Bearbeitung von Nickellegierungen: Ist die Bearbeitung schwierig?

Nickellegierungen erfreuen sich aufgrund ihrer einzigartigen und wertvollen mechanischen und chemischen Eigenschaften in verschiedenen Branchen zunehmender Beliebtheit. Sie weisen zudem eine hohe Korrosions- und Temperaturbeständigkeit auf. Die Bearbeitung von Nickellegierungen ist jedoch aufgrund der leichten Kaltverfestigung schwierig. Mit der richtigen Vorgehensweise lässt sich die Bearbeitung jedoch vereinfachen. Dieser Artikel beleuchtet alle wichtigen Informationen zur Bearbeitung von Nickellegierungen.

Warum ist Nickel so schwer zu bearbeiten?

Die Bearbeitung von Nickellegierungen ist aufgrund ihrer abrasiven Eigenschaften, der Hitzeentwicklung und der schnellen Kaltverfestigung eine Herausforderung. Dies kann zu Werkzeugverschleiß und Maßungenauigkeiten führen. Hohe Hitze kann zudem zu Verformungen der Legierung führen.

Materialeigenschaften von Nickel und Nickelbasislegierungen

Nickel und seine Legierungen sind bekannt für ihre Korrosionsbeständigkeit, hohe Festigkeit und Hitzebeständigkeit. In Kombination mit anderen Elementen sind sie vielseitig einsetzbar und ergeben Legierungen mit einzigartigen Eigenschaften. Auch die Vernickelung wird häufig eingesetzt, um andere Metalle mit einer dünnen Nickelschicht zu versehen und so deren Eigenschaften zu verbessern.

Hohe Zugfestigkeit und Elastizität

Ni-Legierungen weisen eine höhere Festigkeit und Zähigkeit als reines Ni auf. Die Zugfestigkeit kann bis zu 1,000 MPa und der Elastizitätsmodul bis zu 210 GPa erreichen. Dies ist auf die hohen mechanischen Eigenschaften in Kombination mit anderen Elementen zurückzuführen.

Geringe Wärmeleitfähigkeit und Wärmekonzentration

Nickellegierungen haben eine hohe Hitzebeständigkeit und eine geringere Wärmeleitfähigkeit. Die Legierungsbestandteile in Nickellegierungen stören die regelmäßige Atomanordnung im Nickelgitter und behindern den Wärmeenergiefluss. Reines Nickel hat bei Raumtemperatur eine Wärmeleitfähigkeit von 106 W/mK, seine Legierungen weisen jedoch eine geringere Wärmeleitfähigkeit auf.

Chemische Reaktivität mit Schneidwerkzeugen

Nickellegierungen reagieren chemisch stärker mit Schneidwerkzeugen. Dies liegt an der hohen Wärmeentwicklung während des Betriebs und dem Vorhandensein von abrasivem Karbid in den Legierungen. Dies führt zu verschiedenen Verschleißmechanismen wie Adhäsion und Diffusion.

Nickellegierungsgruppen und relative Bearbeitbarkeit

Ein hoher Ni-Gehalt beeinträchtigt die Zerspanbarkeit erheblich. Ein Nickelgehalt von 25 % bis 65 % kann die Korrosionsbeständigkeit verbessern. Die Zerspanung wird jedoch aufgrund der höheren Kaltverfestigung und Scherfestigkeit erschwert.

Reine Nickelsorten (Nickel 200 / 201)

Reine Nickelsorten wie UNS N02200 oder UNS N02201 lassen sich aufgrund der gummiartigen Spanbildung nur sehr schwer bearbeiten. Nickel erzeugt zähe, strangförmige Späne, die sich nur schwer entfernen lassen und sich nur schwer um das Werkzeug wickeln. Nickel 201 erzeugt zudem hohe Hitze, die zu Werkzeugverschleiß und Abstumpfung führen kann. Die Bearbeitung von Nickel 200 erfordert scharfe Schneidwerkzeuge, ausreichend Vorschub und Schnitttiefe, um diese Probleme zu vermeiden.

