Wichtige Unterschiede bei der Bearbeitung verschiedener Superlegierungsarten

Die Bearbeitung von Superlegierungen erfordert ein tiefes Verständnis dafür, dass es keine einheitliche „Superlegierung“-Kategorie gibt; vielmehr umfasst sie verschiedene Gruppen – hauptsächlich nickelbasierte, kobalbasierte und eisen-nickelbasierte Legierungen – die jeweils einzigartige metallurgische Eigenschaften aufweisen und angepasste Bearbeitungsstrategien erfordern. Die wichtigsten Unterschiede ergeben sich aus ihrer Kaltverfestigungsrate, Wärmeleitfähigkeit, dem Vorhandensein abrasiver Phasen und ihrer Reaktion auf Wärme – Faktoren, die direkt die Werkzeugauswahl, die Schnittparameter und den gesamten Bearbeitungsansatz beeinflussen.

Grundlegende Unterschiede im Materialverhalten

Der zentrale Unterschied liegt in ihren Festigungsmechanismen und der Mikrostruktur. Nickelbasierte Superlegierungen wie die weit verbreiteten Inconel 718 und Inconel 625 sind bekannt für ihre hohe Festigkeit und außergewöhnliche Beständigkeit gegen Oxidation und Kriechen bei hohen Temperaturen. Ihre Festigkeit wird durch einen hohen Anteil an Gamma-Prime- (γ') oder Gamma-Doppelprime- (γ'') Ausscheidungen erreicht. Dies macht sie in der Bearbeitung notorisch anfällig für starke Kaltverfestigung. Jede Verweilzeit oder ein zu geringer Vorschub kann die Oberfläche sofort kaltverfestigen und den Werkzeugverschleiß drastisch beschleunigen. Daher erfordert ihre Bearbeitung aggressive, scharfe Schnitte mit positivem Spanwinkel und Hochdruckkühlung, um in die Schnittzone einzudringen und die Wärme zu kontrollieren.

Im Gegensatz dazu beziehen Kobalbasierte Superlegierungen wie verschiedene Stellite-Legierungen ihre Festigkeit aus einer lösungsverfestigten Kobalt-Chrom-Matrix mit einem sehr hohen Anteil extrem harter Karbide. Obwohl sie sich nicht so stark kaltverfestigen wie Nickellegierungen, sind sie stark abrasiv. Die Hauptaufgabe bei der Bearbeitung besteht darin, den abrasiven Verschleiß zu kontrollieren, der durch diese Karbide verursacht wird, die wie Schleifpartikel wirken. Dies erfordert sehr harte, verschleißfeste Werkzeugmaterialien wie Feinkornhartmetalle mit speziellen Beschichtungen oder sogar Keramiken und CBN (kubisches Bornitrid) für bestimmte Anwendungen. Die Strategie verlagert sich hier von der Kontrolle der Kaltverfestigung hin zur Kontrolle des extremen abrasiven Verschleißes.

Betriebliche Auswirkungen auf Werkzeuge und Parameter

Diese unterschiedlichen Materialverhalten bestimmen jeden Aspekt des Bearbeitungsprozesses. Bei nickelbasierten Legierungen liegt der Schwerpunkt auf der Wärmeableitung und der Vermeidung von Kaltverfestigung. Dies führt zum Einsatz scharfer, polierter Hartmetalleinsätze mit zähen Substraten und PVD-Beschichtungen, die eine scharfe Schneide beibehalten. Die Schnittgeschwindigkeiten werden in der Regel niedrig bis moderat gehalten (z. B. 20–50 SFM beim Schruppen), mit gleichmäßigen, kontrollierten Vorschüben, um der Kaltverfestigung „zuvorzukommen“.

Bei kobaltbasierten Legierungen liegt der Werkzeugschwerpunkt auf maximaler Härte und Abriebfestigkeit. Während scharfe Schneiden weiterhin wichtig sind, müssen Substrat und Beschichtung ständigem Abrieb standhalten. CNC-Schleifen ist häufig besser geeignet als Fräsen oder Drehen, um Endmaße und schwer zerspanbare Merkmale zu erzielen. Die Schnittgeschwindigkeiten können ähnlich oder sogar niedriger sein als bei Nickellegierungen, wobei der Fokus auf der Verlängerung der Werkzeugstandzeit und nicht auf der maximalen Zerspanungsrate liegt.

Eisen-nickelbasierte Superlegierungen (z. B. A-286) liegen häufig zwischen diesen beiden Extremen, sind aber etwas toleranter. Die Auswahl eines Superlegierungs-CNC-Bearbeitungsservices mit dokumentierter Erfahrung in allen drei Werkstoffgruppen ist entscheidend, da eine Strategie, die perfekt für Inconel funktioniert, bei der Bearbeitung von Stellite schnell zum Werkzeugversagen führen kann.

Nachbearbeitung und metallurgische Integrität

Die Unterschiede wirken sich auch auf die Nachbearbeitung aus. Die bei der Bearbeitung entstehenden Eigenspannungen und die Oberflächenintegrität unterscheiden sich erheblich. Eine aggressive Bearbeitung nickelbasierter Legierungen kann eine tief kaltverfestigte und gespannte Oberflächenschicht erzeugen, die anschließend eine Wärmebehandlung für CNC-Bauteile erfordert, um Spannungen abzubauen und die Materialeigenschaften wiederherzustellen. Bei Kobaltlegierungen liegt die Sorge weniger bei der Kaltverfestigung als vielmehr darin, sicherzustellen, dass die Oberfläche frei von durch abrasiven Verschleiß verursachten Mikrorissen ist.

Darüber hinaus muss die Wahl eines nachfolgenden Sandstrahlverfahrens für CNC-Komponenten sorgfältig erfolgen; ein zu aggressives Verfahren bei einem dünnwandigen Nickellegierungsteil könnte unerwünschte plastische Verformungen verursachen, während es bei einer steiferen Kobaltlegierung völlig unproblematisch wäre.