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Übersicht über Nickellegierungen

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Übersicht über Nickellegierungen

22.07.2024
Nickellegierungen bestehen im Allgemeinen aus Nickel, Chrom, Molybdän, Aluminium, Eisen und einigen anderen Elementen in geringen Mengen.
news11dss
Nickelbasierte Superlegierungen: Legieren
Nickel und Nickellegierungen: Ein Überblick; Nickel: Legieren; Nickellegierungen: Nomenklatur; Nickellegierungen: Wärmebehandlung und thermomechanische Verarbeitung; Superlegierungen auf Nickelbasis: Ein Überblick; Superlegierungen auf Nickelbasis: Legierungsverfahren und thermomechanische Verarbeitung; Nickellegierungen: Korrosion.
MATERIALAUSWAHL FÜR KORROSIVE UMGEBUNG
KLASSIFIZIERUNG VON NICKELLEGIERUNGEN
Aufgrund ihrer chemischen Zusammensetzung lassen sich die Nickellegierungen in folgende Gruppen einteilen:
(1)Nickel Reines Nickel (99,56 %)
▪ Handelsübliches Reinheitsnickel (Knetnickel) 99,6–99,7 %.
(2)Nickel und Kupfer
▪ Nickelarme Legierungen (2–13 % Ni)
▪ Kupfernickel (10–30 % Ni)
▪ Nichtmagnetische Legierungen (~60 % Ni)
▪ Legierungen mit hohem Nickelgehalt (über 50 % Ni)
(3)Nickel und Eisen
▪ Knetlegierte Stähle (0,5–9 % Ni)
▪ Legierte Gussstähle (0,5–0,9 % Ni)
▪ Legiertes Gusseisen (1–6, 14–36 % Ni)
(4)Eisen-Nickel- und Chromlegierungen
▪ Rostfreie Stähle (2–25 % Ni)
▪ Maraging-Stähle (18 % Ni)
(5) Ausscheidungsgehärtete Legierungen auf Nickel-Chrom-Molybdän- und Eisen-Nickel-Basis.
  • Nachrichten12n95
  • Elektrochemie der Elemente | Nickel
    Nickellegierungen
    Nickel ist der Hauptbestandteil vieler bekannter Legierungen, beispielsweise korrosionsbeständiger Legierungen wie Monel (Ni, Cu), Inconel 600 (Ni, Cr, Fe), Hastelloy (Ni, Mo, Fe) und der bereits erwähnten rostfreien Stähle. 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 %), das sich durch einen konstanten Widerstand 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. Bemerkenswert ist, dass das Wachstum der Nickelproduktion der letzten Jahre durch den Kapazitätsausbau für Nickelroheisen, also das für Elektrofahrzeugbatterien ungeeignete Produkt der Klasse 2, vorangetrieben wurde. Das für Batterien benötigte hochwertige Nickel der Klasse 1 erfordert eine intensivere Verarbeitung.
MATERIALAUSWAHL FÜR KORROSIVE UMGEBUNG
NICKEL UND SEINE LEGIERUNGEN
Nickel ist ein wichtiges Legierungselement in rostfreien Stählen, Ni-Cu-Legierungen, Ni-Fe-Legierungen, Ni-Cr-Fe-Legierungen, Superlegierungen, Nickel-Chrom-Legierungen und speziellen korrosionsbeständigen und hochtemperaturbeständigen Legierungen. Nickel ist ferromagnetisch mit einer Dichte von 8,9 g/cm³. Es ist duktil und formbar wie Stahl. Nickellegierungen sind bekannt für ihre hohe Temperaturfestigkeit und gute Korrosionsbeständigkeit.
Nominale chemische Zusammensetzung (Gew.-%)

Material

In

Mit

Fe

Cr

Für

Al

Von

Nr.

