Werkzeughersteller streben nach robusten Legierungen

Hitzebeständige Superlegierungen (HRSAs) sind Legierungen auf Nickel- und Kobaltbasis, die für Anwendungen geschätzt werden, bei denen Festigkeit, Korrosions- und Oxidationsbeständigkeit sowie Beständigkeit gegen Kontaktverschleiß bei extrem hohen Temperaturen erforderlich sind.

„[Wir sehen] HRSAs als alle Legierungen auf Nickel- und Kobaltbasis, die die Anomalie der Streckgrenze ausnutzen“, bemerkte Alex Minich, Anwendungsingenieur beim Werkzeughersteller Greenleaf Corp., Saegertown, Pennsylvania. Er bezieht sich auf den Fall, dass die Streckgrenze mit der Temperatur zunimmt , im Gegensatz zu den meisten Materialien, die mit zunehmender Hitze weicher werden oder eine geringere Streckgrenze aufweisen. Es scheint eine Anomalie zu sein – daher der Name.

Die gleiche Hitzebeständigkeit (und die mit der Temperatur steigende Streckgrenze), die HRSAs für solche Anwendungen wünschenswert macht, macht sie zu einer Herausforderung bei der maschinellen Bearbeitung. Hier erfahren Sie, wie Hersteller von Schneidwerkzeugen die Arbeit erleichtern.

Die wohl bekannteste Anwendung für HRSAs ist ihr Einsatz in der Luft- und Raumfahrt- und Verteidigungsindustrie in Form von Komponenten für Turbinentriebwerke, die in Jets, Raketen und Flugkörpern eingesetzt werden. Aber auch in der Öl- und Gasindustrie finden die Materialien breite Anwendung. „Öl, Gas und ihre Derivate sowie alles andere, was korrosiv und abrasiv ist und bei hohem Druck und hoher Temperatur gelagert, verarbeitet oder transportiert werden muss, erfordern in der Regel die Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit bei erhöhten Temperaturen, die nur Legierungen auf Ni-Basis bieten können.“ “, sagte Minich.

Einige HRSAs werden auch bei der Herstellung medizinischer Geräte verwendet, nicht unbedingt wegen der Hitzebeständigkeit, sondern wegen der Biokompatibilität sowie der Festigkeits-, Steifigkeits- und Korrosionsbeständigkeitseigenschaften.

Minich stellte außerdem fest, dass nicht alle als HRSA bezeichneten Legierungen tatsächlich die Anforderungen erfüllen. „Manche würden Jethete M152 für einen HRSA halten, aber in unseren Augen ist es nur ein martensitischer Edelstahl mit niedrigem Kohlenstoffgehalt“, sagte er. „Die meisten würden auch viele Legierungen auf Titanbasis als HRSAs betrachten, da viele alpha-reiche Legierungen auf Titanbasis für den Einsatz bei erhöhten Temperaturen ausgelegt sind.“ Echte HRSAs seien nur solche Legierungen auf Nickel- und Kobaltbasis, die sich die Streckgrenzenanomalie zunutze machten, erklärte er.

Obwohl es verschiedene Arten von HRSAs gibt, haben sie alle eine große „Chip-Herausforderung“ gemeinsam. Beim Standardschneiden von Metall wird das Material in Form von Spänen entfernt, die effizient aus der Schneidzone abgeführt werden und dabei einen Großteil der beim Schneidprozess erzeugten Wärme mitnehmen, so Bill Durow, globaler technischer Projektmanager für Luft- und Raumfahrt bei Sandvik Coromant , Mebane, NC

„Wenn man zum Beispiel ein Stück Stahl schneidet, ist es schön glänzend, aber wenn man sich die Späne anschließend anschaut, sieht man, dass sie aufgrund der Hitze, die sie beim Metallschneiden aufgenommen haben, dunkelblau geworden sind Prozess“, sagte er. Bei hitzebeständigen Materialien passiert das aber nicht. Anstatt von den Spänen absorbiert und mit ihnen abgeführt zu werden, verbleibt die durch Reibung erzeugte Wärme oft im Prozess. „Normalerweise bleiben etwa 80 Prozent der Wärme genau in dieser Schnittzone“, sagte Durow. „Es geht zurück in die Einlage, was, wenn man darüber nachdenkt, keine gute Situation für die Einlage ist.“

