Inconel 751
Einführung in Inconel 751
Inconel 751 ist eine ausscheidungshärtbare Nickel-Chrom-Superlegierung, die speziell für Hochtemperaturanwendungen in Luftfahrt- sowie Automobilmotor-Komponenten entwickelt wurde. Die Legierung baut auf der bewährten Basis von Inconel 600 auf, wird jedoch durch Zusätze von Titan und Aluminium verstärkt, die feine γ′-Ausscheidungen bilden und so die Warmfestigkeit bis zu 871 °C (1600 °F) deutlich erhöhen.
Inconel 751 bietet eine sehr gute Oxidationsbeständigkeit, gute Zeitstandfestigkeit (Creep-Rupture) sowie ein zuverlässiges Verhalten bei Thermoermüdung. Dank guter Schweiß- und Schmiedbarkeit eignet es sich für Bauteile wie Auslassventile, Turbolader-Rotoren und Turbinenkomponenten. CNC-Bearbeitung ist entscheidend, um enge Toleranzen und funktionskritische Oberflächenqualitäten an Hochleistungsbauteilen zu erreichen.
Chemische, physikalische und mechanische Eigenschaften von Inconel 751
Inconel 751 (UNS N07751 / ASTM B637) wird typischerweise warmgewalzt, lösungsgeglüht und ausscheidungsgehärtet geliefert – für Luftfahrt, Energie sowie Hochtemperatur-Anwendungen in der Automobilindustrie.
Chemische Zusammensetzung (typisch)
Element | Zusammensetzungsbereich (Gew.-%) | Hauptfunktion |
|---|---|---|
Nickel (Ni) | ≥70,0 | Grundlegierung für Warmfestigkeit und Korrosionsbeständigkeit |
Chrom (Cr) | 14,0–17,0 | Oxidations- und Korrosionsbeständigkeit |
Eisen (Fe) | ≤6,0 | Stützt die Gefügematrix |
Titan (Ti) | 2,0–2,6 | Bildet γ′-Ausscheidungen zur Erhöhung der Warmfestigkeit |
Aluminium (Al) | 0,90–1,50 | Trägt zur γ′-Phasenverfestigung bei |
Kohlenstoff (C) | ≤0,08 | Verbessert Kriechfestigkeit und Karbidstabilität |
Mangan (Mn) | ≤1,0 | Verbessert Warmumformbarkeit |
Silizium (Si) | ≤1,0 | Unterstützt Oxidationsbeständigkeit |
Kupfer (Cu) | ≤0,5 | Kontrolliert, um Phaseninstabilität zu vermeiden |
Schwefel (S) | ≤0,015 | Minimiert zur Verbesserung der Schweißbarkeit und Warmduktilität |
Physikalische Eigenschaften
Eigenschaft | Wert (typisch) | Prüfnorm/Bedingung |
|---|---|---|
Dichte | 8,22 g/cm³ | ASTM B311 |
Schmelzbereich | 1320–1380 °C | ASTM E1268 |
Wärmeleitfähigkeit | 11,0 W/m·K bei 100 °C | ASTM E1225 |
Elektrischer Widerstand | 1,10 µΩ·m bei 20 °C | ASTM B193 |
Wärmeausdehnung | 13,3 µm/m·°C (20–1000 °C) | ASTM E228 |
Spezifische Wärmekapazität | 430 J/kg·K bei 20 °C | ASTM E1269 |
Elastizitätsmodul | 200 GPa bei 20 °C | ASTM E111 |
Mechanische Eigenschaften (ausgehärteter Zustand)
Eigenschaft | Wert (typisch) | Prüfnorm |
|---|---|---|
Zugfestigkeit | 930–1080 MPa | ASTM E8/E8M |
Streckgrenze (0,2 %) | 720–860 MPa | ASTM E8/E8M |
Bruchdehnung | ≥15 % (Messlänge 25 mm) | ASTM E8/E8M |
Härte | 250–320 HB | ASTM E10 |
Kriechbruchfestigkeit | ≥120 MPa @ 760 °C, 1000 h | ASTM E139 |
Wesentliche Merkmale von Inconel 751
Ausscheidungshärtung: γ′-Bildung durch Ti und Al ermöglicht hohe Zugfestigkeit und Kriechbeständigkeit bis 871 °C.
Oxidations- und Zunderbeständigkeit: Stabile Oxidschichten bilden sich bei langer Wärmeexposition und schützen vor Werkstoffabbau.
Ermüdungs- und Thermoschockbeständigkeit: Zuverlässige Performance in zyklischen Temperaturfeldern, z. B. in Verbrennungszonen von Motoren.
