Никель, никелевые сплавы

Промышленность выпускает пять марок полуфабрикатного никеля:

• НП-0 — 99,98 % Ni;
• НП-1 - 99,9 % Ni;
• НП-2 — 99,5 % Ni;
• НП-3 - 99,3 % Ni;
• НП-5 — 99,0 % Ni.

В никеле НП-0 содержание примесей измеряется тысячными долями каждой. В никеле НП-1 допустимое содержание углерода, кремния и меди достигает сотых долей процента. В никеле НП-2 содержание углерода и кремния ограничивается 0,15 %, а содержание меди —0,1 %. В никеле НП-3 и НП-4 допустимое содержание углерода возрастает до 0,15—0,20 %, кремния и меди до 0,15%.

Содержание серы и фосфора во всех марках никеля ограничивается 0,001 % каждого элемента.

Относительно невысокие механические свойства технического никеля и низкая его жаропрочность ограничивают использование никеля для изготовления конструкций (рис.  12.1).

Рис.12.1 Изменение свойств технического никеля при  нагреве

Как конструкционный материал более широкое распространение в промышленности получили сплавы на основе никеля.

Никелевые сплавы могут быть разделены на три основные группы: коррозионно-стойкие; жаропрочные; жаростойкие.

Коррозионно-стойкие сплавы на никелевой основе используют для изготовления изделий, работающих в агрессивных средах различных кислот при нормальных и повышенных температурах. К наиболее употребительным сплавам этой группы относятся монель-металл, инконель, хастеллой.

Монель-металл содержит 27—29 % Сu, 2—3% Fe и 1,2—1,8% Мn. Этот сплав устойчив во фтористоводородной кислоте, растворах серной кислоты, морской воде и концентрированных щелочах. Модификации этого сплава — монель К и монель 5. Монель К предназначен для изготовления деталей повышенной прочности, а монель S — для литых деталей, работающих в агрессивных средах.

Инконель содержит 14—17 % Сr, 6—10 % Fe. Этот сплав применяют для изготовления деталей повышенной прочности; он отличается высокой коррозионной стойкостью. В отличие от монелей инконель может работать в условиях окислительной среды и при высоких температурах.

Сплавы хастеллой имеют несколько модификаций. Сплавы А, В и С содержат молибден в пределах 20—22, 26—30 и 16—17 % соответственно. Хастеллой С имеет добавки вольфрама (3,75—5,25 %) и хрома (15,5—17,5 %).

Хастеллой А применяют для изделий, работающих в соляной кислоте при температуре до 70 С, в разбавленной серной кислоте вплоть до температуры кипения. Он не рекомендуется для работы в окислительных средах. Хастеллой В применяют для изделий, работающих в соляной кислоте всех концентраций вплоть до температуры кипения. Он может быть использован для изделий, работающих на воздухе при температурах до 760 °С. Хастеллой С применяют для изделий, работающих при средних температурах в окислительных средах и на воздухе до температуры 1090 °С.

Жаропрочные сплавы на никелевой основе разделяют на деформированные и литые. Деформированные жаропрочные сплавы находят применение главным образом для изготовления напряженных деталей газотурбинных двигателей, работающих при повышенных температурах.

Большинство жаропрочных сплавов содержит хром в концентрациях 19—22 и 13—16 %, а также присадки Ti, Al, Mo, W, Nb, С, В, Ba, Zr, CI, Ca. Изменение жаропрочности никеля в зависимости от введения в него легирующих элементов схематически показано на рис. 12.2. Судя по этим данным, повышение жаропрочности никеля при введении до 20 % Сr невелико.

Рис. 12.2. Схема влияния легирования на прочность никелевых сплавов при 800 °С

Однако введение в сплавы никеля с хромом 2,5—3 % Ti и до 0,75 % А1 существенно повышает жаропрочность сплавов вследствие образования при умеренных температурах высокодисперсной интерметаллидной фазы γ' (дисперсионное твердение). В результате дисперсионного твердения повышается сопротивление сплавов пластической деформации как при нормальной, так и при повышенной температуре.

Фаза γ' в ряде сплавов неустойчива и при определенных температурах (800 °С и выше) превращается в устойчивую фазу Ni₃Ti. Кроме образования этих фаз, и сплавах возможно появление дисперсных выделений карбидов TiC, Сr₇ С, Сr₂₃С₆ и др. Присадка небольших количеств бора (0,001—0,05 %), а также поверхностно-активных элементов (Се, Ca, Ba, Be, Mg, Zr) также способствует дальнейшему повышению жаропрочности сплавов. В зависимости от системы легирования в этом случае появляются дополнительные дисперсные выделения боридных фаз различного состава.

Вредными примесями в этих сплавах, снижающими жаропрочность, могут быть примеси легкоплавких металлов Pb, Sn, Sb, Bi.
Наибольшее распространение в отечественной промышленности из этой группы сплавов находят применение сплавы ХН77ТЮ, ХН77ТЮР, ХН70ВМТЮ.

В Англии эта группа сплавов известна под названием нимоник (80, 80А, 90, 95, 100, 105 и 115). Нимоники, как правило, содержат кобальт. В отечественных сплавах этой группы кобальт отсутствует полностью или же имеется в небольших концентрациях (5—12 %).

Литые жаропрочные сплавы в большинстве случаев имеют более высокие пределы длительной прочности. Это связано с наличием в них дендритной структуры и образованием в процессе кристаллизации боридных и карбидных фаз по границам кристаллов в виде псевдоэвтектики, затрудняющей развитие трещин по этим границам. По способу упрочнения литые сплавы разделяют на сплавы с карбидным упрочнением и сплавы с интерметаллидным упрочнением.

К первой группе сплавов относятся хастеллой В и С и сплав ВХН1; последний содержит до 1,2 % С, 1,5—2,5 % Si и 35—40 % Сr. Основной упрочняющей фазой в хастеллоях В и С служит двойной карбид Ni₃ (Mo, Сr)₃С, а в сплаве ВХН1 — карбид типа Ме7С.

Ко второй группе сплавов с интерметаллидным упрочнением относятся сплавы ЖСЗ, ВЖ36-Л2, ЖС6, ЖС6К, ВЖЛ8. Упрочнение в этой группе сплавов достигается в оснозном за счет появления в них γ'-фазы типа Ni3 (Al, Ti). Наиболее употребительный сплав этой группы ЖС6К содержит 10—12 % Сr; * 5-6 % А1; 2,5—3% Ti; 4,5—5,5% W; 3,5—4,5 % Mo; 0,13—0,2 % С. Оптимальные свойства сплава достигаются после термообработки: нагрев 1200 ± 20 °С, выдержка 4 ч, охлаждение на воздухе.

Жаростройкие (окалиностойкие) сплавы на никелевой основе (ХН78Т, ХН75МБТЮ) используют для изготовления нагревательных элементов печей н изделий, работающих при температурах 700—1100 °С. Повышение жаростойкости никеля достигается введением в его состав 15—35 % Сr.

Основное влияние на жаростойкость сплавов оказывают состав и свойства образующихся на их поверхности оксидных пленок. Оксидная пленка на поверхности чистого никеля из-за высокой дефектности структуры обладает большой диффузионной проницаемостью. Введение хрома позволяет получить на поверхности никелехромовых сплавов оксидные пленки, содержащие оксид Сr₂O₃ и шпинели NiO-Cr₂О₃. Такие оксидные пленки отличаются большой плотностью и меньшей диффузионной проницаемостью. Дополнительное повышение жаростойкости никелевых сплавов, содержащих хром, достигается введением в них алюминия и малых добавок церия, кальция, тория и кремния.