Nimonic 75
Einführung in Nimonic 75
Nimonic 75 ist eine Nickel-Chrom-basierte Superlegierung, die für ihre hervorragende Oxidationsbeständigkeit, moderate Festigkeit und ausgezeichnete thermische Stabilität bei Temperaturen bis zu 1000°C bekannt ist. Ursprünglich für Gasturbinenkomponenten entwickelt, wird sie inzwischen breit in der Luft- und Raumfahrt, in der Wärmebehandlung sowie in der Kerntechnik eingesetzt, wo eine zuverlässige mechanische Leistung in Hochtemperatur- und oxidierenden Umgebungen entscheidend ist.
Dank ihrer ausgewogenen Zusammensetzung und relativ geringen Ausscheidungshärtungszusätze im Vergleich zu anderen Nimonic-Qualitäten lässt sich Nimonic 75 leichter fertigen und zerspanen. Sie wird häufig umgeformt, geschweißt und präzise über CNC-Bearbeitung fertiggestellt, um eng tolerierte Komponenten wie Halterungen, Abgasstrukturen, Ofenteile und Steuerungshardware herzustellen.
Chemische, physikalische und mechanische Eigenschaften von Nimonic 75
Nimonic 75 (UNS N06075 / W.Nr. 2.4951 / ASTM B409, B462) ist eine durch Mischkristallverfestigung gestärkte Legierung mit einer einfachen Ni-Cr-Matrix, ausgelegt auf Oxidationsbeständigkeit und Maßstabilität in Umgebungen mit thermischen Zyklen.
Chemische Zusammensetzung (typisch)
Element | Zusammensetzungsbereich (Gew.-%) | Hauptfunktion |
|---|---|---|
Nickel (Ni) | Balance (≥76,0) | Basiselement für Korrosionsbeständigkeit und thermische Stabilität |
Chrom (Cr) | 18,0–21,0 | Sorgt für Oxidationsbeständigkeit durch Bildung einer Cr₂O₃-Schutzschicht |
Eisen (Fe) | ≤5,0 | Restbestandteil; erhöht Festigkeit und Kosteneffizienz |
Titan (Ti) | 0,2–0,6 | Verbessert Kriech- und Zeitstandfestigkeit bei hoher Temperatur |
Mangan (Mn) | ≤1,0 | Verbessert die Warmumformbarkeit |
Silizium (Si) | ≤1,0 | Unterstützt die Oxidationsbeständigkeit |
Kohlenstoff (C) | ≤0,08 | Steuert Karbidausscheidung und Kriecheigenschaften |
Kupfer (Cu) | ≤0,5 | Begrenzt, um Heißbrüchigkeit zu vermeiden |
Schwefel (S) | ≤0,015 | Minimiert Heißrissbildung beim Schweißen |
Physikalische Eigenschaften
Eigenschaft | Wert (typisch) | Prüfnorm/Bedingung |
|---|---|---|
Dichte | 8,37 g/cm³ | ASTM B311 |
Schmelzbereich | 1345–1380°C | ASTM E1268 |
Wärmeleitfähigkeit | 11,0 W/m·K bei 100°C | ASTM E1225 |
Elektrischer Widerstand | 1,02 µΩ·m bei 20°C | ASTM B193 |
Thermische Ausdehnung | 13,4 µm/m·°C (20–1000°C) | ASTM E228 |
Spezifische Wärmekapazität | 430 J/kg·K bei 20°C | ASTM E1269 |
Elastizitätsmodul | 205 GPa bei 20°C | ASTM E111 |
Mechanische Eigenschaften (geglühter Zustand)
Eigenschaft | Wert (typisch) | Prüfnorm |
|---|---|---|
Zugfestigkeit | 760–880 MPa | ASTM E8/E8M |
Streckgrenze (0,2%) | 300–370 MPa | ASTM E8/E8M |
Bruchdehnung | ≥35% | ASTM E8/E8M |
Härte | 150–190 HB | ASTM E10 |
Kriechbruchfestigkeit | 140 MPa bei 800°C (1000 h) | ASTM E139 |
Oxidationsbeständigkeit | Ausgezeichnet bis 1000°C | ASTM G111 |
Haupteigenschaften von Nimonic 75
Hervorragende Oxidationsbeständigkeit: Widersteht langfristiger Einwirkung oxidierender Atmosphären und thermischen Zyklen bis 1000°C.
Gute Umformbarkeit und Schweißbarkeit: Leichter zu verarbeiten als ausscheidungsgehärtete Superlegierungen; geeignet zum Schweißen und zur CNC-Bearbeitung komplexer Formen.
