Secondo il Nickel Institute, il nichel è il quinto elemento più abbondante sulla Terra. È un elemento di lega altamente versatile che si combina facilmente con altri metalli per conferire eccezionale resistenza e resistenza alla corrosione. Tuttavia, queste stesse proprietà presentano sfide significative nelle leghe per lavorazione CNC.
Questo articolo esamina le varie leghe di nichel utilizzate nell'industria, i loro processi di lavorazione e le sfide specifiche che pongono durante le operazioni di lavorazione CNC.
Comprensione delle leghe di nichel: gruppi e caratteristiche
Il nichel forma migliaia di leghe, quindi è difficile tenere traccia di ciascuna di esse. Per comprenderle meglio, le leghe a base di nichel sono classificate in cinque gruppi principali in base a caratteristiche simili:
Gruppo A – Leghe ad alto contenuto di nichel
Queste leghe hanno un'alta percentuale di nichel, solitamente oltre il 95%. Quindi, condividono la maggior parte delle proprietà intrinseche del nichel: eccellente resistenza alla corrosione e conduttività termica ed elettrica superiore. Le leghe di nichel più diffuse includono il nichel 200, 201 e 205.
Gruppo B – Leghe di nichel e rame
Le leghe nichel-rame (serie Monel) contengono dal 52 al 67% di nichel; un'altra percentuale importante è rappresentata dal rame con tracce di altri elementi. Offrono maggiore resistenza rispetto alle leghe del Gruppo A (nichel puro), ma hanno una tenacità leggermente inferiore. La lavorazione a freddo ne migliora la resistenza alla corrosione, in particolare in ambienti marini e chimici. Inconel 400 / Lega 400 e Invaro 36 sono le leghe più note di questo gruppo.
Gruppo C – Leghe di nichel e cromo
Il gruppo C è costituito da leghe di nichel-cromo, che assomigliano all'acciaio inossidabile austenitico nella composizione. La presenza di cromo conferisce loro resistenza all'ossidazione, in particolare ad alte temperature. Il cromo forma uno strato di ossido protettivo, impedendo ulteriore corrosione. Queste leghe hanno anche resistenza in soluzione solida grazie alla stessa matrice di nichel-cromo. Inconel 600 e Nirmonic 75 sono membri notevoli di questo gruppo.
Leghe induribili per invecchiamento del gruppo D1-D2
Questo gruppo è suddiviso in:
- D1 (Non invecchiato): Queste leghe necessitano di lavorazione a freddo per ottenere resistenza e presentano una buona tenacità prima del trattamento termico.
- D2 (Invecchiato): Dopo l'invecchiamento, queste leghe subiscono un indurimento per precipitazione, che ne aumenta la resistenza e la durata. L'aggiunta di elementi come alluminio o titanio forma precipitati che migliorano la capacità della lega di resistere a forze e temperature estreme.
Gruppo E – Lega altamente lavorabile
Il gruppo E è una classe di una singola lega altamente lavorabile, Monel R-405. Ha aggiunto zolfo, che migliora il fattore di lavorabilità. In termini di resistenza alla corrosione e altre proprietà fisiche, è simile alle leghe del gruppo B. Tuttavia, le proprietà meccaniche sono leggermente diverse.
