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Descripción general de la aleación de níquel
22 de julio de 2024
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
Níquel y aleaciones de níquel: una descripción general; Níquel: aleación; Aleaciones de níquel: nomenclatura; Aleaciones de níquel: tratamiento térmico y procesamiento termomecánico; Superaleaciones a base de níquel: una descripción general; Superaleaciones a base de níquel: métodos de aleación y procesamiento termomecánico; Aleaciones de níquel: corrosión.
SELECCIÓN DE MATERIALES PARA AMBIENTES CORROSIVOS
CLASIFICACIÓN DE LAS 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% de 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 maraging (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 los aceros inoxidables ya mencionados. El níquel también está presente en aleaciones con fuerte magnetismo como Alnico (Al, Ni, Co), Permalloy (Ni, Fe) y mu-metal (Ni, Fe, Cu, Mo). Una aleación de níquel muy conocida es el constantán (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 previsto de níquel para baterías de vehículos eléctricos y a la alta demanda de acero inoxidable. Cabe destacar que el crecimiento de la producción de níquel en los últimos años se ha visto impulsado por la expansión de la capacidad de arrabio de níquel, es decir, el producto de clase 2, no apto para baterías de vehículos eléctricos. El níquel de clase 1 de alta calidad necesario para las baterías requiere un procesamiento más intensivo.
SELECCIÓN DE MATERIALES PARA AMBIENTES CORROSIVOS
NÍQUEL Y SUS ALEACIONES
El níquel es reconocido como un elemento de aleación esencial en aceros inoxidables, aleaciones de Ni-Cu, Ni-Fe, Ni-Cr-Fe, superaleaciones, aleaciones de níquel-cromo y aleaciones especiales resistentes a la corrosión y a altas temperaturas. El níquel es ferromagnético, con una densidad de 8,9 g/cm³. Es dúctil y maleable como el acero. Las aleaciones de níquel son conocidas por su resistencia a altas temperaturas y buena resistencia a la corrosión.
Composición química nominal (% en peso)
Material | En | Con | Fe | Cr | Para | 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 de 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 | 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 |
Níquel-Cromo-Molibdeno |
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Aleación Hastelloy X | Bal | - | 19 | 22 | 9 | - | - | - | - | - | 0.10 |
Aleación Hastelloy G | Bal | 2 | 19.5 | 22 | 6.5 | - | - | 2.1 | 1.5 | ||
Aleación Hastelloy C-276 | Bal | - | 5.5 | 15.5 | 16 | - | - | - | |||
Aleación Hastelloy C | Bal | - | 16 | 15.5 | - |
0.7 | - | ||||
Aleación de Inconel 617 | 54 | - | - | 22 | 9 | 1 | - | - | - | - | 0.07 |
Aguas 600 | Bal | - | 17 | 4 | 4.2 | 2.9 | - | - | - | 0.04 |
(1) Aleaciones de níquel y cobre
Estas aleaciones son reconocidas por su excelente resistencia a la corrosión del agua de mar. Se han utilizado como materiales para hélices, ejes de bombas, impulsores y tubos de condensadores. La más conocida es Monel (Aleación 400). Es resistente a la salmuera e inmune a la corrosión bajo tensión y a las picaduras en soluciones de cloruro y alcalinas cáusticas. También es resistente a medios con HF y flúor.
La aleación Monel R-405 contiene cantidades específicas de azufre para mejorar sus características de mecanizado. El Monel K 500 ofrece la doble ventaja de una mayor resistencia mecánica y una excelente resistencia a la corrosión. Puede mantener la resistencia hasta 650 °C y la ductilidad hasta 134 °C.
