Согласно Институт никеля, никель является пятым по распространенности элементом на Земле. Это очень универсальный легирующий элемент, который легко сочетается с другими металлами, придавая им исключительную прочность и коррозионную стойкость. Однако эти же свойства представляют значительные проблемы в обработке сплавов на станках с ЧПУ.
В данной статье рассматриваются различные никелевые сплавы, используемые в промышленности, процессы их обработки и особые проблемы, которые они создают при обработке на станках с ЧПУ.
Понимание никелевых сплавов: группы и характеристики
Никель образует тысячи сплавов, поэтому трудно отследить каждый из них. Чтобы лучше понять их, сплавы на основе никеля классифицируются на пять основных групп на основе схожих характеристик:
Группа А – Сплавы с высоким содержанием никеля
Эти сплавы имеют высокий процент никеля, обычно более 95%. Таким образом, они разделяют большинство свойств, присущих никелю: превосходную коррозионную стойкость и превосходную тепло- и электропроводность. Популярные никелевые сплавы включают никель 200, 201 и 205.
Группа B – Никелевые медные сплавы
Никелево-медные сплавы (серия «монель») содержат от 52 до 67% никеля; также значительную долю составляет медь с примесями других элементов. Они обладают большей прочностью, чем сплавы группы А (чистый никель), но несколько меньшей вязкостью. Холодная обработка повышает их коррозионную стойкость, особенно в морской и химической среде. Инконель 400 /сплав 400 и Инвар 36 — известные сплавы этой группы.
Группа C – Никель-хромовые сплавы
Группа C состоит из никель-хромовых сплавов, которые по составу напоминают аустенитную нержавеющую сталь. Присутствие хрома придает им стойкость к окислению, особенно при высоких температурах. Хром образует защитный оксидный слой, предотвращая дальнейшую коррозию. Эти сплавы также обладают прочностью твердого раствора благодаря той же никель-хромовой матрице. Inconel 600 и Nirmonic 75 являются заметными членами этой группы.
Группа D1-D2 Сплавы, упрочняющиеся старением
Эта группа делится на:
- D1 (нестареющий): Прочность этих сплавов достигается путем холодной обработки, а до термической обработки они демонстрируют хорошую вязкость.
- D2 (В возрасте): После старения эти сплавы подвергаются дисперсионному твердению, что увеличивает их прочность и долговечность. Добавление таких элементов, как алюминий или титан, образует осадки, которые повышают способность сплава выдерживать экстремальные нагрузки и температуры.
Группа E – сплав, хорошо поддающийся механической обработке
Группа E — это класс одного сплава с высокой степенью механической обработки, Monel R-405. В него добавлена сера, что повышает коэффициент механической обработки. По коррозионной стойкости и другим физическим свойствам он похож на сплавы группы B. Однако механические свойства немного отличаются.
| В группе | сплав | Состав | Характеристики: | Области применения |
| Группа А | Никель 200 | 99.6% никель | Отличная коррозионная стойкость, хорошая теплопроводность | Химическая обработка, морская среда, электронные компоненты |
| Никель 201 | 99.6% никеля (низкоуглеродистый) | Аналогично никель 200, лучше подходит для высокотемпературных применений | Испарители каустика, гальваническое оборудование | |
| Никель 205 | 99.6% никель | Высокая электропроводность, улучшенные механические свойства | Электрические компоненты, анодные пластины | |
| Группа B | Inconel 400 | 63% никеля, 30% меди | Высокая прочность и отличная коррозионная стойкость в морской воде | Судостроение, теплообменники |
| Инвар 36 | 36% никеля, 64% железа | Чрезвычайно низкое тепловое расширение | Средства управления самолетом, термостаты, оптические приборы | |
| Группа C | Inconel 600 | 72% никеля, 14-17% хрома, 6-10% железа | Стойкость к окислению при высоких температурах, хорошая механическая прочность | Линии выхлопа струй, испарительные трубы, оборудование для термической обработки |
| Nimonic 75 | 80% никель, 20% хром | Высокая прочность при повышенных температурах, хорошая стойкость к окислению | Лопатки газовых турбин, промышленные печи | |
| Группа D1 | Дюраникель 301 | 94% никеля, 4.75% железа | Упрочняемый при старении, высокая прочность, коррозионная стойкость | Аэрокосмическая промышленность, высоконагруженные компоненты |
| Группа D2 | Inconel 718 | 50-55% никеля, 17-21% хрома, 2.8-3.3% молибдена | Дисперсионно-твердеющий, высокопрочный, термостойкий | Реактивные двигатели, газовые турбины, ядерные реакторы, задвижки |
| Группа E | Монель Р-405 | 63% никеля, 30% меди, 0.03% серы | Улучшенная обрабатываемость, коррозионная стойкость | Высокоскоростная обработка, судостроение, химическое оборудование |
Операции по обработке никелевых сплавов
В промышленности никелевые сплавы подвергаются различным процессам обработки для получения желаемой формы, размера и вида. Среди них наиболее используемыми процессами обработки являются:
Поворот
Поворот это операция обработки, которая использует одноточечный режущий инструмент для удаления материалов с вращающейся заготовки. Эта операция выполняется на токарном станке с ЧПУ, где инструмент перемещается вдоль поверхности для формирования цилиндрических деталей.
