Go to top

Drieluik over toepassing van nikkel en nikkellegeringen deel 1

Chemische, petrochemische en gaswinningindustrie stellen hoge materiaaleisen
 

Pulse mig lassen van Hastelloy


Er worden steeds hogere eisen gesteld door de chemische, petrochemische en gaswinningindustrie aan de toe te passen materialen. Daarbij zijn corrosie- en hittebestendigheid belangrijke eigenschappen. Deze eigenschappen, die stand moeten houden onder hoge en lage temperaturen en drukken, vindt men terug in zeer bijzondere typen corrosievast staal en in nikkellegeringen. In dit drieluik wordt dieper ingegaan op de toepassing van nikkel en nikkellegeringen.

Auteurs Robert van Voorst en Karel Bekkers/ Titan Projects
 

Materiaalkeuzen binnen de chemische, petrochemische en gaswinningindustrie zijn van het hoogste belang voor deze industrieën. Naast de noodzakelijke, toenemende procesefficiëntie is het van groot belang het milieu zo weinig mogelijk te belasten. De corrosievaste staalsoorten, die normaliter voor deze toepassingen worden gebruikt, kunnen veelal niet voor honderd procent voldoen aan de hoge weerstand bij hoge temperaturen tegen zowel kruip als oxidatie. Daarom wordt er steeds meer uitgeweken naar zeer bijzondere types corrosievast staal en naar nikkellegeringen.

Nikkel laat zich goed vervormen
 

Nikkel wordt in vorm van nikkelsulfide of nikkelsilicaat gewonnen o.a. in landen als Cuba, China, Canada, Rusland en Nieuw Caledonië. Het is een zilverwit metaal, dat meestal wordt toegepast als legeringelement in laaggelegeerd staal, corrosievast staal en in nikkellegeringen.
Het voordeel van nikkel is dat het zich goed laat vervormen bij hoge en bij lage temperatuur. Een andere eigenschap is dat het een hoge kerftaaiheid heeft. Dit komt door de opbouw van het materiaal, welke bestaat uit een kubisch vlakken gecentreerd kristalrooster.
Een nadeel van nikkel, dat normaliter o.a. wordt begeleid door 1% kobalt ook de elementen zuurstof en zwavel bevat. Deze twee elementen hebben een negatieve invloed op de taaiheid. Dit kan worden verholpen door de toevoeging van mangaan of magnesium.

Nikkellegeringen in twee hoofdgroepen
 

Je kunt nikkellegeringen onderverdelen in twee hoofdgroepen, te weten hittebestendige nikkellegeringen en corrosiebestendige nikkellegeringen. In de eerste groep vallen nikkel – chroom of nikkel – chroom – ijzerlegeringen. Om de weerstand tegen oxidatie en kruip te verhogen worden deze materialen, die een relatief hoog koolstofgehalte hebben, meestal gelegeerd met elementen als aluminium, niobium, silicium en/of titaan.
Corrosiebestendige nikkellegeringen bevatten minimaal 15% chroom (voor oxiderende media), in reducerende media wordt bovendien het element molybdeen toegevoegd.
 

Figuur 1
 

Nikkel-/koperlegeringen
 

De meest bekende nikkel-/koperlegering is Monel®, een legering, die bestaat uit ca. 70% nikkel en circa 30% koper. De elementen nikkel en koper zijn in alle verhoudingen onderling in elkaar oplosbaar (zie figuur 1). Monel vindt men veelal terug in industrieën voor zoutwinning, waterzuivering en chemie, maar het wordt ook veel toegepast op schepen.
De nikkel-/koperlegering Monel, dat in de basisvorm uit ruwe erts wordt gewonnen, kent vele varianten, met mechanische eigenschappen afhankelijk van de toegevoegde legeringselementen. Het meest bekend is de nikkel-/koperlegering van Monel met 3% aluminium, het zogenaamde K-Monel. Door een warmtebehandeling op circa 600 ºC kan deze legering door precipitatie van Ni 3Al in sterkte toenemen. Een andere belangrijke variant is een nikkel-/koperlegering waaraan circa 2,5% ijzer is toegevoegd. Deze legering, Monel 400 genaamd, is vanwege de uitstekende corrosieweerstand goed toepasbaar bij stromend zeewater, ontziltingsinstallaties en toepassingen in de farmaceutische en petrochemische industrie. Een Monel-variant die zich beter laat verspanen, is R-Monel. Dit wordt veroorzaakt door toevoeging van enkele tienden van procenten aan zwavel. Een nadeel hierbij is echter dat de lasbaarheid nagenoeg verdwijnt. Verder zijn er nog gietlegeringen met 3% á 5% silicium, aangeduid als H-Monel of S-Monel.

