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Panoramica della lega di nichel
22/07/2024
Le leghe di nichel sono generalmente composte da nichel, cromo, molibdeno, alluminio, ferro e alcuni altri elementi in piccole quantità.
Superleghe a base di nichel: legatura
Nichel e leghe di nichel: una panoramica; Nichel: leghe; Leghe di nichel: nomenclatura; Leghe di nichel: trattamento termico e lavorazione termomeccanica; Superleghe a base di nichel: una panoramica; Superleghe a base di nichel: metodi di leghe e lavorazione termomeccanica; Leghe di nichel: corrosione.
SELEZIONE DEI MATERIALI PER AMBIENTI CORROSIVI
CLASSIFICAZIONE DELLE LEGHE DI NICHEL
Le leghe di nichel possono essere classificate nei seguenti gruppi in base alla loro composizione chimica:
(1)Nichel Nichel puro (99,56%)
▪ Nichel commercialmente puro (lavorato) 99,6–99,7%.
(2)Nichel e rame
▪ Leghe a basso contenuto di nichel (2–13% Ni)
▪ Cupronichel (10–30% Ni)
▪ Leghe non magnetiche (~60% Ni)
▪ Leghe ad alto contenuto di nichel (oltre il 50% di Ni)
(3)Nichel e ferro
▪ Acciai legati lavorati (0,5–9% Ni)
▪ Acciai legati fusi (0,5–0,9% Ni)
▪ Ghisa legata (1–6, 14–36% Ni)
(4)Leghe ferro-nichel e cromo
▪ Acciai inossidabili (2–25% Ni)
▪ Acciai Maraging (18% Ni)
(5)Leghe indurite per precipitazione a base di nichel-cromo-molibdeno e ferro-nichel.
- Elettrochimica degli elementi | NichelLeghe di nichelIl nichel è il componente principale di molte leghe note, ad esempio leghe resistenti alla corrosione come Monel (Ni, Cu), Inconel 600 (Ni, Cr, Fe), Hastelloy (Ni, Mo, Fe) e i già citati acciai inossidabili. Il nichel è presente anche in leghe fortemente magnetiche come Alnico (Al, Ni, Co), Permalloy (Ni, Fe) e mu-metal (Ni, Fe, Cu, Mo). Una lega di nichel molto nota è la costantana (Cu 60%, Ni 40%), caratterizzata da una resistenza costante in un ampio intervallo di temperature.
L'aumento annuale del prezzo del nichel nel 2021 è stato attribuito al previsto maggiore utilizzo di nichel per le batterie dei veicoli elettrici e all'elevata domanda di acciaio inossidabile. Da notare che la crescita della produzione di nichel negli ultimi anni è stata trainata dall'espansione della capacità produttiva di ghisa al nichel, ovvero il prodotto di classe 2 non adatto alle batterie dei veicoli elettrici. Il nichel di classe 1 di alta qualità richiesto per le batterie richiede una lavorazione più intensa.
SELEZIONE DEI MATERIALI PER AMBIENTI CORROSIVI
NICHEL E LE SUE LEGHE
Il nichel è noto come elemento di lega essenziale negli acciai inossidabili, nelle leghe Ni-Cu, Ni-Fe, Ni-Cr-Fe, nelle superleghe, nelle leghe nichel-cromo e nelle leghe speciali resistenti alla corrosione e alle alte temperature. Il nichel è ferromagnetico con una densità di 8,9 g/cm³. È duttile e malleabile come l'acciaio. Le leghe di nichel sono note per la loro resistenza alle alte temperature e la buona resistenza alla corrosione.
