Ⅰ. Pendahuluan
Superalloy adalah bahan logam yang mempertahankan kekuatan, ketahanan oksidasi, dan ketahanan korosi yang sangat baik pada suhu tinggi. Mereka banyak digunakan dalam mesin pesawat terbang, turbin gas, industri nuklir, dan peralatan energi. Namun, sifat unggul mereka menimbulkan tantangan signifikan dalam pemesinan. Terutama saat menggunakan end mill untuk operasi penggilingan, masalah seperti keausan pahat yang cepat, suhu pemotongan yang tinggi, dan kualitas permukaan yang buruk sangat menonjol. Artikel ini mengeksplorasi masalah umum yang dihadapi saat end milling superalloy dan memberikan solusi yang sesuai.
Ⅱ. Apa itu Superalloy?
Superalloy (atau paduan suhu tinggi) adalah bahan logam yang mempertahankan kekuatan tinggi dan ketahanan oksidasi dan korosi yang luar biasa di lingkungan bersuhu tinggi. Mereka dapat beroperasi dengan andal di bawah tekanan kompleks dalam lingkungan oksidatif dan korosif gas dari 600°C hingga 1100°C. Superalloy terutama mencakup paduan berbasis nikel, berbasis kobalt, dan berbasis besi dan banyak digunakan dalam industri dirgantara, turbin gas, tenaga nuklir, otomotif, dan petrokimia.
Ⅲ. Karakteristik Superalloy
1.Kekuatan Tinggi pada Suhu Tinggi
Mampu menahan tekanan tinggi untuk jangka waktu yang lama pada suhu tinggi tanpa deformasi mulur yang signifikan.
2.Ketahanan Oksidasi dan Korosi yang Sangat Baik
Mempertahankan stabilitas struktural bahkan ketika terkena udara, gas pembakaran, atau media kimia pada suhu tinggi.
3.Ketangguhan Kelelahan dan Fraktur yang Baik
Mampu menahan siklus termal dan beban benturan di lingkungan ekstrem.
4.Mikrostruktur yang Stabil
Mengalami stabilitas struktural yang baik dan tahan terhadap degradasi kinerja selama penggunaan suhu tinggi jangka panjang.
Ⅳ. Bahan Superalloy Khas
1.Superalloy Berbasis Nikel
Nilai Umum Internasional:
Nilai
Fitur
Aplikasi Khas
Inconel 718
Kekuatan suhu tinggi yang sangat baik, kemampuan las yang baik
Mesin pesawat terbang, komponen reaktor nuklir
Inconel 625
Ketahanan korosi yang kuat, tahan terhadap air laut dan bahan kimia
Peralatan kelautan, wadah kimia
Inconel X-750
Ketahanan mulur yang kuat, cocok untuk beban suhu tinggi jangka panjang
Suku cadang turbin, pegas, pengencang
Waspaloy
Mempertahankan kekuatan tinggi pada 700–870°C
Bilah turbin gas, komponen penyegel
Rene 41
Kinerja mekanik suhu tinggi yang unggul
Ruang pembakaran mesin jet, nosel ekor
2.Superalloy Berbasis Kobalt
Nilai Umum Internasional:
Nilai
Fitur
Aplikasi
Stellite 6
Ketahanan aus dan korosi panas yang sangat baik
Katup, permukaan penyegel, alat potong
Haynes 188
Ketahanan oksidasi dan mulur yang baik pada suhu tinggi
Casing turbin, bagian ruang pembakaran
Mar-M509
Ketahanan korosi dan kelelahan termal yang kuat
Komponen ujung panas turbin gas
Nilai Umum China (dengan Ekuivalen Internasional):
Nilai
Fitur
Aplikasi
K640
Setara dengan Stellite 6
Paduan katup, peralatan termal
GH605
Mirip dengan Haynes 25
Misi luar angkasa berawak, turbin industri
3.Superalloy Berbasis Besi
Fitur: Biaya rendah, kemampuan mesin yang baik; cocok untuk lingkungan suhu sedang (≤700°C).