Stabile mechanische Eigenschaften bei hohen Temperaturen: Behält Maßstabilität und geringe Kriechgeschwindigkeiten in Bauteilen, die über lange Zeit Wärme ausgesetzt sind.
Korrosionsbeständigkeit in milden chemischen Umgebungen: Bietet Beständigkeit gegen verdünnte Säuren, Salzsprühnebel und atmosphärische Korrosion.
Herausforderungen und Lösungen bei der CNC-Bearbeitung von Nimonic 75
Bearbeitungsherausforderungen
Kaltverfestigung
Die Neigung der Legierung, sich während des Schneidens schnell zu verfestigen, kann den Werkzeugverschleiß erhöhen und Maßungenauigkeiten verursachen.
Aufbauschneide (BUE)
Das Anhaften von Werkstückmaterial am Schneidwerkzeug unter Bedingungen hoher Reibung beeinträchtigt Oberflächenqualität und Werkzeugstandzeit.
Mäßige Wärmeleitfähigkeit
Dies führt zu Wärmekonzentration an der Werkzeug-Werkstück-Kontaktzone und erhöht das Risiko von Mikroausbrüchen und Oberflächenschäden.
Optimierte Bearbeitungsstrategien
Werkzeugauswahl
Parameter | Empfehlung | Begründung |
|---|---|---|
Werkzeugmaterial | Feinkornhartmetall (K20–K30) oder beschichtete HSS-Werkzeuge | Behält Schneidkantenstabilität unter Wärmeeinfluss |
Beschichtung | AlTiN oder TiAlCrN (3–5 µm PVD) | Verbessert Hitzebeständigkeit und reduziert BUE |
Geometrie | Positiver Spanwinkel, 0,03–0,05 mm Schneidkantenverrundung | Reduziert Schnittkräfte und verbessert die Oberflächengüte |
Schnittparameter (ISO 3685-konform)
Operation | Geschwindigkeit (m/min) | Vorschub (mm/U) | Schnitttiefe (mm) | Kühlmitteldruck (bar) |
|---|---|---|---|---|
Schruppen | 20–30 | 0,20–0,25 | 1,5–2,5 | 70–100 |
Schlichten | 40–55 | 0,05–0,10 | 0,5–1,0 | 100–150 |
Oberflächenbehandlung für bearbeitete Nimonic-75-Teile
Heißisostatisches Pressen (HIP)
HIP entfernt innere Porosität und verbessert Ermüdungs- und Kriechlebensdauer bei gegossenen oder AM-Teilen.
Wärmebehandlung
Wärmebehandlung verbessert Kornhomogenität und mechanische Stabilität bei Einsatztemperaturen über 800°C.
Superlegierungs-Schweißen
Superlegierungs-Schweißen ermöglicht robuste Verbindungen mit passenden Nimonic-Zusatzwerkstoffen für druck- und hitzebeständige Baugruppen.
Thermische Barrierebeschichtung (TBC)
TBC-Beschichtung schützt vor hochgeschwindigkeits Gasströmung oder Strahlungswärme in Luft- und Raumfahrtanwendungen.
Funkenerodieren (EDM)
EDM ermöglicht hochpräzise Merkmale in gehärteten oder schwer zugänglichen Bereichen ohne thermische Verzüge.
Tieflochbohren
Tieflochbohren stellt Koaxialität und glatte Oberflächen in Kühl- oder Fluidkanälen mit L/D-Verhältnissen über 15:1 sicher.
Materialprüfung und -analyse
Materialprüfung umfasst Zug-, Kriech- und Ermüdungsprüfungen, chemische Analyse, Gefügeauswertung und ZfP.
Industrielle Anwendungen von Nimonic-75-Komponenten
Luft- und Raumfahrt sowie Gasturbinenkomponenten
Brennkammern, Halterungen, Dichtungen und Nachbrennerbaugruppen, die unter dauerhafter Hitze und oxidierenden Gasen arbeiten.
Industrielle Wärmebehandlung
Vorrichtungen, Trays und Auflagen in Hochtemperaturöfen, die Zyklierung und Zunderbildung ausgesetzt sind.
Energieerzeugung und Kerntechniksysteme
Thermische Stabilität und Kriechbeständigkeit sind entscheidend für Verschraubungen, Federn und Abschirmkomponenten.
Automobil- und Motorsysteme
Abgaskomponenten, Turbolader-Halterungen und Krümmerstrukturen.
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