Selon le Institut de nickelLe nickel est le cinquième élément le plus abondant sur Terre. C'est un élément d'alliage très polyvalent qui se combine facilement avec d'autres métaux pour conférer une résistance et une résistance à la corrosion exceptionnelles. Cependant, ces mêmes propriétés présentent des défis importants dans les alliages d'usinage CNC.
Cet article explore divers alliages de nickel utilisés dans l’industrie, leurs processus d’usinage et les défis spécifiques qu’ils posent lors des opérations d’usinage CNC.
Comprendre les alliages de nickel : groupes et caractéristiques
Le nickel forme des milliers d'alliages, il est donc difficile de les identifier tous. Pour mieux les comprendre, les alliages à base de nickel sont classés en cinq grands groupes sur la base de caractéristiques similaires :
Groupe A – Alliages à haute teneur en nickel
Ces alliages ont un pourcentage élevé de nickel, généralement supérieur à 95 %. Ils partagent donc la plupart des propriétés inhérentes au nickel : une excellente résistance à la corrosion et une conductivité thermique et électrique supérieure. Les alliages de nickel les plus populaires sont le nickel 200, 201 et 205.
Groupe B – Alliages de nickel et de cuivre
Les alliages nickel-cuivre (série Monel) contiennent entre 52 et 67 % de nickel ; le cuivre, associé à des traces d'autres éléments, constitue une part importante de ces alliages. Ils offrent une résistance supérieure à celle des alliages du groupe A (nickel pur), mais une ténacité légèrement inférieure. L'écrouissage améliore leur résistance à la corrosion, notamment en milieu marin et chimique. Inconel 400/Alliage 400 et Invar36 sont les alliages les plus connus de ce groupe.
Groupe C – Alliages de nickel et de chrome
Le groupe C est constitué d'alliages nickel-chrome, dont la composition ressemble à celle de l'acier inoxydable austénitique. La présence de chrome leur confère une résistance à l'oxydation, notamment à haute température. Le chrome forme une couche d'oxyde protectrice, empêchant toute corrosion ultérieure. Ces alliages présentent également une résistance à la solution solide grâce à la même matrice nickel-chrome. L'Inconel 600 et le Nirmonic 75 sont des membres notables de ce groupe.
Groupe D1-D2 Alliages durcissables par vieillissement
Ce groupe est divisé en :
- D1 (non vieilli) : Ces alliages reposent sur le travail à froid pour leur résistance et présentent une bonne ténacité avant le traitement thermique.
- D2 (âgé) : Après vieillissement, ces alliages subissent un durcissement par précipitation, ce qui augmente leur résistance et leur durabilité. L'ajout d'éléments tels que l'aluminium ou le titane forme des précipités qui améliorent la capacité de l'alliage à résister à des forces et des températures extrêmes.
Groupe E – Alliage hautement usinable
Le groupe E est une classe d'un seul alliage hautement usinable, le Monel R-405. Il contient du soufre ajouté, ce qui améliore le facteur d'usinabilité. En termes de résistance à la corrosion et d'autres propriétés physiques, il est similaire aux alliages du groupe B. Cependant, les propriétés mécaniques sont légèrement différentes.
