ในคอลัมน์นี้ MEGA Tech ขอเสนอ ซูเปอร์อัลลอย– โลหะผสมซึ่งสะท้อนโครงสร้างโลหะผสมที่ซับซ้อนได้กลายเป็นหนึ่งในวัสดุวิศวกรรมหลักมาเป็นเวลานาน ซึ่งมีความแข็งแรงของอุณหภูมิที่สูงมาก ดังนั้นจึงมักถูกเรียกว่า ซูเปอร์อัลลอย ที่อุณหภูมิสูง (HTSA) หรือซูเปอร์อัลลอย ทนความร้อน (HRSA) ประวัติของซูเปอร์อัลลอยเริ่มต้นด้วยการพัฒนาเครื่องยนต์กังหันก๊าซซึ่งต้องการวัสดุที่เชื่อถือได้สำหรับช่วงอุณหภูมิการทำงานที่สูง จากการวิจัยอย่างเข้มข้นและความก้าวหน้าในด้านโลหะวิทยา ซูเปอร์อัลลอยสมัยใหม่ (SA) จึงมีอายุการใช้งานยาวนานสำหรับอุณหภูมิในการทำงานที่มากกว่า 1,000 องศาเซลเซียส

              

ผู้บริโภคซูเปอร์อัลลอยรายใหญ่ที่สุดในปัจจุบันเข้าใจได้คือผู้ผลิตเครื่องยนต์อากาศยานและเครื่องยนต์ทางทะเล (รูปที่ 1) นอกจากนี้ซูเปอร์อัลลอยยังพบได้บ่อยมากในอุตสาหกรรมการแพทย์ ซึ่งใช้สำหรับการปลูกถ่ายอวัยวะเทียมในการผ่าตัดศัลยกรรมกระดูกได้อย่างมีประสิทธิภาพ นอกจากนี้ ซูเปอร์อัลลอย ได้กลายเป็นที่แพร่หลายในการผลิตไฟฟ้าและอุตสาหกรรมน้ำมันและก๊าซเป็นวัสดุที่สำคัญสำหรับชิ้นส่วนสำคัญของอุปกรณ์ต่าง ๆ

               ความแข็งแรงที่อุณหภูมิสูงเป็นพิเศษและความต้านทานการกัดกร่อนเป็นข้อดีที่ปฏิเสธไม่ได้ของซูเปอร์อัลลอย อย่างไรก็ตาม เหรียญมีสองด้าน: ซูเปอร์อัลลอย ไม่เพียงแต่มีราคาสูงเท่านั้น แต่ความสามารถในการแปรรูปนั้นไม่ดี ซึ่งอาจก่อให้เกิดความท้าทายต่อการผลิต แรงตัดจำเพาะที่กำหนดลักษณะความต้านทานของวัสดุต่อการขจัดเศษและกำหนดภาระทางกลบนเครื่องมือตัดจะสูงสำหรับซูเปอร์อัลลอย แม้ว่าปัญหาหลักคือความร้อน แต่ซูเปอร์อัลลอยมีค่าการนำความร้อนต่ำ เศษที่เป็นองค์ประกอบและเศษหลวม ซึ่งโดยทั่วไปสร้างขึ้นเมื่อตัดเฉือนซูเปอร์อัลลอย ไม่ให้ความร้อนเพียงพอจากบริเวณตัด เกิดแนวโน้มที่จะทำงานหนักทำให้สถานการณ์แย่ลง

               ตามมาตรฐาน ISO 513 ซูเปอร์อัลลอยและไททาเนียมอัลลอยด์เกี่ยวข้องกับการใช้งานกลุ่ม ISO S ขึ้นอยู่กับองค์ประกอบที่มีอยู่ ซูเปอร์อัลลอย แบ่งออกเป็นสามประเภท: เหล็ก (Fe), นิกเกิล (Ni) และโลหะผสมโคบอลต์ (Co) ความสามารถในการแปรรูปลดลงตามลำดับที่ระบุ จากโลหะผสมที่มีธาตุเหล็กซึ่งสามารถนำมาเปรียบเทียบกับเหล็กกล้าไร้สนิมออสเทนนิติก ไปจนถึงโลหะผสมที่มีโคบอลต์เป็นส่วนประกอบซึ่งเป็นวัสดุที่ตัดยากที่สุดในกลุ่ม

