Eigenschaften und Anwendungen von CoCrMo-Legierungen

CoCrMo-Legierungen sind bekannt für ihre außergewöhnliche Korrosionsbeständigkeit, Verschleißfestigkeit und Hochtemperaturfestigkeit, was sie in der Luft- und Raumfahrt, der Nukleartechnik und der Medizintechnik unverzichtbar macht. Diese Legierungen sind besonders in medizinischen Anwendungen, wie z.B. Gelenkimplantaten, hervorzuheben. Das Chrom in CoCrMo bildet eine schützende Oxidschicht auf der Legierungsoberfläche, die die Korrosionsbeständigkeit erhöht. In der Zwischenzeit verfeinert Molybdän die Kornstruktur und verbessert die mechanischen Eigenschaften der Legierung. Nach den ASTM (American Society for Testing and Materials) Standards werden diese Legierungen für chirurgische Implantate empfohlen.

Die hohe Härte und Festigkeit dieser Legierungen tragen zu ihrem Wert in industriellen Anwendungen bei, erhöhen jedoch auch die Bearbeitungsschwierigkeiten. Die geringe Wärmeleitfähigkeit erschwert die Wärmeableitung während der Bearbeitung und beschleunigt den Werkzeugverschleiß.

Bearbeitungsherausforderungen von CoCrMo-Legierungen

Die Bearbeitbarkeit umfasst Faktoren wie die Verarbeitungsfreundlichkeit, die erreichbare Oberflächenbeschaffenheit und die Werkzeuglebensdauer. CoCrMo-Legierungen werden aufgrund ihrer hohen Härte und Zähigkeit als schwer zu bearbeitende Materialien eingestuft. Studien zeigen, dass ihre Bearbeitbarkeit ähnlich ist wie die anderer herausfordernder Materialien, wie Nickel- und Titanlegierungen. Diese Materialien erzeugen während der Bearbeitung hohe Schnittkräfte und Temperaturen, was zu einem schnellen Werkzeugverschleiß führt.

Werkzeugverschleiß wird hauptsächlich durch hohe Temperaturen und Druck während der Bearbeitung verursacht, was zu plastischer Verformung und Abnutzung der Werkzeugoberfläche führt. Zu den gängigen Bearbeitungsmethoden gehören die Reduzierung der Schnittgeschwindigkeit, die Verwendung von scharfen Werkzeugen und der Einsatz geeigneter Kühlstrategien, um diese Probleme zu beheben.

Bearbeitungstechniken und -strategien

Die Optimierung traditioneller Bearbeitungstechniken wie Drehen und Fräsen für kobaltbasierte Legierungen hat vielversprechende Ergebnisse geliefert. Zum Beispiel minimiert die Reduzierung der Schnittgeschwindigkeit und der Vorschubrate, kombiniert mit scharfen Schneidwerkzeugen, effektiv die Wärmeentwicklung während der Bearbeitung. Ein weiterer Ansatz besteht darin, Werkzeuge mit positivem Spanwinkel zu verwenden, um die Verfestigung des Werkstoffs zu reduzieren und die Oberflächenqualität zu verbessern.

Neben der traditionellen Bearbeitung werden nicht-traditionelle Methoden wie die Funkenerosion (EDM) und die Laserstrahlbearbeitung (LBM) häufig für kobaltbasierte Legierungen eingesetzt. Diese Methoden reduzieren den mechanischen Verschleiß an Werkzeugen durch eine kontaktlose Wärmebehandlung, was sie für die präzise Bearbeitung von schwer zu bearbeitenden Materialien geeignet macht. Es ist jedoch weitere Forschung erforderlich, um die Effizienz dieser Technologien zu optimieren.

Auswahl von Schneidwerkstoffmaterialien

Schneidwerkzeugmaterialien spielen eine entscheidende Rolle für die Bearbeitungsstabilität. Aufgrund der hohen Härte und der niedrigen Wärmeleitfähigkeit von kobalt-basierten und CoCrMo-Legierungen bleibt der Werkzeugverschleiß eine erhebliche Herausforderung. Frühere Studien zeigen, dass beschichtete Werkzeuge eine überlegene Verschleißfestigkeit beim Bearbeiten dieser Legierungen aufweisen. Physikalisch Dampfablagerung (PVD)-beschichtete Werkzeuge verleihen zusätzliche Härte, was die Werkzeuglebensdauer effektiv verlängert und den Verschleiß während der Bearbeitung reduziert. Diese beschichteten Werkzeuge glänzen insbesondere beim Hochgeschwindigkeitsfräsen.

Die Rolle von Kühlschmierstoffen bei der Bearbeitung

Der Einsatz von Kühlschmierstoffen ist entscheidend bei der Bearbeitung von kobalt-basierten und CoCrMo-Legierungen, um die Bearbeitungstemperatur zu kontrollieren und den Werkzeugverschleiß zu reduzieren. Kühlmittel verringern die Reibungswärme, minimieren den thermischen Aufbau auf der Werkzeug- und Werkstückoberfläche und verlängern somit die Werkzeuglebensdauer. In letzter Zeit haben sich Trockenbearbeitungstechniken als Alternativen zur Reduzierung des Kühlmittelverbrauchs herausgebildet. Während das Trockenbearbeiten die Umweltauswirkungen verringert, stellt es technische Herausforderungen beim Umgang mit schwer zu bearbeitenden Materialien wie CoCrMo-Legierungen dar, insbesondere bei Werkzeugverschleißproblemen bei hohen Temperaturen.

Zukünftige Forschungsrichtungen

Mit den fortschreitenden technologischen Entwicklungen bleibt die Forschung zur Bearbeitung von kobalt-basierten und CoCrMo-Legierungen ein dynamisches Feld. Zukünftige Studien werden sich auf die Entwicklung neuer Schneidwerkstoffmaterialien, die Optimierung der Bearbeitungsparameter und die Weiterentwicklung nicht-traditioneller Bearbeitungstechniken konzentrieren. Darüber hinaus wird eine weitere Optimierung der Kühlstrategien entscheidend sein, um die Bearbeitungseffizienz zu steigern und die Umweltauswirkungen zu reduzieren.

Kobaltbasierte und CoCrMo-Legierungen werden in modernen Industrie- und Medizinbereichen umfassend eingesetzt, doch ihre einzigartigen mechanischen Eigenschaften erschweren die Bearbeitbarkeit. Durch die kontinuierliche Entwicklung von Bearbeitungstechniken, die sorgfältige Auswahl von Werkzeugmaterialien und verbesserte Kühlstrategien ist es möglich, die Bearbeitungseffizienz dieser Legierungen zu steigern. Zukünftige Forschungen werden weiterhin Wege zur Verbesserung der Bearbeitbarkeit erkunden und umweltfreundlichere Verarbeitungslösungen suchen.