Q1: در کاربردهای صنعتی، نیکل 200 و نیکل 201 تقریباً یکسان به نظر می رسند. مهم‌ترین تفاوت متالورژیکی که مهندسان را مجبور می‌کند یکی را بر دیگری انتخاب کنند، به‌خصوص در محیط‌های{4}در دمای بالا چیست؟
پاسخ: در حالی که هر دو نیکل 200 (UNS N02200) و نیکل 201 (UNS N02201) آلیاژهای نیکل فرفورژه خالص تجاری با مقاومت در برابر خوردگی عالی هستند، محتوای کربن تمایز تعیین کننده ای است که کاربرد آنها را به ویژه در مورد دما تعیین می کند.
نیکل 200 دارای محتوای کربن تا 0.15٪ است.
نیکل 201 نسخه "کم{1}}کربن" است، با حداکثر محتوای کربن 0.02%.
این تفاوت ممکن است بر روی کاغذ جزئی به نظر برسد، اما در عمل به دلیل پدیده ای به نام گرافیتی شدن بسیار مهم است.
در دماهای بالا (معمولا بالای 315 درجه یا 600 درجه فارنهایت)، کربن موجود در نیکل 200 ناپایدار می شود. با گذشت زمان، می تواند از محلول جامد رسوب کند و لایه های گرافیتی را در مرزهای دانه تشکیل دهد. این فرآیند که گرافیتی شدن نامیده می شود، مواد را شکننده می کند. یک جزء که زمانی انعطاف پذیر و قوی بود می تواند ناگهان در اثر تنش ترک بخورد یا از کار بیفتد زیرا مرزهای دانه به طور موثر توسط گرافیت شکننده "چسبانده شده اند".
نیکل 201، با محتوای کربن به شدت کاهش یافته، عملاً خطر گرافیت شدن را از بین می برد. بنابراین، قانون کلی صنعت روشن است:
از نیکل 200 برای کاربردهای زیر 315 درجه (مثلاً تبخیرکننده های سوزاننده در دماهای متوسط، تجهیزات پردازش مواد غذایی) استفاده کنید.
همیشه نیکل 201 را برای هر برنامه ای که شامل قرار گرفتن در معرض مداوم در دمای بالای 315 درجه است مشخص کنید. این Ni 201 را به انتخاب استاندارد برای اجزایی مانند مخازن راکتور شیمیایی، لوله‌های سوپرهیتر و اسپارگرها در محیط‌های سوزاننده با دمای بالا تبدیل می‌کند.
علاوه بر این، این محتوای کربن کم، مقاومت برتر Ni 201 را در برابر حمله بین دانه ای (حساسیت) در سناریوهای خاص جوشکاری می دهد، و آن را به ماده ای بهتر برای ساخت تبدیل می کند.
Q2: ما در حال طراحی یک سیستم اواپراتور سود سوزآور (هیدروکسید سدیم) هستیم. محیط دارای غلظت{2}بالایی NaOH در دماهای بالا است. چرا نیکل 201 ماده محک برای این برنامه خاص است و کجا شکست می‌خورد؟
پاسخ: نیکل 201 به طور گسترده به عنوان ماده برتر ساخت و ساز برای جابجایی سود سوزآور در نظر گرفته می شود، به ویژه در تولید خود سود سوزآور (صنعت کلر-قلیایی). برتری آن در این زمینه به دلیل ترکیبی منحصر به فرد از عوامل است:
مصونیت در برابر ترک خوردگی ناشی از استرس سوزاننده (SCC): فولادهای ضد زنگ، به ویژه گریدهای آستنیتی مانند 304 و 316، در دماها و غلظت های بالا به SCC حساس هستند. نیکل 201، که یک آلیاژ نیکل خالص است، حاوی آهن به عنوان ماده اصلی آن نیست و دارای ساختار مکعبی در مرکز{4}} است که ذاتاً در برابر این نوع ترک‌خوردگی مقاوم است.