Austenitische Ni-Cr-Legierungen (Legierung 600, 625)

Ni-Cr-Legierungen (600 oder 625) sind Legierungen mit kubisch-flächenzentrierter Kristallstruktur und hoher Korrosionsbeständigkeit. Sie sind nicht magnetisch und zeichnen sich durch hohe Verarbeitbarkeit, hohe Temperaturbeständigkeit und Festigkeit aus. Die Legierungen 600 und 625 sind für ihre guten Zerspanbarkeitseigenschaften im geglühten Zustand bekannt. Für die CNC-Bearbeitung von Nickel werden harte Werkzeuge wie Hartmetall oder Schnellarbeitsstahl empfohlen.

Superlegierungen (Inconel 718, 725)

Inconel 718 und 725 sind in der Luft- und Raumfahrt sowie der Öl- und Gasindustrie sehr gefragt. Dies liegt an ihrer hohen Korrosionsbeständigkeit und Festigkeit. Allerdings weisen sie eine geringe Wärmeleitfähigkeit und eine schnelle Kaltverfestigung auf. Dies erschwert die Bearbeitung. Dies kann zu einer schlechten Oberflächengüte, schnellem Werkzeugverschleiß und hohen Schnittkräften führen.

Nickelguss vs. Nickelschmiedematerialien – Hauptunterschiede

Nickelguss 201 wird durch Gießen von geschmolzenem Metall in eine Form hergestellt. Schmiedenickel wird durch mechanische Verformung wie Schmieden oder Walzen hergestellt. Die Bearbeitung von Nickel 200 ist aufgrund von Defekten wie Porosität und inhomogener Mikrostruktur schwierig. Schmiedenickel hat eine gleichmäßige Mikrostruktur und ist duktiler, was die Bearbeitung erleichtert.

5 Kernbearbeitungsvorgänge: Herausforderungen und schnelle Lösungen

Wie bereits erwähnt, stellen Nickel und Nickellegierungen bei der Bearbeitung besondere Herausforderungen dar. Um diese Herausforderungen zu meistern, sind strategische Ansätze wie optimierte Schnittgeschwindigkeit und Vorschubgeschwindigkeit, spezielle Werkzeuge und Programmierstrategien erforderlich.

1. Drehen von Nickellegierungen

Beim Drehen entfernt ein Schneidwerkzeug auf einer Drehmaschine Material von einem rotierenden Nickelwerkstück und erzeugt eine zylindrische Form. Häufige Herausforderungen bei der CNC-Bearbeitung von Nickellegierungen sind Kaltverfestigung, hohe Wärmeentwicklung und Werkzeugverschleiß. Abhilfe schafft hier der Einsatz von Hartmetall- oder Keramikwerkzeugen mit positivem Spanwinkel, hoher Schnittgeschwindigkeit und gleichmäßiger Kühlmittelzufuhr.

2. Fräsen von Nickellegierungen

Beim Fräsen wird mit einem rotierenden Schneidwerkzeug Material entfernt und ein Werkstück auf Nickelbasis in die gewünschte Form gebracht. Häufige Herausforderungen beim Fräsen sind Kaltverfestigung, Spanbildung und Rattern. Diese können durch den Einsatz von Werkzeugen mit positivem Schnittwinkel, Hochleistungsmaschinen und die Vermeidung niedriger Vorschubgeschwindigkeiten behoben werden.

3.Bohren und Reiben von Nickellegierungen

Beim Bohren und Reiben wird ein rotierendes Schneidwerkzeug, beispielsweise ein Bohrer, verwendet, um Löcher in Nickellegierungen zu bohren. Häufige Herausforderungen beim Tieflochbohren sind hohe Temperaturen, Werkzeugverschleiß und Kaltverfestigung des Deckelmaterials. Diese können durch den Einsatz von Wendeschneidplatten oder Kobaltbohrern für Spiralbohrer behoben werden. Achten Sie beim Plandrehen, Ausbohren und Fräsen auf eine konstante Bohrgeschwindigkeit und verwenden Sie Kühlmittel.

