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Übersicht über Nickellegierungen
22.07.2024 17:08:34
Nickellegierungen bestehen im Allgemeinen aus Nickel, Chrom, Molybdän, Aluminium, Eisen und einigen anderen Elementen in geringen Mengen.
Superlegierungen auf Nickelbasis: Legieren
Nickel und Nickellegierungen: Ein Überblick; Nickel: Legieren; Nickellegierungen: Nomenklatur; Nickellegierungen: Wärmebehandlung und thermomechanische Verarbeitung; Nickelbasierte Superlegierungen: Ein Überblick; Nickelbasierte Superlegierungen: Legierungsmethoden und thermomechanische Verarbeitung; Nickellegierungen: Korrosion.
AUSWAHL VON MATERIALIEN FÜR KORROSIVE UMGEBUNG
KLASSIFIZIERUNG VON NICKELLEGIERUNGEN
Aufgrund ihrer chemischen Zusammensetzung lassen sich die Nickellegierungen in folgende Gruppen einteilen:
(1)Nickel Reines Nickel (99,56 %)
▪ Kommerziell reines Nickel (geschmiedet) 99,6–99,7 %.
(2)Nickel und Kupfer
▪ Nickelarme Legierungen (2–13 % Ni)
▪ Kupfernickel (10–30 % Ni)
▪ Nichtmagnetische Legierungen (~60 % Ni)
▪ Hochnickellegierungen (über 50 % Ni)
(3)Nickel und Eisen
▪ Knetlegierungen (0,5–9 % Ni)
▪ Gusslegierte Stähle (0,5–0,9 % Ni)
▪ Legiertes Gusseisen (1–6, 14–36 % Ni)
(4)Eisen-Nickel- und Chromlegierungen
▪ Edelstähle (2–25 % Ni)
▪ Maraging-Stähle (18 % Ni)
(5) Ausscheidungsgehärtete Legierungen auf Nickel-Chrom-Molybdän- und Eisen-Nickel-Basis.
- Elektrochemie der Elemente | NickelNickellegierungenNickel ist der Hauptbestandteil vieler bekannter Legierungen, beispielsweise korrosionsbeständiger Legierungen wie Monel (Ni, Cu), Inconel 600 (Ni, Cr, Fe), Hastelloy (Ni, Mo, Fe) und anderen -genannte Edelstähle. Nickel ist auch in stark magnetischen Legierungen wie Alnico (Al, Ni, Co), Permalloy (Ni, Fe) und Mu-Metall (Ni, Fe, Cu, Mo) enthalten. Eine sehr bekannte Nickellegierung ist Konstantan (Cu 60 %, Ni 40 %), die sich durch eine konstante Beständigkeit über einen weiten Temperaturbereich auszeichnet.
Der jährliche Nickelpreisanstieg im Jahr 2021 wurde auf die erwartete stärkere Verwendung von Nickel für Elektrofahrzeugbatterien und die hohe Nachfrage nach Edelstahl zurückgeführt. Es ist zu beachten, dass das Wachstum der Nickelproduktion in den letzten Jahren durch die Erweiterung der Kapazität für Nickel-Roheisen, also das Produkt der Klasse 2, das für Batterien von Elektrofahrzeugen ungeeignet ist, vorangetrieben wurde. Das für Batterien benötigte hochwertige Nickel der Klasse 1 erfordert eine aufwändigere Verarbeitung.
AUSWAHL VON MATERIALIEN FÜR KORROSIVE UMGEBUNG
NICKEL UND SEINE LEGIERUNGEN
Nickel ist als wesentliches Legierungselement in rostfreien Stählen, Ni-Cu-Legierungen, Ni-Fe-Legierungen, Ni-Cr-Fe-Legierungen, Superlegierungen, als Nickel-Chrom-Legierungen und speziellen korrosionsbeständigen und hochtemperaturbeständigen Legierungen bekannt. Nickel ferromagnetisch mit einer Dichte von 8,9 g/cm3. Es ist duktil und formbar wie Stahl. Nickellegierungen sind bekannt für ihre Hochtemperaturfestigkeit und gute Korrosionsbeständigkeit.