Mn

Und

C

Nickel

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Nickel 200

99,6

-

-

-

-

-

-

-

0,23

0,03

0,07

Nickel 201

99,7

-

-

-

-

-

-

-

0,23

0,03

0,01

Nickel-Kupfer

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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

21

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

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Hastelloy-Legierung X

Bal

-

19

22

9

-

-

-

-

-

0,10

Hastelloy-Legierung G

Bal

2

19,5

22

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

-

-

22

9

1

-

-

-

-

0,07

Gewässer 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 werden als Werkstoff für Propeller, Pumpenwellen, Laufräder und Kondensatorrohre verwendet. Die bekannteste Legierung ist Monel (Legierung 400). Sie ist beständig gegen Salzwasser und unempfindlich gegen Spannungsrisskorrosion und Lochfraß in Chlorid- und ätzenden Laugenlösungen. Sie ist außerdem beständig gegen HF- und fluorhaltige Medien.
Die Monel-Legierung R-405 enthält spezielle Schwefelmengen für verbesserte Bearbeitungseigenschaften. Monel K 500 bietet den doppelten Vorteil verbesserter mechanischer Festigkeit und hervorragender Korrosionsbeständigkeit. Es behält seine Festigkeit bis 650 °C und seine Duktilität bis 134 °C.
(2) Nickel-Chrom-Eisen-Legierungen
Diese Legierungen enthalten einen hohen Nickelanteil und sind hervorragend beständig gegen hohe Temperaturen und oxidierende Umgebungen. Legierungen wie Inconel 600, 690, 718 und X750 gehören zu dieser Kategorie. Die Legierung Inconel 600 (Ni 76, Cr 15,5, Fe 8) ist die Basislegierung dieser Klasse mit ausgezeichneter Korrosionsbeständigkeit bei hohen Temperaturen (~1092 °C). Sie kann jedoch Loch- und Spaltkorrosion aufweisen. Weitere Legierungen dieser Familie sind die Legierung 690 (29 % Cr), die eine ausgezeichnete Beständigkeit gegen Spannungsrisskorrosion in chloridhaltigen Medien und geringe Korrosionsraten bei hohen Temperaturen aufweist. Sie wird in Öfen für die petrochemische Verarbeitung und in Kohlevergasungsanlagen eingesetzt.
Die Legierung Inconel X750 enthält Zusätze von Aluminium, Niob und Titan, die eine intermetallische Verbindung (Ni3(Al, Ti)) bilden, die sie alterungshärtbar macht und ihr hohe Festigkeit verleiht. Sie ist extrem beständig gegen Spannungsrisskorrosion in chloridhaltiger Umgebung. Sie wird in Gasturbinen, Vakuumhüllen, Extrusionswerkzeugen und Federn eingesetzt.
(3) Nickel-Eisen-Chrom-Legierungen
Diese Legierungen stellen eine weitere Variante der Ni-Cr-Fe-Legierungen dar und enthalten 30–44 % Nickel. Die Legierung 800 dieser Serie wird aufgrund ihrer hervorragenden Beständigkeit gegen Spannungsrisskorrosion in chloridhaltigen Umgebungen und Rissbildung in Polythionsäure häufig in Wärmetauschern der petrochemischen Industrie eingesetzt. Sie bietet eine ausgezeichnete Kriech- und Bruchfestigkeit. Sie werden in Umgebungen mit hohen Temperaturen eingesetzt, in denen Oxidations- und Korrosionsbeständigkeit erforderlich ist. Incoloy 825 hat sich in Anwendungen mit H₂SO₄, HCl, Phosphorsäure sowie sauberem und verschmutztem Meerwasser bewährt.
(4) Nickel-Chrom-Molybdän-Legierungen
Diese Legierungsfamilie wird hauptsächlich in der chemischen Prozessindustrie verwendet und enthält 45 – 60 % Ni. Hastelloy wird erfolgreich in Hochtemperaturanwendungen (bis zu 1204 °C) eingesetzt. Die Hastelloy C-Reihe wird seit langem in der chemischen Industrie verwendet. Die modifizierte Version von Hastelloy C ist Hastelloy C-276, bei dem der Silizium- und Kohlenstoffgehalt erheblich reduziert ist (0,005 % C, 0,04 % Si). Es wird erfolgreich in der petrochemischen Industrie verwendet. Die Legierungen 625 und 617 sind hochwarmfeste Legierungen und weisen eine hohe Korrosionsbeständigkeit auf. Legierung 625 wird häufig in Meerwasseranwendungen eingesetzt. Sie ist sehr beständig gegen Lochfraß und Spannungsrisskorrosion. 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 nichtoxidierende Säuren, Schwefelsäure (nicht belüftet) und HF. Die Zugabe von 2–3 % Ni bietet eine verbesserte Beständigkeit gegen HCl, H2SO4 und H3PO4.