| Groupe | Aluminium | Composition | Caractéristiques | Applications |
| Groupe A | Nickel 200 | 99.6% de nickel | Excellente résistance à la corrosion, bonne conductivité thermique | Traitement chimique, environnements marins, composants électroniques |
| Nickel 201 | 99.6 % de nickel (faible teneur en carbone) | Similaire au Nickel 200, meilleur pour les applications à haute température | Évaporateurs caustiques, équipements de galvanoplastie | |
| Nickel 205 | 99.6% de nickel | Conductivité électrique élevée, propriétés mécaniques améliorées | Composants électriques, plaques anodiques | |
| Groupe B | Inconel 400 | 63 % de nickel, 30 % de cuivre | Haute résistance et excellente résistance à la corrosion dans l'eau de mer | Ingénierie navale, échangeurs de chaleur |
| Invar36 | 36 % de nickel, 64 % de fer | Dilatation thermique extrêmement faible | Commandes d'aéronefs, thermostats, instruments optiques | |
| Groupe C | Inconel 600 | 72 % de nickel, 14 à 17 % de chrome, 6 à 10 % de fer | Résistance à l'oxydation à haute température, bonne résistance mécanique | Lignes d'échappement des jets, tubes d'évaporateur, équipements de traitement thermique |
| Nimonic 75 | 80% Nickel, 20% Chrome | Haute résistance à des températures élevées, bonne résistance à l'oxydation | Aubes de turbines à gaz, fours industriels | |
| Groupe D1 | Duranickel 301 | 94 % de nickel, 4.75 % de fer | Durcissement par vieillissement, haute résistance, résistance à la corrosion | Aérospatiale, composants à hautes contraintes |
| Groupe D2 | Inconel 718 | 50-55 % de nickel, 17-21 % de chrome, 2.8-3.3 % de molybdène | Durci par précipitation, haute résistance, résistance à la chaleur | Moteurs à réaction, turbines à gaz, réacteurs nucléaires, vannes à guillotine |
| Groupe E | Monel R-405 | 63 % de nickel, 30 % de cuivre, 0.03 % de soufre | Usinabilité améliorée, résistance à la corrosion | Usinage à grande vitesse, marine, équipements chimiques |
Opérations d'usinage pour alliages de nickel
Dans l'industrie, les alliages de nickel subissent différents processus d'usinage pour obtenir la forme, la taille et la forme souhaitées. Parmi eux, les procédés d'usinage les plus utilisés sont :
Tournant
Tournant Il s'agit d'une opération d'usinage qui consiste à utiliser un outil de coupe à pointe unique pour enlever de la matière d'une pièce en rotation. Cette opération est réalisée sur un tour à commande numérique où l'outil se déplace le long de la surface pour façonner des pièces cylindriques.
Pour les alliages de nickel, le tournage exige de la précision en raison de leur ténacité. Vous devez utiliser des angles de coupe positifs pour minimiser l'outil et garantir que le matériau est coupé plutôt que poussé. Les outils en carbure sont les mieux adaptés à ce travail car ils peuvent résister aux températures élevées générées pendant le processus.
Selon le Nickel Development Institute, le tournage des alliages de nickel nécessite des vitesses 30 à 50 % inférieures à celles de l'usinage de l'acier. En général, elles se situent entre 50 et 100 pieds par minute (FPM).
Pour contrôler les copeaux pendant le tournage, il est préférable d'utiliser des outils dotés de dispositifs de brise-copeaux ou de briseurs de copeaux. Des recherches ont montré que ces outils peuvent prolonger la durée de vie de l'outil jusqu'à 40 %.
Fraisage
Fraisage L'usinage par fraisage consiste à utiliser une fraise rotative pour façonner un matériau. Dans le cas des alliages de nickel, le fraisage par remontage est préférable au fraisage conventionnel (vers le haut) pour minimiser le durcissement. Compte tenu de la ténacité du nickel, les fraises en acier rapide (HSS) ou en carbure sont parfaites pour le nickel.
De plus, pour éviter une surchauffe pendant le processus, les experts suggèrent de maintenir les vitesses d'avance faibles. Pour le fraisage intensif, les fraises spécialisées avec des angles de coupe positifs de 12° à 18° fonctionnent le mieux.
Forage Horizontaux
Lors du perçage d'alliages de nickel, des vitesses d'avance constantes sont essentielles pour éviter le durcissement au fond du trou. Les forets HSS sont généralement efficaces pour les alliages des groupes A et B, tandis que les forets au cobalt sont les plus adaptés aux alliages plus résistants des groupes C et D. Ces forets au cobalt durent 50 % plus longtemps que ceux en HSS.
Pour le perçage de trous profonds, on utilise souvent des forets à bêche ou des forets à canon. Cette opération nécessite un fluide de coupe à haute pression pour évacuer les copeaux et éviter l'accumulation de chaleur. Les vitesses de perçage, pour les alliages plus tendres, sont de l'ordre de 10 à 18 pieds par minute (SFM) et de 5 à 12 SFM pour les alliages plus durs.
Meulage
La plupart des processus d'usinage s'accompagnent souvent d'une rectification pour obtenir la finition de surface et la précision dimensionnelle souhaitées. La clé d'une rectification réussie des alliages de nickel est d'utiliser des matériaux abrasifs comme l'oxyde d'aluminium ou le carbure de silicium.
Les recherches suggèrent que les techniques de rectification sans centre sont efficaces pour obtenir une précision avec les alliages de nickel, car elles aident à maintenir la rondeur et la précision dimensionnelle.