Nilai Umum Internasional:
Nilai
Fitur
Aplikasi
A-286 (UNS S66286)
Kekuatan suhu tinggi dan kemampuan las yang baik
Pengencang mesin pesawat terbang, komponen turbin gas
Paduan 800H/800HT
Stabilitas struktural dan ketahanan korosi yang sangat baik
Penukar panas, generator uap
Baja Tahan Karat 310S
Tahan oksidasi, biaya rendah
Tabung tungku, sistem pembuangan
Nilai Umum China (dengan Ekuivalen Internasional):
Nilai
Ekuivalen Internasional
Aplikasi
1Cr18Ni9Ti
Mirip dengan baja tahan karat 304
Lingkungan suhu tinggi umum
GH2132
Setara dengan A-286
Baut, segel, pegas
4.Perbandingan Superalloy Berbasis Nikel, Berbasis Kobalt, dan Berbasis Besi
Jenis Paduan
Rentang Suhu Pengoperasian
Kekuatan
Ketahanan Korosi
Biaya
Aplikasi Khas
Berbasis Nikel
≤1100°C
★★★★★
★★★★★
Tinggi
Dirgantara, energi, tenaga nuklir
Berbasis Kobalt
≤1000°C
★★★★
★★★★★
Relatif Tinggi
Industri kimia, turbin gas
Berbasis Besi
≤750°C
★★★
★★★
Rendah
Industri umum, bagian struktural
Ⅴ. Contoh Aplikasi Superalloy
Industri
Komponen Aplikasi
Dirgantara
Bilah turbin, ruang pembakaran, nosel, cincin penyegel
Peralatan Energi
Bilah turbin gas, komponen reaktor nuklir
Industri Kimia
Reaktor suhu tinggi, penukar panas, pompa dan katup tahan korosi
Pengeboran Minyak
Segel suhu tinggi dan tekanan tinggi, alat lubang bor
Industri Otomotif
Komponen turbocharger, sistem pembuangan berkinerja tinggi
Ⅵ. Tantangan dalam Pemesinan Superalloy
1. Kekuatan dan Kekerasan Tinggi:
Superalloy mempertahankan kekuatan tinggi bahkan pada suhu kamar (misalnya, kekuatan tarik Inconel 718 melebihi 1000 MPa). Selama pemesinan, mereka cenderung membentuk lapisan yang dikeraskan (dengan kekerasan meningkat 2-3 kali), yang secara signifikan meningkatkan resistensi pemotongan dalam operasi selanjutnya. Dalam kondisi seperti itu, keausan pahat diperparah, gaya pemotongan berfluktuasi hebat, dan kemungkinan chipping pada ujung potong lebih mungkin terjadi.
2. Konduktivitas Termal yang Buruk dan Panas Pemotongan yang Terkonsentrasi:
Superalloy memiliki konduktivitas termal yang rendah (misalnya, konduktivitas termal Inconel 718 hanya 11,4 W/m·K, sekitar sepertiga dari baja). Panas pemotongan tidak dapat hilang dengan cepat, dan suhu ujung potong dapat melebihi 1000°C. Hal ini menyebabkan bahan pahat melunak (karena kekerasan merah yang tidak mencukupi) dan mempercepat keausan difusi.
3. Pengerasan Kerja yang Parah:
Permukaan material menjadi lebih keras setelah pemesinan, yang selanjutnya mengintensifkan keausan pahat.
4. Ketangguhan Tinggi dan Kesulitan dalam Pengendalian Chip:
Chip superalloy sangat tangguh dan tidak mudah putus, seringkali membentuk chip panjang yang dapat membungkus pahat atau menggores permukaan benda kerja. Hal ini memengaruhi stabilitas proses pemesinan dan meningkatkan keausan pahat.
5. Reaktivitas Kimia yang Tinggi:
Paduan berbasis nikel rentan terhadap reaksi difusi dengan bahan pahat (seperti karbida semen WC-Co), yang menyebabkan keausan perekat. Hal ini menyebabkan bahan permukaan pahat terkikis, membentuk kawah keausan berbentuk bulan sabit.