Gute Zerspanbarkeit nach dem Auslagern: Ermöglicht CNC-Schlichten von Ventilsitzen, Wellen und Dichtflächen auf präzise Maße und feine Oberflächen (Ra ≤ 0,8 µm).
Herausforderungen und Lösungen bei der CNC-Bearbeitung von Inconel 751
Bearbeitungsherausforderungen
Hohe Zähigkeit und Kaltverfestigung
Inconel 751 neigt zu schneller Kaltverfestigung, besonders bei niedrigem Vorschub oder wiederholten Zustellungen – stabile Vorschübe und scharfe Werkzeuge sind erforderlich.
Hohe Wärmeeinbringung
Geringe Wärmeleitfähigkeit verursacht hohe Temperaturspitzen an der Schneide, was Kolkverschleiß, plastische Verformung und Maßdrift begünstigt.
Adhäsionsverschleiß (Galling) an der Oberfläche
Titan- und Nickelanteile können Aufbauschneiden und Oberflächenaufreißen verursachen, wenn Schmierung oder Schneidkantenpräparation unzureichend ist.
Optimierte Bearbeitungsstrategien
Werkzeugauswahl
Parameter | Empfehlung | Begründung |
|---|---|---|
Werkzeugwerkstoff | PVD-beschichtetes Hartmetall oder CBN-Einsätze | Hält Schneidkantenstabilität und Temperaturbeständigkeit |
Beschichtung | TiAlN oder AlCrN (3–5 µm) | Reduziert thermischen Verschleiß und Adhäsionsneigung |
Geometrie | Positiver Spanwinkel (8–12°), verrundete Schneiden | Senkt Schnittkräfte und verbessert Spanabfuhr |
Schnittparameter (ISO 3685)
Operation | Geschwindigkeit (m/min) | Vorschub (mm/U) | Schnitttiefe (mm) | Kühlschmierstoffdruck (bar) |
|---|---|---|---|---|
Schruppen | 25–35 | 0,20–0,30 | 2,0–3,0 | 70–100 |
Schlichten | 40–60 | 0,05–0,10 | 0,5–1,0 | 100–150 |
Oberflächenbehandlung für bearbeitete Inconel-751-Teile
Heißisostatisches Pressen (HIP)
HIP verbessert Ermüdungs- und Kriechfestigkeit durch das Schließen innerer Poren – besonders wichtig für Ventil- und Turbinenkomponenten mit hohen Sicherheitsanforderungen.
Wärmebehandlung
Wärmebehandlung umfasst Lösungsglühen und Auslagern bei 760–790 °C, um eine maximale γ′-Ausscheidung und Maßstabilität zu erreichen.
Schweißen von Superlegierungen
Schweißen von Superlegierungen erfordert aufgrund des Ti- und Al-Gehalts eine eng kontrollierte Prozessführung. Für strukturelle Verbindungen wird WIG-Schweißen mit anschließender Wärmebehandlung empfohlen.
Thermische Barrierebeschichtung (TBC)
TBC-Beschichtung bietet thermischen Schutz (125–200 µm YSZ), wodurch die Bauteillebensdauer in Turbinen- oder Ventil-Abgasumgebungen verlängert wird.
Funkenerosion (EDM)
EDM ermöglicht die Präzisionsbearbeitung kleiner Merkmale, Gewinde und scharfer Konturen mit Toleranzen bis ±0,01 mm.
Tieflochbohren
Tieflochbohren wird für Ölkanäle und Kühlbohrungen mit L/D ≥ 40:1 eingesetzt, z. B. in Ventilschäften oder Turbinenwellen.
Werkstoffprüfung und Analyse
Werkstoffprüfung umfasst Zug-, Kriech-, Mikrohärte- und Ultraschallprüfungen zur Verifikation von ASTM B637 sowie anwendungsspezifischen Spezifikationen.
Industrieanwendungen von Inconel-751-Bauteilen
Luft- und Raumfahrt
Auslassventile, Turbinenscheiben und Flammenhalter.
Beständig gegen langzeitige Exposition gegenüber Heißgasen und Thermozyklierung bei 800 °C+.
Hochleistungs-Automobilmotoren
Einlass-/Auslassventile, Turbolader-Rotoren, Ventilführungen.
Hohe Warmfestigkeit und Verschleißbeständigkeit unter extremen Motorlasten.
Energieerzeugung
Ventilkörper in Heißzonen sowie Lagergehäuse in Gasturbinen.
Lange Standzeiten bei thermischer Zyklierung.
Industrieöfen & Thermoprozesstechnik
Bauteile in oxidierenden und aufkohlenden Atmosphären.
Erhält mechanische Integrität bei Langzeitbeanspruchung in korrosiven Heißgasumgebungen.
Verwandte Blogs erkunden
