Nickel 200 vs. Nickel 201: Nízkokarbonový obsah a služby pro vysoké-teploty - Znalosti

Nikl 200 a Nikl 201 jsou komerčně čistý (99,6 % min.) tvářený nikl, ale malý rozdíl v obsahu uhlíku - výrazně pod jedno procento - určuje, zda součást zůstane tažná nebo se stane křehkou při zvýšené teplotě. Tato příručka přesně vysvětluje, co tento rozdíl znamená pro výběr materiálu, výrobu a životnost.

Nickel 200 vs Nickel 201

Nikl 200 (UNS N02200) a Nikl 201 (UNS N02201) jsou obě komerčně čisté tvářené niklové slitiny se stejným základním složením, ale nikl 201 má mnohem nižší maximální obsah uhlíku - 0.02 % oproti 0,15 % u niklu 200 -, což zabraňuje grafitové křehkosti při vysoké teplotě a niklu nad 2001 600 stupňů F (315 stupňů).

Oba druhy obsahují alespoň 99,0 % niklu (běžně 99,6 % nebo vyšší v komerčním produktu), s malými, přísně kontrolovanými přísadami manganu, železa a mědi. Uhlík je jeden prvek záměrně omezený hluboko pod svou normální úroveň v niklu 201, protože při vysokých teplotách se uhlík v těchto dvou stupních chová velmi odlišně - se skutečnými důsledky pro pevnost a houževnatost.

Živel	Nikl 200 (UNS N02200)	Nikl 201 (UNS N02201)
Nikl + kobalt (Ni + Co)	99,0 % min	99,0 % min
uhlík (C)	0,15 % max	0,02 % max
mangan (Mn)	0,35 % max	0,35 % max
železo (Fe)	0,40 % max	0,40 % max
měď (Cu)	0,25 % max	0,25 % max
křemík (Si)	0,35 % max	0,35 % max
síra (S)	0,01 % max	0,01 % max

Tabulka 1. Limity chemického složení podle ASTM B160 / B162 (hodnoty jsou hmotnostní procenta).

Nickel 200 se nejlépe hodí pro aplikace při pokojových- a mírných-teplotách, které vyžadují vynikající odolnost proti korozi, vysokou tepelnou a elektrickou vodivost a snadnou výrobu -, včetně manipulace s louhem sodným, zpracováním potravin a elektronickými a elektrickými součástkami.

Vyšší povolený obsah uhlíku u niklu 200 není vadou -, jednoduše to znamená, že tato třída nebyla nikdy určena pro dlouhodobé používání při vysokých-teplotách. Při teplotě pod zhruba 600 stupňů F (315 stupňů) nemá obsah uhlíku žádný významný vliv na mechanické chování, takže Nickel 200 funguje výborně a jeho výroba obvykle stojí méně než přísněji -kontrolovaný Nickel 201.

Typické aplikace niklu 200

Manipulační zařízení s louhem sodným (hydroxid sodný) a zásadami
Zařízení na zpracování potravin-vyžadující nízkou kontaminaci kovů
Elektrické a elektronické součástky (vodiče, konektory, stínění)
Chemické přepravní sudy a přepravky pro-vysoce čisté produkty
Mořské a sladkovodní složky pod 600 stupňů F (315 stupňů)

Nikl 201je nízkouhlíková verze komerčně čistého niklu, vyráběná speciálně pro odolnost proti grafitizaci a křehnutí nad 600 stupňů F (315 stupňů), což z ní činí standardní jakost pro součásti pecí, vysokoteplotní procesní zařízení a jakékoli niklové součásti, které při provozu vydrží trvalé teplo.

Při teplotách nad zhruba 600 stupňů F (315 stupňů) se uhlík v niklu 200 může vysrážet z pevného roztoku jako grafit a koncentrovat se na hranicích zrn.

Tento grafitický uhlík nezpevňuje kov tak, jako karbidy zpevňují ocel -, místo toho vytváří síť slabých míst, která prudce snižuje tažnost a rázovou houževnatost, což je režim selhání běžně nazývaný vysokoteplotní-křehnutí. Protože obsah uhlíku v niklu 201 je omezen na 0,02 %, není přítomno dostatek uhlíku k vytvoření poškozující grafitové sítě, takže slitina si zachovává svou tažnost a houževnatost i po dlouhodobém vystavení vysokým-teplotám.

Typické aplikace niklu 201

Komponenty pecí a příslušenství pro tepelné{0}}zpracování
Žíravé výparníky a vysokoteplotní{0}}alkálie
Elektronky a vybavení vakuových-pecí
Zařízení pro chemické zpracování pracující nad 600 stupňů F (315 stupňů)
Svařované sestavy, které po -svaření nebo{1}}provozu uvidí teplo nad 600 stupňů F (315 stupňů)

Obsah uhlíku řídí riziko křehnutí, protože nikl má velmi nízkou rozpustnost v pevné fázi pro uhlík při vysoké teplotě; přebytek uhlíku se vysráží jako grafit podél hranic zrn, a čím více uhlíku je přítomno, tím je grafitová síť hustší a škodlivější.

Carbon Content Cause High-Temperature Embrittlement

To je problém rozpustnosti, ne problém pevnosti. Na rozdíl od oceli, kde uhlík tvoří tvrdé, zpevňující karbidy, uhlík v niklu jednoduše převyšuje to, co může kov pojmout v roztoku, když teplota stoupá, a pak vypadává jako měkký, slabý grafit. Praktické důsledky pro výběr třídy jsou přímé:

Nikl 201 (0,02 % C max): Uhlík zůstává dostatečně nízký, takže se tvoří jen málo nebo žádný grafit, a to i po dlouhodobé expozici nad 600 stupňů F (315 stupňů). Tažnost a houževnatost jsou zachovány.

