Nimonic 80A
Einführung in Nimonic 80A
Nimonic 80A ist eine ausscheidungsgehärtete Nickel-Chrom-Legierung, die mit Titan und Aluminium verstärkt wird und für Hochtemperaturumgebungen ausgelegt ist, in denen außergewöhnliche mechanische Festigkeit, Kriechbeständigkeit und Oxidationsbeständigkeit entscheidend sind. Im Vergleich zu Nimonic 75 bietet sie eine höhere Hochtemperaturfestigkeit und behält ihre strukturelle Integrität im Dauerbetrieb bis zu 815°C sowie bei intermittierender Beanspruchung über 1000°C.
Dank ihrer ausgezeichneten thermischen Ermüdungs- und Korrosionsbeständigkeit ist sie ein bevorzugter Werkstoff für Luftfahrt-Turbinen, Kernkraft-Ventile, Hochdruckfedern und Turboladerkomponenten in der Automobilindustrie. Bauteile aus Nimonic 80A werden häufig durch Schmieden oder Gießen hergestellt und anschließend durch CNC-Bearbeitung präzisionsbearbeitet, um enge Toleranzen in leistungs- und sicherheitskritischen Anwendungen zu gewährleisten.
Chemische, physikalische und mechanische Eigenschaften von Nimonic 80A
Nimonic 80A (UNS N07080 / W.Nr. 2.4952 / ASTM B637, B408) ist eine γ'- (Gamma-Prime-) verstärkte Legierung, die für Hochtemperaturfestigkeit, Oxidationsbeständigkeit und strukturelle Zuverlässigkeit in kriech- und ermüdungsanfälligen Einsatzumgebungen entwickelt wurde.
Chemische Zusammensetzung (typisch)
Element | Zusammensetzungsbereich (Gew.-%) | Hauptfunktion |
|---|---|---|
Nickel (Ni) | Balance (≥69,0) | Matrix für Oxidationsbeständigkeit und thermische Festigkeit |
Chrom (Cr) | 18,0–21,0 | Bildet eine schützende Oxidschicht; verbessert Korrosionsbeständigkeit |
Titan (Ti) | 1,8–2,7 | Ausscheidungshärtung durch Bildung von γ'-Ni₃(Al,Ti) |
Aluminium (Al) | 1,0–1,8 | Verstärkt die Legierung über die Gamma-Prime-Phase |
Eisen (Fe) | ≤3,0 | Restbestandteil |
Kohlenstoff (C) | ≤0,10 | Steuert Karbidausscheidung und Kriechverhalten |
Mangan (Mn) | ≤1,0 | Verbessert die Warmumformbarkeit |
Silizium (Si) | ≤1,0 | Verbessert Oxidationsbeständigkeit und Gießeigenschaften |
Kupfer (Cu) | ≤0,2 | Begrenzt, um Heißbrüchigkeit zu minimieren |
Schwefel (S) | ≤0,015 | Kontrolliert, um Heißrisse beim Schweißen zu reduzieren |
Physikalische Eigenschaften
Eigenschaft | Wert (typisch) | Prüfnorm/Bedingung |
|---|---|---|
Dichte | 8,19 g/cm³ | ASTM B311 |
Schmelzbereich | 1320–1380°C | ASTM E1268 |
Wärmeleitfähigkeit | 11,4 W/m·K bei 100°C | ASTM E1225 |
Elektrischer Widerstand | 1,08 µΩ·m bei 20°C | ASTM B193 |
Thermische Ausdehnung | 13,3 µm/m·°C (20–1000°C) | ASTM E228 |
Spezifische Wärmekapazität | 435 J/kg·K bei 20°C | ASTM E1269 |
Elastizitätsmodul | 200 GPa bei 20°C | ASTM E111 |
Mechanische Eigenschaften (lösungsgeglüht + ausgehärtet)
Eigenschaft | Wert (typisch) | Prüfnorm |
|---|---|---|
Zugfestigkeit | 965–1080 MPa | ASTM E8/E8M |
Streckgrenze (0,2%) | 690–760 MPa | ASTM E8/E8M |
Bruchdehnung | ≥20% | ASTM E8/E8M |
Härte | 200–230 HB | ASTM E10 |
Kriechbruchfestigkeit | 180 MPa bei 750°C (1000 h) | ASTM E139 |
Ermüdungsbeständigkeit | Ausgezeichnet | ASTM E466 |
Haupteigenschaften von Nimonic 80A
Hochtemperaturfestigkeit: Die Ausscheidung der Ni₃(Al,Ti)-Phase ermöglicht hohe Zug- und Kriechfestigkeit bis zu 815°C im Dauerbetrieb.
