Nach Angaben der US-Organisation Nickel InstitutNickel ist das fünfthäufigste Element auf der Erde. Es ist ein äußerst vielseitiges Legierungselement, das sich leicht mit anderen Metallen verbinden lässt und ihnen außergewöhnliche Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit verleiht. Diese Eigenschaften stellen jedoch bei CNC-Bearbeitungslegierungen erhebliche Herausforderungen dar.
In diesem Artikel werden verschiedene in der Industrie verwendete Nickellegierungen, ihre Bearbeitungsverfahren und die besonderen Herausforderungen untersucht, die sie bei CNC-Bearbeitungsvorgängen darstellen.
Nickellegierungen verstehen: Gruppen und Eigenschaften
Nickel besteht aus Tausenden von Legierungen, daher ist es schwierig, den Überblick über jede einzelne zu behalten. Um sie besser zu verstehen, werden Nickellegierungen auf der Grundlage ähnlicher Eigenschaften in fünf Hauptgruppen eingeteilt:
Gruppe A – Legierungen mit hohem Nickelgehalt
Diese Legierungen haben einen hohen Nickelanteil, normalerweise über 95 %. Sie haben also die meisten inhärenten Eigenschaften von Nickel: ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit und hervorragende thermische und elektrische Leitfähigkeit. Beliebte Nickellegierungen sind Nickel 200, 201 und 205.
Gruppe B – Nickel-Kupfer-Legierungen
Nickel-Kupfer-Legierungen (Monel-Reihe) bestehen zu 52 bis 67 % aus Nickel; ein weiterer Hauptanteil ist Kupfer mit Spuren anderer Elemente. Sie bieten eine höhere Festigkeit als Legierungen der Gruppe A (Reinnickel), sind aber etwas weniger zäh. Kaltverformung verbessert ihre Korrosionsbeständigkeit, insbesondere in maritimen und chemischen Umgebungen. Inconel 400 /Alloy 400 und Inwar 36 sind die bekanntesten Legierungen dieser Gruppe.
Gruppe C – Nickel-Chrom-Legierungen
Gruppe C besteht aus Nickel-Chrom-Legierungen, deren Zusammensetzung austenitischem Edelstahl ähnelt. Der Chromanteil verleiht ihnen Oxidationsbeständigkeit, insbesondere bei hohen Temperaturen. Chrom bildet eine schützende Oxidschicht, die weitere Korrosion verhindert. Diese Legierungen haben aufgrund der gleichen Nickel-Chrom-Matrix auch eine Mischkristallfestigkeit. Inconel 600 und Nirmonic 75 sind bemerkenswerte Mitglieder dieser Gruppe.
Aushärtbare Legierungen der Gruppe D1-D2
Diese Gruppe ist unterteilt in:
- D1 (Ungealtert): Die Festigkeit dieser Legierungen beruht auf Kaltverformung und sie weisen vor der Wärmebehandlung eine gute Zähigkeit auf.
- D2 (Alter): Nach der Alterung werden diese Legierungen ausscheidungsgehärtet, was ihre Festigkeit und Haltbarkeit erhöht. Durch Zugabe von Elementen wie Aluminium oder Titan bilden sich Niederschläge, die die Fähigkeit der Legierung verbessern, extremen Kräften und Temperaturen standzuhalten.
Gruppe E – Hochbearbeitbare Legierung
Gruppe E ist eine Klasse einer einzelnen, gut bearbeitbaren Legierung, Monel R-405. Ihr wurde Schwefel zugesetzt, was die Bearbeitbarkeit verbessert. In Bezug auf Korrosionsbeständigkeit und andere physikalische Eigenschaften ist sie den Legierungen der Gruppe B ähnlich. Die mechanischen Eigenschaften unterscheiden sich jedoch geringfügig.