Nikl 200 (0,15 % C max): Obsah uhlíku je dostatečně vysoký, aby se srážení grafitu stalo pravděpodobně nad 600 stupňů F (315 stupňů), zejména při pomalém ochlazování nebo dlouhé době setrvání, což má za následek měřitelnou ztrátu rázové houževnatosti a tažnosti.

To je důvod, proč je prahová hodnota 600 stupňů F (315 stupňů) považována za tvrdou hranici ve specifikaci a konstrukční praxi spíše než za hrubé vodítko: pod ní obě stupně fungují spolehlivě; nad ním se pro trvalý provoz doporučuje pouze nikl 201.

Při pokojové teplotě mají nikl 200 a nikl 201 v podstatě identické mechanické a fyzikální vlastnosti; rozdíl se stává významným až po delší expozici nad 600 stupňů F (315 stupňů), kde nikl 200 ztrácí tažnost a houževnatost, zatímco nikl 201 si zachovává obojí.

Vlastnost (typická, žíhaná)	Nikl 200	Nikl 201
Pevnost v tahu min	55 ksi (380 MPa)	55 ksi (380 MPa)
Mez kluzu (0,2% offset), min	15 ksi (105 MPa)	15 ksi (105 MPa)
Tažnost, min	40%	40%
Rozsah tání	≈ 2615–2635 stupňů F (1435–1446 stupňů)	≈ 2615–2635 stupňů F (1435–1446 stupňů)
Maximální doporučená trvalá provozní teplota.	≈ 600 stupňů F (315 stupňů)	≈ 1200 stupňů F (650 stupňů) a více, na aplikaci
Tažnost/houževnatost po delším-vystavení vysokým teplotám	Snížené (riziko grafitizace)	Zachováno

Tabulka 2. Reprezentativní mechanické a fyzikální vlastnosti podle ASTM B160 / B161 / B162.

VybratNikl 200pro nákladově-efektivní provoz s pokojovými- až středními-teplotami v korozivních aplikacích nebo aplikacích s vysokou-vodivostí; zvolte Nickel 201 pro jakoukoli součást pracující nepřetržitě nad 600 stupňů F (315 stupňů) nebo pro svařence, které budou následně vystaveny trvalému teplu.

Výběrové kritérium	Doporučený stupeň
Obecná výroba, pod 600 stupňů F (315 stupňů)	Nikl 200
Manipulace s hydroxidem sodným při okolní/střední teplotě	Nikl 200
Trvalá služba nad 600 stupňů F (315 stupňů)	Nikl 201
Části pecí, příslušenství pro tepelné{0}}zpracování	Nikl 201
Elektrické/elektronické součástky (pohon-vodivosti)	Nikl 200
Svařované sestavy vystavené teplu v provozu	Nikl 201
Potravinářské-zařízení při pokojové teplotě	Nikl 200

Tabulka 3. Rychlý-průvodce výběrem referenčního stupně.

Když se návrh dostane do blízkosti prahové hodnoty 600 stupňů F (315 stupňů) nebo když bude součást v provozu svařována i zahřívána, je bezpečnější a standardní postup specifikovat nikl 201 spíše než riskovat grafitizaci v niklu 200. Mírný rozdíl v nákladech mezi těmito dvěma třídami je malý ve srovnání s náklady na -křehké selhání v provozu.

Krátké, příležitostné odchylky nad 600 stupňů F (315 stupňů) jsou obecně tolerovány, protože grafitizace je proces- a teploty-závislý na čase. Nikl 200 se však nedoporučuje pro nepřetržitý nebo opakovaný provoz nad touto prahovou hodnotou, kde kumulativní expozice zvyšuje riziko křehnutí.

Je Nickel 201 dražší než Nickel 200?

Nikl 201 má oproti niklu 200 obvykle skromnou cenu, což odráží další rafinaci potřebnou k udržení uhlíku na nebo pod 0,02 %. Ve vysokoteplotních aplikacích je tato prémie zanedbatelná ve srovnání s náklady na předčasné selhání způsobené křehnutím grafitu.

Mají Nikl 200 a Nikl 201 stejnou odolnost proti korozi?

Ano. Odolnost proti korozi v obou stupních vychází ze samotné niklové matrice, nikoli z obsahu uhlíku, takže nikl 200 a nikl 201 fungují stejně v žíravinách, neutrální soli a mnoha organických a potravinářských-prostředích.

Lze nikl 201 svařovat bez zvláštních opatření?

Nikl 201 se svařuje pomocí standardních postupů svařování niklu a přídavných kovů a jeho nízký obsah uhlíku ve skutečnosti snižuje riziko křehnutí tepelně-zóny ovlivněné-ve srovnání se svařováním Nikl 200. Stále platí standardní opatření pro čistotu a ochranu pro čistý nikl.

Jak se grafitizace v Nickel 200 detekuje nebo jak se jí brání?

Grafitizace se obvykle identifikuje metalografickým zkoumáním nebo ztrátou rázové houževnatosti při mechanickém testování po vystavení vysokým-teplotám. Nejspolehlivější prevencí není tepelné zpracování, ale náhrada materiálu: specifikovat nikl 201 všude tam, kde trvalá provozní teplota překročí 600 stupňů F (315 stupňů).