| Gruppo | Lega | Composizione | Caratteristiche | Applicazioni |
| Gruppo A | Nickel 200 | 99.6% Nichel | Ottima resistenza alla corrosione, buona conduttività termica | Lavorazioni chimiche, ambienti marini, componenti elettronici |
| Nickel 201 | 99.6% Nichel (basso tenore di carbonio) | Simile al Nickel 200, migliore per applicazioni ad alta temperatura | Evaporatori caustici, apparecchiature galvaniche | |
| Nickel 205 | 99.6% Nichel | Elevata conduttività elettrica, proprietà meccaniche migliorate | Componenti elettrici, piastre anodiche | |
| Gruppo B | Inconel 400 | 63% Nichel, 30% Rame | Elevata resistenza ed eccellente resistenza alla corrosione in acqua di mare | Ingegneria navale, scambiatori di calore |
| Invaro 36 | 36% Nichel, 64% Ferro | Espansione termica estremamente bassa | Comandi aeronautici, termostati, strumenti ottici | |
| Gruppo C | Inconel 600 | 72% Nichel, 14-17% Cromo, 6-10% Ferro | Resistenza all'ossidazione ad alte temperature, buona resistenza meccanica | Condotte di scarico dei getti, tubi dell'evaporatore, apparecchiature di lavorazione termica |
| Nimonic 75 | 80% Nichel, 20% Cromo | Elevata resistenza a temperature elevate, buona resistenza all'ossidazione | Pale di turbine a gas, forni industriali | |
| Gruppo D1 | Duranichel 301 | 94% Nichel, 4.75% Ferro | Induribile con l'invecchiamento, elevata resistenza, resistenza alla corrosione | Aerospaziale, componenti ad alto stress |
| Gruppo D2 | Inconel 718 | 50-55% Nichel, 17-21% Cromo, 2.8-3.3% Molibdeno | Indurito per precipitazione, elevata resistenza, resistenza al calore | Motori a reazione, turbine a gas, reattori nucleari, valvole a saracinesca |
| Gruppo E | Monel R-405 | 63% nichel, 30% rame, 0.03% zolfo | Maggiore lavorabilità, resistenza alla corrosione | Lavorazione ad alta velocità, attrezzature marine e chimiche |
Operazioni di lavorazione per leghe di nichel
Nell'industria, le leghe di nichel subiscono diversi processi di lavorazione per ottenere la forma, la dimensione e la forma desiderate. Tra questi, i processi di lavorazione più impiegati sono:
Svolta
Svolta è un'operazione di lavorazione che utilizza un utensile da taglio a punto singolo per rimuovere materiali da un pezzo rotante. Questa operazione viene eseguita su un tornio CNC in cui l'utensile si muove lungo la superficie per dare forma a parti cilindriche.
Per le leghe di nichel, la tornitura richiede precisione a causa della loro tenacità. È necessario utilizzare angoli di spoglia positivi per ridurre al minimo l'utensile e garantire che il materiale venga tagliato anziché spinto. Gli utensili in carburo sono i migliori per questo lavoro in quanto possono resistere alle alte temperature generate durante il processo.
Il Nickel Development Institute suggerisce che la tornitura delle leghe di nichel richiede velocità inferiori del 30-50% rispetto alla lavorazione dell'acciaio. Di solito, è compresa tra 50 e 100 FPM (piedi al minuto).
Per controllare i trucioli durante il processo di tornitura, sono preferiti utensili con arricciatrucioli o rompitrucioli. Le ricerche dimostrano che questi utensili possono estendere la durata dell'utensile fino al 40%.
Fresatura
Fresatura è l'uso di una fresa rotante per dare forma a un materiale. Nel caso delle leghe di nichel, la fresatura in salita è preferita alla fresatura convenzionale (verso l'alto) per ridurre al minimo l'indurimento delle parole. Considerando la tenacità del nichel, le frese in acciaio rapido (HSS) o in carburo sono perfette per il nichel.
Inoltre, per evitare calore eccessivo durante il processo, gli esperti suggeriscono di mantenere bassi i tassi di avanzamento. Per la fresatura pesante, le frese specializzate con angoli di spoglia positivi da 12° a 18° funzionano meglio.
Perforazione
Quando si forano leghe di nichel, velocità di avanzamento costanti sono fondamentali per evitare l'incrudimento sul fondo del foro. Le punte HSS sono generalmente efficaci per le leghe del gruppo A e B, mentre le punte al cobalto sono migliori per le leghe più resistenti del gruppo C e D: queste punte al cobalto durano il 50% in più di quelle HSS.
Per la foratura profonda, sono comuni le punte a vanga o a cannone. Questa operazione richiede fluido da taglio ad alta pressione per evacuare i trucioli e prevenire l'accumulo di calore. Le velocità di foratura, per le leghe più morbide, sono comprese tra 10 e 18 SFM (piedi di superficie al minuto), mentre tra 5 e 12 SFM per le qualità più dure.
Rettifica
La maggior parte dei processi di lavorazione spesso accompagna la rettifica per ottenere la finitura superficiale e la precisione dimensionale desiderate. La chiave per una rettifica di successo delle leghe di nichel è usare materiali abrasivi come l'ossido di alluminio o il carburo di silicio.