Nominelle chemische Zusammensetzung (Gew.-%)
Material | In | Mit | Fe | Cr | Mo | Al | Von | Nb | Mn | Und | C |
Nickel |
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Nickel 200 | 99,6 | - | - | - | - | - | - | - | 0,23 | 0,03 | 0,07 |
Nickel 201 | 99,7 | - | - | - | - | - | - | - | 0,23 | 0,03 | 0,01 |
Nickel-Kupfer |
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Monel-Legierung 400 | 65,4 | 32 | 1,00 | - | - | - | - | - | 1,0 | 0,10 | 0,12 |
Monel-Legierung 404 | 54.6 | 45.3 | 0,03 | - | - | - | - | - | 0,01 | 0,04 | 0,07 |
Monel-Legierung R-405 | 65,3 | 31.6 | 1,25 | - | - | 0,1 | - | - | 1,0 | 0,17 | 0,15 |
Monel-Legierung K-500 | 65,0 | 30 | 0,64 | - | - | 2,94 | 0,48 | - | 0,70 | 0,12 | 0,17 |
Nickel-Chrom-Eisen |
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Inconel-Legierung 600 | 76 | 0,25 | 8,0 | 15.5 | - | - | - | - | 0,5 | 0,25 | 0,08 |
Inconel-Legierung 601 | 60,5 | 0,50 | 14.1 | 23.0 | - | 1,35 | - | - | 0,5 | 0,25 | 0,05 |
Inconel-Legierung 690 | 60 | - | 9.0 | 30 | - | - | - | - | - | - | 0,01 |
Nickel-Eisen-Chrom |
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Incoloy-Legierung 800 | 31 | 0,38 | 46 | 20 | - | 0,38 | 0,38 | - | 0,75 | 0,50 | 0,05 |
Incoloy-Legierung 800H | 31 | 0,38 | 46 | 20 | - | 0,38 | 0,38 | - | 0,75 | 0,50 | 0,07 |
Incoloy-Legierung 825 | 42 | 1,75 | 30 | 22.5 | 3 | 0,10 | 0,90 | - | 0,50 | 0,25 | 0,01 |
Incoloy-Legierung 925 | 43.2 | 1.8 | 28 | einundzwanzig | 3 | 0,35 | 2.10 | - | 0,60 | 0,22 | 0,03 |
Pyromet 860 | 44 | - | Bal | 13 | 6 | 1,0 | 3,0 | - | 0,25 | 0,10 | 0,05 |
Nickel-Chrom-Molybdän |
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Hastelloy-Legierung X | Bal | - | 19 | zweiundzwanzig | 9 | - | - | - | - | - | 0,10 |
Hastelloy-Legierung G | Bal | 2 | 19.5 | zweiundzwanzig | 6.5 | - | - | 2.1 | 1.5 | ||
Hastelloy-Legierung C-276 | Bal | - | 5.5 | 15.5 | 16 | - | - | - | |||
Hastelloy-Legierung C | Bal | - | 16 | 15.5 | - |
0,7 | - | ||||
Inconel-Legierung 617 | 54 | - | - | zweiundzwanzig | 9 | 1 | - | - | - | - | 0,07 |
Udimet 600 | Bal | - | 17 | 4 | 4.2 | 2.9 | - | - | - | 0,04 |
(1) Nickel-Kupfer-Legierungen
Diese Legierungen sind für ihre hervorragende Korrosionsbeständigkeit gegenüber Meerwasser bekannt. Sie wurden als Propeller, Pumpenwellen, Laufräder und Kondensatorrohrmaterialien verwendet. Am bekanntesten ist Monel (Alloy 400). Es ist beständig gegen Salzlake und immun gegen Spannungsrisskorrosion und Lochfraß in Chlorid- und alkalischen Lösungen. Es ist außerdem beständig gegen HF- und fluorhaltige Medien.
Die Monel-Legierung R-405 verfügt über bestimmte Schwefelmengen für verbesserte Bearbeitungseigenschaften. Monel K 500 bietet den doppelten Vorteil einer verbesserten mechanischen Festigkeit und einer hervorragenden Korrosionsbeständigkeit. Die Festigkeit bleibt bis zu 650 °C und die Duktilität bis zu 134 °C erhalten.
