Monel R-405
Einführung in Monel R-405
Monel R-405 ist eine zerspanungsoptimierte (Free-Machining) Variante der weit verbreiteten Nickel-Kupfer-Legierung Monel 400. Monel R-405 wurde speziell für Hochgeschwindigkeitsbearbeitung entwickelt und enthält gezielt eingestellte Schwefelzusätze, um Spanbruch und Zerspanbarkeit zu verbessern, ohne die hervorragende Korrosionsbeständigkeit der Legierung wesentlich zu beeinträchtigen.
Monel R-405 ist auf die Serienfertigung von Gewinde-, Präzisions- und Ventilkomponenten ausgelegt. Es behält gute mechanische Eigenschaften sowie Meerwasserbeständigkeit bei und bietet gleichzeitig deutlich bessere Werkzeugstandzeiten und Oberflächenqualitäten bei CNC-Drehen und auf Automaten-/Langdrehautomaten. Typische Anwendungen sind Marine-Fittings, Öl-&-Gas-Werkzeuge, Pumpenbauteile und elektrische Steck-/Kontaktkomponenten.
Chemische, physikalische und mechanische Eigenschaften von Monel R-405
Monel R-405 (UNS N04405 / ASTM B164) ist eine mischungshärtende (Solid-Solution) Nickel-Kupfer-Legierung, die durch Schwefel modifiziert wird, um die Zerspanbarkeit zu verbessern. Sie wird in geglühtem oder spannungsarm geglühtem Zustand geliefert, um die Fertigungsleistung zu maximieren.
Chemische Zusammensetzung (typisch)
Element | Zusammensetzungsbereich (Gew.-%) | Hauptfunktion |
|---|---|---|
Nickel (Ni) | ≥63,0 | Grundelement; Korrosionsbeständigkeit und Zähigkeit |
Kupfer (Cu) | 28,0–34,0 | Erhöht Beständigkeit gegen Säuren und Meerwasser |
Schwefel (S) | 0,025–0,060 | Verbessert Zerspanbarkeit durch Förderung des Spanbruchs |
Eisen (Fe) | ≤2,5 | Erhöht Festigkeit der Legierung |
Mangan (Mn) | ≤2,0 | Verbessert Warmumformbarkeit |
Silizium (Si) | ≤0,5 | Verbessert Oxidationsbeständigkeit |
Kohlenstoff (C) | ≤0,3 | Niedrig gehalten zur Erhaltung der Schweißeignung |
Physikalische Eigenschaften
Eigenschaft | Wert (typisch) | Prüfnorm/Bedingung |
|---|---|---|
Dichte | 8,80 g/cm³ | ASTM B311 |
Schmelzbereich | 1300–1350 °C | ASTM E1268 |
Wärmeleitfähigkeit | 22,0 W/m·K bei 100 °C | ASTM E1225 |
Elektrischer Widerstand | 0,43 µΩ·m bei 20 °C | ASTM B193 |
Wärmeausdehnung | 13,9 µm/m·°C (20–300 °C) | ASTM E228 |
Spezifische Wärmekapazität | 427 J/kg·K bei 20 °C | ASTM E1269 |
Elastizitätsmodul | 179 GPa bei 20 °C | ASTM E111 |
Mechanische Eigenschaften (geglühter Zustand)
Eigenschaft | Wert (typisch) | Prüfnorm |
|---|---|---|
Zugfestigkeit | 480–620 MPa | ASTM E8/E8M |
Streckgrenze (0,2 %) | 170–275 MPa | ASTM E8/E8M |
Bruchdehnung | ≥30 % (Messlänge 25 mm) | ASTM E8/E8M |
Härte | 120–180 HB | ASTM E10 |
Kerbschlagzähigkeit | Ausgezeichnet bei Temperaturen unter 0 °C | ASTM E23 |
Wesentliche Merkmale von Monel R-405
Verbesserte Zerspanbarkeit: Der Schwefelgehalt sorgt für kürzere, eingerollte Späne, reduziert Werkzeugbelastung und verlängert die Standzeit um 25–40 % gegenüber Monel 400.
Korrosionsbeständigkeit: Vergleichbar mit Monel 400 in Meerwasser, Sole, Schwefelsäure und Flusssäure-Umgebungen.
Nichtmagnetische Stabilität: Bleibt in allen Verarbeitungszuständen nichtmagnetisch und ist ideal für Anwendungen in der Nähe empfindlicher Instrumentierung.
Eignung für Hochleistungszerspanung: Optimiert für CNC-Drehmaschinen, Drehautomaten und hochpräzises Hochgeschwindigkeitsdrehen kleiner Bauteile.
