De acordo com o eBook da Digibee Nickel Institute, o níquel é o quinto elemento mais abundante na Terra. É um elemento de liga altamente versátil que se combina prontamente com outros metais para conferir resistência excepcional e resistência à corrosão. No entanto, essas mesmas propriedades apresentam desafios significativos em ligas de usinagem CNC.
Este artigo explora diversas ligas de níquel usadas na indústria, seus processos de usinagem e os desafios específicos que elas representam durante as operações de usinagem CNC.
Compreendendo as ligas de níquel: grupos e características
O níquel forma milhares de ligas, então é difícil rastrear cada uma delas. Para melhor compreendê-las, as ligas à base de níquel são classificadas em cinco grupos principais com base em características semelhantes:
Grupo A – Ligas com Alto Teor de Níquel
Essas ligas têm uma alta porcentagem de níquel, geralmente acima de 95%. Então, elas compartilham a maioria das propriedades inerentes do níquel: excelente resistência à corrosão e condutividade térmica e elétrica superior. Ligas de níquel populares incluem Níquel 200, 201 e 205.
Grupo B – Ligas de Níquel Cobre
As ligas de níquel-cobre (série Monel) contêm de 52 a 67% de níquel; outra parcela significativa é o cobre, com traços de outros elementos. Elas oferecem maior resistência do que as ligas do Grupo A (níquel puro), mas apresentam tenacidade ligeiramente menor. O trabalho a frio melhora sua resistência à corrosão, particularmente em ambientes marítimos e químicos. Inconel 400/Liga 400 e Invar 36 são as ligas mais conhecidas deste grupo.
Grupo C – Ligas de Níquel Cromo
O Grupo C consiste em ligas de níquel-cromo, que se assemelham ao aço inoxidável austenítico em composição. A presença de cromo lhes dá resistência à oxidação, particularmente em altas temperaturas. O cromo forma uma camada protetora de óxido, prevenindo mais corrosão. Essas ligas também têm resistência à solução sólida devido à mesma matriz de níquel-cromo. Inconel 600 e Nirmonic 75 são membros notáveis deste grupo.
Ligas endurecíveis pelo envelhecimento do grupo D1-D2
Este grupo é dividido em:
- D1 (sem idade): Essas ligas dependem do trabalho a frio para obter resistência e apresentam boa tenacidade antes do tratamento térmico.
- D2 (Idoso): Após o envelhecimento, essas ligas passam por endurecimento por precipitação, o que aumenta sua resistência e durabilidade. Adicionar elementos como alumínio ou titânio forma precipitados que aumentam a capacidade da liga de suportar forças e temperaturas extremas.
Grupo E – Liga de alta usinabilidade
O Grupo E é uma classe de uma única liga altamente usinável, Monel R-405. Ele tem enxofre adicionado, o que melhora o fator de usinabilidade. Em resistência à corrosão e outras propriedades físicas, é semelhante às ligas do grupo B. No entanto, as propriedades mecânicas são ligeiramente diferentes.