Для никелевых сплавов точение требует точности из-за их прочности. Вам нужно использовать положительные передние углы, чтобы минимизировать инструмент и гарантировать, что материал режется, а не продавливается. Твердосплавные инструменты лучше всего подходят для этой работы, поскольку они выдерживают высокие температуры, возникающие в процессе.
Институт развития никеля предполагает, что для обработки никелевых сплавов требуется на 30–50 % более низкая скорость, чем для обработки стали. Обычно она составляет от 50 до 100 FPM (футов в минуту).
Для контроля стружки в процессе токарной обработки предпочтительны инструменты с закручивателями или стружколомами. Исследования показывают, что эти инструменты могут продлить срок службы инструмента до 40%.
Фрезерование
Фрезерование - это использование вращающегося резца для придания формы материалу. В случае никелевых сплавов предпочтительнее попутное фрезерование, чем обычное (встречное) фрезерование, чтобы минимизировать закалку слов. Учитывая прочность никеля, для никеля идеально подходят фрезы из быстрорежущей стали (HSS) или твердосплавные концевые фрезы.
Кроме того, чтобы предотвратить чрезмерное нагревание во время процесса, эксперты предлагают поддерживать низкие скорости подачи. Для тяжелого фрезерования лучше всего подходят специализированные фрезы с положительным передним углом от 12° до 18°.
Бурение
При сверлении никелевых сплавов постоянная скорость подачи имеет решающее значение, чтобы избежать упрочнения на дне отверстия. Сверла HSS обычно эффективны для сплавов групп A и B, тогда как кобальтовые сверла лучше всего подходят для более прочных сплавов групп C и D — эти кобальтовые сверла служат на 50% дольше, чем сверла HSS.
Для глубокого сверления обычно используют лопаточные или ружейные сверла. Эта операция требует высокого давления смазочно-охлаждающей жидкости для удаления стружки и предотвращения нагревания. Скорости сверления для более мягких сплавов находятся в диапазоне от 10 до 18 SFM (поверхностных футов в минуту), а для более твердых сплавов — от 5 до 12 SFM.
Дробление:
Большинство процессов обработки часто сопровождаются шлифованием для достижения желаемой чистоты поверхности и точности размеров. Ключом к успешному шлифованию никелевых сплавов является использование абразивных материалов, таких как оксид алюминия или карбид кремния.
Исследования показывают, что методы бесцентрового шлифования эффективны для достижения точности при работе с никелевыми сплавами, поскольку они помогают сохранить округлость и точность размеров.
Сверление
Процесс расточки увеличивает отверстия, которые уже были просверлены или отлиты. В никелевых сплавах этого трудно достичь, учитывая их механическую твердость. Для уменьшения износа инструмента используются расточные стержни с твердосплавными наконечниками.
Механики предлагают выполнять операции расточки для никелевых сплавов на более низких скоростях, чем для более мягких материалов, обычно около 30-60 SFM. Они должны получать надлежащую смазку: сернистым маслом или аналогичными высокоэффективными охлаждающими жидкостями.