Forage
Le perçage consiste à agrandir les trous déjà percés ou coulés. Dans les alliages de nickel, cela est difficile à réaliser, compte tenu de leur dureté. Pour réduire l'usure des outils, on utilise des barres d'alésage à pointe de carbure.
Les machinistes suggèrent que les opérations d'alésage des alliages de nickel doivent être effectuées à des vitesses inférieures à celles des matériaux plus tendres, généralement autour de 30 à 60 SFM. Elles doivent être correctement lubrifiées : avec de l'huile sulfurée ou des liquides de refroidissement similaires à haute performance.
Statistiquement, les opérations d'alésage sur les alliages de nickel connaissent des taux d'usure des outils 30 à 40 % plus élevés que ceux des aciers standard, ce qui implique des changements d'outils fréquents.
Tapotement
Le filetage d'un trou préexistant est appelé taraudage. Là encore, les outils de taraudage HSS et à base de cobalt fonctionnent bien en raison de leur résistance à la chaleur et de leur durabilité. Pour les alliages de nickel les plus durs, des tarauds en série (chaque taraudage successif augmentant le diamètre du filetage) sont nécessaires pour éviter la rupture de l'outil.
De plus, l'utilisation d'une profondeur de filetage de 60 % au lieu des 75 % standard réduit le couple requis pour le taraudage et diminue le risque de rupture du taraud. Les vitesses de taraudage sont généralement plus lentes que celles du perçage, de l'ordre de 10 à 20 SFM. Et les fluides doivent être utilisés généreusement pour un fonctionnement plus fluide.
EDM (usinage par électroérosion)
EDM Il s'agit d'un procédé d'usinage non conventionnel qui utilise des décharges électriques (étincelles) pour enlever de la matière. Ce procédé est utilisé pour réaliser des coupes internes précises et créer des géométries que les procédés traditionnels ne parviennent pas à réaliser. L'électroérosion à fil est assez courante pour les alliages de nickel, tandis que l'électroérosion par enfonçage peut être utilisée pour les géométries qui nécessitent des cavités internes.
L'électroérosion est plus lente que l'usinage traditionnel, avec des taux d'enlèvement de matière compris entre 0.1 et 0.5 pouce cube par minute, mais elle offre une précision inégalée, ce qui la rend adaptée aux applications aérospatiales, médicales et de haute performance. Comme aucun outil de coupe n'est présent ou en contact avec le matériau, il n'y a aucun problème d'usure de l'outil et de déformation du matériau.
Découpe au jet d'eau
Les découpeuses à jet d'eau sont la meilleure solution pour découper des plaques épaisses d'alliages de nickel sans générer de chaleur. Elles utilisent de l'eau sous haute pression mélangée à un abrasif pour couper la pièce. Ce procédé est utilisé dans les configurations plus grandes pour découper des alliages de nickel jusqu'à 10 pouces d'épaisseur avec une précision de ± 0.005 pouces.
L'absence de zones affectées par la chaleur (ZAT) rend la découpe au jet d'eau intéressante lorsque la précision et l'intégrité du matériau sont essentielles. Elle peut offrir moins de précision que l'EDM, mais elle est beaucoup plus rapide (la vitesse typique est de 6 à 10 IPM).
Défis dans l'usinage des alliages de nickel
Les alliages de nickel peuvent résister à des températures élevées sans perdre beaucoup de résistance. Cependant, ils peuvent poser problème lors de l'usinage. Les machinistes sont confrontés à de nombreux défis :
Génération de chaleur excessive
Les alliages de nickel sont connus pour générer une chaleur excessive lors de l'usinage. Cette chaleur provient principalement de deux sources : le contact par frottement entre l'outil de coupe et le matériau, et la déformation plastique lors de l'usinage.
Les alliages de nickel étant de mauvais conducteurs de chaleur, la chaleur de frottement ne se disperse pas, mais se concentre dans la zone de coupe. Ce pic de température localisé entraîne des modifications de surface du matériau et sollicite l'outil.
Durcissement au travail
Le durcissement par écrouissage des alliages de nickel est exacerbé par les effets simultanés de la déformation plastique, de la génération de chaleur et de l'usinage continu. Bien que tous les matériaux subissent un certain degré de durcissement par écrouissage, les alliages de nickel durcissent de manière plus agressive. Chaque couche successive usinée devient progressivement plus dure en raison de ce processus.