| Grupo | Liga | Composição | Particularidades | Aplicações |
| grupo A | Níquel 200 | 99.6% níquel | Excelente resistência à corrosão, boa condutividade térmica | Processamento químico, ambientes marinhos, componentes eletrônicos |
| Níquel 201 | 99.6% níquel (baixo carbono) | Semelhante ao níquel 200, melhor para aplicações de alta temperatura | Evaporadores cáusticos, equipamentos de galvanoplastia | |
| Níquel 205 | 99.6% níquel | Alta condutividade elétrica, propriedades mecânicas melhoradas | Componentes elétricos, placas de ânodo | |
| Grupo B | Inconel 400 | 63% níquel, 30% cobre | Alta resistência e excelente resistência à corrosão em água do mar | Engenharia naval, trocadores de calor |
| Invar 36 | 36% níquel, 64% ferro | Expansão térmica extremamente baixa | Controles de aeronaves, termostatos, instrumentos ópticos | |
| Grupo C | Inconel 600 | 72% níquel, 14-17% cromo, 6-10% ferro | Resistência à oxidação em altas temperaturas, boa resistência mecânica | Linhas de exaustão de jato, tubos de evaporador, equipamentos de processamento térmico |
| Nimônico 75 | 80% níquel, 20% cromo | Alta resistência em temperaturas elevadas, boa resistência à oxidação | Lâminas de turbinas a gás, fornos industriais | |
| Grupo D1 | Duraníquel 301 | 94% níquel, 4.75% ferro | Endurecimento por envelhecimento, alta resistência, resistência à corrosão | Aeroespacial, componentes de alto estresse |
| Grupo D2 | Inconel 718 | 50-55% níquel, 17-21% cromo, 2.8-3.3% molibdênio | Endurecido por precipitação, alta resistência, resistência ao calor | Motores a jato, turbinas a gás, reatores nucleares, válvulas de gaveta |
| Grupo E | Monel R-405 | 63% níquel, 30% cobre, 0.03% enxofre | Maior usinabilidade, resistência à corrosão | Usinagem de alta velocidade, equipamentos marítimos e químicos |
Operações de Usinagem para Ligas de Níquel
Na indústria, as ligas de níquel passam por diferentes processos de usinagem para obter o formato, tamanho e forma desejados. Entre eles, os processos de usinagem mais empregados são:
Passando
Passando é uma operação de usinagem que usa uma ferramenta de corte de ponto único para remover materiais de uma peça de trabalho rotativa. Esta operação é realizada em um torno CNC onde a ferramenta se move ao longo da superfície para moldar peças cilíndricas.
Para ligas de níquel, o torneamento requer precisão devido à sua tenacidade. Você precisa usar ângulos de ataque positivos para minimizar a ferramenta e garantir que o material seja cortado em vez de empurrado. Ferramentas de carboneto são melhores para o trabalho, pois podem suportar as altas temperaturas geradas durante o processo.
O Nickel Development Institute sugere que tornear ligas de níquel requer velocidades 30-50% menores do que usinar aço. Geralmente, é entre 50 a 100 FPM (pés por minuto).
Para controlar cavacos durante o processo de torneamento, ferramentas com enroladores ou quebradores de cavacos são preferidas. Pesquisas mostram que essas ferramentas podem estender a vida útil da ferramenta em até 40%.
fresagem
fresagem é o uso de um cortador rotativo para moldar um material. No caso de ligas de níquel, a fresagem ascendente é preferível à fresagem convencional (para cima) para minimizar o endurecimento por palavra. Considerando a tenacidade do níquel, fresas de topo de aço rápido (HSS) ou carboneto são perfeitas para níquel.
Além disso, para evitar calor excessivo durante o processo, os especialistas sugerem manter as taxas de avanço baixas. Para fresamento pesado, fresas especializadas com ângulos de ataque positivos de 12° a 18° funcionam melhor.
Perfuração
Ao perfurar ligas de níquel, taxas de avanço constantes são críticas para evitar o endurecimento por trabalho no fundo do furo. Brocas HSS são geralmente eficazes para ligas dos grupos A e B, enquanto brocas de cobalto são melhores para ligas mais resistentes dos grupos C e D – essas brocas de cobalto duram 50% mais do que as HSS.
Para perfuração de furos profundos, brocas de pá ou brocas de canhão são comuns. Esta operação requer fluido de corte de alta pressão para evacuar cavacos e evitar acúmulo de calor. As velocidades de perfuração, para ligas mais macias, estão na faixa de 10 a 18 SFM (pés de superfície por minuto), enquanto 5 a 12 SFM para classes mais duras.
Moagem:
A maioria dos processos de usinagem geralmente acompanham a retificação para atingir o acabamento de superfície e a precisão dimensional desejados. A chave para a retificação bem-sucedida de ligas de níquel é usar materiais abrasivos como óxido de alumínio ou carboneto de silício.
Pesquisas sugerem que técnicas de retificação centerless são eficazes para obter precisão com ligas de níquel, pois ajudam a manter a circularidade e a precisão dimensional.