Ⅶ. Masalah Umum dalam Penggilingan Superalloy dengan End Mill
1. Keausan Pahat yang Parah
• Kekerasan dan kekuatan superalloy yang tinggi menyebabkan keausan cepat pada permukaan sisi garu dan sisi flank end mill.
• Suhu pemotongan yang tinggi dapat menyebabkan retakan kelelahan termal, deformasi plastik, dan keausan difusi pada pahat.
2. Suhu Pemotongan yang Berlebihan
• Konduktivitas termal superalloy yang buruk berarti bahwa sejumlah besar panas yang dihasilkan selama pemotongan tidak dapat hilang tepat waktu.
• Hal ini menyebabkan panas berlebih lokal pada pahat, yang dapat menyebabkan pahat terbakar atau chipping dalam kasus yang parah.
3. Pengerasan Kerja yang Parah
• Superalloy rentan terhadap pengerasan kerja selama pemesinan, dengan kekerasan permukaan meningkat dengan cepat.
• Lintasan pemotongan berikutnya menghadapi permukaan yang lebih keras, memperburuk keausan pahat dan meningkatkan gaya pemotongan.
4. Gaya Pemotongan yang Tinggi dan Getaran yang Parah
• Kekuatan material yang tinggi menghasilkan gaya pemotongan yang besar.
• Jika struktur pahat tidak dirancang dengan benar atau jika pahat tidak dijepit dengan aman, hal itu dapat menyebabkan getaran pemesinan dan obrolan, menyebabkan kerusakan pahat atau hasil akhir permukaan yang buruk.
5. Adhesi Pahat dan Built-Up Edge
• Pada suhu tinggi, material cenderung menempel pada ujung potong pahat, membentuk built-up edge.
• Hal ini dapat menyebabkan pemotongan yang tidak stabil, goresan permukaan pada benda kerja, atau dimensi yang tidak akurat.
6. Kualitas Permukaan yang Dimesin yang Buruk
• Cacat permukaan umum termasuk duri, goresan, bintik keras permukaan, dan perubahan warna di zona yang terkena panas.
• Kekasaran permukaan yang tinggi dapat memengaruhi masa pakai bagian tersebut.
7. Umur Pahat yang Pendek dan Biaya Pemesinan yang Tinggi
• Efek gabungan dari masalah di atas menghasilkan umur pahat yang jauh lebih pendek dibandingkan dengan bahan pemesinan seperti paduan aluminium atau baja karbon rendah.
• Penggantian pahat yang sering, efisiensi pemesinan yang rendah, dan biaya pemesinan yang tinggi adalah konsekuensinya. 8. Solusi & Optimasi
Ⅷ. Solusi dan Rekomendasi Optimasi
1. Solusi untuk Keausan Pahat yang Parah:
1.1. Pilih bahan karbida butiran ultrafine (Karbida butiran Submikron/Ultrafine), yang menawarkan ketahanan aus yang unggul dan kekuatan patah melintang.
*Karbida semen butiran ultrafine banyak digunakan dalam cetakan, alat potong, pemesinan presisi, komponen elektronik, dan bidang lainnya karena ketahanan aus yang sangat baik dan kekerasan yang tinggi. Ukuran butiran WC tipikal berkisar dari sekitar 0,2 hingga 0,6 μm. Menurut standar dari berbagai negara dan merek, nilai karbida semen butiran ultrafine yang umum digunakan adalah sebagai berikut:
A. Nilai Karbida Semen Butiran Ultrafine Umum China (misalnya XTC, Zhuzhou Cemented Carbide, Jiangxi Rare Earth, Meirgute, dll.)
Nilai
Ukuran Butiran (μm)
Kandungan Co (%)
Fitur & Aplikasi
YG6X
0,6
6,0
Cocok untuk aplikasi presisi tinggi dan kekerasan tinggi; ideal untuk finishing bahan keras.
YG8X
0,6
8,0
Sedikit lebih baik kekuatan lentur dan ketangguhan daripada YG6X; cocok untuk alat seperti pemotong penggilingan dan bor.