(2) Nickel-Chrom-Eisen-Legierungen
Diese Legierungen enthalten einen hohen Anteil an Nickel und sind hervorragend in der Lage, oxidierenden Umgebungen mit hohen Temperaturen standzuhalten. Zu dieser Kategorie gehören Legierungen wie Inconel 600, 690, 718 und X750. Legierung Inconel 600 (Ni 76, Cr 15,5, Fe 8) ist die Grundlegierung dieser Klasse mit ausgezeichneter Korrosionsbeständigkeit bei erhöhten Temperaturen (~1092 °C). Es kann jedoch zu Lochfraß oder Spaltkorrosion kommen. Zu den weiteren Legierungen dieser Familie gehört die Legierung 690 (29 % Cr), die eine hervorragende Beständigkeit gegen SCC in Chloridmedien und niedrige Korrosionsraten bei hohen Temperaturen aufweist. Es wird in Öfen für die petrochemische Verarbeitung und in Kohlevergasungsanlagen eingesetzt.
Legierung Inconel Es ist äußerst beständig gegen SCC in Chloridumgebung. Es wird in Gasturbinen, Vakuumkolben, Extrusionsdüsen und Federn verwendet.
(3) Nickel-Eisen-Chrom-Legierungen
Diese Legierungen stellen eine weitere Variante der Ni-Cr-Fe-Legierungen dar und enthalten 30–44 % Nickel. Alloy 800 dieser Serie wird aufgrund seiner hervorragenden Beständigkeit gegen Spannungsrisskorrosion in Chloridumgebungen und Rissbildung in Polythionsäure häufig in Wärmetauschern in der petrochemischen Industrie eingesetzt. Es bietet eine hervorragende Kriech- und Bruchfestigkeit. Sie werden in Umgebungen mit hohen Temperaturen eingesetzt, in denen Oxidations- und Korrosionsbeständigkeit erforderlich ist. Incoloy 825 hat sich bei Anwendungen in H2SO4, HCl, Phosphorsäure und sauberem und verschmutztem Meerwasser als äußerst erfolgreich erwiesen.
(4) Nickel-Chrom-Molybdän-Legierungen
Diese Legierungsfamilie wird hauptsächlich in der chemischen Verarbeitungsindustrie verwendet und enthält 45–60 % Ni. Hastelloy wird erfolgreich in Hochtemperaturanwendungen (bis zu 1204 °C) eingesetzt. Die Hastelloy C-Serie wird seit langem in der chemischen Industrie eingesetzt. Die modifizierte Version von Hastelloy C ist Hastelloy C-276, bei der der Silizium- und C-Gehalt erheblich reduziert ist (0,005 % C, 0,04 % Si). Es wird erfolgreich in der petrochemischen Industrie eingesetzt. Die Legierungen 625 und 617 sind hochtemperaturfeste Legierungen und weisen eine hohe Korrosionsbeständigkeit auf. Alloy 625 wird häufig in Meerwasseranwendungen eingesetzt. Es weist eine hohe Beständigkeit gegen Lochfraß und Spannungsrisskorrosion auf. Andere Legierungen wie Udimet 500, 520, 600 und 700 behalten ihre Hochtemperaturfestigkeit bis zu 982 °C.