               การเพิ่มประสิทธิภาพของการตัดเฉือน ซูเปอร์อัลลอยได้กลายเป็นจุดสนใจของการวิจัยทางวิทยาศาสตร์และการปรับปรุงเทคโนโลยีต่าง ๆ ผลลัพธ์ของพวกเขาคือความก้าวหน้าที่สำคัญในการผลิตส่วนประกอบ SA การผลิตได้นำกลยุทธ์การตัดเฉือนแบบใหม่มาใช้อย่างมีประสิทธิภาพ และวิธีการใหม่ในการตัดการจ่ายสารหล่อเย็น เช่น การระบายความร้อนด้วยแรงดันสูง (HPC) การหล่อลื่นปริมาณขั้นต่ำ (MQL) และแม้กระทั่งการระบายความร้อนด้วยความเย็นก็ประสบความสำเร็จ สิ่งนี้ได้นำผลผลิตของการตัดเฉือนซูเปอร์อัลลอยไปสู่ระดับใหม่ อย่างไรก็ตาม เช่นเดียวกับในกรณีของโลหะผสมไททาเนียม องค์ประกอบหลักในการปรับปรุงประสิทธิภาพการผลิตของการตัดเฉือน SA คือเครื่องมือตัดที่ขจัดชั้นวัสดุออกจากชิ้นงานที่ผลิตเศษโดยตรง เครื่องมือตัดประกอบด้วยวัสดุเครื่องมือและรูปทรง ซึ่งกำหนดชัยชนะหรือความล้มเหลวของเครื่องมือ

               ในปัจจุบัน คาร์ไบด์ซีเมนต์เคลือบเป็นวัสดุที่ใช้กันทั่วไปสำหรับเครื่องมือตัดสำหรับการตัดเฉือนซูเปอร์อัลลอย การพัฒนาเกรดคาร์ไบด์ซึ่งเสริมความแข็งแกร่งและความทนทานต่อการสึกหรอร่วมกันเป็นกระบวนการที่ยุ่งยากซึ่งต้องใช้ซับสเตรตคาร์ไบด์ที่เหมาะสม องค์ประกอบการเคลือบ และวิธีการเคลือบ สร้างความประหลาดใจแก่บรรดาผู้ที่เชื่อว่าความเป็นไปได้ที่ก้าวล้ำในทิศทางนี้ใกล้จะหมดลงแล้ว ผู้ผลิตเครื่องมือตัดเฉือนยังคงสร้างเกรดคาร์ไบด์ใหม่ที่มีประสิทธิภาพต่อไป นอกจากนี้ ในการตัดเฉือนซูเปอร์อัลลอย เซรามิก ซึ่งเป็นวัสดุเครื่องมืออีกชนิดหนึ่งที่ช่วยให้มีความเร็วตัดเพิ่มขึ้นอย่างมาก ได้ใช้งานอยู่แล้ว

               คาร์ไบด์เกรด IC806 ซึ่งถูกนำมาใช้ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมาสำหรับการเซาะร่องปาดหน้าและเหล็กกล้าไร้สนิมออสเทนนิติก ได้รับการยอมรับอย่างประสบความสำเร็จโดยสายการกลึงเกลียวและการเจาะลึกของ ISCAR เกรดนี้มีซับสเตรตระดับไมโครไมครอนแบบแข็งและการเคลือบ PVD TiAlN/AlTiN พร้อมการทรีทเมนต์หลังการเคลือบตามเทคโนโลยี SUMO TEC ของ ISCAR IC806 ให้ความทนทานต่อการหลุดลอกและการบิ่น และรักษาผลลัพธ์ที่เชื่อถือได้และทำซ้ำได้

              

ในการตัดเฉือนซูเปอร์อัลลอยด้วยดอกกัดโซลิดคาร์ไบด์และหัวแบบเปลี่ยนได้ เกรด IC902 ซึ่งรวมซับสเตรตเกรนที่ละเอียดเป็นพิเศษและการเคลือบ PVD TiAlN ระดับนาโน ทำให้มั่นใจได้ถึงความทนทานต่อการสึกหรอที่สูงมาก และยืดอายุการใช้งานของเครื่องมือ เกรดนี้แสดงให้เห็นผลลัพธ์ที่ดีมากในการผลิตอุปกรณ์สำหรับเปลี่ยนข้อเข่าและข้อสะโพกซึ่งทำจากโลหะผสมโคบอลต์-โครเมียมที่ตัดยาก (รูปที่ 2)

