Obróbka plastyczna na zimno stopów niklu

Stopy niklu w stanie wyżarzonym są podatne na wszystkie metody obróbki plastycznej na zimno. Niektóre z nich są wysoce kształtowalne, inne wprost przeciwnie. W tym artykule omówimy zagadnienia związane z obróbką na zimno stopów niklu.

Co wpływa na kształtowalność stopów niklu?

Kształtowalność, czyli łatwość w obróbce plastycznej na zimno, zależy od następujących czynników:

• Umocnienie przez zgniot – Każda obróbka plastyczna na zimno stopów niklu powoduje zwiększenie ich twardości i obniżenie ciągliwości. Wpływ obróbki na umocnienie zależy od składu chemicznego stopu. Stopy niklowo-chromowe, niklowo-chromowo-kobaltowe oraz niklowo-żelazowo-chromowe wykazują wyższe tempo umocnienia niż czysty nikiel i stopy niklowo-miedziowe. Przedmioty umocnione są trudniejsze w dalszej obróbce.
• Sprężystość – stopy niklu mają wysoki moduł sprężystości, zbliżony do stali, dlatego po zakończeniu odkształcania mogą częściowo wracać do pierwotnego kształtu.
• Stan obróbki cieplnej – większość operacji kształtowania na zimno wymaga stosowania materiału w stanie wyżarzonym, który charakteryzuje się większą plastycznością. Niektóre miękkie stopy niklu są jednak kształtowane w stanie częściowo utwardzonym, co poprawia właściwości podczas cięcia, wykrawania i formowania elementów złącznych.
• Skłonność do zacierania i zgrzewania na zimno – stopy niklu mogą łatwo tworzą połączenia adhezyjne z narzędziami i innymi metalami. Powoduje to wysoki współczynnik tarcia i utrudnia proces formowania. Dotyczy głównie stopów z małą zawartością chromu, ponieważ chrom tworzy ochronną warstwę tlenków.

Jakie stosować smary?

Lekkie oleje mineralne oraz środki smarne na bazie wody mają ograniczoną wytrzymałość właściwości smarne. Mogą być stosowane jedynie przy lekkiej obróbce.

Fosforany nie tworzą użytecznych związków powierzchniowych na stopach na bazie niklu. Nie mogą być stosowane.

Zwykłe smary na bazie produktów ropopochodnych są rzadko stosowane.

Powłoki miedziane są stosowane z bardzo dobrym rezultatem, lecz ze względu na wysokie koszty nakładania i usuwania, powłoki metaliczne są stosowane jako środki smarne wyłącznie w ciężkich operacjach obróbki plastycznej na zimno i tylko wtedy, gdy można je następnie prawidłowo usunąć.

Smary z dodatkiem węglanu ołowiu, tlenku cynku lub podobnych związków metali o niskich temperaturach topnienia nie powinny być stosowane, jeśli stop niklu ma pracować w wysokiej temperaturze, bo mogą pozostać na powierzchni stopu niklu i zmniejszyć jego odporność. Można stosować obojętne wypełniacze, takie jak talk.

Smary z dodatkiem siarki lub chloru, na przykład dwusiarczek molibdenu mogą być stosowane pod warunkiem możliwości dokładnego oczyszczenia obrabianego elementu. Pozostawione związki siarki i chloru, nawet w szczątkowej ilości, są przyczyną wżerów.

Materiały na narzędzia

Generalnie do obróbki plastycznej na zimno stopów niklu można stosować te same narzędzia, co do obróbki austenitycznych stali nierdzewnych. Własności mechaniczne stopów niklu powodują, że narzędzia do obróbki plastycznej wymagają 30-50% więcej mocy, niż potrzebne jest do obróbki podobnych elementów z miękkiej stali niskowęglowej. Ma to wpływ na zużycie narzędzi.

Elementy formowane przy użyciu matryc ze stopów cynku należy poddać krótkiemu trawieniu w rozcieńczonym kwasie azotowym w celu usunięcia wszelkich śladów cynku przeniesionych z matryc na powierzchnię elementu podczas formowania. Cynk może powodować kruchość stopów niklu podczas obróbki cieplnej lub pracy w podwyższonych temperaturach. Z podobnych powodów elementy formowane przy użyciu matryc mosiężnych lub brązowych również powinny być trawione, jeśli matryce nadają obrabianemu elementowi brązowe zabarwienie.

