ماشینکاری سوپر آلیاژها

مقدمه:

در طی سالهای اخیر و با پیشرفت تکنولوژی هر روز مواد توسعه یافته تری وارد عرصه صنعت میشود، صنایع مختلف برای تولید محصولات پیشرفته و همچنین برای ارتقا کیفیت محصولات صنعتی خود نیازمند موادی با خواص مکانیکی و شیمیایی خیلی بالاتر هستند. دارا بودن ویژگی های سختی ،استحکام، چقرمگی، مقاومت به اکسید شدن، مقاومت در حرارت زیاد ، مقاومت در برابر خزش در دمای بالا و مقاومت به سایش و خوردگی دلایل اصلی توسعه روز به روز مواد بشمار میرود.

دارا بودن خاصیت فوق العاده ضد زنگ بودن , اصلی ترین ویژگی موادی با عنوان سوپر آلیاژ ها است. دارا بودن استحکام زیاد و در عین حال وزن سبک ویژگی انحصاری آلیاژ های تیتا نیم در سوپر آلیاژها ست این مواد کاربرد وسیعی در صنایع هوا فضا و صنایع پزشکی دارند . داشتن ویژگی های مقاومت زیاد به خوردگی به همراه خواص مکانیکی مطلوب کاربرد های زیادی در صنایع پزشکی و صنایع دیگر برای سوپر آلیاژها دارد. داشتن ویژگی بسیار مهم مقاومت در مقابل حرارت بالا باعت گشودن افق وسیعی در کاربرد های این مواد در صنایع هوایی و نیروگاهی گردید.

بطور کلی هر جا ماده ای با خواص استثنایی در دماهای بالا و یا مقاومت عالی به خوردگی یا اکسید شدن نیاز باشد از سوپر آلیاژ ها استفاده میکنند.از مهمترین کاربرد این مواد در موتور های جت میباشد.

حفظ خواص فوق العاده زیاد مکانیکی و شیمیایی در دماهای بالای موتور، سوپر آلیاژ ها را برای استفاده در قطعات دوار و قطعاتی که در معرض حرارت نهایی موتور هستند مناسب می نماید، که در ضمن کاهش قابل توجه وزن موجب افزایش بازده هی نیز میباشند. با افزایش ویژگی های سوپر آلیاژها و با هر تغییر در ساختار متالورژی این مواد که برای افزایش و بهبود خواص مکانیکی و فیزیکی این مواد انجام میشود، متاسفانه ماشینکاری آنها را مشکل تر میکند.

روش ساخت سوپر آلیاژ ها و مشکلات ماشینکاری آنها:

نیکل کبالت و آهن بدلیل نقطه ذوب بالا ، خواص مکانیکی خوب و امکان استفاده در آلیاژ سازی، بعنوان ماده پایه در سوپر آلیاژها استفاده میشوند. تولید این مواد به روشهای فورج ، ریخته گری و متالورژی پودر صورت میگیرد. در مقام مقایسه روش های مختلف تولید سوپر آلیاژ ها، روش فورج استحکام بالاتر و مقاومت بهتر در مقابل خستگی و شکست را دارد و برای روش ریخته گری میتوان چقرمگی و استحکام خزشی عالی را ذکر نمود، در روش متالورژی پودر تولید قطعات به اشکال پیچیده از خصوصیات بارز آن بشمار میرود، و در هر سه روش ماشینکاری بهمراه سایش زیاد و تغییر شکل ابزار همزمان میباشد.

استحکام برشی زیاد، قابلیت سختی پذیری بالا و ضریب هدایت حرارتی خیلی کم از جمله ویژگی های اصلی این مواد به شمار میرود که سبب افزایش مشکلات ماشین کاری آنها میشوند . بعلاوه وجود ذرات سخت و ساینده در ساختار این مواد سختی ماشینکاری را دو چندان کرده و سبب لب پریدگی اینسرت و شکست نابهنگام آن میشود.

