Superalloys là các vật liệu kim loại duy trì sức mạnh tuyệt vời, khả năng chống oxy hóa và khả năng chống ăn mòn ở nhiệt độ cao. Chúng được sử dụng rộng rãi trong động cơ hàng không vũ trụ, tua-bin khí,ngành công nghiệp hạt nhânTuy nhiên, tính chất vượt trội của chúng đặt ra những thách thức đáng kể đối với gia công.nhiệt độ cắt caoBài viết này khám phá các vấn đề phổ biến gặp phải khi nghiền siêu hợp kim và cung cấp các giải pháp tương ứng.
Các hợp kim siêu (hoặc hợp kim nhiệt độ cao) là các vật liệu kim loại giữ được độ bền cao và khả năng chống oxy hóa và ăn mòn xuất sắc trong môi trường nhiệt độ cao.Chúng có thể hoạt động đáng tin cậy dưới áp lực phức tạp trong môi trường ăn mòn oxy hóa và khí từ 600 °C đến 1100 °CCác hợp kim siêu bao gồm chủ yếu hợp kim dựa trên niken, cobalt và sắt và được sử dụng rộng rãi trong ngành hàng không vũ trụ, tua-bin khí đốt, năng lượng hạt nhân, ô tô và hóa dầu.
1.Sức mạnh cao ở nhiệt độ cao
Có khả năng chịu được căng thẳng cao trong thời gian dài ở nhiệt độ cao mà không bị biến dạng bò đáng kể.
2.Chống oxy hóa và ăn mòn tuyệt vời
Duy trì sự ổn định cấu trúc ngay cả khi tiếp xúc với không khí, khí đốt hoặc môi trường hóa học ở nhiệt độ cao.
3.Độ cứng mệt mỏi và gãy tốt
Có khả năng chống lại chu kỳ nhiệt và tải tác động trong môi trường khắc nghiệt.
4.Cấu trúc vi mô ổn định
Hiển thị sự ổn định cấu trúc tốt và chống lại sự suy giảm hiệu suất trong quá trình sử dụng nhiệt độ cao lâu dài.
1.Các siêu hợp kim dựa trên niken
Các điểm phổ biến quốc tế:
| Thể loại | Đặc điểm | Các ứng dụng điển hình |
| Inconel 718 | Sức mạnh nhiệt độ cao tuyệt vời, khả năng hàn tốt | Động cơ máy bay, thành phần lò phản ứng hạt nhân |
| Inconel 625 | Chống ăn mòn mạnh, chống nước biển và hóa chất | Thiết bị hàng hải, thùng chứa hóa chất |
| Inconel X-750 | Chống bò mạnh, phù hợp với tải trọng nhiệt độ cao lâu dài | Các bộ phận của tua-bin, suối, thiết bị buộc |
| Waspaloy | Duy trì độ bền cao ở nhiệt độ 700-870 °C | Blades của tuabin khí, các thành phần niêm phong |
| René 41 | Hiệu suất cơ học nhiệt độ cao vượt trội | Phòng đốt động cơ phản lực, vòi đuôi |
| Thể loại | Đặc điểm | Ứng dụng |
| Stellite 6 | Chống mòn tuyệt vời và chống ăn mòn nóng | Máy van, bề mặt niêm phong, công cụ cắt |
| Haynes 188 | Chống oxy hóa tốt và chống bò ở nhiệt độ cao | Các bộ phận của vỏ tuabin, buồng đốt |
| Mar-M509 | Chống ăn mòn và mệt mỏi nhiệt mạnh | Các thành phần kết thúc nóng của tuabin khí |
| Thể loại | Đặc điểm | Ứng dụng |
| K640 | Tương đương với Stellite 6 | Các hợp kim van, thiết bị nhiệt |
| GH605 | Tương tự Haynes 25 | Các nhiệm vụ không gian có người lái, tua-bin công nghiệp |
Đặc điểm:Chi phí thấp, khả năng gia công tốt; phù hợp với môi trường nhiệt độ trung bình (≤ 700 °C).
