20 października 2017


W poprzednich artykułach pisaliśmy o stalach niklowych o zawartości do 9% niklu do pracy w niskich temperaturach i stalach austenitycznych do pracy w niskich i wysokich temperaturach. Gdy wymagane są materiały zdolne do pracy w środowisku przekraczającym granice zastosowania stali nierdzewnej stosuje się stopy niklu z chromem, molibdenem, kobaltem i żelazem modyfikowane aluminium, tytanem, wapniem, kobaltem, wanadem, tytanem, niobem, tantalem, wolframem.

Ryszard Jastrzębski, Paweł Szczepański, Krzysztof Bartkiewicz,
Krzysztof Emerla, Rafał Kołodziej

Nikiel i jego stopy są materiałem o świetnej odporności na korozję i wysokie temperatury, niezbędnym we wszelkiego rodzaju silnikach odrzutowych, turbinach gazowych, zbiornikach gazowych, wymiennikach ciepła, reaktorach rurowych itd. Stopy oparte na niklu są najbardziej obiecującymi stopami jeżeli chodzi o nadstopy odporne na wysokie temperatury, ale jako że zostały stworzone z myślą o najlepszej wytrzymałości na wysokie temperatury, mają złą spawalność i poprawa tego stanu rzeczy jest wyzwaniem naszych czasów.

tab 1 s
Tab. 1  Skład chemiczny najważniejszych stopów niklu do stosowania w celach antykorozyjnych /2/.
*stop utwardzany wydzieleniowo

Stopy niklu trzeba spawać metodą TIG krótkim łukiem (napięcie do 9 V, drut cały czas w jeziorku, wąski ścieg) gwarantującym zimne jeziorko,  spawarkami elektronicznymi MAG z funkcjami utrzymującymi zimne jeziorko i głęboko wtapiającymi (do 6 mm) oraz elektrodą zasadową, techniką wciskania elektrody w jeziorko (łuk jarzy się w środku otuliny).

przemiany fazowe niklu
Rys. 1  Wykresy przemian fazowych niklu z chromem, molibdenem, kobaltem i żelazem 

Rodzaje i właściwości stopów niklu
Nikiel ma strukturę RSC (Sieć RSC o stosunku procentowym pierwiastków Ni i Al: 3:1) i w przeciwieństwie do takich pierwiastków jak Fe, Cr, Mo czy Cu ma wysoką granicę rozpuszczalności w stanie stałym, dlatego często stosuje się roztwór stały niklu, zawierający różne pierwiastki, jako stop odporny na wysokie temperatury i korozję.

W tabeli 1 przedstawione zostały różne rodzaje niklu oraz stopów wysokoniklowych stosowanych w celach antykorozyjnych. Zazwyczaj są one bardzo dobre pod względem plastyczności i ciągliwości, i mogą mieć zwiększoną wytrzymałość przy użyciu obróbki na zimno.
Stopy niklu mają bardzo dobrą odporność na korozję oraz na wysokie temperatury (żaroodporność) i dzieli się je na dwa rodzaje ze względu na sposób zwiększania wytrzymałości: poprzez skład roztworu stałego i poprzez umacnianie wydzieleniowe /2/:

  • Stopy, w których zwiększa się wytrzymałość poprzez roztwór stały powstają w wyniku dodania chromu, molibdenu lub wolframu do fazy gamma niklu, co powoduje bardzo dobrą odporność na utlenianie oraz dobrą spawalność, głównie ze względu na dużą zawartość chromu. Stopy takie to np. Hastelloy C, Inconel 600, Inconel 625 /2/. Ilustrują to wykresy przemian fazowych przedstawione na rysunku 1.
  • W niektórych stopach zwiększa sie wytrzymałość dzięki dodaniu aluminium i tytanu. Wydzielają sie wtedy związki, które powodują wytworzenie się fazy γ’ ( gamma’ Ni3Al) /3/.

Zawierają one dodatek kobaltu i molibdenu, i rozszerzają granicę roztworu stałego aluminium i tytanu, zwiększając wytrzymałość tego roztworu. Stosowane są stopy Inconel X-750 oraz Waspalloy, ale zazwyczaj mają one złą spawalność /6/.

tab 2 s
Tab. 2  Własności fizyczne stopów niklu /2/.