سوپر آلیاژ های پایه نیکل:

آلیاژ های پایه نیکل از معروف ترین و پر مصرف ترین این گروه از مواد میباشند، این مواد بیشتر در پمپ ها ،تجهیزات صنایع غذایی دستگاه های کنترل آلودگی ،تجهیزات حفاری در دریا استفاده میشوند. اینکونل 266 ،رنه 55 ، نیمونیک 55 و وسپالوی را میتوان از جمله مواد پایه نیکل نام برد. سوپر آلیاژ های پایه نیکل آهن در مقایسه با پایه نیکل در دماهای بالا ضعیف تر هستند، بیشتر در - صنایع شیمیایی مثل مبدل های حرارتی، لوله ها، دیگ های تقطیر، مخزن های مخلوط کننده، تجهیزات عملیات حرارتی، نقاله ها، سبد ها و جعبه ها بکار میروند. اینکونل 817 ، اینکونل 862 و وسپالوی ایکس از جمله مواد آلیاژهای گروه پایه نیکل آهن هستند – که با مشخصات ویژه شرکت های تولید کننده آنها از جمله معروف ترین این طیف از مواد میباشند. برای آلیاژهای پایه نیکل بین 26 تا 86 درصد مواد آن از نیکل تشکیل شده است، و برای آلیاژهای پایه نیکل آهن این درصد کمتر است. در جدول زیر گروهی از – سوپر آلیاژ های پایه نیکل با نسبت قابلیت ماشین کاری آنها ذکر شده است.

ساختار میکروسکپی چهار نمونه مختلف از سوپر آلیاژهای پایه نیکل در شکل روبرو آمده است. اندازه دانه ها و جهت آنها تاثیر قابل توجه ای در قابلیت ماشین کاری سوپر آلیاژ ها ندارد، ولی حضور فاز های سخت مثل کارباید ها ، نیتراید ها و اکسید ها قابلیت ماشین کاری را به شدت کاهش داده و اغلب سبب سایش خوردگی در لبه برشی میشوند. در عوض فاز های گرافیت و سولفید ها باعث ارتقا قابلیت ماشین کاری میشود.

آلیاژ های کبالت نسبت به سوپر آلیاژ های آهن و نیکل دارای نقطه ذوب بالاتری هستند و بهمین دلیل در پره های توربین استفاده می شوند. همچنین این آلیاژ ها در جاهایی مثل تجهیزات ار تپدی در پزشکی که مقاوت زیاد به خوردگی مد نظر است، بکار میروند. در جدول زیر گروهی از سوپر آلیاژ های پایه کبالت با نسبت قابلیت ماشین کاری آنها ذکر شده است.

تاثیر خواص مختلف سوپر آلیاژ ها روی قابلیت ماشین کاری آنها:

1- استحکام زیاد سوپر آلیاژ ها در حرارت های بالا باعث میشود عناصر آلیاژی در حرارت ماشین کاری سخت تر و مستحکم تر باشند در نتیجه نیروهای برش در طی ماشین کاری افزایش یافته و امکان شکسته شدن لبه برشی در اثر ریزش Chipping و همین طور در اثر تغییر شکل لبه ابزار بیشتر میشود.

2- با توجه به استحکام زیاد مواد برای تشکیل براده حرارت بیشتری تولید میشود و چون ضریب هدایت حرارتی در سوپر آلیاژ ها پایین است سبب تمرکز حرارت در منطقه برش میشود ،این حرارت عمدتاً در لبه برشی ابزار نفوذ کرده و باعث سایش و خرابی های ناشی از سایش زود هنگام میشود،

3- علاوه بر حرارت و فشار زیاد نیروی برشی، در ماشین کاری سوپر آلیاژها کنترل براده نیز بسیار دشوار است ، استحکام زیاد در حرارت بالا ، افزایش چقرمگی و ضربه پذیری را در پی دارد و لذا شکستن براده دشوار خواهد بود.

4- حضور دانه های ساینده یا فاز های ثانویه مثل کارباید ها و نیتراید ها که هنگام اصلاح ساختار پس از ریخته گری یا عملیات حرارتی رسوب میکنند، خصوصاً در آلیاژ های پایه نیکل و پایه کبالت باعث سایش سریع خوردگی در لبه برشی ابزار میگردد.