YG10X
0,6
10,0
Kinerja keseluruhan yang sangat baik; cocok untuk aplikasi yang membutuhkan ketahanan aus dan ketangguhan.
ZK10UF
~0,5
10,0
Nilai karbida Zhuzhou, digunakan untuk bor mikro, bor PCB, dan alat presisi lainnya.
TF08
0,5
8,0
Nilai ultrafine Meirgute, cocok untuk pemesinan paduan titanium dan logam yang sulit dipotong.
WF25
0,5
12,0
Khusus dioptimalkan untuk pemesinan paduan titanium dan baja tahan karat, dengan ketahanan chipping yang kuat.
B. Nilai Jerman (misalnya CERATIZIT, H.C. Starck, dll.)
Nilai
Ukuran Butiran (μm)
Kandungan Co (%)
Fitur & Aplikasi
CTU08A
0,4
8,0
Kekerasan ultra-tinggi, cocok untuk pemesinan presisi kecepatan tinggi.
K40UF
0,5
10,0
Ketahanan aus yang tinggi; ideal untuk pemotongan kering dan pemesinan aluminium.
S10
0,5
10,0
Cocok untuk bahan keras dan pemesinan keramik.
C. Nilai Jepang (misalnya Mitsubishi, Sumitomo, Toshiba, dll.)
Nilai
Ukuran Butiran (μm)
Kandungan Co (%)
Fitur & Aplikasi
UF10
0,4-0,6
10,0
Nilai ultrafine Sumitomo yang umum digunakan, cocok untuk end mill presisi.
TF20
0,5
12,0
Nilai ultrafine ketangguhan tinggi Mitsubishi, digunakan untuk penggilingan bahan yang sulit dikerjakan.
SF10
0,5
10,0
Digunakan untuk bor diameter kecil, alat PCB, dll.
D. Nilai USA(Kennametal、Carbide USA)
Nilai
Ukuran Butiran (μm)
Kandungan Co (%)
Fitur & Aplikasi
K313
0,4
6,0
Kekerasan tinggi, kandungan Co rendah, cocok untuk pemesinan bahan keras.
KD10F
0,6
10,0
Nilai ultrafine serbaguna dengan ketahanan aus yang sangat baik.
GU10F
0,4-0,5
10,0
Digunakan dalam aplikasi yang membutuhkan kualitas permukaan yang tinggi.
1.2. Optimalkan geometri pahat, seperti mengurangi sudut garu dan mempertahankan sudut bebas sedang, untuk meningkatkan kekuatan tepi.
1.3. Lakukan pengasahan tepi untuk mencegah chipping dan perambatan retakan mikro.
2. Solusi untuk Suhu Pemotongan yang Berlebihan:
2.1 Gunakan lapisan tahan panas berkinerja tinggi, seperti AlTiN, SiAlN, atau nACo, yang mampu menahan suhu pemotongan 800–1000°C.
2.2 Terapkan sistem pendingin bertekanan tinggi (HPC) atau pelumasan kuantitas minimum (MQL) untuk menghilangkan panas pemotongan dengan cepat.
2.3 Kurangi kecepatan pemotongan (Vc) untuk meminimalkan pembangkitan panas.
3. Solusi untuk Pengerasan Kerja yang Parah:
3.1 Tingkatkan umpan per gigi (fz) untuk mengurangi waktu tinggal pahat di lapisan yang dikeraskan.
3.2 Pilih kedalaman pemotongan (ap) yang lebih kecil dan beberapa lintasan untuk menghilangkan lapisan yang dikeraskan secara bertahap.
3.3 Jaga agar pahat tetap tajam untuk menghindari pemotongan dengan tepi yang tumpul melalui lapisan yang dikeraskan.
4. Solusi untuk Gaya Pemotongan yang Tinggi dan Getaran yang Parah:
4.1 Gunakan pahat helix variabel dan pitch variabel (jarak yang tidak sama) untuk mengurangi resonansi.
4.2 Minimalkan panjang overhang pahat (pertahankan rasio L/D