Chato
O processo de perfuração amplia furos que já foram perfurados ou fundidos. Em ligas de níquel, isso é difícil de conseguir, considerando sua dureza de trabalho. Para reduzir o desgaste da ferramenta, barras de perfuração com ponta de carboneto são usadas.
Os maquinistas sugerem que as operações de perfuração para ligas de níquel devem ser realizadas em velocidades mais baixas do que para materiais mais macios, geralmente em torno de 30-60 SFM. Elas precisam receber lubrificação adequada: com óleo sulfurado ou refrigerantes de alto desempenho semelhantes.
Estatisticamente, operações de mandrilamento em ligas de níquel apresentam taxas de desgaste de ferramentas 30-40% maiores do que aços padrão – o que significa trocas frequentes de ferramentas.
Tocar
Rosquear um furo pré-existente é chamado de rosqueamento. Novamente, ferramentas de rosqueamento à base de HSS e cobalto funcionam bem devido à sua resistência ao calor e durabilidade. Para as ligas de níquel mais duras, machos em série — onde cada macho sucessivo aumenta o diâmetro da rosca — são necessários para evitar a quebra da ferramenta.
Além disso, usar uma profundidade de rosca de 60% em vez do padrão de 75% reduz o torque necessário para rosqueamento e diminui a probabilidade de quebra do macho. As velocidades de rosqueamento são geralmente mais lentas do que a perfuração, na faixa de 10 a 20 SFM. E os fluidos devem ser usados generosamente para uma operação mais suave.
EDM (Usinagem por descarga elétrica)
EDM é um processo de usinagem não convencional que usa descargas elétricas (faíscas) para remover material. Este processo é empregado para fazer cortes internos precisos e criar geometrias que os processos tradicionais não conseguem fazer. A eletroerosão a fio é bastante comum para ligas de níquel, enquanto a eletroerosão por sinker pode ser usada para geometrias que precisam de cavidades internas.
A EDM é mais lenta do que a usinagem tradicional, com taxas de remoção de material entre 0.1 a 0.5 polegadas cúbicas por minuto, mas fornece precisão inigualável, tornando-a adequada para aplicações aeroespaciais, médicas e de alto desempenho. Como nenhuma ferramenta de corte está presente ou em contato com o material, não há problemas com desgaste da ferramenta e deformação do material.
Corte a jato de água
Os cortadores de jato de água são a melhor solução para cortar chapas grossas de ligas de níquel sem gerar calor. Eles usam água de alta pressão misturada com abrasivo para cortar a peça. Este processo é usado em configurações maiores para cortar ligas de níquel de até 10 polegadas de espessura com uma precisão de ±0.005 polegadas.
A ausência de zonas afetadas pelo calor (HAZ) torna o corte por jato de água valioso quando a precisão e a integridade do material são críticas. Ele pode oferecer menos precisão do que o EDM, mas é bem mais rápido (a velocidade típica é de 6 a 10 IPM).
Desafios na usinagem de ligas de níquel
Ligas de níquel podem suportar altas temperaturas sem perder muita resistência. Mas, elas podem ser problemáticas quando se trata de usinagem. Os maquinistas enfrentam múltiplos desafios:
Geração Excessiva de Calor
Ligas de níquel são notórias por gerar calor excessivo durante a usinagem. Esse calor surge principalmente de duas fontes: contato friccional entre a ferramenta de corte e o material, e deformação plástica durante a usinagem.
Como as ligas de níquel são más condutoras de calor, o calor de atrito não se dispersa, em vez disso, ele se concentra na região de corte. Esse pico de temperatura localizado traz mudanças de superfície ao material e tensiona a ferramenta.
Endurecimento de trabalho
O endurecimento por trabalho em ligas de níquel é exacerbado pelos efeitos simultâneos de deformação plástica, geração de calor e usinagem contínua. Embora todos os materiais passem por algum nível de endurecimento por trabalho, as ligas de níquel endurecem mais agressivamente. Cada camada sucessiva sendo usinada se torna progressivamente mais dura devido a esse processo.