Es gibt noch einen weiteren Unterschied zwischen Spänen aus Standardstählen und Spänen aus HRSAs. Beim Drehen brechen die üblichen Stahlspäne in einer Größe und Form ab, die eine einfache Entfernung aus der Schneidzone ermöglicht. Nicht so beim Drehen von HRSAs. „Beim Drehen von Nickelmaterialien bricht nicht gern ein Span ab“, sagte Durow. Stattdessen „werden Sie diese langen Stringer bekommen.“ Der Chip kann sich tatsächlich um Ihr Werkzeug wickeln. Schlimmer noch, es kann sich um das Werkstück wickeln und es beschädigen.“ Das ist keine gute Situation, wenn Sie beispielsweise kritische Motorteile herstellen.

Eine Lösung besteht laut Durow darin, Hochdruckkühlmittel mit einem Druck von bis zu 100 bar (1.400 psi) in die Schneidzone zu leiten, um den Span aus dem Weg zu brechen. „Das ist viel mehr als nur das Verspritzen von Wasser in der Schneidzone“, sagte er. „Wir verfügen über Düsen, die das Kühlmittel mit hohem Druck präzise in die Schneidzone leiten und so einen hydraulischen Keil erzeugen, der den Span nach oben über den Einsatz drückt und ihn im Wesentlichen zurückbiegt, um ihn zu brechen.“

HRSA-Materialien werden entweder mit Hartmetallwerkzeugen oder -einsätzen bearbeitet, die eine bessere Endbearbeitung ermöglichen, aber vergleichsweise geringere Schnittflächen in Fuß pro Minute (sfm) aufweisen, oder mit Keramikwerkzeugen, die eine viel höhere sfm ermöglichen. „Keramik ist normalerweise ausschließlich auf das Schruppen, möglicherweise Halbschlichten, ausgerichtet, aber nicht auf das Schlichten, wo Hartmetall im Vorteil ist“, sagte William Fiorenza, Produktmanager für Die & Mold, Ingersoll Cutting Tool Co., Rockford, Illinois. „Der Löwenanteil der Zykluszeitverkürzung wird auf den Schruppprozess und nicht unbedingt auf den Schlichtprozess zurückzuführen sein. Aber wenn die Anforderungen eine makellose Oberfläche erfordern, dann [verwenden] Sie Vollhartmetall.“

Laut Randy Hudgins, nationaler Produktmanager für Drehen bei Iscar USA, Arlington, Texas, ist die Hitze eine besonders ärgerliche Situation bei der Verwendung von Hartmetallwerkzeugen oder -einsätzen. „Um einen Span zu bilden, muss das Material durch den Prozess plastifiziert werden, aber der hohe Nickelgehalt in Inconel, Waspaloy und anderen HRSAs macht sie so hitzebeständig, dass die Temperaturen, die zum Beginn der Plastifizierung erforderlich sind, schädlich für Ihr Hartmetall sind.“ Das Bindemittel für Karbid ist Kobalt, und der Schmelzpunkt von Kobalt liegt bei etwa 2.700 °F; Die Temperatur, die zum Plastifizieren dieser Nickelbasislegierungen erforderlich ist, liegt bei über 3.000 °F.“ sagte Hudgins. „Sie laufen Gefahr, Ihr Kobalt wegzuschmelzen.“

Aus diesem Grund würden im Rahmen des Werkzeugbauprozesses hitzebeständige Beschichtungen wie Titanaluminiumnitrid (TiAlN) oder Aluminiumoxid (Al2O3) auf das Substrat aufgetragen, sagte er.

