根據 鎳研究所，鎳是地球上第五豐富的元素。它是一種用途廣泛的合金元素，可輕鬆與其他金屬結合，賦予卓越的強度和耐腐蝕性。然而，這些相同的特性對數控加工合金提出了重大挑戰。
本文探討了工業中使用的各種鎳合金、它們的加工流程以及它們在 CNC 加工作業過程中帶來的具體挑戰。
了解鎳合金：類別和特性
鎳可形成數千種合金，因此很難追蹤每一種合金。為了更好地理解它們，鎳基合金根據相似的特性分為五個主要組：
A 組 – 高鎳含量合金
這些合金的鎳含量很高，通常超過 95%。因此，它們具有鎳的大多數固有特性：優異的耐腐蝕性以及優異的導熱性和導電性。流行的鎳合金包括 Nickel 200、201 和 205。
B 組 – 鎳銅合金
鎳銅合金（蒙乃爾系列）的鎳含量為52%至67%，銅是主要成分，並含有少量其他元素。這類合金的強度高於A組（純鎳）合金，但韌性略低。冷加工可提高其耐腐蝕性，尤其是在海洋和化學環境中。 Inconel 400/Alloy 400和 殷鋼36 是該組中著名的合金。
C 組 – 鎳鉻合金
C 組由鎳鉻合金組成，其成分類似奧氏體不銹鋼。鉻的存在賦予它們抗氧化性，特別是在高溫下。鉻形成保護性氧化層，防止進一步腐蝕。由於相同的鎳鉻基體，這些合金還具有固溶體強度。 Inconel 600 和 Nirmonic 75 是該組中的著名成員。
D1-D2 組時效硬化合金
該組分為：
D1（未老化）： 這些合金依靠冷加工來提高強度，並在熱處理前表現出良好的韌性。
D2（老年）： 時效後，這些合金會發生沉澱硬化，從而提高其強度和耐用性。添加鋁或鈦等元素會形成沉澱物，從而增強合金承受極端力和溫度的能力。
E 組 – 易切削合金
E 組是一類單一的易加工合金，Monel R-405。它添加了硫，從而提高了可加工性。在耐腐蝕性和其他物理性能方面，它與B族合金相似。然而，機械性能略有不同。
類別合金組成特徵：應用領域A組鎳20099.6% 鎳優異的耐腐蝕性、良好的導熱性化學加工、海洋環境、電子元件鎳20199.6% 鎳（低碳）與 Nickel 200 類似，更適合高溫應用鹼蒸發器、電鍍設備鎳20599.6% 鎳高導電率，改善機械性質電氣元件、陽極板B組Inconel 40063% 鎳，30% 銅強度高，在海水中具有優異的耐腐蝕性海洋工程、熱交換器殷鋼3636% 鎳，64% 鐵極低的熱膨脹飛機控制器、恆溫器、光學儀器C組Inconel 60072% 鎳、14-17% 鉻、6-10% 鐵高溫下抗氧化，機械強度佳噴射排氣管、蒸發器管、熱處理設備尼莫尼克7580% 鎳，20% 鉻高溫強度高，抗氧化性佳燃氣渦輪葉片、工業爐D1組杜蘭鎳 30194% 鎳，4.75% 鐵可時效硬化、高強度、耐腐蝕航空航天、高應力部件D2組Inconel 71850-55% 鎳、17-21% 鉻、2.8-3.3% 鉬沉澱硬化、高強度、耐熱性噴射發動機、燃氣渦輪機、核反應器、閘閥E組蒙乃爾合金 R-40563% 鎳、30% 銅、0.03% 硫增強的機械加工性、耐腐蝕性高速加工、船舶、化工設備商業流行鎳合金的簡要概述
鎳合金加工操作
在工業中，鎳合金經過不同的加工過程以獲得所需的形狀、尺寸和形式。其中，應用最多的加工製程是：
開啟