4.Gewindeschneiden und Gewindefräsen von Nickellegierungen

Beim Gewindeschneiden von Nickel werden Innengewinde erzeugt, beim Gewindeschneiden Außengewinde in einer Bohrung in Nickellegierungen. Häufige Herausforderungen bei der CNC-Bearbeitung von Nickel sind Kaltverfestigung und Werkzeugverschleiß. Diese lassen sich durch den Einsatz hochwertiger Gewindebohrer und geeigneter Kühlmittel sowie durch Vermeidung eines zu schnellen Gewindeschneidens verringern.

5. Schleifen und Honen von Nickellegierungen

Schleifen und Innenhobeln sind Materialabtragsverfahren, um Oberflächengüte und geometrische Genauigkeit von Nickelbasislegierungen zu erzielen. Häufige Herausforderungen beim Oberflächenschleifen und Innenhobeln sind Schleifscheibenverschleiß und eine schlechte Oberflächengüte aufgrund der hohen Härte des Werkstücks. Die Nickelbearbeitungstipps umfassen die Verwendung harter und zäher Schleifscheiben, die Optimierung der Schleifparameter und den richtigen Einsatz von Kühlmittel.

Tricks zum Wärme- und Chipmanagement

Für eine effektive Nickelbearbeitung gibt es einige Tipps zur Anwendung von Wärme- und Spanmanagementstrategien durch den Einsatz von Hochdruckkühlmitteln zum Ableiten von Wärme und Entfernen von Spänen sowie zur Verwendung geeigneter Schnittparameter und Werkzeuggeometrien.

Kryogene Bearbeitung mit flüssigem Stickstoff

Die kryogene Bearbeitung mit flüssigem Stickstoff, insbesondere für Inconel 718, verbessert deren Zerspanbarkeit deutlich. Sie verbessert zudem die Oberflächengüte, die Werkzeugstandzeit und reduziert die Schnittkräfte. Die Schneidzone wird schnell abgekühlt, wodurch die Materialeigenschaften verändert und die Reibung minimiert wird. Langfristige kryogene Kühlung kann jedoch die mechanischen Eigenschaften von Nickellegierungen und den Werkzeugverschleiß beeinträchtigen.

Wendeschneidplatten mit optimierten Kühlmittelkanälen

Wendeschneidplatten mit optimierten Kühlmittelkanälen sind wichtig für effiziente Bearbeitungsergebnisse von Nickellegierungen. Kühlmittel leitet Wärme ab, schmiert den Schneidbereich und entfernt Späne problemlos, was insgesamt für eine gute Oberflächengüte und lange Werkzeugstandzeiten unerlässlich ist. Diese Kühlmittelkanäle senken zudem die Bearbeitungskosten und verbessern die Materialleistung.

Werkzeugwegstrategien zur Minimierung von Verweilzeiten und Nachschnitten

Um Verweilzeiten und Nachschnitte zu minimieren, verwenden Sie Werkzeugwege, die die Spanabfuhr erleichtern und den Werkzeugverschleiß reduzieren. Dazu gehören Strategien wie Restmaterialbearbeitung, Werkzeugwegglättung und die Optimierung der Schnittparameter. Einige Ansätze umfassen die Verwendung positiver Spanwinkel und geeigneter Freiwinkel bei der Verwendung von Schnellarbeitsstahl-, Keramik- oder CBN-Werkzeugen.

Wie bearbeitet man Nickel sicher?

Bei der Bearbeitung von Nickellegierungen steht die Sicherheit an erster Stelle. Es gibt verschiedene Möglichkeiten, Nickel sicher zu bearbeiten.

Um Nickel sicher zu bearbeiten, legen Sie größten Wert auf Staub- und Rauchkontrolle, vermeiden Sie Brandrisiken und tragen Sie geeignete persönliche Schutzausrüstung. Nickelstaub und -rauch können Atemwegsprobleme und in manchen Fällen langfristige Gesundheitsschäden verursachen. Feine Nickelspäne stellen zudem eine Brandgefahr dar.

Sicherheitsprobleme

Achten Sie bei der Bearbeitung von Nickellegierungen auf die Staub- und Rauchkontrolle. Achten Sie außerdem auf Brandrisiken und tragen Sie persönliche Schutzausrüstung, da auch das Feindrehen von Nickel eine Brandgefahr darstellt. Nickelstaub und -dämpfe können Atemwegsprobleme und langfristige Gesundheitsschäden verursachen.

