Theo tiêu chuẩn Viện Niken, niken là nguyên tố phổ biến thứ năm trên Trái Đất. Đây là nguyên tố hợp kim cực kỳ linh hoạt, dễ dàng kết hợp với các kim loại khác để tạo ra độ bền và khả năng chống ăn mòn đặc biệt. Tuy nhiên, những đặc tính này lại đặt ra những thách thức đáng kể trong hợp kim gia công CNC.
Bài viết này tìm hiểu về các loại hợp kim niken khác nhau được sử dụng trong công nghiệp, quy trình gia công của chúng và những thách thức cụ thể mà chúng đặt ra trong quá trình gia công CNC.
Hiểu về hợp kim niken: Nhóm và đặc điểm
Niken tạo thành hàng nghìn hợp kim, vì vậy rất khó để theo dõi từng loại. Để hiểu rõ hơn, các hợp kim gốc niken được phân loại thành năm nhóm chính dựa trên các đặc điểm tương tự:
Nhóm A – Hợp kim có hàm lượng Niken cao
Các hợp kim này có tỷ lệ niken cao, thường là trên 95%. Vì vậy, chúng có hầu hết các đặc tính vốn có của niken: khả năng chống ăn mòn tuyệt vời và độ dẫn nhiệt và dẫn điện vượt trội. Các hợp kim niken phổ biến bao gồm Niken 200, 201 và 205.
Nhóm B – Hợp kim đồng niken
Hợp kim niken-đồng (dòng Monel) có 52 đến 67% niken; một phần lớn khác là đồng với một lượng nhỏ các nguyên tố khác. Chúng có độ bền cao hơn hợp kim Nhóm A (niken nguyên chất) nhưng độ dẻo dai kém hơn một chút. Gia công nguội giúp cải thiện khả năng chống ăn mòn, đặc biệt là trong môi trường biển và hóa chất. Inconel 400 / Hợp kim 400 và biến đổi 36 là những hợp kim nổi tiếng trong nhóm này.
Nhóm C – Hợp kim Niken Crom
Nhóm C bao gồm các hợp kim niken-crom, có thành phần giống thép không gỉ austenit. Sự hiện diện của crom giúp chúng có khả năng chống oxy hóa, đặc biệt là ở nhiệt độ cao. Crom tạo thành lớp oxit bảo vệ, ngăn ngừa ăn mòn thêm. Các hợp kim này cũng có độ bền dung dịch rắn do cùng một ma trận niken-crom. Inconel 600 và Nirmonic 75 là những thành viên đáng chú ý của nhóm này.
Hợp kim có thể làm cứng theo tuổi nhóm D1-D2
Nhóm này được chia thành:
- D1 (Chưa phân loại): Các hợp kim này chịu được độ bền khi gia công nguội và có độ dẻo dai tốt trước khi xử lý nhiệt.
- D2 (Người già): Sau khi lão hóa, các hợp kim này trải qua quá trình tôi kết tủa, làm tăng độ bền và độ cứng của chúng. Việc thêm các nguyên tố như nhôm hoặc titan tạo thành kết tủa giúp tăng khả năng chịu lực và nhiệt độ khắc nghiệt của hợp kim.
Nhóm E – Hợp kim có khả năng gia công cao
Nhóm E là một lớp hợp kim có khả năng gia công cao, Monel R-405. Nó được bổ sung lưu huỳnh, giúp cải thiện hệ số khả năng gia công. Về khả năng chống ăn mòn và các tính chất vật lý khác, nó tương tự như hợp kim nhóm B. Tuy nhiên, tính chất cơ học hơi khác một chút.