Adhérence de l'outil
Un autre problème courant lié à la génération de chaleur est l'adhérence de l'outil, où les copeaux de l'alliage de nickel collent à l'outil de coupe. La plupart des outils ne peuvent pas supporter des températures élevées supérieures à 800 ℃. Dans la plupart des cas, cela entraîne le soudage du matériau de la pièce à l'outil. À mesure que l'outil devient moins efficace, la coupe devient plus difficile.
Risque de défaillance de l'outil
Les alliages de nickel peuvent accélérer l'usure des outils et entraîner une défaillance prématurée de l'outil en raison de leur résistance. La combinaison d'une chaleur excessive, de forces de coupe élevées et de la dureté du matériau exerce une contrainte énorme sur l'outil de coupe. Ajoutez à cela les températures élevées – la fissuration thermique peut affaiblir l'intégrité structurelle de l'outil.
Considérations lors de l'usinage CNC des alliages de nickel
Nous avons déjà partagé de nombreux conseils utiles pour chaque processus d'usinage. Voici une version généralisée des éléments que vous devez collectivement mettre en place pour l'usinage des alliages de nickel :
Considérations sur les conceptions
Lors de la conception de pièces destinées à l'usinage avec des alliages de nickel, il est important de tenir compte du durcissement et de la génération de chaleur du matériau. La géométrie doit être simple, avec des transitions douces pour éviter une usure excessive de l'outil et des finitions de surface médiocres. Des formes complexes ou des angles vifs peuvent aggraver ces problèmes, entraînant des difficultés à maintenir les tolérances et la stabilité de l'outil.
Le produit pourrait peut-être être conçu de manière à comporter quelques géométries plus simples qui s'assembleraient ultérieurement. Pour optimiser l'usinabilité, la conception devrait également permettre une dissipation efficace de la chaleur.
Outils de coupe
Le nickel nécessite des outils qui dépassent sa dureté. Les outils en carbure sont largement préférés pour les coupes continues en raison de leur durabilité et de leur résistance à la chaleur, tandis que les outils HSS conviennent aux coupes interrompues ou aux opérations de finition.
Pour une meilleure évacuation des copeaux, les outils à 6 ou 8 dents sont plus adaptés. De plus, les brise-copeaux ou les brise-copeaux sont les plus adaptés pour éviter l'accumulation de matière sur l'outil.
Paramètres d'usinage (vitesse de coupe, vitesse d'avance)
Les paramètres d'usinage doivent être soigneusement optimisés pour réduire la production de chaleur et l'écrouissage. La vitesse de coupe et l'avance varient selon les différents processus d'usinage et doivent être ajustées en conséquence. Par exemple, les opérations de fraisage sont souvent effectuées à une vitesse de 100 à 330 SPM. Pour le tournage, cette vitesse est de 50 à 100 SFM.
Fluides de coupe
Les fluides de coupe jouent un rôle crucial dans l'usinage des alliages de nickel, principalement en contrôlant la température et en réduisant la friction. Un liquide de refroidissement à haute pression, généralement à 1000 XNUMX psi ou plus, est recommandé pour une dissipation optimale de la chaleur. L'eau et l'huile minérale sulfurée peuvent être utilisées comme liquides de refroidissement.
Applications des alliages de nickel usinés
Les alliages de nickel présentent des caractéristiques – haute résistance, résistance à la chaleur et à la corrosion – qui en font un choix idéal pour des applications dans un large éventail d’industries :
| Industrie | Applications |
| Industrie aerospatiale | Aubes de turbine, composants de moteurs-fusées |
| Industrie chimique | Réservoirs, tuyauterie, appareils de mélange |
| PETROLE ET GAZ | Pompes, tuyaux, réservoirs sous pression, échangeurs de chaleur |
| Équipement médical | Instruments chirurgicaux, implants orthopédiques, stents (Nitinol®) |
| Électrique et électronique | Contacts électriques, transformateurs, dispositifs de stockage de mémoire |
| Applications marines | Hélices, pompes de cale, vannes |
| Instruments de précision | Joints hermétiques, interrupteurs de température |
| Production d'électricité | Échangeurs de chaleur, turbines à gaz, composants de réacteurs nucléaires |
| Automobile | Systèmes d'échappement, turbocompresseurs |
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