs bij kamertemperatuur (bijv. de treksterkte van Inconel 718 overschrijdt 1000 MPa). Tijdens het verspanen hebben ze de neiging om een koudverharde laag te vormen (met een hardheid die 2-3 keer toeneemt), wat de snijweerstand in volgende bewerkingen aanzienlijk verhoogt. Onder dergelijke omstandigheden wordt de gereedschapsslijtage verergerd, fluctueren de snijkrachten sterk en is de kans op afbrokkeling van de snijkant groter.

2. Slechte thermische geleidbaarheid en geconcentreerde snijwarmte:

Superlegeringen hebben een lage thermische geleidbaarheid (bijv. de thermische geleidbaarheid van Inconel 718 is slechts 11,4 W/m·K, ongeveer een derde van die van staal). De snijwarmte kan niet snel worden afgevoerd en de temperatuur van de snijpunt kan oplopen tot meer dan 1000°C. Dit zorgt ervoor dat het gereedschapsmateriaal zachter wordt (door onvoldoende roodhardheid) en versnelt de diffusieslijtage.

3. Ernstige koudverharding:

Het materiaaloppervlak wordt harder na het verspanen, wat de gereedschapsslijtage verder intensiveert.

4. Hoge taaiheid en moeilijkheid bij spaanderbeheersing:

De spanen van superlegeringen zijn zeer taai en breken niet gemakkelijk, waardoor vaak lange spanen ontstaan die zich om het gereedschap kunnen wikkelen of het werkoppervlak kunnen bekrassen. Dit beïnvloedt de stabiliteit van het verspaningsproces en verhoogt de gereedschapsslijtage.

5. Hoge chemische reactiviteit:

Legeringen op basis van nikkel zijn gevoelig voor diffusie-reacties met gereedschapsmaterialen (zoals WC-Co gecementeerde carbides), wat leidt tot adhesieslijtage. Dit zorgt ervoor dat het gereedschapsoppervlakmateriaal wordt weggesleten, waardoor een sikkelvormige slijtagekrater ontstaat.

Ⅶ. Veelvoorkomende problemen bij het frezen van superlegeringen met vingerfrezen

1. Ernstige gereedschapsslijtage

• De hoge hardheid en sterkte van superlegeringen leiden tot snelle slijtage van de spaan- en vrijloopvlakken van de vingerfrees.

• Hoge snijtemperaturen kunnen thermische vermoeidheidsscheuren, plastische vervorming en diffusieslijtage in het gereedschap veroorzaken.

2. Overmatige snijtemperatuur

• De slechte thermische geleidbaarheid van superlegeringen betekent dat de grote hoeveelheid warmte die tijdens het snijden wordt gegenereerd, niet op tijd kan worden afgevoerd.

• Dit leidt tot lokale oververhitting van het gereedschap, wat in ernstige gevallen kan leiden tot uitbranden of afbrokkelen van het gereedschap.

3. Ernstige koudverharding

• Superlegeringen zijn gevoelig voor koudverharding tijdens het verspanen, waarbij de oppervlaktehardheid snel toeneemt.

• De volgende snijgang komt een harder oppervlak tegen, waardoor de gereedschapsslijtage wordt verergerd en de snijkrachten toenemen.

4. Hoge snijkrachten en ernstige trillingen

• De hoge sterkte van het materiaal resulteert in grote snijkrachten.

• Als de gereedschapsstructuur niet goed is ontworpen of als het gereedschap niet goed is vastgeklemd, kan dit leiden tot verspaningstrillingen en getril, waardoor het gereedschap beschadigd raakt of de oppervlakteafwerking slecht is.

5. Gereedschapsadhesie en opgebouwde snijkant

• Bij hoge temperaturen heeft het materiaal de neiging om aan de snijkant van het gereedschap te hechten, waardoor een opgebouwde snijkant ontstaat.

• Dit kan onstabiel snijden, oppervlaktekrassen op het werkstuk of onnauwkeurige afmetingen veroorzaken.

6. Slechte kwaliteit van het bewerkte oppervlak

• Veelvoorkomende oppervlaktedefecten zijn bramen, krassen, harde plekken op het oppervlak en verkleuring in de warmtebeïnvloede zone.

• Hoge oppervlakte ruwheid kan de levensduur van het onderdeel beïnvloeden.

7. Korte standtijd en hoge verspaningskosten

• Het gecombineerde effect van de bovenstaande problemen resulteert in een veel kortere standtijd in vergelijking met het verspanen van materialen zoals aluminiumlegering of koolstofarm staal.