| Nhóm | Hợp kim | Sáng tác | Đặc điểm | Ứng dụng |
| Nhóm A | Nickel 200 | 99.6% Niken | Khả năng chống ăn mòn tuyệt vời, dẫn nhiệt tốt | Xử lý hóa chất, môi trường biển, linh kiện điện tử |
| Nickel 201 | 99.6% Niken (ít cacbon) | Tương tự như Nickel 200, tốt hơn cho các ứng dụng nhiệt độ cao | Máy bốc hơi kiềm, thiết bị mạ điện | |
| Nickel 205 | 99.6% Niken | Độ dẫn điện cao, cải thiện tính chất cơ học | Linh kiện điện, tấm anot | |
| Nhóm B | Inconel 400 | 63% Niken, 30% Đồng | Độ bền cao và khả năng chống ăn mòn tuyệt vời trong nước biển | Kỹ thuật hàng hải, bộ trao đổi nhiệt |
| biến đổi 36 | 36% Niken, 64% Sắt | Độ giãn nở nhiệt cực thấp | Điều khiển máy bay, bộ điều nhiệt, dụng cụ quang học | |
| Nhóm C | Inconel 600 | 72% Niken, 14-17% Crom, 6-10% Sắt | Khả năng chống oxy hóa ở nhiệt độ cao, độ bền cơ học tốt | Đường ống xả phản lực, ống bay hơi, thiết bị xử lý nhiệt |
| Nimonic 75 | 80% Niken, 20% Crom | Độ bền cao ở nhiệt độ cao, khả năng chống oxy hóa tốt | Cánh tua bin khí, lò công nghiệp | |
| Nhóm D1 | Duranickel 301 | 94% Niken, 4.75% Sắt | Có khả năng chịu được tuổi tác, độ bền cao, chống ăn mòn | Hàng không vũ trụ, các thành phần chịu ứng suất cao |
| Nhóm D2 | Inconel 718 | 50-55% Niken, 17-21% Crom, 2.8-3.3% Molypden | Kết tủa cứng, độ bền cao, khả năng chịu nhiệt | Động cơ phản lực, tua bin khí, lò phản ứng hạt nhân, van cửa |
| Nhóm E | Monel R-405 | 63% Niken, 30% Đồng, 0.03% Lưu huỳnh | Khả năng gia công được cải thiện, khả năng chống ăn mòn | Gia công tốc độ cao, thiết bị hàng hải, hóa chất |
Hoạt động gia công cho hợp kim niken
Trong công nghiệp, hợp kim niken trải qua các quy trình gia công khác nhau để có được hình dạng, kích thước và hình thức mong muốn. Trong số đó, các quy trình gia công được sử dụng nhiều nhất là:
Quay
Quay là một hoạt động gia công sử dụng một công cụ cắt một điểm để loại bỏ vật liệu khỏi phôi đang quay. Hoạt động này được thực hiện trên máy tiện CNC, trong đó công cụ di chuyển dọc theo bề mặt để định hình các bộ phận hình trụ.
Đối với hợp kim niken, việc tiện đòi hỏi độ chính xác do độ dẻo dai của chúng. Bạn cần sử dụng góc nghiêng dương để giảm thiểu dụng cụ và đảm bảo vật liệu được cắt thay vì bị đẩy. Dụng cụ cacbua là tốt nhất cho công việc vì chúng có thể chịu được nhiệt độ cao phát sinh trong quá trình này.
Viện Phát triển Niken cho rằng việc tiện hợp kim niken đòi hỏi tốc độ thấp hơn 30-50% so với gia công thép. Thông thường, tốc độ này nằm trong khoảng từ 50 đến 100 FPM (feet mỗi phút).
Để kiểm soát phoi trong quá trình tiện, các dụng cụ có bộ uốn phoi hoặc bộ phá phoi được ưa chuộng. Nghiên cứu cho thấy những dụng cụ này có thể kéo dài tuổi thọ của dụng cụ lên đến 40%.
Phay
Phay là việc sử dụng dao cắt quay để định hình vật liệu. Trong trường hợp của hợp kim niken, phay leo được ưa chuộng hơn phay thông thường (lên) để giảm thiểu quá trình làm cứng từ. Xem xét độ bền của niken, dao phay đầu thép tốc độ cao (HSS) hoặc cacbua là hoàn hảo cho niken.
Hơn nữa, để tránh nhiệt độ quá cao trong quá trình này, các chuyên gia khuyên bạn nên giữ tốc độ cấp liệu thấp. Đối với phay nặng, các dao cắt chuyên dụng có góc cào dương từ 12° đến 18° hoạt động tốt nhất.
