Kapning och fasning av Inconel och nickelsuperlegeringar

Vad är nickelsuperlegeringar?

Superlegeringar är metalliska legeringar utvecklade för att behålla mekanisk hållfasthet och korrosionsbeständighet vid mycket höga temperaturer, generellt över 600°C och upp till cirka 1200°C. De delas huvudsakligen in i tre familjer: nickelbaserade, koboltbaserade och järn-nickelbaserade legeringar.

Motståndskraften mot extrema driftförhållanden uppnås genom flera metallurgiska mekanismer, bland annat lösningshärdning, utskiljningshärdning och stabilisering med eldfasta karbider. Resultatet är material som kan bibehålla hög draghållfasthet och hårdhet även vid temperaturer där vanliga rostfria stål inte längre är användbara.

Inconel

Inconel är den mest använda familjen av nickelbaserade superlegeringar inom industrin. Olika kvaliteter är utvecklade för olika användningsområden och driftförhållanden.

Inconel 600

Inconel 600 innehåller cirka 72 % nickel tillsammans med krom och järn. Materialet är värmebeständigt upp till 1100°C och används ofta i kärnreaktorer för ånggeneratorrör och styrstavar tack vare sin motståndskraft mot högtemperaturkorrosion från klorider.

Inconel 625

Inconel 625 kombinerar hög korrosionsbeständighet med mycket goda mekaniska egenskaper. Legeringen används ofta inom offshore, marin industri och olje- och gasindustrin tack vare sitt skydd mot gropfrätning och spaltkorrosion i kloridrika miljöer. Materialet är även NACE MR0175 / ISO 15156-certifierat för miljöer innehållande H₂S.

Inconel 718

Inconel 718 är utskiljningshärdat och erbjuder mycket hög drag- och sträckgräns samtidigt som dimensionsstabiliteten bibehålls vid höga temperaturer. Legeringen används brett inom flygindustrin, bland annat för turbinskivor och turbinblad. Av de vanligaste kvaliteterna anses den också vara den mest svårbearbetade.

Inconel X-750

Inconel X-750 används främst för fjädrar, bultar och högtemperaturverktyg inom flyg- och kärnkraftsindustrin.

Den praktiska skillnaden mellan de vanligaste kvaliteterna är tydlig: Inconel 625 väljs främst för korrosionsbeständighet medan Inconel 718 används där maximal mekanisk hållfasthet krävs.

Hastelloy, Monel och andra nickellegeringar

Hastelloy-legeringar är utvecklade för mycket aggressiva kemiska miljöer med syror som saltsyra, svavelsyra, fosforsyra och fluorvätesyra. De används ofta i kemiska reaktorer, värmeväxlare, ventiler och processutrustning inom kemi- och läkemedelsindustrin. Jämfört med Inconel erbjuder Hastelloy högre syrabeständighet men lägre motståndskraft mot höga temperaturer.

Monel är en koppar-nickellegering som är särskilt lämpad för marina miljöer och havsvattenapplikationer. Den är generellt lättare att bearbeta än mer värmebeständiga superlegeringar.

Nimonic-legeringar är optimerade för högtemperaturapplikationer i gasturbiner, särskilt turbinblad i flygmotorer där långvarig krypmotståndskraft är avgörande.

Duplex och super duplex rostfria stål kräver också specialverktyg och kallmekanisk bearbetning på grund av sin tendens till deformationshärdning och sina krävande bearbetningsegenskaper.

Var används Inconel och nickelsuperlegeringar?

Dessa legeringar väljs utifrån driftförhållanden och tekniska krav inom olika industrier.

Olja och gas

Inconel 625 och Hastelloy används för rör, manifolder och ventiler som exponeras för H₂S, CO₂ och mycket höga tryck.

Flygindustri

Inconel 718 används ofta för turbinblad, turbinskivor, tätningsringar och avgassystem tack vare kombinationen av hög hållfasthet och dimensionsstabilitet vid höga temperaturer.

Kärnkraft

Inconel 600 används i tryckvattenreaktorer där motståndskraft mot spänningskorrosion i högtempererat vatten är avgörande.