| Thể loại | Đặc điểm | Ứng dụng |
| A-286 (UNS S66286) | Sức mạnh nhiệt độ cao và khả năng hàn tốt | Các bộ kết nối động cơ máy bay, các thành phần của tuabin khí |
| Hợp kim 800H/800HT | Sự ổn định cấu trúc tuyệt vời và khả năng chống ăn mòn | Máy trao đổi nhiệt, máy phát hơi |
| 310S Thép không gỉ | Chống oxy hóa, chi phí thấp | Các ống lò, hệ thống xả |
| Thể loại | Tương đương quốc tế | Ứng dụng |
| 1Cr18Ni9Ti | Tương tự như 304 thép không gỉ | Môi trường nhiệt độ cao chung |
| GH2132 | Tương đương với A-286 | Bốt, niêm phong, lò xo |
| Loại hợp kim | Phạm vi nhiệt độ hoạt động | Sức mạnh | Chống ăn mòn | Chi phí | Các ứng dụng điển hình |
| Dựa trên niken | ≤1100°C | ★★★★★ | ★★★★★ | Cao | Hàng không vũ trụ, năng lượng, năng lượng hạt nhân |
| Dựa trên cobalt | ≤ 1000°C | ★★★★ | ★★★★★ | Tăng tương đối | Ngành công nghiệp hóa học, tua-bin khí |
| Dựa trên sắt | ≤ 750°C | ★★★ | ★★★ | Mức thấp | Công nghiệp chung, các bộ phận cấu trúc |
| Ngành công nghiệp | Các thành phần ứng dụng |
| Hàng không vũ trụ | Blades của tua-bin, buồng đốt, vòi phun, vòng niêm phong |
| Thiết bị năng lượng | Blades của tuabin khí, các thành phần của lò phản ứng hạt nhân |
| Ngành công nghiệp hóa học | Các lò phản ứng nhiệt độ cao, bộ trao đổi nhiệt, máy bơm và van chống ăn mòn |
| Khoan dầu | Máy niêm phong nhiệt độ cao và áp suất cao, công cụ hố |
| Ngành công nghiệp ô tô | Các thành phần tăng áp, hệ thống xả hiệu suất cao |
Superalloys duy trì độ bền cao ngay cả ở nhiệt độ phòng ((ví dụ, độ bền kéo của Inconel 718 vượt quá 1000 MPa). Trong quá trình gia công,chúng có xu hướng tạo thành một lớp cứng (với độ cứng tăng 2-3 lần)Điều này làm tăng đáng kể sức đề kháng cắt trong các hoạt động tiếp theo.và chipping của cạnh cắt có nhiều khả năng xảy ra.
Superalloys có độ dẫn nhiệt thấp ((ví dụ, độ dẫn nhiệt của Inconel 718 chỉ là 11,4 W/m·K,khoảng một phần ba của thép).và nhiệt độ đầu cắt có thể vượt quá 1000 °CĐiều này làm cho vật liệu công cụ mềm (do độ cứng đỏ không đủ) và tăng tốc độ mòn lan truyền.
Bề mặt vật liệu trở nên cứng sau khi gia công, làm tăng thêm sự mòn của công cụ.
Các chip của siêu hợp kim rất cứng và không dễ vỡ,thường tạo thành các chip dài có thể bọc xung quanh công cụ hoặc cào bề mặt đồ đạc.Điều này ảnh hưởng đến sự ổn định của quá trình gia công và làm tăng mòn công cụ.
Các hợp kim dựa trên niken dễ bị phản ứng khuếch tán với các vật liệu công cụ ((như WC-Co carbide xi măng), dẫn đến mài mòn chất kết dính. Điều này làm cho vật liệu bề mặt công cụ bị mòn,tạo thành một miệng hố mòn hình nửa tháng.
• Độ cứng và độ bền cao của siêu hợp kim dẫn đến sự mòn nhanh chóng của mặt cào và mặt bên của máy xay cuối.