Chrom

Verbessert die Beständigkeit gegen oxidierende Säuren (HCl, H2SO4 und H3PO4) und Hochtemperaturoxidation.

Für

Verbessert die Beständigkeit gegen Loch- und Spaltkorrosion. Der hohe Molybdängehalt (28 %) verbessert die Beständigkeit gegen 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 gegen nichtoxidierende Säuren.

Silizium

Verbessert die Beständigkeit gegenüber heißer H₂SO₄-Konzentration bei Zugabe in größeren Mengen (9–11 %). Im Allgemeinen wird es in kleineren Mengen zugegeben.

Kobalt

Erhöht die Beständigkeit gegen Aufkohlung, wie Eisen.

Niob und Tantal

Reduzieren Sie Heißrisse beim Schweißen.

Aluminium und Titan

Durch die Kombination entsteht eine Aluminiumschicht, die Oxidation und Aufkohlung widersteht.

Kohlenstoff und Carbide

Die Bildung von Karbiden schwächt die Korrosionsbeständigkeit. Ni3C kann sich zu Graphit zersetzen und so die Korngrenzen schwächen.

ÖRTLICHE KORROSIONSANFÄLLIGKEIT VON NICKELLEGIERUNGEN
1) Spannungsrisskorrosion
Obwohl Nickellegierungen im Allgemeinen eine bessere Beständigkeit gegen Spannungsrisskorrosion als Stähle bieten, besteht bei ihrer Verwendung in chlorid- oder alkalischen Umgebungen mit hohen Temperaturen sowie in Umgebungen mit Schwefelwasserstoff die Gefahr von Spannungsrisskorrosion. Fälle von Spannungsrisskorrosion wurden in Dampfturbinen in unter Druck stehendem Wasser mit hohen Temperaturen beobachtet. Incoloy 800 ist für den Einsatz in derartigen Umgebungen gut geeignet. Eine wichtige Klasse von Nickelbasislegierungen ist in alkalischer Umgebung (z. B. NaOH bei 350 °C) anfällig für Spannungsrisskorrosion. Die Legierungen 400, 600 und 800 können in alkalischer Umgebung zu Spannungsrisskorrosion neigen. Die Legierungen 800, 718 und 600 haben in Druckwasserreaktoren versagt. Eine Erhöhung der Chromkonzentration auf 30 % (z. B. Legierung 690) steigert die Spannungsrisskorrosionsbeständigkeit. Die folgenden Faktoren fördern Spannungsrisskorrosion:
(a) Temperaturen über 205 °C.
(b) Niedriger pH-Wert
(c) Vorhandensein von H2S und hohe Spannungen. Trotz dieses Risikos besteht bei Nickellegierungen nur ein minimales Risiko für Spannungsrisskorrosion.
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 stark oxidierender Umgebung interkristalliner Korrosion unterliegen. Das chemische Karbidspektrum reicht von Cr23C6 in einfachen Nickellegierungen bis zu Cr21(Mo, N)C2C6 in Legierungen mit Molybdän und Wolfram. Die Legierungen 600 und 800 können anfällig für interkristallinen Angriff werden. Die Kontrolle von Elementen wie Phosphor, Kohlenstoff, Stickstoff und Niob und die Minimierung ihrer Entmischung verringert die Anfälligkeit für interkristallinen Angriff und minimiert das Risiko von Spannungsrisskorrosion.
3) Wasserstoffversprödung
Wie rostfreie Stähle können auch einige Nickellegierungen durch Wasserstoffversprödung versagen. Die Inconel-Legierung X750 ist Berichten zufolge anfällig für Wasserstoffversprödung.

