Nimonic 263
Einführung in Nimonic 263
Nimonic 263 ist eine ausscheidungshärtbare Nickel-Kobalt-Chrom-Molybdän-Legierung, die für herausragende Festigkeit, Duktilität und Korrosionsbeständigkeit in Hochtemperaturumgebungen entwickelt wurde. Sie wurde für Anwendungen mit hervorragender Schweißbarkeit und guter Verarbeitbarkeit konzipiert und wird umfangreich in Luft- und Raumfahrt- sowie Gasturbinenkomponenten eingesetzt, die bei Temperaturen bis zu 900 °C betrieben werden. Die stabile Mikrostruktur und die hohe Beständigkeit gegen thermische Ermüdung machen diese Legierung ideal für Brennkammerbauteile, Turbinengehäuse und Nachbrennerkomponenten.
Die präzise Fertigung dieser Legierung erfolgt häufig über CNC-Bearbeitungsdienstleistungen, um enge Maß- und Formtoleranzen einzuhalten. Die CNC-Bearbeitung bietet die notwendige Wiederholgenauigkeit und Prozesskontrolle für komplexe Bauteile, die zyklischen thermischen und mechanischen Belastungen ausgesetzt sind.
Chemische, physikalische und mechanische Eigenschaften von Nimonic 263
Nimonic 263 (UNS N07263 / W.Nr. 2.4650) ist eine hochfeste, geschmiedete Superlegierung mit ausgewogener Zusammensetzung, die ihre mechanische Integrität bei erhöhten Temperaturen beibehält und gleichzeitig eine gute Umform- und Schweißbarkeit ermöglicht.
Chemische Zusammensetzung (typisch)
Element | Zusammensetzungsbereich (Gew.-%) | Hauptfunktion |
|---|---|---|
Nickel (Ni) | Rest (~50,0) | Basismatrix, sorgt für Oxidationsbeständigkeit |
Kobalt (Co) | 19,0–21,0 | Verbessert Kriech- und thermische Ermüdungsfestigkeit |
Chrom (Cr) | 19,0–21,0 | Bildet eine Cr₂O₃-Oxidschicht, erhöht die Oxidationsbeständigkeit |
Molybdän (Mo) | 5,6–6,1 | Festigkeitssteigerung durch Mischkristallhärtung |
Eisen (Fe) | ≤0,7 | Restelement |
Titan (Ti) | 1,9–2,4 | Fördert die γ′-Phasenverfestigung |
Aluminium (Al) | 0,6–0,8 | Trägt zur Ausscheidungshärtung bei |
Kohlenstoff (C) | ≤0,06 | Bildet Karbide zur Verbesserung der Kriechfestigkeit |
Mangan (Mn) | ≤0,6 | Verbessert die Warmumformbarkeit |
Silizium (Si) | ≤0,4 | Unterstützt die Oxidationsbeständigkeit |
Bor (B) | ≤0,005 | Korngrenzenverfestigung |
Zirkonium (Zr) | ≤0,06 | Erhöht die Zeitstandfestigkeit |
Physikalische Eigenschaften
Eigenschaft | Wert (typisch) | Prüfnorm / Bedingung |
|---|---|---|
Dichte | 8,36 g/cm³ | ASTM B311 |
Schmelzbereich | 1325–1375 °C | ASTM E1268 |
Wärmeleitfähigkeit | 11,3 W/m·K bei 100 °C | ASTM E1225 |
Elektrischer Widerstand | 1,10 µΩ·m bei 20 °C | ASTM B193 |
Wärmeausdehnung | 13,4 µm/m·°C (20–1000 °C) | ASTM E228 |
Spezifische Wärmekapazität | 435 J/kg·K bei 20 °C | ASTM E1269 |
Elastizitätsmodul | 212 GPa bei 20 °C | ASTM E111 |
Mechanische Eigenschaften (Lösungsglühen + Auslagern)
Eigenschaft | Wert (typisch) | Prüfnorm |
|---|---|---|
Zugfestigkeit | 1000–1100 MPa | ASTM E8/E8M |
Streckgrenze (0,2 %) | 700–800 MPa | ASTM E8/E8M |
Bruchdehnung | ≥20 % | ASTM E8/E8M |
Härte | 220–250 HB | ASTM E10 |
Zeitstandfestigkeit | 180 MPa bei 815 °C (1000 h) | ASTM E139 |
Ermüdungsfestigkeit | Ausgezeichnet | ASTM E466 |
Zentrale Eigenschaften von Nimonic 263
Hervorragende Hochtemperatur-Duktilität Im Gegensatz zu vielen ausscheidungshärtenden Legierungen behält Nimonic 263 eine Dehnung von >20 % bei erhöhten Temperaturen bei, was eine zuverlässige Umformbarkeit und ein geringeres Risiko von Rissbildung unter thermischer Belastung gewährleistet.
Gute Schweißbarkeit Entwickelt für Schweißreparaturen und Fertigung, widersteht die Legierung Heißrissbildung und behält ihre Festigkeit in der Wärmeeinflusszone (WEZ).