Composizione chimica nominale (% in peso)
Materiale | In | Con | Fe | Cr | Per | Al | Di | N.B. | Mn | E | C |
Nichel |
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Nichel 200 | 99,6 | - | - | - | - | - | - | - | 0,23 | 0,03 | 0,07 |
Nichel 201 | 99,7 | - | - | - | - | - | - | - | 0,23 | 0,03 | 0,01 |
Nichel-Rame |
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Lega Monel 400 | 65,4 | 32 | 1,00 | - | - | - | - | - | 1.0 | 0,10 | 0,12 |
Lega Monel 404 | 54.6 | 45.3 | 0,03 | - | - | - | - | - | 0,01 | 0,04 | 0,07 |
Lega Monel R-405 | 65.3 | 31.6 | 1,25 | - | - | 0,1 | - | - | 1.0 | 0,17 | 0,15 |
Lega Monel K-500 | 65.0 | 30 | 0,64 | - | - | 2.94 | 0,48 | - | 0,70 | 0,12 | 0,17 |
Nichel-Cromo-Ferro |
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Lega di Inconel 600 | 76 | 0,25 | 8.0 | 15.5 | - | - | - | - | 0,5 | 0,25 | 0,08 |
Lega di Inconel 601 | 60.5 | 0,50 | 14.1 | 23.0 | - | 1.35 | - | - | 0,5 | 0,25 | 0,05 |
Lega di Inconel 690 | 60 | - | 9.0 | 30 | - | - | - | - | - | - | 0,01 |
Nichel-Ferro-Cromo |
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Lega Incoloy 800 | 31 | 0,38 | 46 | 20 | - | 0,38 | 0,38 | - | 0,75 | 0,50 | 0,05 |
Lega Incoloy 800H | 31 | 0,38 | 46 | 20 | - | 0,38 | 0,38 | - | 0,75 | 0,50 | 0,07 |
Lega Incoloy 825 | 42 | 1,75 | 30 | 22.5 | 3 | 0,10 | 0,90 | - | 0,50 | 0,25 | 0,01 |
Lega Incoloy 925 | 43.2 | 1.8 | 28 | 21 | 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 |
Nichel-Cromo-Molibdeno |
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Lega Hastelloy X | Bal | - | 19 | 22 | 9 | - | - | - | - | - | 0,10 |
Lega Hastelloy G | Bal | 2 | 19.5 | 22 | 6.5 | - | - | 2.1 | 1.5 | ||
Lega Hastelloy C-276 | Bal | - | 5.5 | 15.5 | 16 | - | - | - | |||
Lega Hastelloy C | Bal | - | 16 | 15.5 | - |
0,7 | - | ||||
Lega di Inconel 617 | 54 | - | - | 22 | 9 | 1 | - | - | - | - | 0,07 |
Acque 600 | Bal | - | 17 | 4 | 4.2 | 2.9 | - | - | - | 0,04 |
(1) Leghe nichel-rame
Queste leghe sono note per la loro eccellente resistenza alla corrosione in acqua di mare. Sono state utilizzate come materiali per eliche, alberi di pompe, giranti e tubi di condensatori. La più nota è il Monel (lega 400). È resistente alla salamoia e immune alla corrosione sotto sforzo e alla vaiolatura in soluzioni alcaline clorurate e caustiche. È anche resistente a fluidi contenenti HF e fluoro.
La lega Monel R-405 contiene quantità specifiche di zolfo per migliorare le caratteristiche di lavorazione. La lega Monel K 500 offre il duplice vantaggio di una maggiore resistenza meccanica e di un'eccellente resistenza alla corrosione. Può mantenere la resistenza fino a 650 °C e la duttilità fino a 134 °C.
(2) Leghe nichel-cromo-ferro
Queste leghe contengono un'alta percentuale di nichel e un'eccellente capacità di resistere ad ambienti ossidanti ad alte temperature. Leghe come Inconel 600, 690, 718 e X750 appartengono a questa categoria. La lega Inconel 600 (Ni 76, Cr 15,5, Fe 8) è la lega base di questa classe, con un'eccellente resistenza alla corrosione a temperature elevate (~1092 °C). Può tuttavia essere soggetta a corrosione per vaiolatura o interstiziale. Altre leghe di questa famiglia includono la lega 690 (29% Cr), che mostra un'eccellente resistenza alla corrosione sotterranea (SCC) in ambienti clorurati e basse velocità di corrosione ad alte temperature. Viene utilizzata nei forni per la lavorazione petrolchimica e nelle unità di gassificazione del carbone.
La lega Inconel X750 contiene aggiunte di alluminio, niobio e titanio che formano un composto intermetallico, Ni3(Al, Ti), che la rende induribile per invecchiamento e le conferisce un'elevata resistenza. È estremamente resistente alla corrosione da sinterizzazione (SCC) in ambiente clorurato. Viene utilizzata in turbine a gas, involucri sotto vuoto, matrici di estrusione e molle.
(3) Leghe nichel-ferro-cromo
Queste leghe rappresentano un'ulteriore versione delle leghe Ni-Cr-Fe e contengono il 30-44% di nichel. La lega 800 di questa serie è stata ampiamente utilizzata negli scambiatori di calore dell'industria petrolchimica, grazie alla sua eccellente resistenza alla criccabilità da corrosione sotto sforzo in ambienti con cloruri e alla criccabilità in acido politionico. Offre un'eccellente resistenza al creep e alla rottura. Sono utilizzate in ambienti ad alta temperatura dove è richiesta resistenza all'ossidazione e alla corrosione. L'Incoloy 825 si è dimostrata molto efficace in applicazioni in H₂SO₂, HCl, acido fosforico e acqua di mare pulita e inquinata.