La ricerca suggerisce che le tecniche di rettifica senza centri sono efficaci per ottenere precisione nelle leghe di nichel, poiché aiutano a mantenere la rotondità e la precisione dimensionale.
Noioso
Il processo di alesatura allarga i fori che sono già stati forati o fusi. Nelle leghe di nichel, è difficile da ottenere, considerando la sua durezza di lavoro. Per ridurre l'usura degli utensili, vengono utilizzate barre di alesatura con punta in carburo.
I macchinisti suggeriscono che le operazioni di alesatura per le leghe di nichel dovrebbero essere eseguite a velocità inferiori rispetto ai materiali più morbidi, solitamente intorno a 30-60 SFM. Devono ricevere una lubrificazione adeguata: con olio solforato o simili refrigeranti ad alte prestazioni.
Statisticamente, le operazioni di alesatura su leghe di nichel presentano tassi di usura degli utensili superiori del 30-40% rispetto agli acciai standard, il che significa frequenti cambi di utensile.
Maschiatura
La filettatura di un foro preesistente è definita maschiatura. Di nuovo, gli utensili per maschiatura HSS e a base di cobalto funzionano bene grazie alla loro resistenza al calore e durata. Per le leghe di nichel più dure, sono necessarie maschiature seriali, in cui ogni maschio successivo aumenta il diametro della filettatura, per evitare la rottura dell'utensile.
Inoltre, usare una profondità di filettatura del 60% invece del 75% standard riduce la coppia richiesta per la maschiatura e diminuisce la probabilità di rottura della maschiatura. Le velocità di maschiatura sono solitamente più lente della foratura, nell'intervallo da 10 a 20 SFM. E i fluidi devono essere usati generosamente per un funzionamento più fluido.
EDM (lavorazione a scarica elettrica)
EDM è un processo di lavorazione non convenzionale che utilizza scariche elettriche (scintille) per rimuovere materiale. Questo processo è impiegato per effettuare tagli interni precisi e creare geometrie che i processi tradizionali non riescono a realizzare. L'EDM a filo è piuttosto comune per le leghe di nichel, mentre l'EDM a tuffo può essere utilizzata per geometrie che necessitano di cavità interne.
L'EDM è più lenta della lavorazione tradizionale, con velocità di rimozione del materiale comprese tra 0.1 e 0.5 pollici cubi al minuto, ma offre una precisione senza pari, rendendola adatta per applicazioni aerospaziali, mediche e ad alte prestazioni. Poiché non è presente alcun utensile da taglio o a contatto con il materiale, non ci sono problemi di usura dell'utensile e deformazione del materiale.
Taglio a getto d'acqua
I cutter a getto d'acqua sono la soluzione migliore per tagliare spesse piastre di leghe di nichel senza generare calore. Utilizzano acqua ad alta pressione miscelata con abrasivo per tagliare il pezzo. Questo processo è utilizzato in configurazioni più grandi per tagliare leghe di nichel fino a 10 pollici di spessore con una precisione di ±0.005 pollici.
La mancanza di zone termicamente alterate (HAZ) rende il taglio a getto d'acqua prezioso quando la precisione e l'integrità del materiale sono essenziali. Può offrire meno precisione dell'EDM, ma è piuttosto più veloce (la velocità tipica è di 6-10 IPM).
Sfide nella lavorazione delle leghe di nichel
Le leghe di nichel possono resistere ad alte temperature senza perdere molta resistenza. Tuttavia, possono essere problematiche quando si tratta di lavorazione. I macchinisti affrontano molteplici sfide:
Generazione eccessiva di calore
Le leghe di nichel sono note per generare calore eccessivo durante la lavorazione. Questo calore deriva principalmente da due fonti: contatto di attrito tra l'utensile da taglio e il materiale e deformazione plastica durante la lavorazione.
Poiché le leghe di nichel sono cattivi conduttori di calore, il calore da attrito non si disperde, ma si concentra nella zona di taglio. Questo picco di temperatura localizzato apporta cambiamenti superficiali al materiale e sollecita l'utensile.
Indurimento del lavoro
L'incrudimento nelle leghe di nichel è esacerbato dagli effetti simultanei di deformazione plastica, generazione di calore e lavorazione continua. Sebbene tutti i materiali subiscano un certo livello di incrudimento, le leghe di nichel si induriscono in modo più aggressivo. Ogni strato successivo lavorato diventa progressivamente più duro a causa di questo processo.