Kemisk och petrokemisk industri

Hastelloy C276 och Inconel 625 används ofta i reaktorer och miljöer med starka syror, klorider och avsvavlingsprocesser.

Marin industri

Inconel och Monel används brett i havsvattensystem och nedsänkta konstruktioner tack vare sin motståndskraft mot kloridinducerad korrosion.

Energi och kraftproduktion

Inconel 718 och Nimonic-legeringar används i gas- och ångturbiner där driftstemperaturerna överstiger 900°C och där komponenterna måste bibehålla sina toleranser under mycket lång driftstid.

Vad gör Inconel och nickelsuperlegeringar svårbearbetade?

Samma egenskaper som gör dessa legeringar värdefulla gör dem också svårbearbetade. Verktygsslitage kan vara flera gånger högre än vid bearbetning av standard rostfritt stål.

Deformationshärdning

Under bearbetning hårdnar materialytan successivt. Varje verktygspass lämnar ett hårdare ytskikt än tidigare, vilket ökar skärkrafterna och slitaget på verktyget.

Låg värmeledningsförmåga

Nickelbaserade superlegeringar leder bort värme betydligt sämre än kolstål. Värmen koncentreras därför till skärzonen istället för att ledas bort via spåna eller arbetsstycket, vilket leder till accelererat verktygsslitage.

Hög abrasivitet

Förekomsten av hårda partiklar och intermetalliska faser orsakar kontinuerligt slitage på skäreggen även vid relativt låga skärhastigheter.

Materialuppbyggnad på skäreggen

Vid vissa temperaturer och skärhastigheter kan material tillfälligt fastna på skäreggen, vilket förändrar verktygets geometri och kan skada skäret när materialet lossnar.

Vilka verktyg används för kapning och fasning av Inconel och superlegeringar?

Det krävs inga särskilda maskiner för att bearbeta Inconel och nickelbaserade superlegeringar. Lösningen är istället att använda rätt verktyg.

TICN-belagda och Widia-belagda skär

TICN-belagda och Widia-belagda skär, verktyg och fräsar är förstahandsvalet för kall kapning och fasning av Inconel och nickelbaserade superlegeringar. Beläggningen minskar friktionen, skyddar skäreggen från värme och förlänger verktygens livslängd avsevärt jämfört med obelagda verktyg.

Specialanpassade verktygslösningar

G.B.C:s utvecklingsavdelning tar fram specialgeometrier och beläggningar för specifika legeringar när standardlösningar inte räcker till.

Kobolt HSS M35 och M42

Kobolt HSS M35 och M42 används för mindre värmebeständiga material där skärtemperaturerna är lägre och verktygskostnaden är en viktig faktor.

Verktygsgeometrin är lika viktig som materialet. Positiva spånvinklar och skarpa skäreggar minskar skärkrafterna och begränsar deformationshärdningen. Slitna verktyg kan dessutom omslipas till originalspecifikationer, vilket minskar kostnaden per detalj över tid.

Kall mekanisk kapning utan värmepåverkad zon

För nickelbaserade superlegeringar är kall mekanisk kapning ofta ett krav enligt svetsprocedurer och projektspecifikationer. Termiska kapmetoder som plasma, gasskärning och laser skapar en värmepåverkad zon (HAZ) som kan försämra legeringens mekaniska och korrosionsbeständiga egenskaper.

Kall mekanisk kapning bevarar materialets ursprungliga egenskaper hela vägen fram till snittytan och möjliggör fogberedning enligt SS-EN ISO 9692 och SS-EN ISO 3834. Inom olje- och gasindustrin samt kärnkraftsindustrin är det ofta den enda accepterade kapmetoden.

Bearbetning av Inconel och nickelsuperlegeringar med GBC-maskiner

GBC:s rörkap– och fasningsmaskiner kan bearbeta kolstål, rostfritt stål, Inconel och andra nickelbaserade superlegeringar genom att endast byta det monterade verktyget. Inga maskinmodifieringar krävs.

Specialgeometrier och beläggningar kan utvecklas för specifika legeringar när standardlösningar inte räcker till. Slitna verktyg kan omslipas och snabb tillgång till reservdelar minimerar risken för oväntade produktionsstopp.