Khoan
Khi khoan hợp kim niken, tốc độ cấp liệu ổn định là rất quan trọng để tránh làm cứng ở đáy lỗ. Mũi khoan HSS thường hiệu quả đối với hợp kim nhóm A và B, trong khi mũi khoan coban phù hợp nhất với hợp kim nhóm C và D cứng hơn – mũi khoan coban này bền hơn 50% so với mũi khoan HSS.
Đối với khoan lỗ sâu, khoan thuổng hoặc khoan súng là phổ biến. Hoạt động này đòi hỏi chất lỏng cắt áp suất cao để loại bỏ phoi và ngăn ngừa tích tụ nhiệt. Tốc độ khoan, đối với hợp kim mềm hơn, nằm trong khoảng từ 10 đến 18 SFM (feet bề mặt mỗi phút) trong khi 5 đến 12 SFM đối với các loại cứng hơn.
nghiền
Hầu hết các quy trình gia công thường đi kèm với quá trình mài để đạt được độ hoàn thiện bề mặt và độ chính xác về kích thước mong muốn. Chìa khóa để mài hợp kim niken thành công là sử dụng vật liệu mài mòn như nhôm oxit hoặc silicon carbide.
Nghiên cứu cho thấy các kỹ thuật mài không tâm có hiệu quả trong việc đạt được độ chính xác với hợp kim niken vì chúng giúp duy trì độ tròn và độ chính xác về kích thước.
Nhàm chán
Quá trình khoan mở rộng các lỗ đã được khoan hoặc đúc. Trong hợp kim niken, điều đó khó đạt được, xét đến độ cứng làm việc của nó. Để giảm mài mòn dụng cụ, người ta sử dụng các thanh khoan đầu cacbua.
Các nhà gia công đề xuất rằng các hoạt động khoan cho hợp kim niken nên được thực hiện ở tốc độ thấp hơn so với các vật liệu mềm hơn, thường là khoảng 30-60 SFM. Chúng cần được bôi trơn thích hợp: bằng dầu lưu huỳnh hoặc chất làm mát hiệu suất cao tương tự.
Theo thống kê, hoạt động khoan trên hợp kim niken có tỷ lệ hao mòn dụng cụ cao hơn 30-40% so với thép tiêu chuẩn – điều đó có nghĩa là phải thay đổi dụng cụ thường xuyên.
Khai thác
Việc tạo ren cho một lỗ đã có từ trước được gọi là khai thác. Một lần nữa, các công cụ khai thác dựa trên HSS và coban hoạt động tốt do khả năng chịu nhiệt và độ bền của chúng. Đối với các hợp kim niken cứng nhất, các vòi nối tiếp—trong đó mỗi vòi liên tiếp làm tăng đường kính ren—là cần thiết để ngăn ngừa gãy dụng cụ.
Hơn nữa, sử dụng độ sâu ren 60% thay vì 75% tiêu chuẩn sẽ làm giảm mô-men xoắn cần thiết để tạo ren và giảm khả năng làm gãy ren. Tốc độ tạo ren thường chậm hơn tốc độ khoan, trong phạm vi từ 10 đến 20 SFM. Và chất lỏng phải được sử dụng rộng rãi để hoạt động trơn tru hơn.
EDM (Gia công phóng điện)
EDM là một quy trình gia công không theo thông lệ sử dụng phóng điện (tia lửa điện) để loại bỏ vật liệu. Quy trình này được sử dụng để tạo ra các đường cắt bên trong chính xác và tạo ra các hình dạng mà quy trình truyền thống không thể tạo ra. EDM dây khá phổ biến đối với hợp kim niken, trong khi EDM chìm có thể được sử dụng cho các hình dạng cần khoang bên trong.
EDM chậm hơn gia công truyền thống, với tốc độ loại bỏ vật liệu từ 0.1 đến 0.5 inch khối mỗi phút, nhưng nó cung cấp độ chính xác vô song, khiến nó phù hợp với các ứng dụng hàng không vũ trụ, y tế và hiệu suất cao. Vì không có dụng cụ cắt nào hiện diện hoặc tiếp xúc với vật liệu, nên không có vấn đề gì về hao mòn dụng cụ và biến dạng vật liệu.