Nikkel-/chroomlegeringen goed vervormbaar
 

Kijken we naar nikkel en chroom (NiCr) dan zien we legeringen die goed vervormbaar zijn, althans tot een chroomgehalte van circa 20%. Overigens komen zuivere binaire legeringen niet veel voor. Zelfs zuivere ternaire legeringen van nikkel, chroom en ijzer (NiCrFe) niet; deze worden in de meeste gevallen gelegeerd met elementen als aluminium, molybdeen, niobium, titaan en/of zeldzame aarden.
Andere eigenschappen van nikkel-/chroomlegeringen. Bij toevoeging van 1 tot 2% aluminium en 2,5% titaan, wordt door precipitatie de forse verhoging van de sterkte en een verhoging van de oxidatieweerstand bij hoge temperatuur bereikt. Daarbij blijft de vervormbaarheid goed. Deze legeringen worden onder andere toegepast in onderdelen van verbrandingsmotoren, waaronder uitlaatkleppen.
Voor toepassingen in vloeibare media (met een temperatuur van circa 400 ºC) is het mogelijk een goede weerstand tegen natchemische corrosie op te bouwen door toevoeging van het element molybdeen. In gasvormige media (tot circa 1.200 ºC) zijn nikkel-chroom-ijzerlegeringen geschikt materiaal tegen hoge temperatuurcorrosie.

Eigenschappen legering bepaalt toepassingsgebied
 

De inzet van een legering is afhankelijk van de eigenschappen, die worden vereist bij een bepaalde toepassing. Daarbij moeten effecten als scaling, opkoling en verbrossing worden voorkomen. Ook kan de bedrijfstemperatuur aanzienlijk dalen als er niet wordt gekozen voor de juiste legering in bepaalde omstandigheden.
Richten we ons op NiCr-, NiCrFe-, NiCrMo- en NiCrMoFe-legeringen dan zien we dat Alloy 600-, Alloy 601- en Alloy 800 geschikte legeringen zijn vanwege de corrosievastheid of hittebestendigheid. Daarbij is het koolstofgehalte bepalend. De legering Alloy 625 heeft beide eigenschappen.
- Scaling (overmatige oxidatie) kan optreden in gasvormige media bij hoge, vaak flink schommelende temperaturen. Er is sprake van scaling als de oxidatiehuid van de hittebestendige legering aangroeit met een snelheid die hoger is dan 1 mm per jaar en afspringt. Legeringen die een goedhechtende oxidehuid hebben, zijn Alloy 600 en 601. Bij lucht als gasvormig medium kunnen zij goed tegen scaling worden ingezet.

- Opkoling (koolstofopname) is een toestand waarbij chroomcarbiden ontstaan die hittebestendige legeringen verbrossen. Dit kan worden veroorzaakt door de aanwezigheid van koolmonoxide en koolwaterstoffen in een atmosfeer van reducerende gassen (zuurstofbindend) bij temperaturen, hoger dan 800ºC. Een ander negatief effect bij opkoling is ontchroming, waardoor het materiaal haar weerstand tegen oxidatie verliest. Onder deze omstandigheden kan het beste worden gekozen voor een legering met een hoog nikkelgehalte, daarnaast is X10 NiCrAlTi 32.20 een goede keuze.

- Verbrossing (vorming van harde en brosse nitriden) van legeringen komt voor als gevolg van stikstofopname. Die opname treedt op bij contact met gasmengsels zonder zuurstof, met puur stikstof of gekraakt ammoniak en bij temperaturen tussen de 400 en 500 ºC. Dan vormen zich chroom- en/of molybdeen-, aluminium- en titaannitriden. Om de stikstofabsorptie te laten afnemen, zal het gas enig (ten minste 0,1% of meer) zuurstof moeten bevatten.
Er kan zich dan een oxidelaag vormen, wat de stikstofopname vermindert. In de praktijk wordt voor deze toepassingen vaak de legering X10 NiCrAlTi 32.20 gekozen of de in hoger nikkel gelegeerde legering.

