Nimonic 901
Einführung in Nimonic 901
Nimonic 901 ist eine ausscheidungshärtbare Superlegierung auf Nickel-Eisen-Chrom-Basis, die für ihre hohe Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit in Umgebungen bis zu 650°C bekannt ist. Im Gegensatz zu vielen anderen Nimonic-Güten enthält sie einen erheblichen Eisenanteil (~40%), was sie kosteneffizient und gut zerspanbar macht, während zugleich eine ausgezeichnete Beständigkeit gegen thermische Ermüdung und Kriechen erhalten bleibt. Sie wird häufig in Strahltriebwerkskomponenten, Gasturbinen sowie in nuklearen Anwendungen eingesetzt, die erhöhte Festigkeit und Stabilität unter zyklischen thermischen und mechanischen Belastungen erfordern.
Aufgrund der kritischen Anforderungen der Endanwendungen werden Nimonic-901-Teile oft über CNC-Bearbeitungsdienstleistungen gefertigt, um exakte Toleranzen zu erfüllen und die mechanische Integrität sicherzustellen. Die CNC-Bearbeitung bietet die Präzision, Wiederholgenauigkeit und Oberflächenkontrolle, die für strukturelle Komponenten in der Luft- und Raumfahrt sowie in Energiesystemen erforderlich sind.
Chemische, physikalische und mechanische Eigenschaften von Nimonic 901
Nimonic 901 (UNS N09901 / W.Nr. 2.4662) ist auf hohe Streckgrenze, ausgezeichnete Ermüdungsfestigkeit und Maßstabilität ausgelegt, die durch Auslagerungswärmebehandlung und γ′-Ausscheidungshärtung erreicht werden.
Chemische Zusammensetzung (typisch)
Element | Zusammensetzungsbereich (Gew.-%) | Hauptfunktion |
|---|---|---|
Nickel (Ni) | 40,0–45,0 | Basismatrix; erhöht Korrosions- und Oxidationsbeständigkeit |
Eisen (Fe) | 35,0–45,0 | Kosteneffiziente Legierung; Balance zwischen Festigkeit und Zerspanbarkeit |
Chrom (Cr) | 11,0–14,0 | Sorgt für Oxidationsbeständigkeit bei erhöhten Temperaturen |
Molybdän (Mo) | 5,0–6,5 | Mischkristallverfestigung und Kriechbeständigkeit |
Titan (Ti) | 2,8–3,3 | Ausscheidungsverfestigung über γ′-Phase (Ni₃Ti) |
Aluminium (Al) | ≤0,35 | Trägt zur Ausscheidungshärtung bei |
Mangan (Mn) | ≤1,0 | Verbessert die Warmumformbarkeit |
Silizium (Si) | ≤1,0 | Unterstützt die Oxidationsbeständigkeit |
Kohlenstoff (C) | ≤0,10 | Karbidentstehung verbessert die Hochtemperatur-Kriechfestigkeit |
Bor (B) | ≤0,01 | Erhöht die Korngrenzenfestigkeit |
Zirkonium (Zr) | ≤0,06 | Verbessert Duktilität und Zähigkeit der Korngrenzen |
Physikalische Eigenschaften
Eigenschaft | Wert (typisch) | Prüfnorm / Bedingung |
|---|---|---|
Dichte | 8,14 g/cm³ | ASTM B311 |
Schmelzbereich | 1320–1380°C | ASTM E1268 |
Wärmeleitfähigkeit | 13,0 W/m·K bei 100°C | ASTM E1225 |
Elektrischer Widerstand | 1,15 µΩ·m bei 20°C | ASTM B193 |
Wärmeausdehnung | 13,5 µm/m·°C (20–1000°C) | ASTM E228 |
Spezifische Wärmekapazität | 435 J/kg·K bei 20°C | ASTM E1269 |
Elastizitätsmodul | 208 GPa bei 20°C | ASTM E111 |
Mechanische Eigenschaften (Lösungsglühen + Auslagern)
Eigenschaft | Wert (typisch) | Prüfnorm |
|---|---|---|
Zugfestigkeit | 965–1080 MPa | ASTM E8/E8M |
Streckgrenze (0,2%) | 690–860 MPa | ASTM E8/E8M |
Bruchdehnung | ≥20% | ASTM E8/E8M |
Härte | 220–250 HB | ASTM E10 |
Zeitstandfestigkeit | 190 MPa bei 650°C (1000h) | ASTM E139 |
Ermüdungsfestigkeit | Ausgezeichnet | ASTM E466 |
Zentrale Eigenschaften von Nimonic 901
Hohe Streckgrenze bei erhöhten Temperaturen Behält eine Streckgrenze von über 690 MPa bei Betriebstemperaturen bis 650°C bei und gewährleistet so die Tragfähigkeit in Strahltriebwerken und Gasturbinen.
Ausgezeichnete Schweißbarkeit und gute Verarbeitbarkeit Der Eisenanteil verbessert die Zerspanbarkeit und ermöglicht zuverlässiges Schweißen ohne Heißrisse.