Einfluss von Legierungselementen auf die Korrosionsbeständigkeit von Nickel
Legierungselement | Beitrag zur Korrosionsbeständigkeit |
Kupfer | Verbessert die Beständigkeit gegen nicht oxidierende Säuren, Schwefelsäure (nicht belüftet) und HF. Die Zugabe von 2–3 % Ni bietet eine verbesserte Beständigkeit gegenüber HCl, H2SO4 und H3PO4. |
Chrom | Verbessert die Beständigkeit gegen oxidierende Säuren (HCl, H2SO4 und H3PO4) und Hochtemperaturoxidation. |
Mo | Verbessert die Beständigkeit gegen Lochfraß und Spaltkorrosion. Ein hoher Mo-Gehalt (28 %) zeigt eine verbesserte Beständigkeit gegenüber HCl, H3PO4, H2SO4 und HF. |
Eisen | Verbessert die Beständigkeit gegen Entkohlung. Es spielt keine Rolle bei der Verbesserung der Korrosionsbeständigkeit. |
Wolfram | Legierungen mit 3–4 % W in Kombination mit 13–16 % Mo bieten eine hervorragende Korrosionsbeständigkeit. Wolfram bietet eine hohe Beständigkeit gegenüber nicht oxidierenden Säuren. |
Silizium | Verbessert die Beständigkeit gegenüber heißer H2SO4-Konzentration bei Zugabe größerer Mengen (9–11 %). Die Zugabe erfolgt im Allgemeinen in kleineren Mengen. |
Kobalt | Erhöht die Beständigkeit gegen Aufkohlung, wie Eisen. |
Niob und Tantal | Reduzieren Sie Heißrisse beim Schweißen. |
Aluminium und Titan | Die Kombination erzeugt Aluminiumzunder, der Oxidation und Aufkohlung widersteht. |
Kohlenstoff und Karbide | Die Bildung von Karbiden verringert die Korrosionsbeständigkeit. Ni3C kann sich zu Graphit zersetzen und so die Korngrenzen schwächen. |
Lokalisierte Korrosionsanfälligkeit von Nickellegierungen
1) Spannungsrisskorrosion
Obwohl Nickellegierungen im Vergleich zu Stählen insgesamt eine bessere Beständigkeit gegen Spannungsrisskorrosion bieten, kann ihre Anwendung in Chlorid- oder alkalischen Umgebungen mit hohen Temperaturen sowie in Umgebungen mit Schwefelwasserstoff das Risiko von Spannungsrisskorrosion mit sich bringen. Fälle von SCC wurden in unter Druck stehendem Wasser hoher Temperatur in Dampfturbinen beobachtet. Incoloy 800 ist eine gute Wahl für den Einsatz in solchen Umgebungen. Eine Hauptklasse von Nickelbasislegierungen ist in alkalischer Umgebung (z. B. NaOH bei 350 °C) anfällig für SCC. Die Legierungen 400, 600 und 800 können in einer alkalischen Umgebung SCC unterliegen. Bei den Legierungen 800, 718 und 600 kam es zu Ausfällen in Druckwasserreaktoren. Eine Erhöhung der Chromkonzentration auf 30 % (z. B. Legierung 690) erhöht die Beständigkeit gegen SCC. Die folgenden Faktoren begünstigen SCC:
(a) Temperaturen über 205 °C.
(b) Niedriger pH-Wert
(c)Vorhandensein von H2S und hohem Stressniveau. Trotz des Risikos bieten Nickellegierungen ein minimales Risiko gegen SCC.
2) Interkristalline Korrosion
Nickel-Eisen-Chrom (z. B. Legierung 800) und Nickel-Chrom-Eisen (Legierung 600) können durch Ausfällung von Chromkarbiden sensibilisiert werden und in einer stark oxidierenden Umgebung interkristalliner Korrosion ausgesetzt sein. Der Karbidbereich in der Chemie reicht von Cr23C6 in einfachen Nickellegierungen bis zu Cr21(Mo, N)C2C6 in Legierungen, die Mo und W enthalten. Die Legierungen 600 und 800 können anfällig für interkristalline Angriffe sein. Die Kontrolle von Elementen wie Phosphor, Kohlenstoff, Stickstoff und Niob sowie die Minimierung ihrer Entmischung verringert die Anfälligkeit für intergranulare Angriffe und minimiert das Risiko von SCC.
3) Wasserstoffversprödung
Ebenso wie rostfreie Stähle können einige Nickellegierungen durch Wasserstoffversprödung versagen. Es wird berichtet, dass die Inconel-Legierung X750 anfällig für Wasserstoffversprödung ist.
BESTÄNDIGKEIT GEGEN WÄSSERIGE UMGEBUNG
Nickel und seine Legierungen bieten bekanntermaßen eine hervorragende Korrosionsbeständigkeit in destilliertem Wasser, Frischwasser, hochreinem Wasser und in Dampf-Heißwassersystemen. Beispielsweise wird die Monel-Legierung 400 häufig in Ventilen, Pumpen, Propellerwellen, Kesselspeisewassererhitzern und Wärmetauschern verwendet. Die Legierungen 600 und 690 werden in nuklearen Dampferzeugern zur Vermeidung von SCC eingesetzt. Lochfraß bei Nickel-Kupfer-Legierungen kann durch weiches Wasser verursacht werden.