5- استعداد زیاد سوپرآلیاژها برای سخت شدن، سبب میشود تا یک سطح سخت شده در مرحله ماشین کاری قبل بوجود آید این - سطح سخت در منطقه ای به اندازۀ عمق براده برداری نسبت به نوک ابزار، سایش از نوع شکاف بوجود می آورد (notch wear) .

همه شرایط ذکر شده فوق نشان میدهد که ابزار در هنگام ماشین کاری سوپر آلیاژ ها شدیداً در معرض حرارت، فشار و سایش قرار دارد.

آلیاژ های تیتانیم

دلیل اصلی استفاده از آلیاژهای تیتانیوم داشتن استحکام عالی نسبت وزن کم و همینطور دارا بودن خواص شیمیایی عالی است. قطعات موتور و بدنه هواپیما نیاز به مواد پر استحکام و سبک دارند به این منظور آلیاژهای تیتانیم توسعه زیادی پیدا کرد. این ماده نه تنها در صنایع هوایی کاربرد دارد، بلکه به دلیل مقاومت عالی نسبت به خوردگی این آلیاژ ها در محیط های شیمیایی که در معرض خوردگی قرار دارد نیز کاربرد دارند. تجهیزات فراورده های شیمیایی ، صنایع دریایی، مخازن تحت فشار ، قطعاتی که در دماهای خیلی پایین نزدیک به صفر مطلق استفاده میشوند را میتوان اشاره نمود.

آلیاژهای تیتانیم بر اساس ساختار کریستالی اتمهای آنها به سه نوع تیتانیم، ساختار β ، α و ساختار β ساختار ، α تقسیم بندی میشوند، ساختار هستند و ساختار اتمهای آنها شش α خالص و آلیاژ های نرم از ساختار هستند که ماشین β وجهی است، آلیاژهای سخت تر از نوع ساختار کاری آنها سخت تر است. آرایش کریستالی این آلیاژ ها از نوع BCC است . ترکیبی از این دو فاز را دارند و از نظر - β α آلیاژهای با ساختار قرار دارند. در آلیاژ سازی ، افزودن موادی مثل آلومینیم، تیتانیم و زیرکونیم ساختارهای β و α قابلیت ماشینکاری بین دو گروه را پایدار میکنند. به این دلیل است که β را پایدار میکنند عناصری مثل وانادیم، مولیبدن، منگنز، کروم، آهن و نیوبیوم ساختار α آلیاژی مثل Ti6Al-4V است. - β α را دارد یک آلیاژ β و α که هر دو پایدار کننده اگر چه قابلیت ماشینکاری آلیاژهای تیتانیم از سوپر آلیاژها بهتر است با اینحال هنور ماشینکاری این مواد سخت میباشد .

نیروی برشی در آلیاژهای تیتانیم کمی بیشتر از فولادها میباشد، ولی بدلیل ساختار متالورژیکی خاص این آلیاژها ، ماشینکاری تیتانیم نسبت به ماشینکاری فولادی با سختی یکسان مشکل تر است. برای مثال بدلیل هدایت حرارتی پایینی که تیتانیم دارد، بیشتر حرارت تولید شده هنگام براده برداری در لبه برشی متمرکز میشود.

در اینجا لازم است اشاره کنیم که ماشینکاری آلیاژهای تیتانیم با سه مشکل دیگر نیز همراه است. همانند سوپر آلیاژها، هنگام مشکل در آلیاژ های تیتانیم اینست که بدلیل پایین بودن مدول الاستیسیته آن هنگام ماشینکاری مواد انحراف پیدا کرده و ÷ خیز برمیدارد. انحراف مواد خصوصاً موقع براده برداری سنگین میتواند سبب مشکلات زیادی شود، این انحراف اغلب سبب لرزش chatter میشود. و مهمتر از همه اینکه تیتانیم علی رغم داشتن مقاومت به خوردگی خوبی که در بیشتر محیط ها از خود نشان میدهد ولی نسبت به دیگر سوپر آلیاژها از نظر واکنشی فلزی فعال تر است.