Oxidationsbeständigkeit: Behält mechanische Eigenschaften in oxidierenden Umgebungen, selbst bei intermittierender Exposition über 1000°C.
Ausgezeichnete Ermüdungs- und Thermoschockbeständigkeit: Geeignet für Turbinen- und Federanwendungen unter zyklischer thermischer und mechanischer Belastung.
Erhöhte Kriech- und Zeitstandfestigkeit: Besonders geeignet für Schraubenverbindungen, Ventilführungen und druckdichtende Bauteile in Turbinen und Reaktoren.
Herausforderungen und Lösungen bei der CNC-Bearbeitung von Nimonic 80A
Bearbeitungsherausforderungen
Kaltverfestigung
Die ausscheidungsgehärtete Struktur erhöht die Oberflächenhärte während der Bearbeitung sehr schnell, was zu vorzeitigem Werkzeugverschleiß und potenziellen Toleranzproblemen führt.
Reduzierte Werkzeugstandzeit
Die hohe Hochtemperaturfestigkeit sowie Abrasion durch intermetallische Phasen wie γ'-Ni₃(Al,Ti) verursachen Freiflächenverschleiß und Kraterbildung in Hartmetallwerkzeugen.
Wärmeentwicklung
Die begrenzte Wärmeleitfähigkeit führt zu schlechter Wärmeabfuhr und erhöht die Wahrscheinlichkeit von Thermorissen und Schneidkantenverformung.
Optimierte Bearbeitungsstrategien
Werkzeugauswahl
Parameter | Empfehlung | Begründung |
|---|---|---|
Werkzeugmaterial | Feinkornhartmetall (K20–K30) oder CBN zum Schlichten | Hohe Verschleißfestigkeit unter thermischer Belastung |
Beschichtung | AlTiN oder TiSiN (3–5 µm PVD) | Verbessert die Werkzeugstandzeit durch Beständigkeit gegen Oxidation und Adhäsion |
Geometrie | Positiver Spanwinkel, scharfe Schneidkante, 0,05 mm Schneidkantenverrundung | Reduziert Schnittkräfte und verhindert Kanten-Ausbrüche |
Schnittparameter (ISO 3685-konform)
Operation | Geschwindigkeit (m/min) | Vorschub (mm/U) | Schnitttiefe (mm) | Kühlmitteldruck (bar) |
|---|---|---|---|---|
Schruppen | 12–20 | 0,15–0,20 | 1,5–2,5 | 100–120 |
Schlichten | 30–45 | 0,05–0,10 | 0,2–1,0 | 120–150 |
Oberflächenbehandlung für bearbeitete Nimonic-80A-Teile
Heißisostatisches Pressen (HIP)
HIP verbessert Ermüdungslebensdauer und Maßstabilität, indem innere Porosität in gegossenen oder AM-Komponenten beseitigt wird.
Wärmebehandlung
Wärmebehandlung stabilisiert die Gamma-Prime-Phase und optimiert die mechanischen Eigenschaften für hochbeanspruchte Hochtemperaturanwendungen.
Superlegierungs-Schweißen
Superlegierungs-Schweißen mit passendem Zusatzwerkstoff stellt die Integrität in druckbelasteten Verbindungen oder Baugruppen sicher.
Thermische Barrierebeschichtung (TBC)
TBC-Beschichtung schützt Turbinen- und Abgaskomponenten, die oberhalb von 900°C betrieben werden.
Funkenerodieren (EDM)
EDM erreicht Sub-10-µm-Toleranzen auf wärmebehandelten Oberflächen, ohne Eigenspannungen einzubringen.
Tieflochbohren
Tieflochbohren zur Herstellung innerer Merkmale in Schrauben, Federn und Kraftstoffleitungen mit L/D > 20:1.
Materialprüfung und -analyse
Materialprüfung umfasst Zugversuche, Kriechlebensdauer, Gefügevalidierung sowie Ultraschall- oder Farbeindringprüfung.
Industrielle Anwendungen von Nimonic-80A-Komponenten
Luftfahrt-Turbinen-Systeme
Turbinenaufeln, Brennkammerbauteile, Dichtungen und Leitschaufeln, die in Umgebungen mit thermischen Zyklen betrieben werden.
Kerntechnik und Energieerzeugung
Ventilspindeln, Steuerstäbe und Führungshülsen in Reaktoren, die eine langfristige mechanische Stabilität und Kriechbeständigkeit erfordern.
Automobil-Turbolader-Systeme
Federn, Halterungen und Gehäuse, die wechselnden thermischen und mechanischen Lasten ausgesetzt sind.
Industrieöfen und Wärmebehandlung
Retorten, Aufhängungen und Roste, die oxidierenden oder aufkohlenden Atmosphären bis zu 1000°C ausgesetzt sind.
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