Cięcie, dziurkowanie stopów niklu

Stan obróbki cieplnej elementów przeznaczonych do cięcia, wykrawania lub wycinania otworów zależy od stopu i grubości elementu. Cienkie taśmy z miękkich stopów (np. nikiel 200) powinny być w stanie utwardzonym, na przykład walcowaniem. Mocniejsze stopy (np. alloy 600) zwykle najlepiej wykrawa się w stanie lekko utwardzonym. Z kolei stopy umacniane wydzieleniowo (np. alloy X-750) wykrawać należy w stanie wyżarzonym.

Smary nie są wymagane podczas cięcia, jednak powinny być używane przy wykrawaniu i wycinaniu otworów. Do materiałów o grubości mniejszej niż 3 mm można stosować lekki olej mineralny. Dla materiałów grubszych niż 3 mm należy stosować cięższy olej siarkowany.

Luz pomiędzy stemplem a matrycą powinien wynosić:

• od 3 do 5% grubości materiału dla cienkich blach (do 3mm)
• od 5 do 10% grubości materiału dla materiałów grubszych niż 3mm

 Odstęp pomiędzy stemplem a płytą dociskową powinien być możliwie najmniejszy.

Cięcie - nożyce powinny mieć zdolność cięcia stali niskowęglowej o grubości o 50% większej niż grubość ciętego materiału ze stopu niklu. Na przykład do cięcia płyty ze stopu 400 (UNS N04400) o grubości 6 mm należy stosować nożyce przeznaczone do cięcia stali niskowęglowej o grubości 9 mm.

Dziurkowanie - minimalna średnica otworu powinna być równa lub większa od grubości elementu. Dokładna proporcja zależy od grubości, obróbki cieplnej i gatunku. Dla alloy 200, monel 400 i alloy 600 minimalna średnica otworu wynosi:

• dla elementów grubości 0,5 – 0,9mm: 1,5 grubości;
• dla elementów grubości 0,9 – 1,8mm: 1,3 grubości;
• dla elementów grubości 1,8 – 3,6mm: 1,1 grubości;
• dla elementów grubości powyżej 3,6 mm: tyle co grubość elementu.

Wytrzymałość na ścinanie wynosi około 65% wytrzymałości na rozciąganie. Obciążenie nożyc gilotynowych przy cięciu stopów niklu wynosi mniej więcej 113-131% obciążenia przy cięciu porównywalnych elementów ze stali niskowęglowej.

Głębokie tłoczenie stopów niklu

Do tłoczenia większości prostych kształtów można używać matryc i narzędzi przeznaczonych do tłoczenia stali lub stopów miedzi. W przypadku skomplikowanych elementów o wysokiej dokładności wymiarowej konieczne mogą być niewielkie modyfikacje narzędzi, polegające na zwiększeniu luzów roboczych oraz powiększeniu promienia krzywizny matrycy.

Większe luzy robocze zapobiegają powstawaniu zmarszczek i wynikają z większej wytrzymałości na rozciąganie stopów niklu w porównaniu do stali do tłoczenia na zimno. Przy tłoczeniu cylindrycznych wytłoczek luz pomiędzy stemplem a matrycą wynosi typowo 120–125% grubości blachy. 

Promień krzywizny matrycy ma umożliwiać swobodne płynięcie metalu. Zbyt mały promień powoduje zacieranie się metalu między stemplem a matrycą. Z tego powodu przyjmuje się minimalny promień stempla:

• dla stali nierdzewnej ferrytycznej: 6x grubość tłoczonej blachy,
• dla stali nierdzewnej austenitycznej: 4x grubość tłoczonej blachy,
• dla cienkich blach ze stopów niklu: 5–12x grubość tłoczonej blachy.

Wyoblanie stopów niklu

Wyoblanie ręczne na ogół nie jest zalecane, z wyjątkiem szczególnie miękkich stopów (nikiel 200, monel 400). Maksymalna twardość i maksymalna grubość blachy przy wyoblaniu ręcznym wynosi:

• dla stopu nikiel 200: 64 HRB i 1,57 mm;
• dla nikiel 201: 55 HRB i 1,98 mm;
• dla monel 400: 68 HRB i 1,27 mm;
• dla alloy 600: 80 HRB i 0,94 mm;
• dla alloy 722: 94 HRB i 0,94 mm;
• dla alloy X-750: 94 HRB i 0,94 mm;
• dla alloy 801: 88 HRB i 0,94 mm.

Zalecane smary są gęste, na przykład wosk pszczeli i łój.