BESTÄNDIGKEIT GEGEN WÄSSRIGE UMGEBUNG
Nickel und seine Legierungen bieten bekanntermaßen eine hervorragende Korrosionsbeständigkeit in destilliertem Wasser, Süßwasser, Reinstwasser und in Heißwassersystemen. Beispielsweise wird die Monel-Legierung 400 häufig in Ventilen, Pumpen, Propellerwellen, Kesselspeisewassererhitzern und Wärmetauschern eingesetzt. Die Legierungen 600 und 690 werden in nuklearen Dampferzeugern zur Verhinderung von Spannungsrisskorrosion eingesetzt. Lochfraß an Nickel-Kupfer-Legierungen kann durch weiches Wasser verursacht werden.
Die Korrosionsbeständigkeit von Nickellegierungen in Meerwasser und Salzwasser (Brackwasser) wurde umfassend untersucht. Obwohl Edelstahl 316 als lochkorrosionsbeständig in Meerwasser bekannt ist, sind rostfreie Stähle in den Gezeitenzonen von Meerwasser generell anfällig für Lochkorrosion. Nickellegierungen, die teurer als Stahl sind, werden häufig in Meerwasser eingesetzt. Die Inconel-Legierung 625 bietet eine ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit in Meerwasser. Sie ist außerdem sehr beständig gegen Spannungsrisskorrosion. Nickellegierungen eignen sich am besten für Pumpenwellen, Gehäuse und Laufräder, 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 für den Einsatz in Meerwasser.
Wärmebehandlung
Nickelbasislegierungen in Mischkristallform werden in der Regel im geglühten oder geglühten und kaltverformten Zustand eingesetzt. Eine Verfestigung durch Wärmebehandlung ist bei diesen Legierungen nicht möglich.
Mechanische Eigenschaften
Die maximale Streckgrenze wird durch die Legierungszusammensetzung, die Kaltverformungseigenschaften der Legierung, die maximal zulässige Streckgrenze für die Anwendung und die angegebene Duktilität bestimmt. Die Streckgrenzen bei Raumtemperatur können je nach Zusammensetzung und Kaltverformungsgrad zwischen etwa 210 und 1380 MPa (30 bis 200 ksi) liegen. Die minimale Streckgrenze 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 üblicherweise nicht geschweißt, da die mechanische Festigkeit der Schweißnähte geringer wäre als die des kaltverformten Bereichs. Die mechanischen Eigenschaften kaltverformter Rohre, insbesondere in dickeren Abschnitten, können innerhalb des Abschnitts variieren.
Nickelreiche Legierungen neigen stärker zu Gussfehlern wie Heißrissen, Rissen, Porosität und Gasbildung. Diese Fehler können in jeder Phase des Herstellungsprozesses auftreten, beispielsweise beim Ausschalen, bei der Wärmebehandlung, der mechanischen Bearbeitung oder der abschließenden Druckprüfung. Obwohl Nickelreiche Knetlegierungen routinemäßig geschweißt und teilweise sogar hartbeschichtet werden, ist das Schweißen von Gusslegierungen deutlich schwieriger. Strenge, in enger Zusammenarbeit mit der Gießerei entwickelte Spezifikationen werden üblicherweise angewendet, um die Schweißbarkeit und Gussintegrität zu optimieren. Für die Herstellung qualitativ hochwertiger Gussteile werden Gießereiprozesse, Rohstoffqualität, Füllmaterialzusammensetzung, Schweißreparaturverfahren und Wärmebehandlung streng kontrolliert und überwacht.
Aushärtbare Nickelbasislegierungen
Aushärtbare Nickel-Chrom-Legierungen enthalten oft eine beträchtliche Menge Eisen (Fe); diese Legierungen werden wegen ihrer Korrosionsbeständigkeit, höheren Festigkeit und ausgezeichneten Schweißbarkeit verwendet.
Wärmebehandlung von PH-Nickellegierungen
Diese Legierungen werden üblicherweise im lösungsgeglühten, lösungsgeglühten und gealterten, warmverformten und gealterten oder kaltverformten und gealterten Zustand verwendet.
Bei Sauergasanwendungen wird die Wärmebehandlung von UNS N07718 typischerweise gewählt, um eine gute Zähigkeit, Streckgrenze und Korrosionsbeständigkeit zu gewährleisten. Häufig wird ein Lösungsglühen mit anschließender einstufiger Alterung angewendet. Für Sauergasanwendungen werden UNS N07716 und N07725 lösungsgeglüht und gealtert.