• Nhiệt độ cắt cao có thể gây ra vết nứt do mệt mỏi nhiệt, biến dạng nhựa và hao mòn khuếch tán trong công cụ.
• Tính dẫn nhiệt kém của siêu hợp kim có nghĩa là lượng nhiệt lớn được tạo ra trong quá trình cắt không thể tiêu tan kịp thời.
• Điều này dẫn đến sự quá nóng tại chỗ của công cụ, có thể gây ra sự kiệt sức của công cụ hoặc bị vỡ trong trường hợp nghiêm trọng.
• Superalloys có xu hướng làm cứng trong quá trình gia công, với độ cứng bề mặt tăng nhanh chóng.
• Chuyến cắt tiếp theo gặp mặt một bề mặt cứng hơn, làm trầm trọng thêm sự mòn của công cụ và tăng lực cắt.
• Sức mạnh cao của vật liệu dẫn đến lực cắt lớn.
• Nếu cấu trúc công cụ không được thiết kế đúng cách hoặc nếu công cụ không được kẹp chặt chẽ, nó có thể dẫn đến rung động gia công và tiếng vang, gây ra thiệt hại cho công cụ hoặc kết thúc bề mặt kém.
• Ở nhiệt độ cao, vật liệu có xu hướng dính vào cạnh cắt của công cụ, tạo thành một cạnh tích tụ.
• Điều này có thể gây ra cắt không ổn định, vết trầy xước bề mặt trên mảnh làm việc hoặc kích thước không chính xác.
• Các khiếm khuyết bề mặt phổ biến bao gồm râu, vết trầy xước,những điểm cứng trên bề mặt và đổi màu ở vùng bị ảnh hưởng bởi nhiệt.
• Độ thô bề mặt cao có thể ảnh hưởng đến tuổi thọ của bộ phận.
• Tác dụng kết hợp của các vấn đề trên dẫn đến tuổi thọ công cụ ngắn hơn nhiều so với các vật liệu gia công như hợp kim nhôm hoặc thép carbon thấp.
• Các hậu quả là thay thế công cụ thường xuyên, hiệu quả gia công thấp và chi phí gia công cao.8. Giải pháp & Tối ưu hóa
ⅧCác giải pháp và khuyến nghị tối ưu hóa
1Các giải pháp cho sự mài mòn công cụ nghiêm trọng:
1.1.Chọn vật liệu cacbít hạt siêu mịn ((Submicron / Ultrafine grain Carbide), cung cấp khả năng chống mòn vượt trội và sức mạnh gãy ngang.
* Carbure xi măng hạt siêu mịn được sử dụng rộng rãi trong khuôn, công cụ cắt, gia công chính xác, linh kiện điện tử và các lĩnh vực khác do khả năng chống mòn tuyệt vời và độ cứng cao.Kích thước hạt WC điển hình dao động từ khoảng 0.2 đến 0,6 μm. Theo các tiêu chuẩn từ các quốc gia và thương hiệu khác nhau, các loại carbure xi măng hạt siêu mịn thường được sử dụng là như sau:
A. Trung Quốc Thường sử dụng loại Carbide Cemented Grain Ultrafine (ví dụ: XTC, Zhuzhou Cemented Carbide, Jiangxi Rare Earth, Meirgute, v.v.)
| Thể loại | Kích thước hạt (μm)) | Nồng độ Co (%) | Tính năng và ứng dụng |
| YG6X | 0.6 | 6.0 | Thích hợp cho các ứng dụng chính xác cao và độ cứng cao; lý tưởng để hoàn thiện vật liệu cứng. |
| YG8X | 0.6 | 8.0 | Sức mạnh uốn cong và độ dẻo dai tốt hơn một chút so với YG6X; phù hợp với các công cụ như máy cắt và khoan. |
| YG10X | 0.6 | 10.0 | Hiệu suất tổng thể tuyệt vời; phù hợp với các ứng dụng đòi hỏi cả khả năng chống mòn và độ dẻo dai. |
| ZK10UF | ~0.5 | 10.0 | Chất liệu carbure Zhuzhou, được sử dụng cho khoan vi mô, khoan PCB và các công cụ chính xác khác. |
| TF08 | 0.5 | 8.0 | Meirgute lớp siêu mỏng, phù hợp với gia công hợp kim titan và kim loại khó cắt. |
| WF25 | 0.5 | 12.0 | Được tối ưu hóa đặc biệt cho gia công hợp kim titan và thép không gỉ, có khả năng chống vỡ mạnh. |
B.German Grades (ví dụ CERATIZIT, H.C. Starck, v.v.)