              

ISCAR ได้ขยายกลุ่มผลิตภัณฑ์สำหรับการใช้งาน ISO S อย่างมีนัยสำคัญซึ่งทำจากเซรามิกสำหรับการตัดต่าง ๆ เช่น ซิลิกอนไนไตรด์, SiAlON และเกรดเสริมผลึกเดี่ยว รายการเซรามิกที่เพิ่งเปิดตัวใหม่ได้เติมเต็มทั้งเม็ดมีดแบบถอดเปลี่ยนเม็ดมีดและดอกกัดแบบแข็ง (รูปที่ 3)

              

การออกแบบหน้าคราดล่าสุด F3M และ F3P สำหรับเม็ดมีดกลึงมาตรฐาน ISO ได้รับการออกแบบมาโดยเฉพาะสำหรับเหล็กกล้าไร้สนิมออสเทนนิติกและซูเปอร์อัลลอยด์ที่ยากต่อการตัดเฉือน (รูปที่ 4) รูปทรงมุมคายที่เป็นบวกช่วยลดแรงตัดและช่วยให้การตัดราบรื่น ขณะที่ชุดเบี่ยงเบนที่หน้าคายช่วยปรับปรุงการควบคุมเศษในเม็ดมีดเซรามิกสองด้านสำหรับเครื่องมือกลึงและกัด ISCAR ได้เพิ่มตัวเลือกสภาพคมตัดที่ลบมุมและรวมกัน (ลบมุมและโค้งมน) ใหม่ สำหรับการใช้งานที่ยากลำบาก

               ISCAR ได้เพิ่มช่วงของโซลูชั่นสำหรับการระบายความร้อนด้วยแรงดันสูงโดยตัวหัวกัดแบบถอดเปลี่ยนได้และตัวจับยึดเครื่องมือแบบใหม่ ตัวอย่างเช่น หัวจับหดแบบใช้ความร้อนที่มีด้ามเทเปอร์เหลี่ยมซึ่งมีช่องเจ็ตสารหล่อเย็นตามรูตรงกลาง ได้รับการเติมเต็มโดยกลุ่มผลิตภัณฑ์ตัวจับยึดเครื่องมือ

               โดยสรุป ความต้องการผลิตภาพที่เพิ่มขึ้นในการตัดเฉือน HTSA เป็นความท้าทายอย่างต่อเนื่องสำหรับผู้ผลิตเครื่องมือตัด และการพัฒนาเครื่องมือที่มีประสิทธิภาพใหม่มีแนวโน้มที่จะเกิดขึ้นในอนาคตอันใกล้

Article by: ISCAR (THAILAND) LTD. & MEGA Tech

In this column, MEGA Tech is proud to present Superalloys – metal alloys, which reflect their complex alloyed structure, and have become one of the main engineering materials for a long time. They feature extremely high elevated temperature strength, and therefore often are referred to as high-temperature superalloys (HTSA) or heat-resistant superalloys (HRSA). The history of superalloys started with the development of gas-turbine engines that required reliable materials for high operating temperature ranges. As a result of intensive research and progress in metallurgy, modern superalloys (SA) provide a long service life for working temperatures more than 1000°C.

              

Understandably, the largest superalloy consumers today are aero- and marine engine producers (Fig. 1). Superalloys are also very common in the medical industry, which effectively use them for prosthetic implants in orthopedic surgery. In addition, superalloys have become widespread in power generation and the oil and gas industries as crucial materials for essential parts of various devices.

               Exceptional high-temperature strength and corrosion resistance are the undeniable advantages of superalloys. However, there are two sides to the coin: superalloys are not only highly priced, but their machinability is poor, which can pose challenges to manufacturing. The specific cutting force that characterizes the resistance of the material to chip removal and defines the mechanical load on a cutting tool is high for superalloys. Although the main difficulty is heat, superalloys have poor thermal conductivity. Elemental and loose chips, which are generally generated when machining superalloys, do not provide adequate heat dissipation from the cutting zone. A tendency to work hardening makes the situation worse.