(2) Aleaciones de níquel-cromo-hierro
Estas aleaciones contienen un alto porcentaje de níquel y una excelente capacidad para soportar entornos oxidantes a altas temperaturas. Aleaciones como Inconel 600, 690, 718 y X750 pertenecen a esta categoría. 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 sufrir corrosión por picaduras o por grietas. Otras aleaciones de esta familia incluyen la aleación 690 (29 % Cr), que muestra una excelente resistencia a la corrosión por corrosión por corrosión por corrosión en medios de cloruro y bajas tasas de corrosión a altas temperaturas. Se utiliza en hornos de 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), que le confiere endurecimiento por envejecimiento y alta resistencia. Es extremadamente resistente al SCC en entornos de cloruro. Se utiliza en turbinas de gas, envolventes 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 de la industria petroquímica gracias a su excelente resistencia a la corrosión bajo tensión en entornos de cloruro y al agrietamiento en ácido politiónico. Ofrece una excelente resistencia a la fluencia y a la rotura. Se utilizan en entornos de alta temperatura donde se requiere resistencia a la oxidación y la corrosión. El Incoloy 825 ha demostrado ser muy eficaz 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 45–60% 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 de resistencia a alta temperatura y exhiben una alta resistencia a la corrosión. La aleación 625 se utiliza ampliamente en aplicaciones de agua de mar. Es altamente resistente a la corrosión por picaduras y al agrietamiento por corrosión bajo tensión. Otras aleaciones, como Udimet 500, 520, 600 y 700 mantienen la resistencia a alta temperatura 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 un 2-3 % de Ni mejora la resistencia a HCl, H₂SO₄ y H₃PO₄. |
Cromo | Mejora la resistencia a los ácidos oxidantes (HCl, H2SO4 y H3PO4) y a la oxidación a alta temperatura. |
Para | Mejora la resistencia a la corrosión por picaduras y grietas. El alto contenido de Mo (28%) muestra una mejor resistencia al HCl, H₃PO₃, H₂SO₃ y HF. |
Hierro | Mejora la resistencia a la descarburación. No contribuye a mejorar la resistencia a la corrosión. |
Tungsteno | Las aleaciones con un 3-4 % de W en combinación con un 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 al H₂SO₄ en altas concentraciones cuando se añade en grandes cantidades (9-11 %). Generalmente se añade en cantidades más pequeñas. |
Cobalto | Aumenta la resistencia a la carburación, como el hierro. |
Niobio y tantalio | Reduce el agrietamiento por calor durante la soldadura. |
Aluminio y titanio | La combinación produce una capa de aluminio que resiste la oxidación y la carburación. |
Carbono y carburos | La formación de carburos reduce la resistencia a la corrosión. El Ni₃C puede descomponerse en grafito y, por lo tanto, debilitar los límites de grano. |
SUSCEPTIBILIDAD A LA CORROSIÓN LOCALIZADA DE LAS ALEACIONES DE NÍQUEL
1) Agrietamiento por corrosión bajo tensión
Aunque las aleaciones de níquel, en general, ofrecen una mayor resistencia a la corrosión bajo tensión que los aceros, su aplicación en entornos de cloruro o alcalinos a alta temperatura y en entornos de sulfuro de hidrógeno puede aumentar el riesgo de 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 su uso en estos entornos. Una importante clase de aleaciones a base de níquel son susceptibles al SCC en entornos alcalinos (por ejemplo, NaOH a 350 °C). Las aleaciones 400, 600 y 800 pueden estar sujetas a SCC en un entorno alcalino. Las aleaciones 800, 718 y 600 han mostrado fallas en reactores de agua presurizada. Aumentar la concentración de cromo al 30 % (por ejemplo, la aleación 690) aumenta la resistencia al SCC. Los siguientes factores favorecen el SCC:
(a)Temperaturas superiores a 205°C.
(b)pH bajo
(c) Presencia de H₂S y alto nivel de tensión. A pesar del riesgo, las aleaciones de níquel presentan riesgos mínimos contra el SCC.