По статистике, при расточке никелевых сплавов износ инструмента на 30–40 % выше, чем при обработке стандартных сталей, что означает необходимость частой смены инструмента.
Нажатие
Нарезание резьбы в уже существующем отверстии называется нарезанием резьбы. Опять же, метчики на основе HSS и кобальта работают хорошо благодаря своей термостойкости и долговечности. Для самых твердых никелевых сплавов требуются последовательные метчики, где каждый последующий метчик увеличивает диаметр резьбы, чтобы предотвратить поломку инструмента.
Кроме того, использование глубины резьбы 60% вместо стандартных 75% снижает крутящий момент, необходимый для нарезания резьбы, и снижает вероятность поломки метчика. Скорость нарезания резьбы обычно ниже, чем скорость сверления, в диапазоне от 10 до 20 SFM. И жидкости должны использоваться щедро для более плавной работы.
EDM (электроэрозионная обработка)
EDM нетрадиционный процесс обработки, который использует электрические разряды (искры) для удаления материала. Этот процесс используется для выполнения точных внутренних разрезов и создания геометрий, которые не удается создать традиционным способом. Электроэрозионная обработка проволокой довольно распространена для никелевых сплавов, в то время как электроэрозионная обработка прошивкой может использоваться для геометрий, требующих внутренних полостей.
Электроэрозионная обработка медленнее традиционной обработки, скорость удаления материала составляет от 0.1 до 0.5 кубических дюймов в минуту, но она обеспечивает непревзойденную точность, что делает ее пригодной для аэрокосмической, медицинской и высокопроизводительной промышленности. Поскольку режущий инструмент отсутствует или не контактирует с материалом, нет проблем с износом инструмента и деформацией материала.
Гидроабразивная резка
Гидроабразивные резаки являются лучшим решением для резки толстых пластин из никелевых сплавов без выработки тепла. Они используют воду под высоким давлением, смешанную с абразивом, для резки детали. Этот процесс используется в более крупных установках для резки никелевых сплавов толщиной до 10 дюймов с точностью ±0.005 дюйма.
Отсутствие зон термического влияния (HAZ) делает гидроабразивную резку ценной, когда точность и целостность материала имеют решающее значение. Она может обеспечивать меньшую точность, чем EDM, но она намного быстрее (типичная скорость составляет от 6 до 10 IPM).
Проблемы обработки никелевых сплавов
Никелевые сплавы выдерживают высокие температуры, не теряя при этом особой прочности. Но они могут быть проблемными при обработке. Механики сталкиваются с рядом проблем:
Чрезмерное тепловыделение
Никелевые сплавы печально известны тем, что выделяют избыточное тепло во время обработки. Это тепло в основном возникает из двух источников: фрикционный контакт между режущим инструментом и материалом и пластическая деформация во время обработки.
Поскольку никелевые сплавы являются плохими проводниками тепла, тепло трения не рассеивается, а концентрируется в зоне резания. Этот локализованный скачок температуры вызывает поверхностные изменения материала и напрягает инструмент.
Рабочее упрочнение
Упрочнение никелевых сплавов усугубляется одновременным воздействием пластической деформации, тепловыделения и непрерывной обработки. Хотя все материалы в той или иной степени подвергаются упрочнению, никелевые сплавы упрочняются более агрессивно. Каждый последующий обработанный слой становится все тверже из-за этого процесса.
Адгезия инструмента
Другая распространенная проблема, связанная с выделением тепла, — это адгезия инструмента, когда стружка из никелевого сплава прилипает к режущему инструменту. Большинство инструментов не выдерживают повышенных температур свыше 800℃. В большинстве случаев это приводит к привариванию материала заготовки к инструменту. Поскольку инструмент становится менее эффективным, резка становится более сложной.
Риск отказа инструмента
Никелевые сплавы могут ускорить износ инструмента и привести к преждевременному выходу инструмента из строя из-за своей прочности. Сочетание чрезмерного нагрева, высоких сил резания и твердости материала создает огромную нагрузку на режущий инструмент. Добавьте к этому повышенные температуры — термическое растрескивание может ослабить структурную целостность инструмента.