Máy cắt nước
Máy cắt tia nước là giải pháp tốt nhất để cắt các tấm hợp kim niken dày mà không tạo ra nhiệt. Chúng sử dụng nước có áp suất cao trộn với chất mài mòn để cắt xuyên qua miếng kim loại. Quy trình này được sử dụng trong các thiết lập lớn hơn để cắt hợp kim niken dày tới 10 inch với độ chính xác ±0.005 inch.
Việc thiếu vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ) khiến việc cắt bằng tia nước trở nên có giá trị khi độ chính xác và tính toàn vẹn của vật liệu là yếu tố quan trọng. Nó có thể cung cấp độ chính xác thấp hơn EDM, nhưng nhanh hơn khá nhiều (tốc độ thông thường là 6 đến 10 IPM).
Những thách thức trong gia công hợp kim niken
Hợp kim niken có thể chịu được nhiệt độ cao mà không mất nhiều độ bền. Nhưng chúng có thể gây rắc rối khi gia công. Người thợ máy phải đối mặt với nhiều thách thức:
Tạo nhiệt quá mức
Hợp kim niken nổi tiếng là tạo ra nhiệt quá mức trong quá trình gia công. Nhiệt này chủ yếu phát sinh từ hai nguồn: tiếp xúc ma sát giữa dụng cụ cắt và vật liệu, và biến dạng dẻo trong quá trình gia công.
Vì hợp kim niken dẫn nhiệt kém nên nhiệt ma sát không phân tán mà tập trung ở vùng cắt. Sự tăng đột biến nhiệt độ cục bộ này gây ra những thay đổi trên bề mặt vật liệu và làm căng dụng cụ.
Làm việc chăm chỉ
Quá trình làm cứng trong hợp kim niken trở nên trầm trọng hơn do tác động đồng thời của biến dạng dẻo, sinh nhiệt và gia công liên tục. Mặc dù tất cả các vật liệu đều trải qua một số mức độ làm cứng khi làm việc, hợp kim niken cứng hơn một cách mạnh mẽ. Mỗi lớp liên tiếp được gia công trở nên cứng hơn dần dần do quá trình này.
Độ bám dính của dụng cụ
Một vấn đề phổ biến khác liên quan đến việc sinh nhiệt là độ bám dính của dụng cụ, trong đó các mảnh vụn từ hợp kim niken bám vào dụng cụ cắt. Hầu hết các dụng cụ không thể chịu được nhiệt độ cao trên 800℃. Trong hầu hết các trường hợp, điều đó dẫn đến việc hàn vật liệu phôi vào dụng cụ. Khi dụng cụ trở nên kém hiệu quả hơn, việc cắt trở nên khó khăn hơn.
Rủi ro hỏng hóc công cụ
Hợp kim niken có thể làm tăng tốc độ mài mòn dụng cụ và dẫn đến hỏng dụng cụ sớm do độ bền của chúng. Sự kết hợp của nhiệt độ quá cao, lực cắt lớn và độ cứng của vật liệu gây ra áp lực rất lớn lên dụng cụ cắt. Thêm vào đó là nhiệt độ cao – nứt nhiệt có thể làm suy yếu tính toàn vẹn về mặt cấu trúc của dụng cụ.
Những cân nhắc khi gia công hợp kim niken bằng máy CNC
Chúng tôi đã chia sẻ nhiều mẹo hữu ích cho từng quy trình gia công. Sau đây là phiên bản tổng quát về những điều bạn cần thiết lập đúng để gia công hợp kim niken:
Thiết kế cân nhắc
Khi thiết kế các bộ phận để gia công bằng hợp kim niken, điều quan trọng là phải tính đến quá trình làm cứng và sinh nhiệt của vật liệu. Hình dạng phải đơn giản, với các chuyển tiếp trơn tru để tránh mài mòn dụng cụ quá mức và bề mặt hoàn thiện kém. Hình dạng phức tạp hoặc góc nhọn có thể làm trầm trọng thêm các vấn đề này, dẫn đến khó khăn trong việc duy trì dung sai và độ ổn định của dụng cụ.