Die hohen Temperaturen bereiten Hartmetallwerkzeugen aber auch auf andere Weise Probleme. Durch den heißen Kontakt der Schneidkante mit dem HRSA-Werkstück wird das Material effektiv kaltverfestigt und mit einer Zunderschicht versehen. „Im Grunde handelt es sich um eine Wärmebehandlung“, sagte Hudgins. „Nehmen wir an, dass Sie bei jedem Durchgang pro Seite eine Schnitttiefe von einem Achtel Zoll erzielen. Was passiert, ist, dass der Schneiddurchgang das Material kaltverfestigt. Dann kommen Sie zurück und nehmen eine weitere Schnitttiefe von einem Achtel Zoll vor. Nun, der vorherige Durchgang liegt jetzt ein Achtel Zoll über der Seite Ihres Hartmetalls. Jetzt haben Sie also das kaltverfestigte Material in Kontakt mit Ihrem Hartmetall und es beginnt, es zu erodieren. Sie erhalten das, was wir als Schnitttiefenkerbe bezeichnen. Es fängt an, Ihr Hartmetall einzukerben.“

Eine Möglichkeit, dem entgegenzuwirken, bestehe darin, die Schnitttiefe zu variieren, sagte er. „Nehmen wir an, Sie beginnen mit einer Schnitttiefe von 150 Tausendstel. Sie könnten dann auf 100, dann auf 75 und dann auf 50 sinken. Dadurch wird die kaltverfestigte Oberfläche in unterschiedlichen Abständen entlang der Länge des Hartmetalls auf und ab bewegt. „Das kaltverfestigte Material hat keine Chance, sich so schnell festzusetzen und das Karbid abzutragen“, sagte Hudgins.

Eine weitere Herausforderung, die es beim Schneidprozess zu berücksichtigen gilt, ist die Komplexität des Designs des zu schneidenden Teils, betonte Fiorenza von Ingersoll. Und er sagte, es gebe mehr Komplexität als je zuvor.

Insbesondere bei Fräsanwendungen „sind die Teile- und Merkmalsformen im Laufe der Jahre komplexer geworden“, sagte Fiorenza. „Aufgrund der Fortschritte in der CAM- und CAD-Software werden Teileformen immer freier. Während Teile in der Vergangenheit möglicherweise offener waren, nehmen sich Designer die Freiheit, detailliertere Funktionen in diesen verschiedenen Teilen einzuführen. Teile werden mit kleineren Merkmalen mit engem Radius konstruiert, bei denen die Fräser einen größeren radialen Eingriff haben müssen. In solchen Situationen wird aufgrund des radialen Eingriffs eine größere Wärmemenge erzeugt. Dies kann manchmal dazu führen, dass die Bearbeitung schwierig ist. Beispielsweise können die hohen Temperaturen dazu führen, dass sich dünnwandige Teile verziehen, wenn die richtigen Bearbeitungstechniken nicht befolgt werden.“

Sie versuchen, diese Bedingungen durch strenge Kontrolle über den Prozess zu bewältigen.

Beim Fräsen mit Vollhartmetallwerkzeugen „muss während des Prozesses eine genaue Kantenvorbereitung gewährleistet und überwacht werden“, sagte Fiorenza. „Darüber hinaus können spezielle Wendeschneidplattendesigns dazu beitragen, die Schneidleistung zu optimieren – zum Beispiel speziell entwickelte Spanflächengeometrien, Kantenvorbereitungen und Wendeplattenflecken im Fräser.“

Und obwohl diese Softwarefortschritte im CAD/CAM-Bereich die Teile – und damit den Schneidprozess – komplexer gemacht haben, werden sie durch andere Softwarefortschritte ausgeglichen.

„Die heutigen Werkzeugwegalgorithmen sind gut ausbalanciert und ermöglichen den einfacheren Einsatz von Hochgeschwindigkeitsbearbeitungstechniken. Diese flüssigeren Werkzeugwege ermöglichen es uns, diese Hochtemperaturmaterialien effizienter anzugreifen und radiale Eingriffe zu minimieren“, sagte Fiorenza.