Oxidationsbeständigkeit Chrom und Aluminium ermöglichen die Bildung einer stabilen Schutzoxidschicht, die bis zu 980 °C in oxidierenden Atmosphären wirksam ist.
Kriech- und Ermüdungsfestigkeit Eine Zeitstandfestigkeit von 180 MPa bei 815 °C gewährleistet Leistung unter zyklischen thermischen Belastungen, ideal für Brennkammerauskleidungen und Turbinenstrukturen.
Stabile Gamma-Prime-Verfestigung Eine kontrollierte γ′-Phasenverteilung sorgt für ein ausgewogenes Verhältnis zwischen hoher Festigkeit und guter Umformbarkeit, insbesondere nach dem Schweißen oder der Nachbearbeitung.
Herausforderungen und Lösungen bei der CNC-Bearbeitung von Nimonic 263
Bearbeitungsherausforderungen
Werkzeugverschleiß und Schneidkantenausbrüche
Die Hochtemperaturfestigkeit und die Mischkristallhärtung beschleunigen Flanken- und Kolkverschleiß bei Standardwerkzeugen.
Wärmeentwicklung
Die geringe Wärmeleitfähigkeit konzentriert die thermische Belastung in der Schneidzone und erfordert effektive Kühlstrategien zur Vermeidung von Verzug.
Kaltverfestigung
Die Legierung zeigt eine moderate Kaltverfestigung, wodurch die Oberflächenhärte während der Bearbeitung um bis zu 25 % ansteigen kann.
Optimierte Bearbeitungsstrategien
Werkzeugauswahl
Parameter | Empfehlung | Begründung |
|---|---|---|
Werkzeugmaterial | Hartmetall (K20–K30), PCD oder Keramik für die Feinbearbeitung | Hohe Beständigkeit gegen thermisches Erweichen |
Beschichtung | AlTiN oder TiSiN (3–5 µm) | Reduziert Reibung und thermische Belastung |
Geometrie | Positiver Spanwinkel (6–10°), verrundete Schneide (~0,05 mm) | Kontrolliert Aufbauschneiden und Vibrationen |
Schnittparameter (ISO-3685-konform)
Operation | Geschwindigkeit (m/min) | Vorschub (mm/U) | Schnitttiefe (mm) | Kühldruck (bar) |
|---|---|---|---|---|
Schruppen | 12–20 | 0,15–0,25 | 2,0–3,0 | 100–120 |
Schlichten | 25–35 | 0,05–0,10 | 0,3–1,0 | 120–150 |
Oberflächenbehandlung für bearbeitete Nimonic-263-Bauteile
Heißisostatisches Pressen (HIP)
HIP gewährleistet die Beseitigung interner Poren und erhöht die Ermüdungslebensdauer um >25 %, was für rotierende Bauteile entscheidend ist.
Wärmebehandlung
Wärmebehandlung umfasst Lösungsglühen bei ca. 1145 °C und Auslagern bei ca. 800 °C zur Optimierung der γ′-Phasenverteilung und Verbesserung der Kriechfestigkeit.
Superlegierungs-Schweißen
Superlegierungs-Schweißen ermöglicht rissfreie Verbindungen mit minimalem Festigkeitsverlust in den Schweißzonen durch den Einsatz von Zusatzwerkstoffen gleicher Zusammensetzung.
Thermische Schutzschichten (TBC)
TBC-Beschichtung reduziert die Oberflächentemperatur von Bauteilen um bis zu 200 °C und verlängert die Lebensdauer von Brennkammer- und Turbinenstrukturen.
Funkenerosion (EDM)
EDM ermöglicht die Herstellung von Mikrostrukturen und präzisen Bohrungen, ohne Eigenspannungen in wärmeempfindlichen Bereichen zu erzeugen.
Tieflochbohren
Tieflochbohren erreicht eine Rauheit von Ra <1,6 µm und ein L/D-Verhältnis >30:1 in Kühlkanälen bei minimalem Rundlauf (<0,3 mm/m).
Materialprüfung und Analyse
Materialprüfung umfasst mechanische Prüfungen (Zug, Kriechen), XRD-Phasenanalyse, mikrostrukturelle Verifikation sowie Ultraschall-Fehlerprüfung gemäß ASME.
Industrielle Anwendungen von Nimonic-263-Bauteilen
Luft- und Raumfahrt-Brennkammersysteme: Auskleidungen, Dichtungen, Übergangskanäle und Brennkammergehäuse für zyklische thermische Belastungen.
Energieerzeugung: Gasturbinenkomponenten wie Dichtungen, Kraftstoffdüsen und Brennkammersegmente.
Kernreaktoren: Hochtemperaturbeständige Verbindungselemente und Druckbehälter-Hardware in Strahlungszonen.
Automobile Turbosysteme: Turboladergehäuse, Krümmer und Hitzeschilde, die Abgasen ausgesetzt sind.
Industrielle Heizsysteme: Hochfeste Flansche, Armaturen und Dehnungsbälge in Ofenanlagen.
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