Adesão de ferramentas
Outro problema comum relacionado à geração de calor é a adesão da ferramenta, onde lascas da liga de níquel grudam na ferramenta de corte. A maioria das ferramentas não suporta temperaturas elevadas acima de 800℃. Na maioria dos casos, isso resulta na soldagem do material da peça de trabalho à ferramenta. À medida que a ferramenta se torna menos eficaz, o corte se torna mais difícil.
Risco de falha da ferramenta
Ligas de níquel podem acelerar o desgaste da ferramenta e levar à falha prematura da ferramenta devido à sua tenacidade. A combinação de calor excessivo, altas forças de corte e dureza do material coloca um enorme estresse na ferramenta de corte. Adicione as temperaturas elevadas – o craqueamento térmico pode enfraquecer a integridade estrutural da ferramenta.
Considerações ao usinar ligas de níquel em CNC
Já compartilhamos muitas dicas úteis contra cada processo de usinagem. Aqui está uma versão generalizada de quais coisas você precisa coletivamente definir corretamente para usinar ligas de níquel:
Considerações sobre projetos
Ao projetar peças para usinagem com ligas de níquel, é importante levar em conta o endurecimento do material e a geração de calor. A geometria deve ser simples, com transições suaves para evitar desgaste excessivo da ferramenta e acabamentos superficiais ruins. Formas complexas ou cantos afiados podem exacerbar esses problemas, levando a dificuldades na manutenção de tolerâncias e estabilidade da ferramenta.
Talvez o produto pudesse ser projetado de modo que tivesse algumas geometrias mais simples que se montassem depois. Para otimizar a usinabilidade, o design também deveria permitir dissipação de calor efetiva.
Ferramentas de corte
O níquel requer ferramentas que superem sua dureza. Ferramentas de carboneto são amplamente preferidas para cortes contínuos devido à sua durabilidade e resistência ao calor, enquanto ferramentas HSS são adequadas para cortes interrompidos ou operações de acabamento.
Para melhor evacuação de cavacos, ferramentas com 6 a 8 canais servem melhor. Além disso, os quebradores ou enroladores de cavacos são melhores para evitar acúmulo de material na ferramenta.
Parâmetros de usinagem (velocidade de corte, taxa de avanço)
Os parâmetros de usinagem devem ser cuidadosamente otimizados para reduzir a geração de calor e o endurecimento por trabalho. A velocidade de corte e a taxa de avanço variam entre os diferentes processos de usinagem e devem ser ajustados de acordo. Por exemplo, as operações de fresamento são frequentemente realizadas em 100 a 330 SPM. Enquanto para torneamento é de 50 a 100 SFM.
fluidos de corte
Fluidos de corte desempenham um papel crucial na usinagem de ligas de níquel, principalmente controlando a temperatura e reduzindo o atrito. Refrigerante de alta pressão, normalmente a 1000 psi ou mais, é recomendado para dissipação de calor ideal. Tanto água quanto óleo mineral sulfurado podem ser usados como refrigerantes.
Aplicações de ligas de níquel usinadas
As ligas de níquel têm características – alta resistência, resistência ao calor e à corrosão – que as tornam perfeitas para aplicações em uma variedade de indústrias:
| Expertise | Aplicações |
| Indústria aeroespacial | Lâminas de turbina, componentes de motores de foguete |
| Processamento químico | Tanques, tubulações, dispositivos de mistura |
| Petróleo e gás | Bombas, tubos, vasos de pressão, trocadores de calor |
| Equipamentos Médicos | Instrumentos cirúrgicos, implantes ortopédicos, stents (Nitinol®) |
| Elétricos e Eletrônicos | Contatos elétricos, transformadores, dispositivos de armazenamento de memória |
| Aplicações Marinhas | Hélices, bombas de porão, válvulas |
| Instrumentos de precisão | Selos herméticos, termostatos |
| Mercado De Geração De Energia | Trocadores de calor, turbinas a gás, componentes de reatores nucleares |
| Automotiva | Sistemas de exaustão, turbocompressores |
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