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Descripción general de la aleación de níquel
2024-07-22 17:08:34
Las aleaciones de níquel generalmente consisten en níquel, cromo, molibdeno, aluminio, hierro y algunos otros elementos en pequeñas cantidades.
Superaleaciones a base de níquel: aleación
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SELECCIÓN DE MATERIALES PARA AMBIENTE CORROSIVO
CLASIFICACIÓN DE ALEACIONES DE NÍQUEL
Las aleaciones de níquel se pueden clasificar en los siguientes grupos según su composición química:
(1)Níquel Níquel puro (99,56%)
▪ Níquel comercialmente puro (forjado) 99,6–99,7%.
(2) Níquel y cobre
▪ Aleaciones bajas en níquel (2–13% Ni)
▪ Cuproníquel (10–30% Ni)
▪ Aleaciones no magnéticas (~60% Ni)
▪ Aleaciones con alto contenido de níquel (más del 50% Ni)
(3) Níquel y hierro
▪ Aceros de aleaciones forjadas (0,5–9% Ni)
▪ Aceros aleados fundidos (0,5–0,9% Ni)
▪ Hierro fundido aleado (1–6, 14–36% Ni)
(4) Aleaciones de hierro, níquel y cromo.
▪ Aceros inoxidables (2–25% Ni)
▪ Aceros martensíticos (18% Ni)
(5) Aleaciones endurecidas por precipitación a base de níquel-cromo-molibdeno y hierro-níquel.
- Electroquímica de elementos | NíquelAleaciones de níquelEl níquel es el componente principal de muchas aleaciones conocidas, por ejemplo, aleaciones resistentes a la corrosión como Monel (Ni, Cu), Inconel 600 (Ni, Cr, Fe), Hastelloy (Ni, Mo, Fe) y el ya -aceros inoxidables mencionados. El níquel también está presente en aleaciones magnéticas fuertes como Alnico (Al, Ni, Co), Permalloy (Ni, Fe) y mu-metal (Ni, Fe, Cu, Mo). Una aleación de níquel muy conocida es el constanten (Cu 60%, Ni 40%) que se caracteriza por una resistencia constante en un amplio rango de temperaturas.
El aumento anual del precio del níquel en 2021 se atribuyó al mayor uso esperado de níquel para baterías de vehículos eléctricos y a la alta demanda de acero inoxidable. Cabe señalar que el crecimiento de la producción de níquel de los últimos años ha sido impulsado por la expansión de la capacidad de arrabio de níquel, es decir, el producto de clase 2 que no es adecuado para baterías de vehículos eléctricos. El níquel de clase 1 de alta calidad necesario para las baterías requiere un procesamiento más intenso.
SELECCIÓN DE MATERIALES PARA AMBIENTE CORROSIVO
NÍQUEL Y SUS ALEACIONES
El níquel es bien conocido como elemento de aleación esencial en aceros inoxidables, aleaciones de Ni-Cu, aleaciones de Ni-Fe, aleaciones de Ni-Cr-Fe, superaleaciones, como aleaciones de níquel-cromo y aleaciones especiales resistentes a la corrosión y a altas temperaturas. Níquel ferromagnético con una densidad de 8,9 g/cm3. Es dúctil y maleable como el acero. Las aleaciones de níquel son bien conocidas por su resistencia a altas temperaturas y buena resistencia a la corrosión.