| Gruppe an | Legierung | Zusammensetzung | Eigenschaften | Anwendungen |
| Gruppe A | Nickel 200 | 99.6 % Nickel | Hervorragende Korrosionsbeständigkeit, gute Wärmeleitfähigkeit | Chemische Verarbeitung, Meeresumgebungen, elektronische Komponenten |
| Nickel 201 | 99.6 % Nickel (kohlenstoffarm) | Ähnlich wie Nickel 200, besser für Hochtemperaturanwendungen | Ätznatronverdampfer, Galvanikanlagen | |
| Nickel 205 | 99.6 % Nickel | Hohe elektrische Leitfähigkeit, verbesserte mechanische Eigenschaften | Elektrische Komponenten, Anodenplatten | |
| Gruppe B | Inconel 400 | 63 % Nickel, 30 % Kupfer | Hohe Festigkeit und ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit in Meerwasser | Schiffstechnik, Wärmetauscher |
| Inwar 36 | 36% Nickel, 64% Eisen | Extrem geringe Wärmeausdehnung | Flugzeugsteuerungen, Thermostate, optische Instrumente | |
| Gruppe C | Inconel 600 | 72 % Nickel, 14-17 % Chrom, 6-10 % Eisen | Oxidationsbeständigkeit bei hohen Temperaturen, gute mechanische Festigkeit | Düsenabgasleitungen, Verdampferrohre, Wärmebehandlungsanlagen |
| Nimonic 75 | 80 % Nickel, 20 % Chrom | Hohe Festigkeit bei erhöhten Temperaturen, gute Oxidationsbeständigkeit | Gasturbinenschaufeln, Industrieöfen | |
| Gruppe D1 | Duranickel 301 | 94% Nickel, 4.75% Eisen | Aushärtbar, hohe Festigkeit, Korrosionsbeständigkeit | Luft- und Raumfahrt, hochbelastete Komponenten |
| Gruppe D2 | Inconel 718 | 50-55% Nickel, 17-21% Chrom, 2.8-3.3% Molybdän | Ausscheidungsgehärtet, hohe Festigkeit, Hitzebeständigkeit | Strahltriebwerke, Gasturbinen, Kernreaktoren, Schieber |
| Gruppe E | Monel R-405 | 63 % Nickel, 30 % Kupfer, 0.03 % Schwefel | Verbesserte Bearbeitbarkeit, Korrosionsbeständigkeit | Hochgeschwindigkeitsbearbeitung, Schifffahrt, chemische Ausrüstung |
Bearbeitungsvorgänge für Nickellegierungen
In der Industrie werden Nickellegierungen verschiedenen Bearbeitungsprozessen unterzogen, um die gewünschte Form, Größe und Gestalt zu erhalten. Die am häufigsten eingesetzten Bearbeitungsverfahren sind:
Drehung
Drehung ist ein Bearbeitungsvorgang, bei dem ein einschneidiges Schneidwerkzeug verwendet wird, um Material von einem rotierenden Werkstück zu entfernen. Dieser Vorgang wird auf einer CNC-Drehmaschine durchgeführt, bei der sich das Werkzeug entlang der Oberfläche bewegt, um zylindrische Teile zu formen.
Aufgrund ihrer Zähigkeit erfordert das Drehen von Nickellegierungen Präzision. Sie müssen positive Spanwinkel verwenden, um das Werkzeug zu minimieren und sicherzustellen, dass das Material geschnitten und nicht geschoben wird. Hartmetallwerkzeuge eignen sich am besten für diese Aufgabe, da sie den hohen Temperaturen standhalten, die während des Prozesses entstehen.
Das Nickel Development Institute gibt an, dass beim Drehen von Nickellegierungen eine um 30–50 % niedrigere Geschwindigkeit erforderlich ist als beim Bearbeiten von Stahl. Normalerweise liegt sie zwischen 50 und 100 FPM (Fuß pro Minute).
Um die Spanbildung beim Drehen zu kontrollieren, werden Werkzeuge mit Spanbrechern oder -formern bevorzugt. Untersuchungen zeigen, dass diese Werkzeuge die Standzeit um bis zu 40 % verlängern können.
Fräsen
Fräsen ist die Verwendung eines rotierenden Fräsers zum Formen eines Materials. Bei Nickellegierungen wird Gleichlauffräsen gegenüber konventionellem (Aufwärts-)Fräsen bevorzugt, um die Verhärtung der Werkstücke zu minimieren. In Anbetracht der Zähigkeit von Nickel sind Schaftfräser aus Schnellarbeitsstahl (HSS) oder Hartmetall perfekt für Nickel geeignet.