(4) Leghe di nichel-cromo-molibdeno
Questa famiglia di leghe è utilizzata principalmente nell'industria chimica e contiene il 45-60% di Ni. L'Hastelloy è stato utilizzato con successo in applicazioni ad alta temperatura (fino a 1204 °C). La serie Hastelloy C è utilizzata da lungo tempo nell'industria chimica. La versione modificata dell'Hastelloy C è l'Hastelloy C-276, in cui il contenuto di silicio e C è sostanzialmente ridotto (0,005% C, 0,04% Si). È utilizzata con successo nell'industria petrolchimica. Le leghe 625 e 617 sono leghe resistenti alle alte temperature e presentano un'elevata resistenza alla corrosione. La lega 625 è ampiamente utilizzata nelle applicazioni in acqua di mare. È altamente resistente alla vaiolatura e alla corrosione sotto sforzo. Altre leghe, come Udimet 500, 520, 600 e 700, mantengono la resistenza alle alte temperature fino a 982 °C.
Effetto degli elementi di lega sulla resistenza alla corrosione del nichel
Elemento di lega | Contributo alla resistenza alla corrosione |
Rame | Migliora la resistenza agli acidi non ossidanti, all'acido solforico (non aerato) e all'acido fluoridrico (HF). L'aggiunta del 2-3% di Ni offre una migliore resistenza a HCl, H₂SO₂ e H₂PO₂. |
Cromo | Migliora la resistenza agli acidi ossidanti (HCl, H2SO4 e H3PO4) e all'ossidazione ad alta temperatura. |
Per | Migliora la resistenza alla corrosione puntiforme e interstiziale. L'elevato contenuto di Mo (28%) migliora la resistenza a HCl, H3PO4, H2SO4 e HF. |
Ferro | Migliora la resistenza alla decarburazione. Non contribuisce in alcun modo al miglioramento della resistenza alla corrosione. |
Tungsteno | Le leghe con il 3-4% di W in combinazione con il 13-16% di Mo offrono un'eccellente resistenza alla corrosione. Il tungsteno offre un'elevata resistenza agli acidi non ossidanti. |
Silicio | Migliora la resistenza all'H₂SO₂ a caldo se aggiunto in quantità maggiori (9-11%). Generalmente viene aggiunto in quantità minori. |
Cobalto | Aumenta la resistenza alla carburazione, come il ferro. |
Niobio e tantalio | Riduce le cricche dovute al calore durante la saldatura. |
Alluminio e titanio | La combinazione produce scaglie di alluminio resistenti all'ossidazione e alla cementazione. |
Carbonio e carburi | La formazione di carburi indebolisce la resistenza alla corrosione. Il Ni3C può decomporsi in grafite e quindi indebolire i bordi dei grani. |
SUSCETTIBILITÀ ALLA CORROSIONE LOCALIZZATA DELLE LEGHE DI NICHEL
1) Cricche da corrosione sotto sforzo
Sebbene le leghe di nichel offrano nel complesso una migliore resistenza alla corrosione sotto sforzo rispetto agli acciai, la loro applicazione in ambienti clorurati o alcalini ad alta temperatura e in ambienti con idrogeno solforato può esporle al rischio di corrosione sotto sforzo. Casi di SCC sono stati osservati in acqua pressurizzata ad alta temperatura nelle turbine a vapore. Incoloy 800 è una buona scelta per l'utilizzo in tali ambienti. Una classe importante di leghe a base di nichel è suscettibile alla SCC in ambiente alcalino (ad esempio, NaOH a 350 °C). Le leghe 400, 600 e 800 possono essere soggette a SCC in ambiente alcalino. Le leghe 800, 718 e 600 hanno mostrato guasti in reattori ad acqua pressurizzata. L'aumento della concentrazione di cromo al 30% (ad esempio, lega 690) aumenta la resistenza alla SCC. I seguenti fattori favoriscono la SCC:
(a) Temperature superiori a 205°C.
(b) pH basso
(c) Presenza di H₂S e livelli elevati di stress. Nonostante il rischio, le leghe di nichel offrono rischi minimi contro la SCC.
2) Corrosione intergranulare
Le leghe nichel-ferro-cromo (ad esempio, la lega 800) e nichel-cromo-ferro (lega 600) possono essere sensibilizzate dalla precipitazione di carburi di cromo e soggette a corrosione intergranulare in un ambiente altamente ossidante. L'intervallo di carburi in chimica va da Cr23C6 nelle leghe di nichel semplici a Cr21(Mo, N)C2C6 nelle leghe contenenti Mo e W. Le leghe 600 e 800 possono diventare suscettibili all'attacco intergranulare. Il controllo di elementi come fosforo, carbonio, azoto e niobio, e la minimizzazione della loro segregazione, riduce la suscettibilità all'attacco intergranulare e minimizza il rischio di SCC.
3) Fragilità da idrogeno
Come gli acciai inossidabili, alcune leghe di nichel possono rompersi a causa dell'infragilimento da idrogeno. La lega Inconel X750 è stata segnalata come suscettibile all'infragilimento da idrogeno.