               According to ISO 513 standard, superalloys together with titanium alloys relate to the ISO S group application. Depending on the prevailing element, superalloys are divided into three types: iron (Fe), nickel (Ni) and cobalt (Co) based alloys. Machinability drops in the specified order; from the iron-based alloys, which can be compared with austenitic stainless steel, to cobalt-based alloys that represent the most hard-to-cut materials in the group.

               Increasing efficiency of machining superalloys has become the focus of various scientific research and technological improvements. Their result was a significant advance in producing SA components. Manufacturing has effectively embraced new machining strategies and innovative methods of cutting coolant supply, such as high-pressure cooling (HPC), minimum quantity lubrication (MQL) and even cryogenic cooling has successfully been introduced. This has taken the productivity of machining superalloys to a new level. However, like in the case of titanium alloys, the key element for improving the productivity of SA machining is a cutting tool that directly removes material layers from a workpiece that produces chips. A cutting tool features the tool material and its geometry, which determines the tool’s triumph or its failure.

               Today, coated cemented carbides are the most common materials for cutting tools for machining superalloys. The development of a carbide grade, in which strength and wear resistance will be mutually complemented is a tricky process that requires an appropriate carbide substrate, coating composition, and coating method. To the amazement of those who believe that the breakthrough possibilities in this direction are almost exhausted, cutting tool producers continue to create new effective carbide grades. Additionally, in machining superalloys, ceramics – another tool material that enables substantially increased cutting speeds – are already in active use.

               Carbide grade IC806, which had was introduced over the last few years for face grooving superalloys and austenitic stainless steel, was successfully adopted by ISCAR’s threading and deep drilling lines. This grade has a hard submicron substrate and PVD TiAlN/AlTiN coating with post-coating treatment according to ISCAR’s SUMO TEC technology. IC806 provides notable resistance to flaking and chipping and maintains reliable and repeatable results.

              

In machining superalloys by solid carbide endmills and exchangeable heads, grade IC902, which combines ultra-fine grain substrate and nano-layer PVD TiAlN coating, ensures extremely high wear resistance and prolongs tool life. This grade has demonstrated very good results in producing devices for replacement knee and hip joints that are made from difficult-to-cut cobalt-chrome alloys (Fig. 2).

              

ISCAR has significantly extended the range of products for ISO S applications made from various cutting ceramics such as silicon nitride, SiAlON, and whisker-reinforced grades. The newly introduced ceramic items have replenished both indexable inserts and solid endmills (Fig. 3).

              

The latest rake face designs F3M and F3P for ISO standard turning inserts are intended specifically for hard-to-machine austenitic stainless steel and superalloys (Fig. 4). Their positive rake-angle geometry reduces the cutting force and ensures smooth cutting action, while the set of deflectors on the rake face improves chip control. In ceramic double-sided inserts for turning and milling tools, ISCAR has added new chamfered and combined (chamfered and rounded) cutting-edge condition options for tough applications.

               ISCAR has enriched the range of solutions intended for high-pressure cooling by new indexable cutter bodies and tool holders. For example, thermal shrink chucks with polygonal taper shanks, which have coolant jet channels along the central bore, have been replenished by the toolholder product line.

Article by: ISCAR (THAILAND) LTD. & MEGA Tech

このコラムでは、MEGA Tech が自信を持って提供する 超合金 – 複雑な合金構造を反映する金属合金は古くから主要なエンジニアリング材料の一つだ。これらは非常に高い高温強度を備えている故高温超合金 (HTSA) または耐熱超合金 (HRSA) と呼ばれる事もある。超合金は高い動作温度範囲で信頼できる材料を必要とするガスタービンエンジンの開発からその歴史は始まった。集中的な研究と冶金学の進歩の結果現代の超合金 (SA) は 1000°C を超える作業温度で長い耐用年数を持っている。

              

周知の通り今日の超合金の最大消費者は航空および船舶エンジンの製造業者だ (図 1)。超合金は医療業界においても非常に一般的であり整形外科手術の補綴インプラントに使用されている。更には超合金は様々なデバイスの重要部品に欠かせない重要材料として発電および石油およびガス産業で広く普及している。