Anspruchsvoller zu bearbeitende Teilekonstruktionen stellen nur einen Bereich dar, in dem sich die Erwartungen der Hersteller weiterentwickeln. Außerdem wächst der Druck auf sie – und damit auch auf Maschinenbauer und Werkzeugbauer, die an der HRSA-Bearbeitung beteiligt sind –, immer kürzere Zykluszeiten und geringere Werkzeugkosten zu ermöglichen.

„Das Gesamtbild zeigt, dass die Keramikbearbeitung von HRSAs heute nicht mehr so ​​neu ist wie Mitte der 1980er Jahre, und die aktuellen Benutzerziele reichen von der Erhöhung der Durchsatzkapazität – durch Erhöhung der Metallabtragsraten – bis hin zur Reduzierung der Gesamtkosten bei gleichzeitiger Wartung oder die Prozessstabilität verbessern“, sagte Minich von Greenleaf.

„Die Jahre vor der Pandemie waren das goldene Zeitalter der kommerziellen Luft- und Raumfahrt – und wir gehen davon aus, dass es wiederkommen wird“, fuhr er fort. Die Diagramme zum [Stand der Branche] waren alle sehr grün und zeigten einen Aufwärtstrend, und die Hauptvoraussetzung für den Erfolg war die Reduzierung der Zykluszeit.“ Seit Beginn der COVID-19-Pandemie habe seiner Meinung nach jedoch die Kostensenkung eine höhere Priorität erhalten.

Die Werkzeugstandzeit wirkt sich auf beide Bereiche aus. Ganz gleich, ob es sich um Fräsen oder Drehen, um Hartmetall oder Keramik handelt, die Werkzeuge, die bei HRSAs verwendet werden, neigen dazu, wie das Sprichwort sagt: „Schnell zu leben und jung zu sterben.“ Die Lebensdauer dieser nicht billigen Werkzeuge ist relativ kurz.

„Es gibt eine Reihe von Faktoren, die unserer Kontrolle unterliegen und die unserer Meinung nach einen großen Einfluss auf die Standzeit von Keramik bei der Bearbeitung von HRSAs haben“, sagte Minich. Zu den Faktoren gehören: Werkzeugauswahl; Steifigkeit und Stabilität; Grad; Form (Makrogeometrie); Kantenvorbereitung (Mikrogeometrie), Werkzeugweg/Bearbeitungsstrategie; Schnittbedingungen; Geschwindigkeit; und Spandicke. „Die schwieriger zu maximierende dieser Variablen ist sicherlich die Werkzeugstandzeit.“

Die Herausforderung sei je nach Schneidaufgabe unterschiedlich, sagte er. „Beim Fräsen und Drehen von HRSAs legen die Materialeigenschaften eines Keramikschneidwerkzeugs ganz unterschiedliche Prioritäten. Die Werkzeuglebensdauer beim Fräsen profitiert am meisten von der hohen Biegebruchfestigkeit (TRS), der Schlagzähigkeit und der Beständigkeit gegen Risswachstum infolge thermischer Zyklen. Zum Drehen ist ein Werkzeug erforderlich, das bei höheren Temperaturen seine chemische Stabilität und Härte beibehält, widerstandsfähiger gegen abrasiven Verschleiß ist, aber dennoch über einen ausreichend hohen TRS verfügt, um die Spanlast sowie Richtungs- und Größenänderungen der mechanischen Beanspruchung bewältigen zu können. Schließlich erfordert jede Bearbeitung von HRSAs, dass die Keramiksorte eine nennenswerte Beständigkeit gegen Risswachstum aufweist.“

Greenleaf bietet Lösungen zur Maximierung der Werkzeugstandzeit sowohl beim Fräsen als auch beim Drehen. „Mit XSYTIN-1 – einer einzigartigen Sorte auf Siliziumnitridbasis – erfüllen wir die Anforderungen beim Fräsen, beim Entfernen von Schmiedezunder und beim Drehen mit starken Unterbrechungen. Das Drehen wurde inzwischen mit WG-600 angegangen – einer beschichteten, mit Whiskers verstärkten Keramiksorte. Bei optimalen Schnittbedingungen ist es in der Lage, an einem einzigen Kontaktpunkt in Inconel 718 einen regelmäßigen Verschleiß über mehr als 20 Minuten Schnittzeit aufrechtzuerhalten“, sagte Minich.