Die Korrosionsbeständigkeit von Nickellegierungen wurde ausführlich in Meerwasser und Salzwasser (Brackwasser) untersucht. Obwohl bekannt ist, dass Edelstahl 316 Lochfraß im Meerwasser widersteht, sind rostfreie Stähle im Allgemeinen anfällig für Lochfraß in den Gezeitenzonen des Meerwassers. Die teureren Nickellegierungen als Stähle werden häufig im Meerwasserbereich eingesetzt. Die Inconel-Legierung 625 bietet eine hervorragende Korrosionsbeständigkeit in Meerwasser. Es bietet außerdem eine hervorragende Beständigkeit gegen SCC. Nickellegierungen werden am besten für Pumpenwellen, Körper und Laufräder verwendet, während andere Materialien wie 90–10 Cu-Ni und austenitische Stähle für andere Teile wie Wärmetauscher und Ventile verwendet werden. Tabelle 9.47 zeigt die Klassifizierung ausgewählter Nickellegierungen im Meerwasserbereich.
Wärmebehandlung
Nickelbasislegierungen in fester Lösung werden im Allgemeinen im geglühten oder geglühten und kaltverformten Zustand verwendet. Diese Legierungen sind nicht für die Verstärkung durch Wärmebehandlung geeignet.
Mechanische Eigenschaften
Die maximale Streckgrenze wird durch die Legierungszusammensetzung, die Kaltumformeigenschaften der Legierung, die für die Anwendung zulässige maximale Streckgrenze und die angegebene Duktilität bestimmt. Die Streckgrenzen bei Raumtemperatur können je nach Zusammensetzung und Kaltumformungsgrad zwischen etwa 210 und 1380 MPa (30 bis 200 ksi) liegen. Die Mindeststreckgrenze für Rohre liegt im Allgemeinen im Bereich von 760–970 MPa (110–140 ksi). Gehäuse und Auskleidungen weisen häufig eine höhere Streckgrenze auf.
Herstellung
Geglühte Legierungen können mit GTAW, SMAW, GMAW, SAW und FCAW geschweißt werden.
Kaltverformte Legierungen werden in der Regel nicht geschweißt, da die mechanische Festigkeit der Schweißteile geringer wäre als die des kaltverformten Bereichs. Die mechanischen Eigenschaften von kaltverformten Rohren, insbesondere in dickeren Abschnitten, können je nach Abschnitt variieren.
Die Legierungen mit hohem Nickelgehalt sind anfälliger für Gussfehler wie Heißrisse, Risse, Porosität und Gasbildung. Diese Fehler können in jeder Phase des Herstellungsprozesses auftreten, z. B. beim Auspacken, bei der Wärmebehandlung, bei der Bearbeitung oder bei der abschließenden Druckprüfung. Obwohl die Knetlegierungen mit hohem Nickelgehalt routinemäßig geschweißt und teilweise sogar gepanzert werden, ist das Schweißen der Gusslegierungen erheblich schwieriger. Zur Optimierung der Schweißbarkeit und der Gussintegrität werden in der Regel strenge Spezifikationen verwendet, die in enger Zusammenarbeit mit der Gießerei entwickelt wurden. Für die Herstellung qualitativ hochwertiger Gussteile werden die Gießereiprozesse, die Qualität des Rohmaterials, die Zusammensetzung des Füllmaterials, Verfahren zur Schweißnahtreparatur und die Wärmebehandlung genau kontrolliert und überwacht.
Ausscheidungshärtbare Nickelbasislegierungen
Ausscheidungshärtbare Nickel-Chrom-Legierungen enthalten oft eine beträchtliche Menge Eisen (Fe); Diese Legierungen werden wegen ihrer Korrosionsbeständigkeit, höheren Festigkeit und hervorragenden Schweißbarkeit verwendet.
Wärmebehandlung von PH-Nickellegierungen
Diese Legierungen werden üblicherweise im lösungsgeglühten, lösungsgeglühten und ausgelagerten, warmumgeformten und ausgelagerten oder kaltumgeformten und ausgelagerten Zustand verwendet.
Bei Sauergasanwendungen wird die Wärmebehandlung von UNS N07718 typischerweise ausgewählt, um eine gute Zähigkeit, Streckgrenze und Korrosionsbeständigkeit zu erzielen. Häufig kommt ein Lösungsglühen mit anschließender einstufiger Alterung zum Einsatz. Für Sauergasanwendungen werden UNS N07716 und N07725 lösungsgeglüht und gealtert.