2) Corrosión intergranular
Las aleaciones de níquel-hierro-cromo (por ejemplo, la aleación 800) y níquel-cromo-hierro (aleación 600) pueden sensibilizarse por la precipitación de carburos de cromo y estar sujetas a corrosión intergranular en un entorno 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 ser susceptibles al ataque intergranular. El control de elementos como el fósforo, el carbono, el nitrógeno y el niobio, y la minimización de su segregación, reducen la susceptibilidad al ataque intergranular y minimizan 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 ha informado que la aleación Inconel X750 es susceptible a la fragilización por hidrógeno.
RESISTENCIA AL AMBIENTE ACUOSO
El níquel y sus aleaciones son conocidos por ofrecer una excelente resistencia a la corrosión en agua destilada, agua dulce, agua de alta pureza y en sistemas de agua caliente con 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 la corrosión por corrosión por corrosión por corrosión (SCC). El agua blanda puede causar picaduras en las aleaciones de níquel-cobre.
La resistencia a la corrosión de las aleaciones de níquel se ha estudiado ampliamente en agua de mar y agua salada (agua salobre). Si bien se sabe que el acero inoxidable 316 resiste las picaduras en agua de mar, los aceros inoxidables son, en general, susceptibles a las picaduras en las zonas de marea. Las aleaciones de níquel, más caras que los aceros, se han utilizado ampliamente en 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 el Cu-Ni 90-10 y los 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 para agua de mar.
Tratamiento térmico
Las aleaciones de níquel en solución sólida se utilizan generalmente en estado recocido o recocido y trabajado en frío. Estas aleaciones no están diseñadas para ser reforzadas mediante tratamiento térmico.
Propiedades mecánicas
El límite elástico máximo depende de la composición de la aleación, sus características de trabajo en frío, 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 y 200 ksi), dependiendo de la composición y el grado de trabajo en frío. El límite elástico mínimo para tuberías de producción se encuentra generalmente entre 760 y 970 MPa (110 y 140 ksi). Las tuberías de revestimiento y los revestimientos suelen tener un límite elástico mayor.
Fabricación
Las aleaciones recocidas se pueden soldar utilizando GTAW, SMAW, GMAW, SAW y FCAW.
Las aleaciones trabajadas en frío no suelen soldarse porque la resistencia mecánica de las soldaduras sería menor que la de la zona 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 presentar defectos de fundición, como desgarros por calor, grietas, porosidad y gasificación. Estos defectos pueden aparecer en cualquier etapa del proceso de fabricación, como el desmoldeo, el tratamiento térmico, el mecanizado o la prueba de presión final. Si bien las aleaciones forjadas con alto contenido de níquel se sueldan de forma rutinaria y algunas incluso se recubren, la soldadura de las aleaciones fundidas es considerablemente más difícil. Normalmente, se han aplicado especificaciones rigurosas, desarrolladas en estrecha colaboración con la fundición, para optimizar la soldabilidad y la integridad de la pieza fundida. Para la producción de piezas fundidas de alta calidad, los procesos de fundición, la calidad de la materia prima, la composición del material de aportación, los procedimientos de reparación de las soldaduras y el tratamiento térmico se controlan y supervisan rigurosamente.
Aleaciones a base de níquel endurecibles por precipitación
Las aleaciones de níquel-cromo endurecibles por precipitación suelen contener una buena cantidad de hierro (Fe); estas aleaciones se utilizan por su resistencia a la corrosión, mayor resistencia y excelente soldabilidad.
Tratamiento térmico de aleaciones de níquel PH
Estas aleaciones se utilizan normalmente 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 gas agrio, el tratamiento térmico del acero UNS N07718 se suele seleccionar para obtener buena tenacidad, límite elástico y resistencia a la corrosión. Se suele utilizar un recocido en solución seguido de un envejecimiento en una sola etapa. Para aplicaciones de gas agrio, el acero UNS N07716 y el acero N07725 se someten a un recocido en solución y un envejecimiento.