Соображения при обработке никелевых сплавов на станках с ЧПУ
Мы уже поделились многими полезными советами по каждому процессу обработки. Вот обобщенная версия того, что вам нужно коллективно настроить для обработки никелевых сплавов:
Соображения по поводу дизайна
При проектировании деталей для обработки никелевыми сплавами важно учитывать деформационное упрочнение материала и выделение тепла. Геометрия должна быть простой, с плавными переходами, чтобы избежать чрезмерного износа инструмента и плохой отделки поверхности. Сложные формы или острые углы могут усугубить эти проблемы, что приведет к трудностям в поддержании допусков и стабильности инструмента.
Возможно, продукт можно было бы спроектировать так, чтобы он имел несколько более простых геометрий, которые собираются позже. Для оптимизации обрабатываемости конструкция также должна обеспечивать эффективное рассеивание тепла.
Режущие инструменты
Никель требует инструментов, которые превосходят его твердость. Твердосплавные инструменты широко используются для непрерывной резки из-за их прочности и термостойкости, в то время как инструменты из быстрорежущей стали подходят для прерывистой резки или финишных операций.
Для лучшего удаления стружки лучше подходят инструменты с 6–8 канавками. Кроме того, для предотвращения скопления материала на инструменте лучше всего подходят стружколомы или стружколомы.
Параметры обработки (скорость резания, скорость подачи)
Параметры обработки должны быть тщательно оптимизированы для снижения тепловыделения и упрочнения. Скорость резания и скорость подачи различаются в зависимости от различных процессов обработки и должны быть скорректированы соответствующим образом. Например, фрезерные операции часто выполняются со скоростью от 100 до 330 SPM. В то время как для токарной обработки это составляет от 50 до 100 SFM.
Смазочно-охлаждающие жидкости
Смазочно-охлаждающие жидкости играют важную роль в обработке никелевых сплавов, в первую очередь, контролируя температуру и уменьшая трение. Для оптимального рассеивания тепла рекомендуется использовать охлаждающую жидкость высокого давления, обычно 1000 фунтов на квадратный дюйм или более. В качестве охлаждающей жидкости можно использовать как воду, так и сульфированное минеральное масло.
Применение обработанных никелевых сплавов
Никелевые сплавы обладают такими характеристиками, как высокая прочность, жаропрочность и коррозионная стойкость, что делает их идеально подходящими для применения в различных отраслях промышленности:
| Промышленность | Области применения |
| Аэрокосмическая индустрия | Лопатки турбин, детали ракетных двигателей |
| Химическая обработка | Резервуары, трубопроводы, смесительные устройства |
| Нефть и газ | Насосы, трубы, сосуды под давлением, теплообменники |
| Медицинское оборудование | Хирургические инструменты, ортопедические имплантаты, стенты (Нитинол®) |
| Электротехника и электроника | Электрические контакты, трансформаторы, запоминающие устройства |
| Морские применения | Гребные винты, трюмные насосы, клапаны |
| Прецизионные инструменты | Герметичные уплотнения, температурные выключатели |
| Энергоснабжение | Теплообменники, газовые турбины, компоненты ядерных реакторов |
| Автомобильная | Выхлопные системы, турбокомпрессоры |
Richconn – Ваш идеальный партнер для обработки никелевых сплавов на станках с ЧПУ
Вы исследователь или владелец продукта, работающий с никелевыми сплавами, и нуждаетесь в услугах экспертной обработки? Richconn здесь, чтобы воплотить ваши проекты в жизнь.
Почему мы?
At Richconn, мы предоставляем полный спектр услуги по металлообработке с ЧПУ на протяжении многих лет. Если вам нужна токарная обработка с ЧПУ, фрезерование или электроэрозионная обработка металлических деталей, у нас есть самые современные инструменты и опытная команда, готовая провести вас через весь процесс.
Наши услуги по обработке не ограничиваются никелевыми сплавами — мы также работаем с инструментальной сталью, титаном, магнием, нержавеющей сталью, медью и латунью. Свяжитесь с нами сегодня, для мгновенной поддержки и решений от нашей команды экспертов.