その並外れた高温強度と耐食性は文句のない超合金の利点である。ただしその反面超合金は価格が高いだけではなく機械加工性も低く製造に課題をもたらす事もある。切りくず除去に対する材料の抵抗を特徴付け切削工具の機械的負荷を定義する特定の切削力は超合金では高くなる。主な問題は熱であり超合金場合熱伝導率は低い。通常超合金の機械加工時に発生する切りくずは切削領域から熱を放散せずまた硬化する傾向がありこれは頭痛の種となる。

ISO 513 規格によれば超合金とチタン合金は ISO S グループのアプリケーションに属する。超合金は一般的な元素分類に応じて鉄 (Fe)、ニッケル (Ni)、コバルト (Co) ベースの合金の 3 つのタイプに分けられる。この順番で機械加工性は低下しオーステナイト系ステンレス鋼と比較できる鉄ベースの合金からグループ内で最も切削が難しい材料を代表するコバルトベースの合金までと比較される。

超合金の加工効率を高める事は様々な科学的研究と技術的改善の焦点となっている。その結果SA コンポーネントの製造が大幅に進歩し、製造業においては高圧冷却 (HPC)、最小量潤滑 (MQL) などの新しい機械加工戦略とクーラント供給を削減する革新的な方法が効果的に取り入れられ更には極低温冷却の導入にも成功している。これにより超合金加工の生産性は新たなレベルに突入した。がしかし、チタン合金の場合と同様SA 加工の生産性を向上させるための重要な要素はチップを発生させるワークピースと材料層を直接除去する切削工具だ。切削工具は工具の材料とその形状を特徴としこれは作業の成功、失敗のカギとなる。

今日においてコーティング加工された超硬合金は超合金を機械加工する切削工具の最も一般的な材料だ。強度と耐摩耗性を兼ね備えた超硬グレードの開発は適切な超硬母材、コーティング組成、コーティング方法を必要とする難しいプロセスだ。この方面におけるブレークスルーの可能性は殆どなくなったと考える人々の目を覚まさせるべく切削工具メーカーは新しい効果的な超硬材種を作り続けている。更に超合金の加工において切削速度の大幅な向上を可能にするもう一つの工具材料であるセラミックスも既に積極的に使用されている。

何年か前に面溝加工用超合金およびオーステナイト系ステンレス鋼に導入された超硬グレード IC806 がISCAR のねじ切りおよびに深穴加工ラインでの採用に成功した。このグレードはサブミクロンの硬質基板と、ISCAR の SUMO TEC 技術によるコーティング後処理を備えた PVD TiAlN/AlTiN コーティングを備えている。IC806 はフレーキングやチッピングに対する優れた耐性を持ち信頼性と再現性の高い結果を維持する。

              

ソリッド カーバイド エンドミルと交換可能なヘッドによる超合金の加工は超微粒子母材とナノ層 PVD TiAlN コーティングを組み合わせたグレード IC902 が超高耐摩耗性を保証し工具寿命を延ばす。このグレードは難削材であるコバルトクロム合金製の人工膝関節および人口股関節への交換用デバイスの製造において非常に優れた結果を示している (図 2)。

              

ISCAR は窒化ケイ素、サイアロン、ウィスカ強化グレード等の様々な切削セラミックスから作られた ISO S 用途向けの製品範囲を大幅に拡大した。新規導入されたセラミックアイテムはスローアウェイチップとソリッドエンドミルの両方を補充した（図3）。

              

ISO 規格旋削インサート用の最新のすくい面設計の F3M およびに F3P は機械加工が難しいオーステナイト系ステンレス鋼およびに超合金用に特別設計されている (図 4)。正掬角形状により切削抵抗が低減され、スムーズな切削動作を保証し掬い面のディフレクターのセットにより切りくず処理も改善。旋削工具およびにフライス工具用のセラミック両面インサートでは ISCAR は過酷用途向けに新しい面取りおよびに複合 (面取りと丸み) 刃先条件オプションを追加。

ISCAR は新しいスローアウェイ式カッター ボディとツール ホルダーにより高圧冷却を目的としたソリューションの範囲を拡大。例えば多角形のテーパー シャンクを備えたサーマル シュリンク チャックでは中央ボアに沿ってクーラント ジェット チャネルがありツールホルダー製品ラインに補充されている。

Article by: ISCAR (THAILAND) LTD. & MEGA Tech