RESISTENZA ALL'AMBIENTE ACQUOSO
Il nichel e le sue leghe sono noti per offrire un'eccezionale resistenza alla corrosione in acqua distillata, acqua dolce, acqua ad elevata purezza e nei sistemi di riscaldamento ad acqua calda. Ad esempio, la lega Monel 400 è ampiamente utilizzata in valvole, pompe, alberi di trasmissione, scaldacqua di alimentazione delle caldaie e scambiatori di calore. Le leghe 600 e 690 sono utilizzate nei generatori di vapore nucleari per prevenire la corrosione superficiale (SCC). La corrosione puntiforme delle leghe nichel-rame può essere causata dall'acqua dolce.
La resistenza alla corrosione delle leghe di nichel è stata ampiamente studiata in acqua di mare e in acqua salata (acqua salmastra). Sebbene l'acciaio inossidabile 316 sia noto per resistere alla corrosione puntiforme in acqua di mare, gli acciai inossidabili sono, in generale, soggetti a corrosione puntiforme nelle zone di marea. Le leghe di nichel, più costose degli acciai, sono state ampiamente utilizzate in acqua di mare. La lega Inconel 625 offre un'eccellente resistenza alla corrosione in acqua di mare. Offre anche un'eccellente resistenza alla corrosione da sinterizzazione (SCC). Le leghe di nichel sono particolarmente indicate per alberi, corpi e giranti delle pompe, mentre altri materiali, come gli acciai Cu-Ni 90-10 e gli acciai austenitici, vengono utilizzati per altri componenti, come scambiatori di calore e valvole. La Tabella 9.47 mostra la classificazione di alcune leghe di nichel per uso in acqua di mare.
Trattamento termico
Le leghe a base di nichel in soluzione solida sono generalmente utilizzate allo stato ricotto o ricotto e lavorato a freddo. Queste leghe non sono progettate per essere rinforzate mediante trattamento termico.
Proprietà meccaniche
Il limite massimo di snervamento è determinato dalla composizione della lega, dalle caratteristiche di lavorabilità a freddo della lega, dal limite massimo di snervamento consentito dall'applicazione e dalla duttilità specificata. I limiti di snervamento a temperatura ambiente possono variare da circa 210 a 1380 MPa (da 30 a 200 ksi), a seconda della composizione e del grado di lavorabilità a freddo. Il limite minimo di snervamento per i tubi è generalmente compreso tra 760 e 970 MPa (da 110 a 140 ksi). Casing e rivestimenti presentano spesso limiti di snervamento più elevati.
Fabbricazione
Le leghe ricotte possono essere saldate mediante i metodi GTAW, SMAW, GMAW, SAW e FCAW.
Le leghe lavorate a freddo solitamente non vengono saldate perché la resistenza meccanica delle saldature sarebbe inferiore a quella della zona lavorata a freddo. Le proprietà meccaniche dei tubi lavorati a freddo, soprattutto nelle sezioni più spesse, possono variare lungo la sezione.
Le leghe ad alto contenuto di nichel sono più soggette a difetti di fusione come rotture a caldo, cricche, porosità e formazione di gas. Questi difetti possono manifestarsi in qualsiasi fase del processo di produzione, come la distaffatura, il trattamento termico, la lavorazione meccanica o la prova di pressione finale. Sebbene le leghe ad alto contenuto di nichel lavorate per fusione siano regolarmente saldate e alcune persino sottoposte a riporto duro, la saldatura delle leghe fuse è considerevolmente più difficile. Per ottimizzare la saldabilità e l'integrità della fusione, si utilizzano in genere specifiche rigorose, sviluppate in stretta collaborazione con la fonderia. Per la produzione di getti di buona qualità, i processi di fonderia, la qualità delle materie prime, la composizione del materiale d'apporto, le procedure di riparazione delle saldature e il trattamento termico sono attentamente controllati e monitorati.
Leghe a base di nichel temprate per precipitazione
Le leghe di nichel-cromo temprate per precipitazione contengono spesso una discreta quantità di ferro (Fe); queste leghe vengono utilizzate per la loro resistenza alla corrosione, la maggiore resistenza e l'eccellente saldabilità.
Trattamento termico delle leghe di nichel PH
Queste leghe vengono solitamente utilizzate in condizioni di ricottura in soluzione, ricottura in soluzione e invecchiamento, lavorate a caldo e invecchiamento o lavorate a freddo e invecchiamento.
Nelle applicazioni con gas acidi, il trattamento termico dell'acciaio UNS N07718 viene in genere scelto per garantire buona tenacità, limite di snervamento e resistenza alla corrosione. Spesso viene utilizzata una ricottura in soluzione seguita da un invecchiamento in un'unica fase. Per le applicazioni con gas acidi, gli acciai UNS N07716 e N07725 vengono sottoposti a ricottura in soluzione e invecchiamento.