Das neueste Produkt, das Greenleaf speziell im Hinblick auf Kosteneinsparungen bei HRSAs entwickelt hat, ist XSYTIN-360. „Als Vollschaftfräser aus dem XSYTIN-1-Material bietet er die Produktivität des Keramikfräsens bei Durchmessern, die bisher Hartmetall vorbehalten waren, mit deutlich höherer Werkzeugstandzeit – gemessen am pro Werkzeug abgetragenen Materialvolumen – als die Besten auf dem Markt. Vollhartmetall-Rundwerkzeuge der Spitzenklasse“, sagte er. „Aufgrund der Querbruchfestigkeit und Schlagzähigkeit von XSYTIN-1 ist XSYTIN-360 auch ein leichter zugängliches Werkzeug, da es bei niedrigeren Geschwindigkeiten eingesetzt werden kann, was den Spindelbedarf reduziert. Und XSYTIN-360 kann auch nachgeschliffen werden, was weitere Kosteneinsparungen bietet“, schloss er.

Zu den jüngsten Innovationen bei Sandvik Coromant gehören neue Drehsorten. „Unsere neueste Entwicklung ist eine brandneue Drehsorte, die wir für Endbearbeitungsanwendungen bei Triebwerkskomponenten für die Luft- und Raumfahrt im Bereich HRSA-Drehen entwickelt haben. Es heißt S205“, sagte Durow von Sandvik Coromant. „Aufgrund von Beschichtungen und neuen Substraten ist es viel hitzebeständiger als die Vorgängersorten und kann daher 30–50 Prozent höhere Schnittgeschwindigkeiten bewältigen. Auch bei den Einsätzen gibt es einige neue Nachbearbeitungen. Diese CVD-beschichtete Sorte S205 ist in fast allen unseren Standard-Wendeplattenportfolios verfügbar.“

Das Unternehmen habe auch sein CBN-Portfolio (kubisches Bornitrid) optimiert, sagte Durow. „CB7014 ist eine Hochgeschwindigkeits-CBN-Drehlösung für Nickelbasislegierungen.“ Die Sorte 7014 gibt es schon seit einiger Zeit, aber das Unternehmen hat kürzlich einige Geometrien optimiert, um HRSA-Arbeiten besser zu unterstützen.

„CBN wird typischerweise bei der Hartteilbearbeitung eingesetzt. „Sehr harte Stähle für Zahnräder und ähnliches“, fügte er hinzu. „Aber wir haben herausgefunden, dass dieses CBN-Material auch in Luft- und Raumfahrtmaterialien sehr gut funktioniert. Das Problem war die Kantenleistung bei der Verwendung auf diesen. Während Sie für die Bearbeitung dieser harten Stähle normalerweise eine andere Kantenvorbereitung benötigen, werden HRSA-Materialien oder Materialien gerne geschert. Wir mussten eine schärfere Kantenlinie erstellen. Deshalb haben wir tatsächlich einige der Geometrien dieser verschiedenen Einsätze optimiert, um sie sehr gut mit diesen HRSA-Materialien zu funktionieren.“

Diese Details seien für Luft- und Raumfahrtunternehmen sehr wichtig, betonte Durow. „Sie mögen diese Prozesssicherheit. Sie möchten einen Knopf drücken und wissen, dass das Werkzeug für eine bestimmte Zeitspanne halten wird. Sie könnten eine Produktion ohne Licht machen. Sie möchten sich keine Sorgen machen müssen, dass während des Betriebs etwas ausfällt, denn die Teile sind extrem teuer und die Vorschriften, die sie einhalten müssen, sind recht umfangreich.“