• Frequente gereedschapswisselingen, lage verspaningsefficiëntie en hoge verspaningskosten zijn de gevolgen. 8. Oplossingen & Optimalisatie

Ⅷ. Oplossingen en optimalisatie aanbevelingen

1. Oplossingen voor ernstige gereedschapsslijtage:

1.1. Kies ultrafijnkorrelig carbide materiaal (Submicron/Ultrafijnkorrelig Carbide), dat superieure slijtvastheid en transversale breuksterkte biedt.

*Ultrafijnkorrelig gecementeerd carbide wordt veel gebruikt in mallen, snijgereedschappen, precisiebewerking, elektronische componenten en andere gebieden vanwege zijn uitstekende slijtvastheid en hoge hardheid. De typische WC-korrelgrootte varieert van ongeveer 0,2 tot 0,6 μm. Volgens normen van verschillende landen en merken zijn de veelgebruikte kwaliteiten van ultrafijnkorrelig gecementeerd carbide als volgt:

A. Gangbare Chinese ultrafijnkorrelige gecementeerde carbidekwaliteiten (bijv. XTC, Zhuzhou Cemented Carbide, Jiangxi Rare Earth, Meirgute, enz.)

Kwaliteit

Korrelgrootte (μm)

Co-gehalte (%)

2.2 Implementeer hogedrukkoelsystemen (HPC) of minimale hoeveelheid smering (MQL) om de snijwarmte snel te verwijderen.

2.3 Verminder de snijsnelheid (Vc) om de warmteontwikkeling te minimaliseren.

3. Oplossingen voor ernstige koudverharding:

3.1 Verhoog de voeding per tand (fz) om de verblijftijd van het gereedschap in de koudverharde laag te verminderen.

3.2 Kies voor kleinere snededieptes (ap) en meerdere passes om de verharde laag stapsgewijs te verwijderen.

3.3 Houd het gereedschap scherp om te voorkomen dat er met een botte snijkant door de verharde laag wordt gesneden.

4. Oplossingen voor hoge snijkrachten en ernstige trillingen:

4.1 Gebruik gereedschappen met variabele helix en variabele spoed (ongelijke afstand) om resonantie te verminderen.

4.2 Minimaliseer de gereedschapsoversteeklengte (houd de L/D-verhouding <4) om de stijfheid te verbeteren.

4.3 Optimaliseer het opspanontwerp om de stabiliteit van het werkstuk te verbeteren.

4.4 Plan het snijpad verstandig, waarbij indien mogelijk perifere frezen in plaats van vlakfrezen wordt gebruikt.

5. Oplossingen voor gereedschapsadhesie en opgebouwde snijkant:

5.1 Selecteer coatings met lage wrijvingscoëfficiënten (bijv. TiB₂, DLC, nACo) om de neiging tot adhesie te verminderen.5.2 Gebruik snijvloeistoffen of MQL om de smering te verbeteren.

5.3 Onderhoud scherpe snijkanten om schrapen en warmteopbouw veroorzaakt door botte gereedschappen te voorkomen.

6. Oplossingen voor slechte kwaliteit van het bewerkte oppervlak:

6.1 Optimaliseer de vrijloophoeken en kantbehandeling om de snijvlakheid te verbeteren.

6.2 Verminder de voeding om trillingen en snijsporen te minimaliseren.

6.3 Gebruik fijn geslepen gereedschappen voor nabewerking en overweeg meerdere passes: ruw frezen → semi-afwerking frezen → afwerking frezen.

6.4 Breng snijvloeistoffen aan om lokale oververhitting en oxidatieverkleuring te voorkomen.

7. Oplossingen voor korte standtijd en hoge verspaningskosten:

7.1 Implementeer de bovenstaande strategieën uitgebreid om de levensduur van elk gereedschap te verlengen.

7.2 Installeer gereedschapsbewakingssystemen (bijv. automatische gereedschapswisseling/levensduurdetectie) om overmatig gebruik te voorkomen.

7.3 Kies bekende merken of hoogwaardige gecoate gereedschappen om de algehele kosteneffectiviteit te verbeteren.

7.4 Voor batchbewerking van superlegeringen wordt aanbevolen om aangepaste gereedschappen te gebruiken om de efficiëntie en kosten te optimaliseren.

Ⅸ.

Aanbevolen snijparameters

Voorbeeld: Inconel 718

Parameteritem

Ruwbewerking

AfwerkingGereedschapsdiameter

10 mm

Ⅹ. Conclusie

Hoewel het een uitdaging is, is het verspanen van superlegeringen beheersbaar met de juiste gereedschapsselectie en procesoptimalisatie. Vingerfrezen spelen een cruciale rol en succes hangt af van een combinatie van materiaalkeuze, geometrie, coatings, koeling en strategie.

Neem voor aangepaste gereedschapsbehoeften of specifieke oplossingen voor het verspanen van superlegeringen gerust contact met ons op voor technische ondersteuning en monsters.