Platformă de cunoştinţe

Prelucrarea aliajelor pe bază de nichel

Acolo unde predomină solicitări termice şi mecanice foarte ridicate - ca în cazul multor componente din industria aeronautică şi aerospațială, industria auto sau producţia de energie - sunt utilizate adesea componente din aliaje pe bază de nichel. 

Ce sunt aliajele pe bază de nichel?

Aliajele pe bază de nichel sunt materiale a căror componentă principală, metalul greu nichel, este realizată cu cel puţin un alt element chimic (de cele mai multe ori printr-un procedeu de topire). Sunt utilizate aliaje nichel-cupru, nichel-fier, nichel-fier-crom, nichel-crom, nichel-molibden-crom, nichel-crom-cobalt, aliaje de nichel slab aliate (cu procent de nichel de până la 99,9 %) şi alte aliaje cu mai multe componente. 

Aliaje maleabile şi aliaje de turnătorie

În general se diferenţiază între două grupe de aliaje pe bază de nichel: aliaje maleabile şi aliaje de turnătorie. Aliajele maleabile sunt utilizate în construcţia de turbine pentru şaibe şi inele iar caracteristicile lor le fac adecvat pentru domeniul de temperaturi de până la 730 grade Celsius. Aliajele de turnătorie sunt utilizate în principal pentru componente cu solicitări termomecanice ridicate şi geometrie mai complexă. Componentele sunt turnate în formă apropiată de cea finală cu o structură policristalină, după care mai sunt supuse unei prelucrări mecanice minore. 

Proprietăţile aliajelor pe bază de nichel

În special aliajele nichel-crom, care sunt şi cele mai răspândite, se disting printr-o mare rezistenţă la căldură, până la aproximativ 750 grade Celsius, putând rezista astfel pe termen lung unor solicitări în apropierea punctului de topire. Totodată ele prezintă o mare ductibilitate şi rezistenţă, precum şi o conductibilitate termică redusă, dublate de o bună maleabilitate la rece şi rezistenţă ridicată la coroziune. Densitatea redusă, rezistenţa chimică ridicată şi rezistenţa ridicată la uzură fac ca aliajele să fie interesante în special pentru acele aplicaţii la temperaturi înalte, la care aluminiul și oțelul sunt instabile.

Tocmai aceste caracteristici care fac aliajele utilizabile îngreunează, pe de altă parte, prelucrarea lor mecanică: la o durată de viaţă redusă a sculei pot fi utilizate doar viteze de aşchiere relativ reduse. La prelucrarea aluminiului cu scule din carbură metalică fără acoperire o durată de viaţă de mai multe zile este una uzuală, în cazul fontei cu grafit nodular aceasta scade la aproximativ o oră iar în cazul aliajelor pe bază de nichel se situează între cinci şi zece minute. 

Materiale de scule pentru aliaje pe bază de nichel

Oţelul rapid

„High-Speed-Steel (HSS)“ se utilizează la prelucrarea aliajelor pe bază de nichel, datorită tenacităţii ridicate, pentru aplicaţii cu aşchiere întreruptă, cum ar fi frezarea, filetarea, broşarea şi mortezarea. La aliajele pe bază de nichel se pot utiliza viteze de aşchiere într-un interval de la 5 până la 10m/min. Datorită tenacităţii HSS, avansul per dinte poate fi ales la valori relativ ridicate de la 0,1 până la 0,16mm.

Metale dure

Metalele dure (HM) constau din carburi metalice, de regulă carbură de wolfram, care sunt înglobate într-o fază de liant metalică, moale şi care aparţin astfel grupei materialelor compozite. De regulă, sculele din carbură metalică sunt utilizate la aliaje pe bază de nichel cu viteze de aşchiere comparativ reduse, de 20 până la 40m/min. Viteze de aşchiere mai ridicate duc la suprasolicitarea rapidă a materialului de scule şi, ca urmare, nu oferă siguranţa de proces necesară în majoritatea cazurilor. 

Nitrura de bor

Nitrura de bor cubică (cBN) al doilea material ca duritate, după diamant. Astfel, este mai dură, mai rezistentă la uzură şi mai scumpă decât materialele de tăiere ceramice. Datorită proprietăţilor cBN este posibilă utilizarea unor viteze de aşchiere ridicate la prelucrarea prin strunjire. Pentru frezarea aliajelor pe bază de nichel nu se utilizează cBN. Se utilizează însă la prelucrarea prin strunjire a Inconel 718. Domeniul de viteze de aşchiere recomandat este între 400m/min şi 600m/min. În comparaţie directă cu sculele HM acoperite cu TiAIN, cBN prezintă la o viteză de aşchiere Vc de 50m/min o durată de viaţă cu 100% mai mare. Pentru strunjirea de finisare a structurilor instabile, cBN reprezintă prima opţiune în aplicaţiile industriale. 

Materiale de tăiere ceramice

Materialele de tăiere ceramice sunt sinterizate din pulberi ceramice, fără adăugarea de lianţi. DIN ISO 513 împarte materialele de tăiere ceramice în cinci grupe:

CA = material de tăiere ceramic, componenta principală oxid de aluminiu (Al2O3)

CM = material ceramic mixt, componenta principală oxid de aluminiu (Al2O3), împreună cu alte componente ca oxizi

CN = material ceramic din nitrură de siliciu, componenta principală nitrura de siliciu (Si3N4 )

CR = material ceramic ranforsat cu cristale, material de tăiere ceramic, componenta principală oxid de aluminiu (Al2O3)

CC = material de tăiere ceramic, toate cele de mai sus, cu acoperire

Sculele ceramice îşi menţin duritatea şi la temperaturile înalte care apar la frezarea superaliajelor rezistente la temperaturi ridicate (HRSAs). Astfel, în comparaţie cu sculele din carbură solidă, se poate atinge o viteză de 20 până la 30 de ori mai mare.

Materialele de tăiere ceramice au fost utilizate iniţial pentru prelucrarea prin strunjire. Solicitarea termică rămâne relativ stabilă la strunjire. La frezare temperatura la tăiş variază, deoarece aşchierea este întreruptă. Alternanţa bruscă dintre căldura provocată de frecare şi răcire solicită tăişul. Pentru a împiedica un şoc termic prin răcirea sculei, la frezarea cu tăiş din material ceramic se lucrează fără lubrifiant de răcire. Materialele ceramice SiAlON (nitrură de siliciu-oxid de aluminiu) sunt în general mai puţin sensibile la variaţii de temperatură decât materialele ceramice ranforsate cu cristale, motiv pentru care reprezintă cea mai bună alegere pentru operaţiunile de frezare. 

Condiţia de bază pentru frezarea cu tăişuri ceramice o reprezintă maşinile de frezat de mare viteză, care sunt capabile să accelereze arborele la peste 10.000rot/min, ceea ce reprezintă o provocare suplimentară pentru scule.

În timp de sistemele de scule cu plăcuţe amovibile ceramice sunt disponibile pe piaţă în multiple forme şi sunt folosite în industrie, sculele de frezare cu diametru al sculei sub 16mm nu sunt foarte răspândite, din motivele menţionate mai sus. Pentru o lungă perioadă de timp nu a existat în acest segment o alternativă la sculele din oţel rapid şi carbură metalică.

Pe lângă uzura chimică cauzată de temperatură, la materialele de tăiere ceramice apar adesea depuneri pe tăiş: în căldura extremă generată în zona de prelucrare se formează vapori de metal care se contopesc cu suprafaţa materialului de scule - la desprindere se pot sparge bucăţi de material ceramic.