Takie stopy jak K-Monel czy Hastelloy C są stopami utwardzanymi wydzieleniowo. Do tego możliwe jest w ich wypadku zwiększenie wytrzymałości przy użyciu obróbki cieplnej. Czysty nikiel oraz Monel (Ni-Cu) są często stosowane np. przy napawaniu.
Skład chemiczny, wytrzymałość na wysoką temperaturę oraz główne zastosowania najważniejszych stopów odpornych na wysokie temperatury na bazie niklu zostały przedstawione w tabeli 3.

tab 3 s
Tab. 3  Skład chemiczny, wytrzymałość na wysokie temperatury i zastosowanie stopów żaroodpornych na bazie niklu /1, 2/.

Stopy utwardzane roztworowo jak Inconel 617 (Ca, Cr, Mo) Hastelloy C (Fe, Co, Cr, Mo, W) mają zazwyczaj niewielką wytrzymałość na pełzanie, ale mają dobrą spawalność i obrabialność. Stopy umacniane wydzieleniowo są materiałami umacnianymi za pomocą fazy wydzieleniowej, którą nazywamy fazą γ' (gamma’), a której podstawowa formą jest Ni3Al. Są przy tym bardzo wytrzymałe na pełzanie /1/.
Stopy do odlewania w porównaniu do stopów, które można obrabiać zazwyczaj mają dużą zawartość aluminium i tytanu (Nb, Ta, V), które tworzą fazę γ’, i tak – stopy typu Inconel 713 czy Inconel 100 są stopami o wytrzymałości na pełzanie najwyższej klasy, ale ich spawanie jest niezmiernie trudne. Stopy typu Inconel 718 i Rene 62 są stopami o wysokiej wytrzymałości do ok. 700 °C, a przy tym mają świetną spawalność i obrabialność.

rys 2
Rys. 2  Pocięte próbki z badań laboratoryjnych do uznania technologii spawania TIG stopów niklu (źródło: HPR S.A. Kraków)

Stopy umacniane dyspersyjnie, takie jak Nickel TD, który posiada jako fazę dyspersyjną związek żaroodporny (ThO2), są tworzone za pomocą metalurgii proszków. Mają one doskonałą wytrzymałość na wysokie temperatury, ale praktycznie nie da się ich spawać.
Jak pokazuje tabela 3 ilość stopów niklu jest podobna, co gatunków stali nierdzewnych czy stopów miedzi.

Spawalność
Stopy odporne na korozję mają zazwyczaj lepszą spawalność niż stopy żaroodporne. Najważniejszym aspektem jeżeli chodzi o spawalność są pęknięcia. W tym zakresie prowadzone są szerokie badania, poczynając od spawania materiałów o tym samym składzie poprzez napawanie, aż do spawania materiałów o różnym składzie. Wśród pęknięć spawalniczych mamy pęknięcia powstające na granicach ziaren SWC, mikropęknięcia i pęknięcia związane z krzepnięciem. Powstają również pęknięcia związane z odkształceniem spawalniczym, które powstają po obróbce cieplnej.
W stopach niklu mogą wystąpić pęknięcia: pęknięcia krystalizacyjne, pęknięcia likwacyjne (w roztworze stałym), pęknięcia poniżej granicy plastyczności oraz pęknięcia przy ponownym podgrzaniu /2/. Podatność na pęknięcia krystalizacyjne jest większa niż w przypadku stali nierdzewnych austenitycznych. Powstają one dość łatwo z powodu zanieczyszczeń, takich jak siarka czy fosfor oraz kryształów o niskiej temperaturze topnienia, takich jak Ni-S, Ni-P, które tworzą na granicy ziaren ciekłą warstwę w trakcie krystalizacji. Zmniejszenie ilości pierwiastków zanieczyszczających oraz rozdrobnienie struktury krystalizacyjnej jest dobrym sposobem na obniżenie podatności na pęknięcia krystalizacyjne /2/.

sklonnosc pekanie 3
Rys. 3  Zależność pomiędzy zawartością tytanu w drucie z czystego niklu, a skłonnością do pękania, na tle wykresów przemian fazowych tytanu (niobu, wanadu, tantalu) /1/

W celu zapobiegania pęknięciom zmniejsza się usztywnienie, często nie stosuje podgrzewania oraz ogranicza energię liniową.
Stopy Waspalloy oraz Inconel 718 mają dużą podatność na pęknięcia w roztworze stałym (likwacyjne). Jeżeli w rowku znajdują się zanieczyszczenia, takie jak warstwa oleju czy tłuszcz, tlenki lub pokrycia (farba), to są one przyczyną nie tylko pęknięć na gorąco, ale również powstawania pęcherzy.
Najczęściej stosowaną metodą spawania stopów niklu jest metoda TIG /2/.
Czysty nikiel oraz stopy niklu o właściwościach antykorozyjnych są spawane za pomocą spawania łukowego elektrodą otuloną oraz spawania w osłonie gazów szlachetnych.