Dobór odpowiedniego materiału narzędzi ma kluczowe znaczenie dla powodzenia procesu. Najlepszym materiałem na wyoblak jest wysokopolerowany twardy brąz stopowy. Na rolki do wyoblania zaleca się hartowane stale narzędziowe, szczególnie pokryte chromem, ponieważ ograniczają przywieranie obrabianego metalu do narzędzia. Wyoblaki i rolki wykonane ze zwykłego mosiądzu lub stali węglowej, stosowane przy bardziej miękkich materiałach, nie nadają się do obróbki stopów na bazie niklu.

Gięcie rur ze stopów niklu

Rury ze stopów niklu mogą być gięte i zwijanie standardowymi metodami. Rury w stanie odprężonym wymagają około 25–50% większych promieni gięcia niż rury wyżarzane o tych samych wymiarach.

Promień i kąt gięcia stopów niklu w zależności od rodzaju rury i metody gięcia:

• gięcie na prasie rury niewypełnionej: min. promień gięcia 6D, max. kąt gięcia 120°
• gięcie na walcach rury wypełnionej: min. promień gięcia 4D, max. kąt gięcia 360°
• gięcie trzpieniowe: min. promień gięcia 2D, max. kąt gięcia 180°
• gięcie z ciągnieniem obrotowym rury niewypełnionej: min. promień gięcia 3D, max. kąt gięcia 180°
• gięcie z ciągnieniem obrotowym rury wypełnionej: min. promień gięcia 2D, max. kąt gięcia 180°

, gdzie D to zewnętrzna średnica rury.

Gięcie rur bez wypełnienia ogranicza promień gięcia i nadaje się jedynie dla rur ze ścianką o grubości wynoszącej ponad 7% zewnętrznej średnicy.

Gięcie trzpieniowe lub z wypełnieniem zmniejsza możliwy promień gięcia. Najlepsze wyniki dają trzpienie z twardego brązu (redukuje ryzyko zacierania) i stosowanie smarów. Do najbardziej obciążonych operacji gięcia warto wybrać smary ze związkami chloru. Piasek jest dobrym wypełniaczem.

Gięcie na prasie nie zawsze daje najlepsze wyniki dla rur w stanie zupełnie wyżarzonym. Stopy małej twardości (nikiel 200, miedzionikiel 400) lepiej gnie się na prasie w stanie odprężonym. Z kolei stopy niklowo-chromowe powinny być gięte w stanie wyżarzonym.

Gięcie na gorąco zwykle nie jest zalecane, a gięcie na zimno przynosi lepsze efekty. Gięcie na gorąco powinno być przeprowadzane wyłącznie na wypełnionej rurze. Piasek musi być czysty, pozbawiony związków siarki, która może być przyczyną pękania podczas gięcia. Oczyszczanie piasku ze związków siarki wymaga wygrzewania w temperaturze 1150°C w środowisku utleniającym. 

Gięcie płyt, taśm i blach ze stopów niklu

Płyty, taśmy i blachy ze stopów niklu mogą być gięte standardowymi metodami. Promień gięcia zależy od gatunku i grubości. Dla kątu gięcia wynoszącego 180°, minimalny promień gięcia wynosi:

• alloy 200:
  • blacha, taśma 0,3-6,4 mm: 1t
  • płyta 4,5-6,4 mm: 2t
• alloy 400:
  • blacha, taśma 0,3-2,8 mm: 1t
  • blacha, taśma 2,8-6,4 mm: 2t
• alloy 600:
  • blacha, taśma 0,3-6,4 mm: 1t
  • płyta 4,7-6,4 mm: 2t
• alloy 625:
  • blacha, taśma 0,3-6,4 mm: 2t
  • płyta 4,7-6,4 mm: 2t
• alloy 718:
  • blacha, taśma 0,3-1,24 mm: 1t
  • blacha, taśma 1,24-6,35: 2t
• alloy X-750:
  • blacha, taśma 0,3-1,24 mm: 1t
  • blacha, taśma 1,24-6,35: 2t
• alloy 800:
  • blacha, taśma 0,3-6,4 mm: 1t
  • płyta 4,7-6,4 mm: 2t
• alloy 825:
  • blacha, taśma 0,3-6,4 mm: 2t
  • płyta 4,7-6,4 mm: 2t

, gdzie t to grubość elementu.

Roztłaczanie rur

Rury ze stopów niklu mogą być roztłaczane w dnach sitowych rurowo-płaszczowych wymienników ciepła konwencjonalnymi metodami.

Otwory w dnie sitowym powinny być niewiele większe od rur, które mają w nich spocząć:

• dla rur o średnicy zewnętrznej mniejszej niż 38 mm średnica otworu powinna być większa o 0,10-0,20 mm;
• dla rur o średnicy zewnętrznej większej niż 38 mm średnica otworu powinna być większa o 0,20-0,25 mm;

Dno sitowe powinno być twardsze, niż roztłaczane rury. Z tego powodu jest zwykle dostarczane w stanie walcowanym lub kutym, natomiast rury dostarczane są w stanie wyżarzonym.