در واقع ممکن است آلیاژ های تیتانیم در طی روند ماشین کاری آتش گرفته و بسوزند. ویژگی واکنشی بودن آلیاژهای تیتانیم موجب تاثیر گذاری متقابل با ابزار شده و سایش از نوع حفره ای Crater Wear را تشدید می کند.

ماشینکاری سوپر آلیاژ هاو آلیاژ های تیتانیم:

به دلایلی که در قسمت های قبلی اشاره شد ماشینکاری آلیاژ های مقاوم به دمای بالا مشکل میباشد، لذا برای ماشین کاری این آلیاژها تکنیک های خاصی استفاده میشود. ما راه حل های عملی زیر را برای ماشین کاری این آلیاژها پیشنهاد میکنیم:

1- آلیاژ ها را در نرمترین حالت ممکن ماشین کاری کنید، بسیاری از آلیاژهای تیتانیم و نیکل قابلیت پیر سخت شدن را دارند، سختی این آلیاژ ها بعد از عملیات حرارتی شدیداً افزایش می یابد. وقتی ذرات فاز ثانویه شکل می گیرند، آلیاژ پر استحکام تر و ساینده تر می شود و بنابر این ماشین کاری آن مشکل تر می شود. بطور کلی ماشین کاری مواد نرمتر آسانتر است. در تولید عموماً قطعه تا نزدیک به ابعاد نهایی ماشین کاری می شود و سپس پیر سخت میشود در پایان با ماشین کاری به ابعاد نهایی می رسد.

2- از ابزار با زاویه براده مثبت در عملیات پرداخت و نیمه پرداخت استفاده کنید. ابزار با زاویه مثبت کار سختی کمتری را به ماده تحمیل می کند، همچنین براده با لبه انباشته را نیز کم میکند.

3- از لبه های تقریباً تیز استفاده کنید ، به دلیل مذکور ، یک هونینگ سبک یا حتی لبه های تیز در جلوگیری از براده با لبه انباشته و افزایش کیفیت صافی سطح مفید است. لبه های برشی کند نیروهای ماشین کاری را افزایش می دهند که میتواند منجر به براده با لبه انباشته ، شکست ابزار و خیز زیاد قطعه کار میشوند، همه این موارد منجر به ایجاد یک سطح خشن میشوند. البته لبه های برشی تیز ترد تر بوده و مستعد لب پر شدن هستند.

4- از ابزار با هندسه قوی استفاده کنید شعاع بزرگ نوک ابزار تا جایی که هندسه قطعه کار اجازه میدهد میتواند مفید باشد.

5- از تجهیزات صلب استفاده کنید. صلبیت از لرزش که باعث کاهش کیفیت سطح و شکست ابزار می شود، جلوگیری میکند. همچنین با تجهیزات صلب میتوان به تلرانس های بسته تری رسید.

6- از انحراف مواد قطعه کار جلوگیری کنید، این موضوع خصوصاً در ماشین کاری قطعات نازک و آلیاژ های تیتانیم مهم است. تیتانیم انعطاف پذیر است و برای جلوگیری از انحراف آن میتوان از روش هایی مثل فیکسچر و مواد پر کننده استفاده نمود.

7- از زاویه هدایت بزرگ استفاده کنید، استفاده از زاویه هادی بزرگ (زاویۀ ورود کوچک - small entering angle) از بوجود آمدن شیار جلوگیری میکند . طول بیشتری از لبه برشی درگیر خواهد بود و بنابراین فشار قسمت خراب کننده در امتداد بیشتری پخش میشود.

8- وقتی بیشتر از یک مرحله ماشین کاری لازم است عمق براده برداری را متفاوت اجرا کنید. سطح قطعه کار عامل ایجاد شیار در لبه برشی است، وقتی از چند مرحله ماشین کاری با عمق متفاوت استفاده میکنید سطح قطعه کار با قسمت های مختلف لبه برشی برخورد کرده لذا اثر مخرب آن در قسمت های مختلف لبه برشی پخش میشود.

گردآورنده: مهندس امیر علی نقی زاده | مهندس بهروز نوروزی