Composición química nominal (% en peso)
Material | En | Con | fe | cr | Mes | Alabama | De | Nótese bien | Minnesota | Y | do |
Níquel |
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Níquel 200 | 99,6 | - | - | - | - | - | - | - | 0,23 | 0,03 | 0,07 |
Níquel 201 | 99,7 | - | - | - | - | - | - | - | 0,23 | 0,03 | 0,01 |
Níquel-Cobre |
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Aleación de monel 400 | 65,4 | 32 | 1.00 | - | - | - | - | - | 1.0 | 0,10 | 0,12 |
Aleación de monel 404 | 54,6 | 45.3 | 0,03 | - | - | - | - | - | 0,01 | 0,04 | 0,07 |
Aleación Monel R-405 | 65,3 | 31,6 | 1.25 | - | - | 0.1 | - | - | 1.0 | 0,17 | 0,15 |
Aleación de monel K-500 | 65.0 | 30 | 0,64 | - | - | 2.94 | 0,48 | - | 0,70 | 0,12 | 0,17 |
Níquel-Cromo-Hierro |
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aleación de inconel 600 | 76 | 0,25 | 8.0 | 15.5 | - | - | - | - | 0,5 | 0,25 | 0,08 |
aleación de inconel 601 | 60,5 | 0,50 | 14.1 | 23.0 | - | 1.35 | - | - | 0,5 | 0,25 | 0,05 |
aleación de inconel 690 | 60 | - | 9.0 | 30 | - | - | - | - | - | - | 0,01 |
Níquel-Hierro-Cromo |
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aleación incoloy 800 | 31 | 0,38 | 46 | 20 | - | 0,38 | 0,38 | - | 0,75 | 0,50 | 0,05 |
Aleación Incoloy 800H | 31 | 0,38 | 46 | 20 | - | 0,38 | 0,38 | - | 0,75 | 0,50 | 0,07 |
aleación incoloy 825 | 42 | 1,75 | 30 | 22,5 | 3 | 0,10 | 0,90 | - | 0,50 | 0,25 | 0,01 |
aleación incoloy 925 | 43.2 | 1.8 | 28 | veintiuno | 3 | 0,35 | 2.10 | - | 0,60 | 0,22 | 0,03 |
Piromet 860 | 44 | - | bal | 13 | 6 | 1.0 | 3.0 | - | 0,25 | 0,10 | 0,05 |
Níquel-Cromo-Molibdeno |
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Aleación de Hastelloy X | bal | - | 19 | Veintidós | 9 | - | - | - | - | - | 0,10 |
Aleación de Hastelloy G | bal | 2 | 19.5 | Veintidós | 6.5 | - | - | 2.1 | 1.5 | ||
Aleación Hastelloy C-276 | bal | - | 5.5 | 15.5 | 16 | - | - | - | |||
Aleación de Hastelloy C | bal | - | 16 | 15.5 | - |
0,7 | - | ||||
aleación de inconel 617 | 54 | - | - | Veintidós | 9 | 1 | - | - | - | - | 0,07 |
Udimet 600 | bal | - | 17 | 4 | 4.2 | 2.9 | - | - | - | 0,04 |
(1) Aleaciones de níquel-cobre
Estas aleaciones son conocidas por su excelente resistencia a la corrosión del agua de mar. Se han utilizado como hélices, ejes de bombas, impulsores y materiales para tubos de condensadores. El más conocido es Monel (Aleación 400). Es resistente a la salmuera e inmune al agrietamiento por corrosión bajo tensión y a las picaduras en cloruro y soluciones alcalinas cáusticas. También es resistente al HF y a los medios que contienen flúor.
La aleación Monel R-405 tiene cantidades específicas de azufre para mejorar las características de mecanizado. Monel K 500 tiene la doble ventaja de una resistencia mecánica mejorada y una excelente resistencia a la corrosión. Puede conservar resistencia hasta 650°C y ductilidad hasta 134°C.
(2) Aleaciones de níquel-cromo-hierro
Estas aleaciones contienen un alto porcentaje de níquel y una excelente capacidad para soportar ambientes oxidantes a altas temperaturas. A esta categoría pertenecen aleaciones como Inconel 600, 690, 718 y X750. La aleación Inconel 600 (Ni 76, Cr 15,5, Fe 8) es la aleación básica de esta clase con excelente resistencia a la corrosión a temperaturas elevadas (~1092°C). Sin embargo, puede estar sujeto a corrosión por picaduras o grietas. Otras aleaciones de esta familia incluyen la aleación 690 (29 % Cr), que muestra una excelente resistencia al SCC en medios de cloruro y bajas tasas de corrosión a altas temperaturas. Se utiliza en hornos para procesamiento petroquímico y en unidades de gasificación de carbón.
La aleación Inconel X750 contiene adiciones de aluminio, niobio y titanio que forman un compuesto intermetálico, Ni3 (Al, Ti) para que sea endurecible por envejecimiento y proporcione alta resistencia. Es extremadamente resistente al SCC en ambientes de cloruro. Se utiliza en turbinas de gas, envolturas de vacío, matrices de extrusión y resortes.
(3) Aleaciones de níquel-hierro-cromo
Estas aleaciones representan otra versión de las aleaciones de Ni-Cr-Fe y contienen entre un 30 y un 44 % de níquel. La aleación 800 de esta serie se ha utilizado ampliamente en intercambiadores de calor en la industria petroquímica, debido a su excelente resistencia al agrietamiento por corrosión bajo tensión en ambientes de cloruro y al agrietamiento en ácido politiónico. Ofrece una excelente resistencia a la fluencia y a la rotura. Se utilizan para ambientes elevados donde se requiere resistencia a la oxidación y la corrosión. Incoloy 825 ha demostrado ser muy exitoso en aplicaciones con H2SO4, HCl, ácido fosfórico y agua de mar limpia y contaminada.