Um übermäßige Hitzeentwicklung während des Prozesses zu vermeiden, empfehlen Experten außerdem, die Vorschubgeschwindigkeit niedrig zu halten. Für Schwerlastfräsarbeiten eignen sich Spezialfräser mit einem positiven Spanwinkel von 12° bis 18° am besten.
Bohren
Beim Bohren von Nickellegierungen ist eine gleichmäßige Vorschubgeschwindigkeit entscheidend, um eine Kaltverfestigung am Bohrlochgrund zu vermeiden. HSS-Bohrer sind im Allgemeinen für Legierungen der Gruppen A und B geeignet, während Kobaltbohrer am besten für härtere Legierungen der Gruppen C und D geeignet sind – diese Kobaltbohrer halten 50 % länger als HSS-Bohrer.
Zum Bohren tiefer Löcher werden üblicherweise Spatenbohrer oder Tieflochbohrer verwendet. Dieser Vorgang erfordert Schneidflüssigkeit unter hohem Druck, um die Späne abzutransportieren und einen Hitzestau zu verhindern. Die Bohrgeschwindigkeiten liegen bei weicheren Legierungen im Bereich von 10 bis 18 SFM (Oberflächenfuß pro Minute), bei härteren Legierungen bei 5 bis 12 SFM.
Schleifen
Bei den meisten Bearbeitungsprozessen wird häufig geschliffen, um die gewünschte Oberflächengüte und Maßgenauigkeit zu erreichen. Der Schlüssel zum erfolgreichen Schleifen von Nickellegierungen ist die Verwendung von Schleifmaterialien wie Aluminiumoxid oder Siliziumkarbid.
Untersuchungen legen nahe, dass spitzenlose Schleifverfahren sich zum Erreichen von Präzision bei Nickellegierungen eignen, da sie dabei helfen, Rundheit und Maßgenauigkeit zu bewahren.
Bohren
Beim Bohren werden bereits gebohrte oder gegossene Löcher vergrößert. Bei Nickellegierungen ist dies aufgrund der Härte des Werkstoffs schwierig zu erreichen. Um den Werkzeugverschleiß zu reduzieren, werden Bohrstangen mit Hartmetallspitzen verwendet.
Maschinenmechaniker empfehlen, Bohrvorgänge für Nickellegierungen mit niedrigeren Geschwindigkeiten durchzuführen als für weichere Materialien, normalerweise etwa 30-60 SFM. Sie müssen richtig geschmiert werden: mit schwefelhaltigem Öl oder ähnlichen Hochleistungskühlmitteln.
Statistisch gesehen kommt es bei Bohrvorgängen an Nickellegierungen zu einem um 30–40 % höheren Werkzeugverschleiß als bei Standardstählen – das bedeutet häufige Werkzeugwechsel.
Tapping
Das Gewindeschneiden in ein vorhandenes Loch wird als Gewindeschneiden bezeichnet. Auch hier eignen sich HSS- und kobaltbasierte Gewindeschneidwerkzeuge aufgrund ihrer Hitzebeständigkeit und Haltbarkeit gut. Bei den härtesten Nickellegierungen sind Seriengewindebohrer erforderlich, bei denen jeder nachfolgende Gewindebohrer den Gewindedurchmesser vergrößert, um Werkzeugbrüche zu vermeiden.
Darüber hinaus verringert sich durch die Verwendung einer Gewindetiefe von 60 % statt der üblichen 75 % das zum Gewindeschneiden erforderliche Drehmoment und die Wahrscheinlichkeit eines Gewindebohrerbruchs. Die Gewindeschneidgeschwindigkeiten sind normalerweise niedriger als die Bohrgeschwindigkeiten und liegen im Bereich von 10 bis 20 SFM. Und für einen reibungsloseren Betrieb müssen Flüssigkeiten großzügig verwendet werden.
