Kunskapsplattform

Bearbetning av nickellegeringar

Komponenter av nickellegeringar används vid krav på höga temperaturer och belastningar, exempelvis i flyg- och rymdfart, fordonsindustrin och i energibranschen. 

Vad är nickellegeringar?

Nickellegeringar är material där huvudbeståndsdelen nickel – en tungmetall – har legerats med minst ett annat kemiskt ämne, vanligen genom smältning. Blandningar som används är nickel-koppar, nickel-järn, nickel-järn-krom, nickel-krom, nickel-molybden-krom, nickel-krom-kobolt, låglegerade nickellegeringar (upp till 99,9 % nickel) och andra legeringar. 

Smidda legeringar och gjutlegeringar

Man skiljer mellan två huvudgrupper av nickellegeringar: smidda legeringar och gjutlegeringar. Smidda legeringar används i turbiner för lameller och ringar och har egenskaper som passar för temperaturer upp till 730 grader Celsius. Gjutlegeringar används vanligen i delar som utsätts för hög värme och belastning och har komplexa former. Komponenterna gjuts till nästan färdig form med en polykristallin struktur och bearbetas därefter mekaniskt i mycket låg omfattning. 

Egenskaper hos nickellegeringar

Särskilt de vanliga nickel-kromlegeringarna kännetecknas av extrem värmetålighet, upp till 750 grader Celsius, och klarar av permanenta temperaturer nära smältpunkten. Samtidigt är de mycket hårda och sega. De leder värme dåligt och är lätta att kallforma och står väl emot korrosion. Låg täthet, hög kemisk beständighet och hög slitstyrka gör legeringarna särskilt intressanta i högtemperaturtillämpningar där stål och aluminium är för instabila.

Precis dessa egenskaper hos legeringarna gör dem också svåra att bearbeta: Om verktygslivslängden är kort kan bara relativt låga skärhastigheter användas. Vid bearbetning med obelagda hårdmetallverktyg av aluminium är livslängder på flera dagar vanliga. För kulgrafitgjutgods minskar de till någon timme och för nickellegeringar på mellan fem och tio minuter. 

Skärmaterial för nickellegeringar

Snabbstål

HSS, High Speed Steel, används vid bearbetning av nickellegeringar på grund av dess seghet vid arbeten med avbrutet snitt som fräsning, gängskärning, upprymning och stötning. Med nickellegeringar kan skärhastigheten ligga mellan 5 upp till 10 m/min. Matningen per tand kan vara relativt hög – 0,1 till 0,16 mm – tack vare segheten hos HSS.

Hårdmetall

Hårdmetaller (HM) består av metallkarbider, vanligen volframkarbid, som är inbäddade i en mjuk metallisk bindande fas. Det rör sig alltså om kompositmaterial. I regel används hårdmetallverktyg på nickellegeringar med relativt låg skärhastighet på 20 till 40 m/min. Högre skärhastigheter överbelastar snabbt skärmaterialet och kan sällan användas med bibehållen processäkerhet. 

Bornitrid

Kubisk bornitrid (cBN) är det näst hårdaste kända materialet efter diamant. Det är hårdare, slitstarkare och dyrare än skärkeramik. Egenskaperna hos cBN ger möjlighet till höga skärhastigheter vid svarvning. cBN används inte för fräsning av nickellegeringar. Men ofta vid svarvning av Inconel 718. Skärhastigheter på 400 till 600 m/min rekommenderas. Jämfört med TiAlN-belagda HM-verktyg har cBN 100 procent längre livslängd vid en skärhastighet vc på 50 m/min. cBN är förstahandsvalet vid industriell finbearbetning av instabila strukturer. 

Skärkeramik

Skärkeramik tillverkas av keramikpulver som sintras (utan bindemedel). DIN ISO 513 delar in skärkeramik i fem grupper:

CA = skärkeramik med aluminiumoxid (Al2O3) som huvudsaklig beståndsdel

CM = blandad keramik med aluminiumoxid (Al2O3) som huvudsaklig beståndsdel, plus andra oxidandelar

CN = kiselnitridkeramik med kiselnitrid (Si3N4 ) som huvudsaklig beståndsdel

CR = whiskerförstärkt keramik, skärkeramik med aluminiumoxid (Al2O3) som huvudsaklig beståndsdel

CC = skärkeramik enligt ovan, men med beläggning

Keramiska verktyg förblir hårda även vid de höga temperaturer som uppstår vid fräsning av värmetåliga superlegeringar (HRSA). De kan användas med 20–30 gånger högre hastighet jämfört med verktyg av fullhårdmetall.

Keramikskärmaterial kommer ursprungligen från svarvning. Värmeutvecklingen är relativt stabil vid svarvning. Men vid fräsning varierar temperaturen hos skäret eftersom snittet avbryts. Skäret påfrestas av de snabba växlingarna mellan friktionsvärme och avkylning. För att hindra värmechocker till följd av avkylning arbetar man utan skärvätska vid keramikskärning. SiAlON-keramik (kisel-aluminiumoxidnitrid) är vanligen okänsligare för temperatursvängningar än whiskerförstärkt keramik och passar därför bättre för fräsning. 

Grundvillkoret för fräsning med keramikskär är att fräsmaskinerna är snabba och kan accelerera spindeln till ibland över 10 000 varv/min. Det ställer ytterligare krav på verktygen.

Verktygssystem med keramiska vändskär finns i många former på marknaden och används inom industrin, men fräsverktyg med diameter under 16 mm är av skälen ovan inte så vanliga. Verktyg av snabbstål och hårdmetall var länge de enda alternativen.

Förutom temperaturberoende kemiskt slitage uppstår ofta löseggsbildning på keramiska skärmaterial. Värmen som bildas i bearbetningszonen ger upphov till metallånga som smälter ihop med skärmaterialets yta. När den lossnar kan delar av keramiken lossna.