(4) Aleaciones de níquel-cromo-molibdeno
Esta familia de aleaciones se utiliza principalmente en la industria de procesamiento químico y contiene entre un 45% y un 60% de Ni. Hastelloy se ha utilizado con éxito en aplicaciones de alta temperatura (hasta 1204°C). La serie Hastelloy C ha servido a la industria química durante mucho tiempo. La versión modificada de Hastelloy C es Hastelloy C-276 en la que el contenido de silicio y C se reduce sustancialmente (0,005 % C, 0,04 % Si). Se utiliza con éxito en la industria petroquímica. Las aleaciones 625 y 617 son aleaciones resistentes a altas temperaturas y exhiben una alta resistencia a la corrosión. La aleación 625 se utiliza ampliamente en aplicaciones de agua de mar. Es altamente resistente a las picaduras y al agrietamiento por corrosión bajo tensión. Otras aleaciones, como Udimet 500, 520, 600 y 700, conservan su resistencia a altas temperaturas hasta 982 °C.
Efecto de los elementos de aleación sobre la resistencia a la corrosión del níquel.
Elemento de aleación | Contribución a la resistencia a la corrosión. |
Cobre | Mejora la resistencia a ácidos no oxidantes, ácido sulfúrico (no aireado) y HF. La adición de 2 a 3 % de Ni ofrece una resistencia mejorada al HCl, H2SO4 y H3PO4. |
Cromo | Mejora la resistencia a los ácidos oxidantes (HCl, H2SO4 y H3PO4) y a la oxidación a alta temperatura. |
Mes | Mejora la resistencia a la corrosión por picaduras y grietas. El alto contenido de Mo (28%) muestra una resistencia mejorada al HCl, H3PO4, H2SO4 y HF. |
Hierro | Mejora la resistencia a la descarburación. No tiene ningún papel en la mejora de la resistencia a la corrosión. |
Tungsteno | Las aleaciones con 3–4% de W en combinación con 13–16% de Mo ofrecen una excelente resistencia a la corrosión. El tungsteno proporciona una alta resistencia a los ácidos no oxidantes. |
Silicio | Mejora la resistencia a la concentración caliente de H2SO4 cuando se agrega en mayores cantidades (9–11%). Generalmente se añade en cantidades más pequeñas. |
Cobalto | Aumenta la resistencia a la carburación, como el hierro. |
Niobio y tantalio | Reducir el agrietamiento en caliente durante la soldadura. |
Aluminio y titanio | La combinación produce incrustaciones de aluminio que resisten la oxidación y la carburación. |
Carbono y carburos | La formación de carburos debilita la resistencia a la corrosión. El Ni3C puede descomponerse en grafito y, por tanto, debilitar los límites de grano. |
SUSCEPTIBILIDAD A LA CORROSIÓN LOCALIZADA DE ALEACIONES DE NÍQUEL
1) Agrietamiento por corrosión bajo tensión
Aunque las aleaciones de níquel en general ofrecen una mejor resistencia al agrietamiento por corrosión bajo tensión que los aceros, su aplicación en ambientes de cloruro o alcalinos a alta temperatura y en ambientes de sulfuro de hidrógeno puede exponerlas al riesgo de agrietamiento por corrosión bajo tensión. Se han observado casos de SCC en agua presurizada a alta temperatura en turbinas generadoras de vapor. Incoloy 800 es una buena opción para utilizar en dichos entornos. Una clase importante de aleaciones a base de níquel son susceptibles al SCC en ambientes alcalinos (por ejemplo, NaOH a 350°C). Las aleaciones 400, 600 y 800 pueden estar sujetas a SCC en un ambiente alcalino. Las aleaciones 800, 718 y 600 han mostrado fallas en reactores de agua a presión. Aumentar la concentración de cromo al 30% (por ejemplo, aleación 690) aumenta la resistencia al SCC. Los siguientes factores promueven el SCC:
(a) Temperaturas superiores a 205°C.
(b) pH bajo
(c)Presencia de H2S y alto nivel de estrés. A pesar del riesgo, las aleaciones de níquel ofrecen riesgos mínimos contra el SCC.
2) Corrosión intergranular
El níquel-hierro-cromo (por ejemplo, aleación 800) y el níquel-cromo-hierro (aleación 600) pueden sensibilizarse por la precipitación de carburos de cromo y estar sujetos a corrosión intergranular en un ambiente altamente oxidante. El rango de carburos en química va desde Cr23C6 en aleaciones simples de níquel hasta Cr21(Mo, N)C2C6 en aleaciones que contienen Mo y W. Las aleaciones 600 y 800 pueden volverse susceptibles al ataque intergranular. El control de elementos como fósforo, carbono, nitrógeno y niobio y minimizar su segregación reduce la susceptibilidad al ataque intergranular y minimiza el riesgo de SCC.