EDM (elektrische Entladungsbearbeitung)
EDM ist ein nicht-konventioneller Bearbeitungsprozess, bei dem elektrische Entladungen (Funken) zum Entfernen von Material verwendet werden. Mit diesem Verfahren werden präzise Innenschnitte vorgenommen und Geometrien erstellt, die mit herkömmlichen Verfahren nicht möglich sind. Drahterodieren ist bei Nickellegierungen recht verbreitet, während Senkerodieren für Geometrien verwendet werden kann, die Innenhohlräume benötigen.
EDM ist langsamer als herkömmliche Bearbeitung, mit Materialabtragsraten zwischen 0.1 und 0.5 Kubikzoll pro Minute, bietet aber unübertroffene Präzision und eignet sich daher für Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt, Medizin und Hochleistungsanwendungen. Da kein Schneidwerkzeug vorhanden ist oder mit dem Material in Kontakt kommt, gibt es keine Probleme mit Werkzeugverschleiß und Materialverformung.
Wasserstrahlschneiden
Wasserstrahlschneider sind die beste Lösung zum Schneiden dicker Platten aus Nickellegierungen ohne Hitzeentwicklung. Sie verwenden Hochdruckwasser, das mit Schleifmittel vermischt ist, um das Werkstück zu durchschneiden. Dieses Verfahren wird in größeren Anlagen verwendet, um Nickellegierungen mit einer Dicke von bis zu 10 Zoll mit einer Genauigkeit von ±0.005 Zoll auszuschneiden.
Das Fehlen von Wärmeeinflusszonen (WEZ) macht das Wasserstrahlschneiden wertvoll, wenn Präzision und Materialintegrität entscheidend sind. Es bietet möglicherweise weniger Präzision als EDM, ist aber deutlich schneller (die typische Geschwindigkeit beträgt 6 bis 10 IPM).
Herausforderungen bei der Bearbeitung von Nickellegierungen
Nickellegierungen können hohen Temperaturen standhalten, ohne viel an Festigkeit einzubüßen. Bei der Bearbeitung können sie jedoch problematisch sein. Maschinenbauer stehen vor mehreren Herausforderungen:
Übermäßige Wärmeentwicklung
Nickellegierungen sind dafür bekannt, dass sie bei der Bearbeitung übermäßig viel Wärme erzeugen. Diese Wärme entsteht hauptsächlich aus zwei Quellen: Reibungskontakt zwischen Schneidwerkzeug und Material sowie plastische Verformung während der Bearbeitung.
Da Nickellegierungen schlechte Wärmeleiter sind, wird die Reibungswärme nicht abgeleitet, sondern konzentriert sich im Schneidbereich. Diese lokale Temperaturspitze führt zu Oberflächenveränderungen im Material und belastet das Werkzeug.
Kaltverfestigung
Die Kaltverfestigung von Nickellegierungen wird durch die gleichzeitige Wirkung von plastischer Verformung, Wärmeentwicklung und kontinuierlicher Bearbeitung verstärkt. Obwohl alle Materialien ein gewisses Maß an Kaltverfestigung erfahren, härten Nickellegierungen stärker aus. Jede weitere bearbeitete Schicht wird durch diesen Prozess zunehmend härter.
Werkzeughaftung
Ein weiteres häufiges Problem im Zusammenhang mit der Wärmeentwicklung ist die Werkzeughaftung, bei der Späne der Nickellegierung am Schneidwerkzeug haften bleiben. Die meisten Werkzeuge können erhöhten Temperaturen über 800 °C nicht standhalten. In den meisten Fällen führt dies dazu, dass das Werkstückmaterial am Werkzeug festklebt. Da das Werkzeug dadurch weniger effektiv wird, wird das Schneiden schwieriger.
Risiko eines Werkzeugausfalls
Nickellegierungen können aufgrund ihrer Zähigkeit den Werkzeugverschleiß beschleunigen und zu vorzeitigem Werkzeugausfall führen. Die Kombination aus übermäßiger Hitze, hohen Schnittkräften und Materialhärte belastet das Schneidwerkzeug enorm. Hinzu kommen die erhöhten Temperaturen – die thermische Rissbildung kann die strukturelle Integrität des Werkzeugs schwächen.