開啟 是一種使用單點切削刀具從旋轉工件上去除材料的加工操作。此操作在CNC車床上進行，刀具沿表面移動以形成圓柱形零件。
對於鎳合金，由於其韌性，車削需要精度。您需要使用正前角來最小化刀具並確保材料被切割而不是被推動。硬質合金工具最適合這項工作，因為它們可以承受加工過程中產生的高溫。
鎳發展研究所建議，車削鎳合金所需的速度比加工鋼的速度低 30-50%。通常，它在 50 到 100 FPM（英尺每分鐘）之間。
為了在車削過程中控制切屑，最好使用帶有捲屑器或斷屑器的刀具。研究表明，這些刀具最多可將刀具壽命延長 40%。
磨
磨 是使用旋轉切割機對材料進行成型。對於鎳合金，順銑優於傳統（向上）銑削，以最大限度地減少文字硬化。考慮到鎳的韌性，高速鋼 (HSS) 或硬質合金立銑刀非常適合鎳。
此外，為了防止加工過程中產生過多熱量，專家建議保持較低的進料速度。對於重型銑削，具有 12° 至 18° 正前角的專用刀具效果最佳。
鑽孔
鑽削鎳合金時，穩定的進給速度對於避免孔底加工硬化至關重要。高速鋼鑽頭通常對 A 組和 B 組合金有效，而鈷鑽頭最適合堅硬的 C 組和 D 組合金——這些鈷鑽頭的使用壽命比高速鋼鑽頭長 50%。
對於深孔鑽削，常見的是鏟鑽或槍鑽。此操作需要高壓切削液來排出切屑並防止熱量積聚。對於較軟的合金，鑽孔速度為 10 至 18 SFM（表面英尺每分鐘），而對於較硬的合金，鑽孔速度為 5 至 12 SFM。
研磨
大多數加工製程通常伴隨磨削以獲得所需的表面光潔度和尺寸精度。成功研磨鎳合金的關鍵是使用氧化鋁或碳化矽等研磨材料。
研究表明，無心磨削技術可有效實現鎳合金的精度，因為它們有助於保持圓度和尺寸精度。
鏜
鏜孔過程擴大了已經鑽出或鑄造的孔。在鎳合金中，考慮到其工作硬度，這是很難實現的。為了減少刀具磨損，使用硬質合金鏜桿。
機械師建議，鎳合金的鏜孔操作應以比軟材料更低的速度進行，通常約為 30-60 SFM。它們需要接受適當的潤滑：使用硫化油或類似的高性能冷卻劑。
根據統計，鎳合金鏜削加工的刀具磨損率比標準鋼高 30-40%，這意味著需要頻繁更換刀具。
竊聽
在預先存在的孔上攻螺紋稱為攻牙。同樣，高速鋼和鈷基攻絲工具由於其耐熱性和耐用性而工作良好。對於最硬的鎳合金，需要使用連續絲錐（每個連續絲錐都會增加螺紋直徑）以防止刀具破損。
此外，使用 60% 的螺紋深度而不是標準的 75% 可以減少攻牙所需的扭矩，並降低絲錐斷裂的可能性。攻牙速度通常比鑽孔慢，範圍為 10 至 20 SFM。為了使操作更平穩，必須大量使用液體。
EDM（電火花加工）
EDM 是一種非常規加工工藝，利用放電（火花）來去除材料。此工藝用於進行精確的內部切割並創建傳統工藝無法製作的幾何形狀。線切割放電加工對於鎳合金來說非常常見，而沉降片放電加工可用於需要內腔的幾何形狀。
EDM 比傳統加工速度慢，材料去除率在每分鐘 0.1 至 0.5 立方英寸之間，但它提供了無與倫比的精度，使其適用於航空航天、醫療和高性能應用。由於不存在切削刀具或不與材料接觸，因此不存在刀具磨損和材料變形的問題。
水射流切割
水刀切割機是切割鎳合金厚板而不產生熱量的最佳解決方案。他們使用與磨料混合的高壓水來切割工件。此製程用於較大的裝置，可切割厚度達 10 吋的鎳合金，精度為 ±0.005 吋。