- De bedrijfstemperatuur van hittebestendige legeringen is onder andere afhankelijk van de kwaliteit van de oxidehuid. Door beschadiging van deze laag en door de vorming van de laagsmeltende fase Ni2S kan de maximale bedrijfstemperatuur aanzienlijk worden verlaagd. Die omstandigheid kan worden veroorzaakt door verbrandingsgassen van zwavelhoudende mineralen, die onder oxiderende omstandigheden SO2 bevatten en onder reducerende omstandigheden H2S.
In een oxiderende atmosfeer (SO2) is de maximale bedrijfstemperatuur van de legering X10 NiCrAlTi 32.20 circa 900 ºC, waarbij de legering NiCrFe 15 een maximum bereik heeft van 800 ºC. Daarentegen is de maximale bedrijfstemperatuur van beide legeringen onder reducerende omstandigheden gelijk, namelijk circa 800 ºC.
Bij aanwezigheid van verbrandingsresten die natrium, kalium, ijzer of vanadium bevatten in de vorm van sulfaten, chloriden of oxiden, wordt boven de 650 ºC een hinderlijke aantasting waargenomen. Dit is veelal een interkristallijne aantasting via de carbiden c.q. de ontchroomde matrix.
De lasbaarheid kan overigens per nikkellegering en per applicatie verschillen, afhankelijk van de leveringstoestand van het materiaal.

Hoognikkelhoudende legeringen kunnen in de volgende leveringscondities worden aangeleverd:
• Warm- of koudgewalste plaat of pijp
• Gegoten pijpen
• Gesmede constructies.
Bovengenoemde hoognikkelhoudende legeringen vinden hun belangrijkste toepassing in de volgende takken van de industrie n.l.: energieopwekking, kolenveredeling, millieubeheersingsinstallaties, olie- en gaswinning, off-shore industrie en toepassingen in de ovenbouw.
 

Monel400 leiding voor zoutproductie
 

Mechanische eigenschappen kunnen sterk verschillen
 

Hittebestendige nikkellegeringen, zoals NiCr en NiCrFe, kunnen sterk verschillende mechanische eigenschappen bevatten. De precipiterende elementen zijn daarbij bepalend evenals de warmtebehandeling die de legering wel dan niet heeft ondergaan.

De mechanische eigenschappen van corrosieve legeringen, die molybdeen bevatten zoals NiCrMo en NiCrMoFe-legeringen, liggen echter niet te veel uit elkaar. Dit betreft de 0,2% rekgrens, de treksterkte en de rek, waarbij de rekgrens globaal tussen 200 en 350 N/mm² ligt, de treksterkte tussen de 500 en 800 N/mm² en de rek tussen de 20 en 40%.

Afzetgebieden hoog nikkelhoudende legeringen
 

De meeste nikkellegeringen staan bekend onder gedeponeerde handelsnamen. Dit zijn onder andere Inconel®, Hastelloy®, het eerder aangehaalde Monel® en Nickel®. Afzetgebieden waar de legeringen worden toegepast, zijn vaak zware industrieën, zoals energieopwekking, kolenveredeling, milieubeheersinstallaties, olie- en gaswinning, offshore industrie en toepassingen bij hoge temperaturen, zoals ovenbouw. Deze legeringen kunnen worden aangeleverd in de vorm van warm- of koudgewalste pijpen of platen, gegoten pijpen of gesmede constructies. Daarbij kan de lasbaarheid per nikkellegering en per toepassing verschillen.

Dit is het einde van deel 1.
In het volgende deel worden de onderwerpen warmtebehandeling en aandachtspunten bij het lassen van nikkellegeringen behandeld.

Klik hier voor Deel 2 van dit artikel.

Nieuwsbrief

Schrijf u nu in voor onze nieuwsbrief en blijf op de hoogte van alle niet te missen ontwikkelingen in de Aluminium en Roestvast Staal branche.

Velden met een * zijn verplicht