Überlegungen zur CNC-Bearbeitung von Nickellegierungen
Wir haben bereits viele hilfreiche Tipps zu jedem Bearbeitungsprozess gegeben. Hier ist eine allgemeine Version dessen, was Sie bei der Bearbeitung von Nickellegierungen alles richtig machen müssen:
Überlegungen zum Design
Beim Entwurf von Teilen für die Bearbeitung mit Nickellegierungen ist es wichtig, die Kaltverfestigung und Wärmeentwicklung des Materials zu berücksichtigen. Die Geometrie sollte einfach sein und fließende Übergänge aufweisen, um übermäßigen Werkzeugverschleiß und schlechte Oberflächengüte zu vermeiden. Komplexe Formen oder scharfe Ecken können diese Probleme verschlimmern und zu Schwierigkeiten bei der Einhaltung von Toleranzen und Werkzeugstabilität führen.
Vielleicht könnte das Produkt so gestaltet werden, dass es einige einfachere Geometrien aufweist, die später zusammengebaut werden können. Um die Bearbeitbarkeit zu optimieren, sollte das Design auch eine effektive Wärmeableitung ermöglichen.
Schneidewerkzeuge
Nickel erfordert Werkzeuge, die seine Härte übertreffen. Hartmetallwerkzeuge werden aufgrund ihrer Haltbarkeit und Hitzebeständigkeit häufig für kontinuierliche Schnitte bevorzugt, während HSS-Werkzeuge für unterbrochene Schnitte oder Endbearbeitungsvorgänge geeignet sind.
Für eine bessere Spanabfuhr sind Werkzeuge mit 6 bis 8 Schneiden besser geeignet. Darüber hinaus sind Spanformer oder Spanbrecher am besten geeignet, um Materialansammlungen am Werkzeug zu verhindern.
Bearbeitungsparameter (Schnittgeschwindigkeit, Vorschub)
Die Bearbeitungsparameter müssen sorgfältig optimiert werden, um Wärmeentwicklung und Kaltverfestigung zu reduzieren. Schnittgeschwindigkeit und Vorschub variieren je nach Bearbeitungsverfahren und müssen entsprechend angepasst werden. Beispielsweise werden Fräsvorgänge häufig mit 100 bis 330 SPM durchgeführt. Beim Drehen sind es 50 bis 100 SFM.
Schneidflüssigkeiten
Schneidflüssigkeiten spielen bei der Bearbeitung von Nickellegierungen eine entscheidende Rolle, vor allem durch die Temperaturkontrolle und Reibungsreduzierung. Für eine optimale Wärmeableitung wird Hochdruckkühlmittel, typischerweise mit 1000 psi oder mehr, empfohlen. Als Kühlmittel können sowohl Wasser als auch geschwefeltes Mineralöl verwendet werden.
Anwendungen von bearbeiteten Nickellegierungen
Nickellegierungen verfügen über Eigenschaften wie hohe Festigkeit, Hitze- und Korrosionsbeständigkeit, die sie für Anwendungen in zahlreichen Branchen ideal machen:
| Branche | Anwendungen |
| Luft- und Raumfahrt | Turbinenschaufeln, Raketentriebwerkskomponenten |
| Chemikalienverarbeitung | Behälter, Rohrleitungen, Mischvorrichtungen |
| Öl un Gas | Pumpen, Rohre, Druckbehälter, Wärmetauscher |
| Medizinische Ausrüstung | Chirurgische Instrumente, orthopädische Implantate, Stents (Nitinol®) |
| Elektrik & Elektronik | Elektrische Kontakte, Transformatoren, Speichergeräte |
| Marine-Anwendungen | Propeller, Bilgenpumpen, Ventile |
| Präzisionsinstrumente | Hermetische Dichtungen, Temperaturschalter |
| Stromerzeugungsmarkt | Wärmetauscher, Gasturbinen, Kernreaktorkomponenten |
| Automobilindustrie | Auspuffanlagen, Turbolader |
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