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Lavorazione delle leghe a base di nichel

Quando le sollecitazioni termiche e meccaniche sono molto elevate, come nel caso di molti componenti dell’industria aerospaziale, automobilistica o di produzione d’energia, si usano frequentemente componenti in leghe a base di nichel. 

Che cosa sono le leghe a base di nichel?

Le leghe a base di nichel sono materiali il cui elemento principale, il metallo pesante nichel, viene combinato con almeno un altro elemento chimico (di norma per mezzo di un processo di fusione). Si usano leghe nichel-rame, nichel-ferro, nichel-ferro-cromo, nichel-cromo, nichel-molibdeno-cromo, nichel-cromo-cobalto, leghe di nichel a basso legante (con un contenuto di nichel fino al 99,9%) e altre leghe di più materiali. 

Leghe forgiate e leghe fuse

Generalmente le leghe a base di nichel si dividono in due gruppi: le leghe forgiate e leghe fuse Le leghe forgiate vengono usate nella costruzione di turbine per dischi e anelli e, grazie alle loro caratteristiche, sono adatte a temperature fino a 730 gradi. Le leghe fuse vengono soprattutto usate per componenti soggetti a elevate sollecitazioni termo-meccaniche e per geometrie complesse. I componenti in questo caso vengono fusi con tolleranze strette (near net shape) e struttura policristallina e sottoposti solo a un minimo di lavorazione meccanica. 

Caratteristiche delle leghe a base di nichel

In particolare le leghe di nichel e cromo sono caratterizzate da un’eccellente resistenza al calore fino a 750 C° e sono pertanto in grado di resistere permanentemente a sollecitazioni termiche addirittura molto vicino al punto di fusione. Allo stesso tempo, presentano un'alta duttilità e resistenza, così come una bassa conduttività termica combinata con una buona formabilità a freddo e un'alta resistenza alla corrosione. La bassa densità, l’elevata resistenza chimica e resistenza all’usura rendono le leghe particolarmente adatte per applicazioni ad alte temperature, dove l’alluminio e l’acciaio sono instabili.

Sono esattamente queste caratteristiche positive, invece, che rendono difficile la lavorazione meccanica: in caso di breve durata dell’utensile le velocità di taglio devono essere relativamente basse. Lavorando l’alluminio con utensili in metallo duro senza rivestimento si raggiunge una durata di alcuni giorni; nella lavorazione di ghisa sferoidale la durata diminuisce a circa un’ora, e per le leghe a base di nichel è tra i cinque e i dieci minuti. 

Materiali da taglio per leghe a base di nichel

Acciaio rapido

Grazie alla sua elevata tenacità l’acciaio rapido, ovvero l’high-speed steel (HSS), viene usato nella lavorazione di leghe a base di nichel in applicazioni con taglio interrotto come la fresatura, la filettatura e la stozzatura. Le velocità di taglio per le leghe a base di nichel sono da 5 a 10 m/min. È possibile scegliere l’avanzamento per dente relativamente alto con HSS da 0,1 a 0,16 mm.

Metallo duro

I metalli duri sono composti di carburi metallici, di solito carburo di tungsteno, incorporati in una fase legante metallica morbida e quindi appartengono ai materiali compositi. Normalmente per le leghe di nichel gli utensili in metallo duro vengono usati con velocità di taglio da 20 a 40 m/min. Maggiori velocità di taglio comportano presto un sovraccarico del materiale da taglio e pertanto non è più garantita la sicurezza del processo. 

Nitruro di boro

Dopo il diamante, il nitruro di boro cubico (cBN) è in assoluto il secondo materiale più duro conosciuto. Questo lo rende più duro, più resistente all’usura e più costoso della ceramica da taglio. Grazie alle proprietà del cBN, è possibile utilizzare alte velocità di taglio nelle operazioni di tornitura. Il cBN non viene utilizzato per la fresatura di leghe a base di nichel, mentre per la tornitura di Inconel 718 viene usato. Sono consigliate velocità di taglio fra 400m/min e 600 m/min. Confrontando cBN con utensili in m.d. con rivestimento TiAlN e vc pari a 50m/min, il cBN dimostra una durata superiore del 100%. Per la finitura di strutture instabili cBN è la scelta preferenziale in applicazioni industriali. 

Ceramica da taglio

Le ceramiche da taglio vengono sinterizzate da polvere in ceramica senza l’aggiunta di leganti. La norma DIN ISO 513 divide le ceramiche da taglio in cinque gruppi:

CA = ceramica da taglio, elemento principale: ossido di alluminio (Al2O3)

CM = ceramica mista, elemento principale ossido di alluminio (Al2O3), insieme ad altri componenti

CN = ceramica di nitruro di silicio, elemento principale nitruro di silicio (Si3N4 )

CR = ceramica rinforzata con Whisker, ceramica da taglio, elemento principale: ossido di alluminio (Al2O3)

CC = ceramica da taglio, tutti i materiali elencati sopra, tuttavia rivestiti

Gli utensili in ceramica mantengono la loro durezza anche alle alte temperature che si incontrano durante la fresatura di superleghe resistenti al calore (HRSA). Di conseguenza è possibile raggiungere velocità di taglio 20 - 30 volte maggiori rispetto agli utensili in M.D.I.

I materiali da taglio ceramici provengono originariamente dall’industria della tornitura. Le sollecitazioni termiche nella tornitura rimangono relativamente stabili. Nella fresatura, invece, la temperatura sul bordo di taglio varia perché il taglio viene interrotto. Il brusco cambiamento dal calore di attrito al raffreddamento stressa il tagliente. Per evitare uno shock termico a causa del raffreddamento del tagliente, nella fresatura con taglienti in ceramica si lavora senza lubrorefrigeranti. Le ceramiche SiAlON (nitruro di ossido di alluminio e silicio) in generale sono più resistenti alle variazioni di temperatura rispetto alle ceramiche rinforzate con Whisker, per le lavorazioni di fresatura, pertanto costituiscono la scelta migliore. 

Il requisito fondamentale per la fresatura con i taglienti in ceramica sono le fresatrici ad alta velocità che sono in grado di accelerare il mandrino a più di 10.000 g./min in alcuni casi, il che rappresenta una sfida aggiuntiva per gli utensili.

Mentre i sistemi di utensili con inserti in ceramica sono disponibili sul mercato in svariate forme e vengono usate nell’industria, le frese con un diametro utensile inferiore a 16 mm per i motivi sopra spiegati ancora non sono tanto frequenti. Qui per molto tempo non esisteva nessuna alternativa agli utensili in acciaio rapido e metallo duro.

Oltre all’usura chimica causata dalla temperatura, con la ceramica da taglio spesso si formano taglienti di riporto. Nel calore generato nella zona di lavorazione, si formano vapori di metallo che si fondono con la superficie del materiale da taglio - parti della ceramica possono sfaldarsi durante il distacco.