| Thể loại | Kích thước hạt (μm)) | Nồng độ Co (%) | Tính năng và ứng dụng |
| CTU08A | 0.4 | 8.0 | Độ cứng cực cao, phù hợp với gia công chính xác tốc độ cao. |
| K40UF | 0.5 | 10.0 | Chống mòn cao; lý tưởng cho cắt khô và gia công nhôm. |
| S10 | 0.5 | 10.0 | Thích hợp cho vật liệu cứng và gia công gốm. |
C. Các loại Nhật Bản (ví dụ: Mitsubishi, Sumitomo, Toshiba, v.v.)
| Thể loại | Kích thước hạt (μm)) | Nồng độ Co (%) | Tính năng và ứng dụng |
| UF10 | 0.4-0.6 | 10.0 | Sumitomo thường được sử dụng chất lượng siêu mịn, phù hợp với máy xay cuối chính xác. |
| TF20 | 0.5 | 12.0 | Mitsubishi cao độ cứng lớp siêu mỏng, được sử dụng để xay vật liệu khó chế biến. |
| SF10 | 0.5 | 10.0 | Được sử dụng cho khoan đường kính nhỏ, công cụ PCB, vv. |
D. Các loại Hoa Kỳ ((Kennametal、Carbide Hoa Kỳ)
| Thể loại | Kích thước hạt (μm)) | Nồng độ Co (%) | Tính năng và ứng dụng |
| K313 | 0.4 | 6.0 | Độ cứng cao, hàm lượng Co thấp, phù hợp với gia công vật liệu cứng. |
| KD10F | 0.6 | 10.0 | Lớp siêu mỏng với khả năng chống mòn tuyệt vời. |
| GU10F | 0.4-0.5 | 10.0 | Được sử dụng trong các ứng dụng đòi hỏi chất lượng bề mặt cao. |
1.2Tối ưu hóa hình học công cụ, chẳng hạn như giảm góc cào và duy trì một góc trống vừa phải, để tăng cường sức mạnh cạnh.
1.3Thực hiện cạnh mài để ngăn chặn chipping và sự lan rộng của microcracks.
2- Giải pháp cho nhiệt độ cắt quá cao:
2.1 Sử dụng các lớp phủ chống nhiệt hiệu suất cao, chẳng hạn như AlTiN, SiAlN hoặc nACo, có khả năng chịu nhiệt độ cắt 800-1000 °C.
2.2 Thực hiện các hệ thống làm mát áp suất cao ((HPC) hoặc bôi trơn số lượng tối thiểu ((MQL) để loại bỏ nhiệt cắt nhanh chóng.
2.3 Giảm tốc độ cắt ((Vc) để giảm thiểu việc tạo ra nhiệt.
3Giải pháp cho việc làm nặng:
3.1 Tăng lượng cho mỗi răng để giảm thời gian của công cụ trong lớp cứng.
3.2 Chọn độ sâu cắt nhỏ hơn và nhiều lần để loại bỏ lớp cứng dần dần.
3.3 Giữ công cụ sắc nét để tránh cắt với một cạnh đục xuyên qua lớp cứng.
4- Giải pháp cho lực cắt cao và rung động mạnh:
4.1 Sử dụng các công cụ xoắn ốc biến đổi và các công cụ pitch biến đổi ((không bằng cách cách) để giảm cộng hưởng.
4.2 Giảm tối thiểu chiều dài treo công cụ (giữ tỷ lệ L / D < 4) để tăng độ cứng.
4.3 Tối ưu hóa thiết kế thiết bị để cải thiện sự ổn định của mảnh làm việc.
4.4 Lập kế hoạch đường cắt một cách khôn ngoan, sử dụng mài xung quanh thay vì mài mặt khi có thể.
5- Giải pháp cho sự bám sát công cụ và cạnh xây dựng:
5.1 Chọn các lớp phủ có hệ số ma sát thấp (ví dụ TiB2,DLC,nACo) để giảm xu hướng dính.
5.2 Sử dụng chất lỏng cắt hoặc MQL để cải thiện độ bôi trơn.
5.3 Giữ các cạnh cắt sắc để ngăn ngừa cạo và tích tụ nhiệt do các công cụ mờ.
6Giải pháp cho chất lượng bề mặt máy kém:
6.1 Tối ưu hóa các góc trống và xử lý cạnh để cải thiện độ mịn cắt.
6.2 Giảm tốc độ cấp để giảm thiểu rung động và vết cắt.
6.3 Sử dụng các công cụ nghiền mịn để gia công kết thúc và xem xét nhiều bước: nghiền thô→ nghiền bán kết thúc→ nghiền kết thúc.
6.4 Áp dụng chất lỏng cắt để ngăn ngừa quá nóng và đổi màu do oxy hóa.
7Giải pháp cho thời gian sử dụng công cụ ngắn và chi phí gia công cao:
7.1 Thực hiện các chiến lược trên một cách toàn diện để kéo dài tuổi thọ của mỗi công cụ.
7.2 Lắp đặt hệ thống giám sát công cụ ((ví dụ: tự động thay đổi công cụ / phát hiện thời gian sử dụng) để tránh sử dụng quá mức.
7.3 Chọn các thương hiệu nổi tiếng hoặc các công cụ phủ chất lượng cao để cải thiện hiệu quả chi phí tổng thể.
7.4 Đối với gia công hàng loạt của siêu hợp kim, khuyến cáo sử dụng các công cụ tùy chỉnh để tối ưu hóa hiệu quả và chi phí.
Ví dụ: Inconel 718
| Điểm tham số | Chất thô | Kết thúc |
| Chiều kính công cụ | 10mm | 10mm |
| Tốc độ cắt:Vc | 30 ∼ 50 m/min | 20 ̊40 m/min |
| Thức ăn cho mỗi răng: fz | 0.03 ∼0.07 mm/mắt | 0.015 ∼0.03 mm/mắt |
| Độ sâu cắt:ap | 0.2 ∼0,5 mm | ≤0,2 mm |
| Phương pháp làm mát | Làm mát áp suất cao/MQL | Làm mát áp suất cao |
Ghi chú:
• Làm mát áp suất cao: Phương pháp này có hiệu quả trong việc loại bỏ nhiệt nhanh chóng và giảm mài mòn công cụ trong các hoạt động thô.
• Mức độ bôi trơn tối thiểu ((MQL): Điều này có thể được sử dụng trong làm thô để giảm thiểu tác động môi trường trong khi vẫn cung cấp bôi trơn đầy đủ.
• Hoạt động hoàn thiện:Cá lạnh áp suất cao được khuyến cáo để hoàn thiện để đảm bảo chất lượng bề mặt và ngăn ngừa tổn thương nhiệt.
Các thông số này được tối ưu hóa để gia công Inconel 718, xem xét các tính chất vật liệu đầy thách thức như sức mạnh cao, độ cứng và xu hướng làm cứng.Điều chỉnh có thể cần thiết dựa trên khả năng cụ thể của máy và điều kiện công cụ.
Mặc dù khó khăn, chế biến siêu hợp kim có thể quản lý được với lựa chọn công cụ và tối ưu hóa quy trình thích hợp.hình học, lớp phủ, làm mát, và chiến lược.