Herausforderungen und Lösungen bei der CNC-Bearbeitung von Monel R-405
Bearbeitungsherausforderungen
Werkzeugabrasion
Obwohl besser zerspanbar als Monel 400, verursacht die Festigkeit des Werkstoffs bei hohen Schnittgeschwindigkeiten ohne geeignete Werkzeugwahl weiterhin moderaten Flankenverschleiß.
Einfluss von Sulfid-Einschlüssen
Schwefel verbessert die Zerspanbarkeit, kann jedoch die Schweißeignung und die Polierfähigkeit der Oberfläche geringfügig reduzieren, wenn Schlichtprozesse nicht entsprechend ausgelegt sind.
Spanabfuhr bei hohen Vorschüben
Bei zu hohen Vorschüben sollte die Spanabfuhr durch eine aggressive Kühlschmierstoffzufuhr und scharfe Schneidenprofile unterstützt werden.
Optimierte Bearbeitungsstrategien
Werkzeugauswahl
Parameter | Empfehlung | Begründung |
|---|---|---|
Werkzeugwerkstoff | Kobalt-HSS oder unbeschichtetes Hartmetall | Maximiert Schneidenstabilität bei kurzen Serien |
Beschichtung | TiN oder TiCN (2–3 µm) | Reduziert Adhäsionsverschleiß (Galling) und verbessert Spanablösung |
Geometrie | Spanwinkel 10–12°, kleiner Eckenradius (0,4–0,8 mm) | Verbessert Oberflächenqualität und reduziert Kaltverfestigung |
Schnittparameter (ISO 3685)
Operation | Geschwindigkeit (m/min) | Vorschub (mm/U) | Schnitttiefe (mm) | Kühlschmierstoffdruck (bar) |
|---|---|---|---|---|
Schruppen | 30–50 | 0,20–0,30 | 2,0–3,0 | 80–100 |
Schlichten | 50–80 | 0,05–0,10 | 0,5–1,0 | 100–120 |
Oberflächenbehandlung für bearbeitete Monel-R-405-Teile
Heißisostatisches Pressen (HIP)
HIP ist bei Monel R-405 selten erforderlich, kann jedoch bei sicherheitskritischen Gussteilen zur Verbesserung von Dichte und Ermüdungslebensdauer eingesetzt werden.
Wärmebehandlung
Wärmebehandlung umfasst Glühen bei 850–900 °C mit anschließend kontrollierter Abkühlung, um eine zerspanungsfreundliche Mikrostruktur zu erhalten.
Schweißen von Superlegierungen
Schweißen von Superlegierungen wird aufgrund des Schwefelgehalts nicht empfohlen; falls Schweißbaugruppen erforderlich sind, wird Monel 400 für schweißgeeignete Konstruktionen bevorzugt.
Thermische Barrierebeschichtung (TBC)
TBC-Beschichtung ist unüblich, kann jedoch bei Hochtemperatur-Fittings eingesetzt werden, wenn zusätzlicher Schutz gegen Thermoschock erforderlich ist.
Funkenerosion (EDM)
EDM eignet sich gut für Präzisionsschlitze, Gewinde und komplexe Konturen in Monel R-405 ohne mechanische Belastung.
Tieflochbohren
Tieflochbohren ermöglicht interne Strömungs- oder Ausrichtkanäle in kompakten Öl-&-Gas- oder Marinebauteilen.
Werkstoffprüfung und Analyse
Werkstoffprüfung umfasst Leitfähigkeitsprüfung, Mikrostrukturanalyse, Mapping der Schwefelverteilung sowie die Validierung mechanischer Kennwerte.
Industrieanwendungen von Monel-R-405-Komponenten
Marine und Unterwasser
Wellenschutzhülsen, Ventile und Meerwasser-Fittings.
Sehr gute Beständigkeit gegen strömungsinduzierte Korrosion in Sole- und Salzwassersystemen.
Öl & Gas
Gewindeteile für Werkzeuge, Verbinder, Instrumentengehäuse.
Ideal für automatisierte Zerspanung großvolumiger Präzisionsteile in „sour“-Umgebungen.
Chemische Verfahrenstechnik
Pumpenwellen, Verbindungselemente, säurebeständige Kupplungen.
Geeignet für Flusssäure- und schwefelhaltige Prozessleitungen.
Elektrik und Instrumentierung
Anschlussstifte, Schaltergehäuse und EMI-resistente Halterungen.
Nichtmagnetische und korrosionsbeständige Eigenschaften unterstützen Präzisionsbaugruppen.
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