當精度和材料完整性至關重要時，由於沒有熱影響區 (HAZ)，水刀切割變得非常有價值。它的精度可能低於 EDM，但速度相當快（典型速度為 6 到 10 IPM）。
鎳合金加工面臨的挑戰
鎳合金可以承受高溫而不會損失太多強度。但是，在加工時它們可能會很麻煩。機械師面臨多重挑戰：
產生過多熱量
鎳合金因在加工過程中產生過多熱量而臭名昭著。這種熱量主要來自兩個來源：切削刀具和材料之間的摩擦接觸以及加工過程中的塑性變形。
由於鎳合金是不良導熱體，摩擦熱不會分散，而是集中在切削區域。這種局部溫度峰值會為材料帶來表面變化並使工具變形。
加工硬化
塑性變形、發熱和連續加工的同時影響加劇了鎳合金的加工硬化。儘管所有材料都會經歷一定程度的加工硬化，但鎳合金的硬化程度更高。由於這個過程，被加工的每個連續層都變得越來越困難。
工具附著力
與發熱相關的另一個常見問題是刀具黏附，即鎳合金切屑粘在切削刀具上。大多數工具不能承受800℃以上的高溫。在大多數情況下，這會導致工件材料焊接到工具上。隨著工具的效率降低，切割變得更加困難。
工具故障風險
鎳合金由於其韌性，會加速刀具磨損並導致刀具過早失效。過多的熱量、高切削力和材料硬度的結合給切削刀具帶來了巨大的應力。再加上高溫－熱裂紋會削弱工具的結構完整性。
CNC 加工鎳合金時的注意事項
我們已經針對每個加工工藝分享了許多有用的技巧。以下是加工鎳合金時需要集體設定的通用版本：
設計考慮因素
在設計用於鎳合金加工的零件時，重要的是要考慮材料的加工硬化和發熱。幾何形狀應該簡單，過渡平滑，以避免刀具過度磨損和表面光潔度差。複雜的形狀或尖角可能會加劇這些問題，導致難以維持公差和刀具穩定性。
也許該產品可以設計成具有一些稍後組裝的更簡單的幾何形狀。為了優化可加工性，設計也應考慮到有效的散熱。
切割工具
鎳需要超過其硬度的工具。硬質合金刀具因其耐用性和耐熱性而被廣泛首選用於連續切削，而高速鋼刀具則適用於斷續切削或精加工操作。
為了更好地排屑，具有 6 至 8 個凹槽的刀具效果更好。此外，捲屑器或斷屑器最適合防止刀具上堆積材料。
加工參數（切削速度、進給量）
必須仔細優化加工參數，以減少熱量產生和加工硬化。不同加工製程的切削速度和進給率各不相同，必須進行相應調整。例如，銑削操作通常以 100 至 330 SPM 進行。車削時則為 50 至 100 SFM。
切削液
切削液在鎳合金加工中發揮著至關重要的作用，主要是透過控制溫度和減少摩擦。建議使用高壓冷卻液（通常為 1000 psi 或更高）以獲得最佳散熱效果。水和硫化礦物油都可以用作冷卻劑。
機械加工鎳合金的應用
鎳合金具有高強度、耐熱和耐腐蝕等特性，非常適合各行各業的應用：
行業應用領域航太渦輪葉片、火箭發動機部件化學加工儲槽、管道、混合裝置石油和天然氣幫浦、管路、壓力容器、熱交換器醫用器材手術器械、骨科植入物、支架 (Nitinol®) 電氣與電子電觸點、變壓器、儲存設備海洋應用螺旋槳、艙底泵、閥門精密儀器氣密密封、溫度開關發電熱交換器、燃氣渦輪機、核反應器部件汽車業排氣系統、渦輪增壓器
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