Tipps für die sichere Bearbeitung von Nickellegierungen

Bei der Bearbeitung von Nickellegierungen ist die Wärmekontrolle mit Hochdruckkühlmitteln besonders wichtig. Der Umgang mit Kühlmitteln muss entsprechend angepasst werden, um die Belastung zu reduzieren und eine ordnungsgemäße Entsorgung zu gewährleisten. Die Lagerung feiner Nickelspäne in einer trockenen, heißen Umgebung ist entscheidend, um Kaltverfestigung zu verhindern und eine effiziente Werkzeugstandzeit zu gewährleisten.

Schnittdaten und Kühlmittelrichtlinien

Für eine optimale Bearbeitung sollten Sie niedrige Schnittgeschwindigkeiten und Vorschübe verwenden, Wert auf Werkzeugqualität legen und die richtige Einstellung für Nickellegierungen wählen. Die Verwendung wassermischbarer Kühlmittel ist für Wärmeableitung, Schmierung und Spanabfuhr unerlässlich.

Unterbrochene Schneideverfahren

Diese Methoden steuern Hitze und Werkzeugverschleiß bei der Nickelbearbeitung. Die richtige Handhabung, Entsorgung und Lagerung des Kühlmittels für Feindrehteile ist für die Sicherheit und den Umweltschutz unerlässlich.

Praxisnahe Anwendungen und Fallstudien

In der Praxis kann die Bearbeitung von Nickel und nickelbasierten Metallen eine Herausforderung darstellen. Es ist ratsam, für Ihr nächstes Projekt eine geeignete Bearbeitungswerkstatt zu wählen. Die Präzisions-Nickelbearbeitungswerkstatt TUOFA ist eine lohnende Wahl, da sie über ein eigenes erfahrenes Ingenieurteam verfügt. Darüber hinaus unterstützt Sie China TUOFA vom CAD bis zur Produktion.

Aus Inconel 718 gefertigte Turbinenscheiben für die Luft- und Raumfahrt

GE Aircraft Engines (GEAE) hat drei Versionen der Knetlegierung 718 bei der Herstellung von Komponenten für Gasturbinenmotoren getestet: Standard Processed, High Strength Processed und Direct Age Processed Alloy 718. Bei der dritten Version wurden hohe Schmiedereduktionen bei niedrigeren Temperaturen und eine reine Alterungswärmebehandlung eingesetzt, um bessere Scheibeneigenschaften zu erzielen.

Öl- und Gasventile aus Legierung 625 und Legierung 825

Beide sind hochkorrosionsbeständige Nickellegierungen und halten rauen Bedingungen wie hohem Druck, hohen Temperaturen und korrosiven Substanzen wie Schwefelwasserstoff stand. Legierung 625 bietet eine bessere Leistung, ist aber teurer. Legierung 825 hingegen bietet eine gute Leistung und ist kostengünstig, wodurch sie sich für verschiedene Anwendungen eignet.

Medizinische Nitinolkomponenten – Draht- und Stentbearbeitung

Nitinol ist eine Ni-Ti-basierte Legierung und wird aufgrund seiner Superelastizität und seines Formgedächtniseffekts insbesondere in Draht- und Stentkomponenten eingesetzt. Es gibt verschiedene Techniken und Verfahren, um Nitinol in diese Komponenten zu verarbeiten, wie Laserschneiden, Funkenerosion (EDM) und Drahtumformung.

Fazit

Nickelbasierte Legierungen sind für ihre Festigkeit und Härte bekannt. Sie erfordern hohe Schnittkräfte für die Bearbeitung, was die Bearbeitung erschwert und zu Werkzeugverschleiß führt. Nickelbasierte Legierungen können zudem härter arbeiten und an den Schneidzonen zu Hitzestau führen. Die CNC-Bearbeitung von Nickel gilt als härter als Titanlegierungen und erfordert spezielle Schneidparameter und -verfahren. Diese Legierungen reagieren chemisch, und das Werkzeugmaterial kann unter Scherkräften absplittern, was die Bearbeitung zusätzlich erschwert.