Obróbka plastyczna na zimno prętów

Pręty ze stopów niklu zwykle są obrabiane plastycznie w stanie wyżarzonym.

Gięcie prętów przebiega na podobnych zasadach jak gięcie rur wypełnionych.

Zwijanie prętów stopu niklu na sprężyny zwykle wykonywane jest na gorąco, ze stopów umacnianych wydzieleniowo. Dla niektórych zastosowań konieczne jest jednak zwijanie prętów w stanie umocnionym przez zgniot. Znacząco zwiększa to minimalny promień zwijania.

Spęcznianie i wyciskanie na zimno stopów niklu

Stopy niklu mogą być wyciskane i spęczniane na zimno. Spęcznianie zwykle występuje w połączeniu z wyciskaniem. Wysoka wytrzymałość i skłonność do zacierania wymagają stosowania niższych prędkości (prędkość spęczniania powinna wynosić około 10-15 m/min) i mocniejszych narzędzi (np. z stali SW18). 

Prostowanie na zimno stopów niklu

Stopy niklu mogą być prostowane standardowymi metodami. Wymagają ok. 50% więcej mocy niż stal niskowęglowa - przykładowo maszyna, która może prostować pręty ze stali niskowęglowej o średnicy 20 mm, może obrabiać stopy niklu i niklomiedzi do średnicy ok. 10 mm.

Częstym problemem są spiralne zarysowania. Można im przeciwdziałać stosując smary i stopy w stanie wyżarzonym. Matryce mogą być wykonane z brązu i żeliwa. Żeliwo powinno być stosowane, gdy po prostowaniu nie wykonuje się trawienia, a zanieczyszczenie produktu przez brąz jest niedopuszczalne.

Części do zastosowań w wysokiej temperaturze

Nadmierny zgniot może obniżać żarowytrzymałość stopów niklowo-chromowych, często przeznaczonych do pracy w wysokiej temperaturze. Jeśli zgniot wynosi więcej niż 10%, a element ma pracować w temperaturze powyżej 650°C, wówczas po obróbce plastycznej na zimno należy przeprowadzić obróbkę cieplną.

Obróbka plastyczna na zimno stopów żaroodpornych i umacnianych wydzieleniowo

Większość stopów żaroodpornych kształtuje się na zimno, ponieważ zakres obróbki na gorąco jest bardzo wąski. Niekiedy wymaganych jest kilka operacji przekładanych wyżarzaniem.

Kontrola rozrostu ziaren - w przypadku niektórych stopów żaroodpornych dla uzyskania optymalnego ziarna wymagana jest obróbka plastyczna ze znaczącym zgniotem. Przykładowo ziarno w alloy X po 5% zgniocie i obróbce cieplnej nadmiernie się rozrasta, co może prowadzić do efektu „skórki pomarańczy”. Ten efekt nie występuje przy zgniocie 10%.

Dodatki stopowe w stopach żaroodpornych, które mają wpływ na obróbkę plastyczną:

• boron (np. alloy 41) powyżej 0,03% zwiększa ryzyko pękania, ale poniżej tego progu chroni przed wydzieleniami węglików na granicach ziaren,
• krzem powyżej 0,3%, a szczególnie powyżej 0,6% zwiększa ryzyko pękania podczas ciągnienia na zimno,
• węgiel powyżej 0,15% obniża ciągliwość, zwiększając ryzyko pękania,
• molibden i tungsten (np. alloy 230), zwiększają wytrzymałość mechaniczną, przez co kształtowanie ich wymaga więcej mocy,
• aluminium i tytan tworzące fazę γ′ (np. alloy 80A) również umacniają stop.

Stopy umacniane wydzieleniowo mogą pękać, gdy po obróbce plastycznej są poddawane umacnianiu wydzieleniowemu (starzeniu). Aby temu przeciwdziałać, przed starzeniem należy element wyżarzyć. Niektóre stopy umacniane wydzieleniowo (np. alloy 41) mają dwa zakresy temperatur wyżarzania. Wyżarzanie w wyższej temperaturze (1175°C w przypadku alloy 41) zwiększa ciągliwość i podatność na kształtowanie, ale ma negatywny wpływ na spawalność, a wyżarzanie w niższej (1070°C dla alloy 41) ogranicza kształtowalność o 10-20%, ale umożliwia spawanie bez ryzyka pęknięć.