Adesione degli utensili
Un altro problema comune correlato alla generazione di calore è l'adesione dell'utensile, in cui i trucioli della lega di nichel si attaccano all'utensile da taglio. La maggior parte degli utensili non può resistere a temperature elevate oltre gli 800℃. Nella maggior parte dei casi, ciò comporta la saldatura del materiale del pezzo in lavorazione all'utensile. Man mano che l'utensile diventa meno efficace, il taglio diventa più difficile.
Rischio di guasto dell'utensile
Le leghe di nichel possono accelerare l'usura degli utensili e causare guasti prematuri a causa della loro tenacità. La combinazione di calore eccessivo, elevate forze di taglio e durezza del materiale sottopone l'utensile da taglio a un'enorme sollecitazione. Se si aggiungono le temperature elevate, la criccatura termica può indebolire l'integrità strutturale dell'utensile.
Considerazioni sulla lavorazione CNC di leghe di nichel
Abbiamo già condiviso molti consigli utili per ogni processo di lavorazione. Ecco una versione generalizzata di ciò che devi impostare collettivamente per la lavorazione delle leghe di nichel:
Considerazioni sui progetti
Quando si progettano parti per la lavorazione con leghe di nichel, è importante tenere conto dell'incrudimento e della generazione di calore del materiale. La geometria deve essere semplice, con transizioni fluide per evitare un'usura eccessiva dell'utensile e finiture superficiali scadenti. Forme complesse o angoli acuti possono esacerbare questi problemi, portando a difficoltà nel mantenere tolleranze e stabilità dell'utensile.
Forse il prodotto potrebbe essere progettato in modo tale da avere un paio di geometrie più semplici da assemblare in seguito. Per ottimizzare la lavorabilità, il design dovrebbe anche consentire un'efficace dissipazione del calore.
utensili per il taglio
Il nichel richiede utensili che ne superino la durezza. Gli utensili in carburo sono ampiamente preferiti per tagli continui per la loro durevolezza e resistenza al calore, mentre gli utensili HSS sono adatti per tagli interrotti o operazioni di finitura.
Per una migliore evacuazione dei trucioli, sono più adatti utensili con 6-8 scanalature. Inoltre, i arricciatrucioli o i rompitrucioli sono i migliori per prevenire l'accumulo di materiale sull'utensile.
Parametri di lavorazione (velocità di taglio, velocità di avanzamento)
I parametri di lavorazione devono essere attentamente ottimizzati per ridurre la generazione di calore e l'incrudimento. La velocità di taglio e la velocità di avanzamento variano nei diversi processi di lavorazione e devono essere regolate di conseguenza. Ad esempio, le operazioni di fresatura vengono spesso eseguite a 100-330 SPM. Mentre per la tornitura sono 50-100 SFM.
Fluidi da taglio
I fluidi da taglio svolgono un ruolo cruciale nella lavorazione delle leghe di nichel, principalmente controllando la temperatura e riducendo l'attrito. Per una dissipazione ottimale del calore si consiglia un refrigerante ad alta pressione, in genere a 1000 psi o più. Sia l'acqua che l'olio minerale solforato possono essere utilizzati come refrigeranti.
Applicazioni delle leghe di nichel lavorate
Le leghe di nichel hanno caratteristiche quali elevata resistenza, resistenza al calore e alla corrosione che le rendono perfette per applicazioni in una vasta gamma di settori:
| Industria | Applicazioni |
| Aeronautico | Pale di turbine, componenti di motori a razzo |
| Trattamento chimico | Serbatoi, tubazioni, dispositivi di miscelazione |
| Olio e Gas | Pompe, tubi, recipienti a pressione, scambiatori di calore |
| Sensori e Dispositivi medicali | Strumenti chirurgici, impianti ortopedici, stent (Nitinol®) |
| Elettrica ed elettronica | Contatti elettrici, trasformatori, dispositivi di archiviazione di memoria |
| Applicazioni marine | Eliche, pompe di sentina, valvole |
| Strumenti di precisione | Guarnizioni ermetiche, interruttori di temperatura |
| Produzione di energia | Scambiatori di calore, turbine a gas, componenti di reattori nucleari |
| Automotive | Sistemi di scarico, turbocompressori |
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