Ausscheidungshärtung mit γ′-Phase Titanreiche Ni₃Ti-Ausscheidungen erhöhen die Kriech- und Ermüdungsbeständigkeit unter Langzeitbelastung deutlich.
Oxidations- und Korrosionsbeständigkeit Bildet eine durchgehende Cr₂O₃-Oxidschicht zum Schutz in hochtemperaturigen, oxidierenden und leicht korrosiven Umgebungen.
Maßstabilität Geringe Wärmeausdehnung und hohe strukturelle Integrität unter Temperaturwechselbeanspruchung machen die Legierung ideal für komplexe, eng tolerierte CNC-gefertigte Teile.
Herausforderungen und Lösungen bei der CNC-Bearbeitung von Nimonic 901
Bearbeitungsherausforderungen
Moderate Kaltverfestigung
Ungeeignete Vorschübe oder stumpfe Werkzeuge können Oberflächenverfestigung verursachen und die Standzeit reduzieren.
Karbidbildung
Mo- und Ti-reiche Ausscheidungen wirken als abrasive Phasen und beschleunigen den Flankenverschleiß bei unbeschichteten Hartmetallwerkzeugen.
Thermisches Management
Die geringe Wärmeleitfähigkeit erfordert eine effektive Spanabfuhr und ausreichenden Kühlschmierstofffluss, um Wärmestau zu vermeiden.
Optimierte Bearbeitungsstrategien
Werkzeugauswahl
Parameter | Empfehlung | Begründung |
|---|---|---|
Werkzeugmaterial | Hartmetall (K30) oder Keramikeinsätze für die Feinbearbeitung | Hält hohen Schnitttemperaturen stand |
Beschichtung | AlTiN oder TiSiN PVD (3–5 µm) | Reduziert Verschleiß und Reibung bei hoher Wärme |
Geometrie | Positiver Spanwinkel (6–8°), verrundete Schneide (~0,05 mm) | Reduziert Kaltverfestigung und verbessert die Oberflächengüte |
Schnittparameter (ISO-3685-konform)
Operation | Geschwindigkeit (m/min) | Vorschub (mm/U) | Schnitttiefe (mm) | Kühldruck (bar) |
|---|---|---|---|---|
Schruppen | 15–25 | 0,15–0,25 | 2,0–3,0 | 100–120 |
Schlichten | 30–40 | 0,05–0,10 | 0,3–0,8 | 120–150 |
Oberflächenbehandlung für bearbeitete Nimonic-901-Teile
Heißisostatisches Pressen (HIP)
HIP verbessert die Ermüdungsleistung um >20%, beseitigt innere Porosität und erhöht die mechanische Homogenität.
Wärmebehandlung
Wärmebehandlung umfasst eine Lösungsglühbehandlung bei ca. 1080°C, gefolgt von Auslagern bei 760°C, um die γ′-Verstärkungsphase vollständig auszubilden.
Superlegierungs-Schweißen
Superlegierungs-Schweißen mit Zusatzwerkstoff gleicher Zusammensetzung (ERNiFeCr-1) erzeugt Schweißnähte mit einer Festigkeitsbeibehaltung von >90% des Grundwerkstoffs.
Thermische Schutzschicht (TBC)
TBC-Beschichtung senkt die Oberflächenbetriebstemperaturen um bis zu 200°C und verlängert die Lebensdauer von Turbinenkomponenten.
Funkenerosion (EDM)
EDM erreicht Maßtoleranzen von ±0,005 mm für filigrane Bohrungen und kleine Eckradien in gehärteten Bereichen.
Tieflochbohren
Tieflochbohren erreicht Ra <1,6 µm, eine Geradheitsabweichung <0,3 mm/m sowie L/D-Verhältnisse >30:1.
Materialprüfung und Analyse
Materialprüfung umfasst Hochtemperatur-Zug- und Kriechversuche, SEM sowie Ultraschallprüfungen nach ASME- und Luftfahrtstandards.
Industrielle Anwendungen von Nimonic-901-Komponenten
Luft- und Raumfahrttriebwerke: Verdichterscheiben, Turbinenbefestiger und Triebwerksgehäuse unter zyklischer thermischer Belastung.
Energieerzeugung: Turbinenschaufeln und Leitschaufeln in hocheffizienten Kraftwerken, die Maßstabilität und Ermüdungsbeständigkeit erfordern.
Kernreaktoren: Hochtemperatur-Schrauben und Druckbehälterkomponenten, die Strahlung und thermischen Lasten ausgesetzt sind.
Industrielle Heizsysteme: Ofenkomponenten, Vorrichtungen und Trägerstrukturen für den Dauerbetrieb bei erhöhten Temperaturen.
Automotive Turbosysteme: Ventilführungen, Dichtungen und Halterungen in Hochleistungsmotoren mit Temperaturwechselbeanspruchung.
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