3) Fragilización por hidrógeno
Al igual que los aceros inoxidables, algunas aleaciones de níquel pueden fallar por fragilización por hidrógeno. Se informa que la aleación de Inconel X750 es susceptible a la fragilización por hidrógeno.
RESISTENCIA AL AMBIENTE ACUOSO
Se sabe que el níquel y sus aleaciones ofrecen una excelente resistencia a la corrosión en agua destilada, agua dulce, agua de alta pureza y en sistemas de agua caliente a vapor. Por ejemplo, la aleación Monel 400 se utiliza ampliamente en válvulas, bombas, ejes de hélice, calentadores de agua de alimentación de calderas e intercambiadores de calor. Las aleaciones 600 y 690 se utilizan en generadores de vapor nucleares para prevenir el SCC. El agua blanda puede provocar picaduras en las aleaciones de níquel y cobre.
La resistencia a la corrosión de las aleaciones de níquel se ha explorado ampliamente en agua de mar y agua salada (agua salobre). Aunque se sabe que el acero inoxidable 316 resiste las picaduras en el agua de mar, los aceros inoxidables son, en general, susceptibles a las picaduras en las zonas de marea del agua de mar. Las aleaciones de níquel, más caras que los aceros, se han utilizado ampliamente en servicios de agua de mar. La aleación Inconel 625 ofrece una excelente resistencia a la corrosión en agua de mar. También ofrece una excelente resistencia al SCC. Las aleaciones de níquel se utilizan mejor para ejes, cuerpos e impulsores de bombas, mientras que otros materiales, como 90–10 Cu-Ni y aceros austeníticos, se utilizan para otras piezas, como intercambiadores de calor y válvulas. La Tabla 9.47 muestra la clasificación de aleaciones de níquel seleccionadas en servicio de agua de mar.
Tratamiento térmico
Las aleaciones a base de níquel en solución sólida se utilizan generalmente en estado recocido o recocido y trabajado en frío. Estas aleaciones no están diseñadas para reforzarse mediante tratamiento térmico.
Propiedades mecánicas
El límite elástico máximo se rige por la composición de la aleación, las características de trabajo en frío de la aleación, el límite elástico máximo permitido por la aplicación y la ductilidad especificada. Los límites elásticos a temperatura ambiente pueden oscilar entre 210 y 1380 MPa (30 a 200 ksi), dependiendo de la composición y el grado de trabajo en frío. El límite elástico mínimo para la tubería generalmente está en el rango de 760 a 970 MPa (110 a 140 ksi). La carcasa y los revestimientos suelen tener un límite elástico más alto.
Fabricación
Las aleaciones recocidas se pueden soldar utilizando GTAW, SMAW, GMAW, SAW y FCAW.
Las aleaciones trabajadas en frío generalmente no se sueldan porque la resistencia mecánica de las soldaduras sería menor que la de la región trabajada en frío. Las propiedades mecánicas de los tubos trabajados en frío, especialmente en secciones más gruesas, pueden variar a lo largo de la sección.
Las aleaciones con alto contenido de níquel son más propensas a sufrir defectos de fundición, como desgarros por calor, grietas, porosidad y formación de gases. Estos defectos pueden aparecer en cualquier etapa del proceso de fabricación, como la sacudida, el tratamiento térmico, el mecanizado o la prueba de presión final. Aunque las aleaciones forjadas con alto contenido de níquel se sueldan habitualmente y algunas incluso se recubren, soldar las aleaciones fundidas es considerablemente más difícil. Normalmente se han utilizado especificaciones estrictas desarrolladas en estrecha colaboración con la fundición para optimizar la soldabilidad y la integridad de la fundición. Para la producción de piezas fundidas de buena calidad, los procesos de fundición, la calidad de la materia prima, la composición del material de relleno, los procedimientos de reparación de soldaduras y el tratamiento térmico se controlan y supervisan estrechamente.
Aleaciones a base de níquel endurecibles por precipitación
Las aleaciones de níquel-cromo endurecibles por precipitación a menudo contienen una buena cantidad de hierro (Fe); Estas aleaciones se utilizan para ofrecer resistencia a la corrosión, mayor resistencia y excelente soldabilidad.
Tratamiento térmico de aleaciones de níquel PH.
Estas aleaciones se utilizan generalmente en condiciones de recocido en solución, recocido en solución y envejecido, trabajado en caliente y envejecido, o trabajado en frío y envejecido.
En aplicaciones de gases ácidos, el tratamiento térmico de UNS N07718 generalmente se selecciona para brindar buena tenacidad, límite elástico y resistencia a la corrosión. A menudo se utiliza un recocido en solución seguido de un envejecimiento en un solo paso. Para aplicaciones de gases ácidos, UNS N07716 y N07725 están recocidos en solución y envejecidos.