Có lẽ sản phẩm có thể được thiết kế sao cho có một vài hình học đơn giản hơn để lắp ráp sau. Để tối ưu hóa khả năng gia công, thiết kế cũng phải cho phép tản nhiệt hiệu quả.
Dụng cụ cắt
Niken đòi hỏi các công cụ vượt qua độ cứng của nó. Các công cụ cacbua được ưa chuộng rộng rãi để cắt liên tục vì độ bền và khả năng chịu nhiệt, trong khi các công cụ HSS phù hợp để cắt gián đoạn hoặc hoàn thiện.
Để thoát phoi tốt hơn, các dụng cụ có 6 đến 8 rãnh sẽ tốt hơn. Hơn nữa, dụng cụ uốn phoi hoặc dụng cụ phá phoi là tốt nhất để ngăn ngừa vật liệu tích tụ trên dụng cụ.
Thông số gia công (Tốc độ cắt, Tốc độ nạp liệu)
Các thông số gia công phải được tối ưu hóa cẩn thận để giảm sinh nhiệt và làm cứng khi gia công. Tốc độ cắt và tốc độ nạp liệu thay đổi tùy theo các quy trình gia công khác nhau và phải được điều chỉnh cho phù hợp. Ví dụ, các hoạt động phay thường được thực hiện ở mức 100 đến 330 SPM. Trong khi đối với tiện là 50 đến 100 SFM.
Chất lỏng cắt
Chất lỏng cắt đóng vai trò quan trọng trong quá trình gia công hợp kim niken, chủ yếu bằng cách kiểm soát nhiệt độ và giảm ma sát. Chất làm mát áp suất cao, thường ở mức 1000 psi trở lên, được khuyến nghị để tản nhiệt tối ưu. Cả nước và dầu khoáng lưu huỳnh đều có thể được sử dụng làm chất làm mát.
Ứng dụng của hợp kim niken gia công
Hợp kim Niken có những đặc tính – độ bền cao, chịu nhiệt và chống ăn mòn – khiến chúng hoàn toàn phù hợp cho các ứng dụng trong nhiều ngành công nghiệp:
| Công nghiệp | Ứng dụng |
| Không gian vũ trụ | Cánh tua bin, linh kiện động cơ tên lửa |
| Xử lý hóa chất | Bồn chứa, đường ống, thiết bị trộn |
| Dầu khí | Máy bơm, ống, bình chịu áp suất, bộ trao đổi nhiệt |
| Thiết bị y tế | Dụng cụ phẫu thuật, cấy ghép chỉnh hình, stent (Nitinol®) |
| Điện & Điện tử | Tiếp điểm điện, máy biến áp, thiết bị lưu trữ bộ nhớ |
| Ứng dụng hàng hải | Cánh quạt, máy bơm nước, van |
| Các công cụ chính xác | Phớt kín, công tắc nhiệt độ |
| Power Generation | Bộ trao đổi nhiệt, tua bin khí, linh kiện lò phản ứng hạt nhân |
| Ô tô | Hệ thống xả, bộ tăng áp |
Richconn – Đối tác hoàn hảo của bạn cho gia công CNC hợp kim niken
Bạn có phải là nhà nghiên cứu hoặc chủ sở hữu sản phẩm làm việc với hợp kim niken và đang cần dịch vụ gia công chuyên nghiệp không? Richconn ở đây để biến những thiết kế của bạn thành hiện thực.
Vì sao chọn chúng tôi?
At Richconn, chúng tôi đã cung cấp một loạt các dịch vụ gia công CNC kim loại trong nhiều năm. Cho dù bạn cần tiện CNC, phay hay cắt dây EDM cho các bộ phận kim loại, chúng tôi đều có các công cụ hiện đại và đội ngũ giàu kinh nghiệm sẵn sàng hướng dẫn bạn trong suốt quá trình.
Dịch vụ gia công của chúng tôi không chỉ giới hạn ở hợp kim niken mà còn gia công thép công cụ, titan, magiê, thép không gỉ, đồng và đồng thau. Liên hệ với chúng tôi ngay hôm nay để được hỗ trợ và giải pháp ngay lập tức từ đội ngũ chuyên gia của chúng tôi.