Laut Randy Hudgins, nationaler Produktmanager für Drehen bei Iscar USA, wurden bei Iscar neue Hartmetall- und Keramiksorten für Inconel und andere HRSAs entwickelt. „Unsere Hartmetallsorte IC806 wurde speziell für Inconel 718 entwickelt und wird auch für andere hitzebeständige Legierungen eingesetzt“, sagte Hudgins. „Es war so erfolgreich, dass unsere Ingenieure eine Sorte mit einem noch härteren Substrat für die Schlichtbearbeitung und den Betrieb bei höheren Oberflächengeschwindigkeiten entwickelt haben – die Sorte IC804.

„Beim Drehen von Inconel war es [früher so], dass man ziemlich gut abschnitt, wenn man 100 sfm erreichte“, fuhr er fort. „Mit diesem IC806 nähern wir uns 200 sfm und erreichen eine anständige Werkzeugstandzeit. Dann haben sie IC804 mit einem härteren Substrat entwickelt, und damit sind wir bei über 250 sfm.

Neben diesen Qualitäten verfügt Iscar jetzt auch über SiAlON-Qualitäten – Silizium-Aluminium-Sauerstoffnitrit. SiAlON ist im Grunde eine Keramik – nämlich IS35 und IS25. „In unserer Nomenklatur gilt: Je größer die Zahl, desto härter die Note; Je kleiner die Zahl, desto härter oder verschleißfester ist die Sorte“, sagte Hudgins. „Der IS35 ist also der härtere von beiden. Normalerweise beginne ich mit IS35, weil es sich sehr gut zum Durchtrennen der kaltverfestigten Zunder eignet, die sich auf diesen Legierungen bildet. Und mit diesen Qualitäten sind wir statt 200, 250 sfm jetzt bei 600 bis 800 sfm.“

Laut Fiorenza konzentrieren sich die jüngsten Innovationen bei Ingersoll Cutting Tools auf eine neue Keramiklinie, die zwei einzigartige Wendeplattendesigns bietet. „Diese Designs sind neu für die Branche und den Markt“, sagte er. „Diese neue Linie wurde Ende 2020 auf den Markt gebracht und hat bei vielen anspruchsvollen HRSA-Schruppfräsanwendungen eine sehr hohe Erfolgsquote erzielt.“

CERASFEED Hi-Feed Wendeschneidplatten-Keramikfräser verwenden 9 mm und 12 mm Wendeschneidplatten mit Hochvorschub-Wendeplattengeometrien. Die starke Wendeschneidplattenklemmung des Systems ermöglicht laut Fiorenza „blasenbildende“ Vorschubgeschwindigkeiten. „Die Dichte der Einsätze ist höher, um die Produktivität zu steigern“, sagte er.

Auf der Keramikseite ermögliche die neue SiAlON-Sorte IN76N des Unternehmens einen besseren Durchsatz bei anspruchsvollen Mahlprozessen, sagte er. Laut Unternehmensliteratur ist die SFM-Rate bis zu 33-mal höher als die von Vollhartmetall (3.000 SFM, im Gegensatz zu 60–90 SFM für Hartmetall).

Fiorenza sagte, er sei immer wieder überrascht von Kunden, die die Bedeutung der Gesamtproduktionskosten bei der HRSA-Bearbeitung herunterspielen. „In der Luft- und Raumfahrt kann das Werkstück der teuerste Teil im Bearbeitungsprozess sein“, betonte er. „Ja, das Bearbeitungszentrum ist in manchen Fällen das Teuerste, aber das Fahrwerk kann beispielsweise über 1 Million US-Dollar pro Stück kosten. Und das kostengünstigste Teil ist normalerweise das Schneidwerkzeug oder der Einsatz, der in das Schneidwerkzeug eingesetzt wird. Man könnte also annehmen, dass den Gesamtkosten für den erfolgreichen Einsatz dieser Einsätze die größte Aufmerksamkeit gewidmet wird. Das passiert nicht immer, aber es sollte passieren.“

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