تشکیل یک لایه اکسید محافظ: نیکل یک لایه نازک، مستحکم و محافظ از اکسید نیکل را بر روی سطح خود تشکیل می دهد. در محیط های سوزاننده، این لایه پایدار است و از خوردگی سریع بیشتر جلوگیری می کند که منجر به نرخ خوردگی بسیار پایین و قابل پیش بینی می شود.
سازگاری با دما{0}بالا: همانطور که در سوال قبلی بحث شد، محتوای کربن پایین Ni 201 تضمین می‌کند که در دماهای بالا (اغلب 150 تا 200 درجه یا بالاتر) که در تبخیر سوزاننده برای افزایش غلظت استفاده می‌شود، انعطاف‌پذیر و مقاوم در برابر شکنندگی باقی بماند.
کجا "شکست" می شود یا نیاز به احتیاط دارد؟
مقاومت در برابر خوردگی Ni 201 به شدت به محیط بستگی داردخالصسوزاننده
وجود اکسید کننده ها: اگر جریان سوز آور با عوامل اکسید کننده قوی مانند کلرات ها، هیپوکلریت ها یا یون های فلزات سنگین (مانند مس، آهن) آلوده شود، لایه اکسید محافظ می تواند شکسته شود و منجر به خوردگی موضعی تسریع شده و شدید شود.
اسیدهای پلی تیونیک: اگرچه در یک سرویس سوزاننده خالص رایج نیستند، اگر ترکیبات گوگردی معرفی شوند، Ni 201 ممکن است آسیب ببیند.
هوادهی: در حالی که محلول‌های سوزاننده با هوادهی بالا (اکسیژن{0}}اشباع شده) به طور کلی خوب هستند، می‌توانند نرخ خوردگی را در مقایسه با محلول‌های بدون هوادهی افزایش دهند.
به طور خلاصه، برای محیط‌های سوزاننده خالص یا با خلوص{0} بالا در دماها و غلظت‌های بالا، نیکل 201 ترکیبی بی‌نظیر از مقاومت در برابر خوردگی و یکپارچگی مکانیکی را ارائه می‌کند.
Q3: ما یک سازنده جدید برای جوشکاری نیکل 201 هستیم. شنیده ایم که در مقایسه با فولاد ضد زنگ "لمس" است. رایج ترین مشکلات در جوشکاری Ni 201 چیست و چه روش های خاصی یک جوش مقاوم در برابر خوردگی- را تضمین می کند؟
پاسخ: شما درست می گویید؛ جوشکاری نیکل 201 نیاز به رشته متفاوتی نسبت به جوشکاری فولاد ضد زنگ دارد. لزوماً دشوارتر نیست، اما نسبت به اعمال ضعیف کمتر بخشنده است. هدف اصلی حفظ خلوص و مقاومت در برابر خوردگی مواد، اجتناب از آلودگی است که می تواند منجر به ترک خوردگی یا شکنندگی شود.
در اینجا رایج ترین مشکلات و روش های تضمین یک جوش با کیفیت آورده شده است:
مشکلات رایج:
تخلخل: نیکل در حالت مذاب حلالیت بالایی برای گازها دارد، اما با جامد شدن، این حلالیت به شدت کاهش می یابد. اگر محافظ ناکافی باشد، گازها (به ویژه اکسیژن، نیتروژن و هیدروژن) به دام می افتند و تخلخل ایجاد می کنند.
ترک داغ: آلیاژهای نیکل در صورت وجود ناخالصی هایی مانند گوگرد، فسفر، سرب یا فلزات با نقطه ذوب پایین، آلیاژهای نیکل مستعد ترک خوردگی گرم (ترک انجماد) هستند.
از دست دادن شکل‌پذیری: آلودگی کربن (مثلاً از گریس یا روغن) می‌تواند منجر به بارش کاربید در منطقه تحت تأثیر گرما شود و مقاومت در برابر خوردگی و شکل‌پذیری را کاهش دهد.
رویه های جوشکاری ضروری ("قوانین"):
تمیز کردن دقیق (قانون شماره 1): ناحیه جوش و فلز پرکننده باید از نظر جراحی تمیز باشند. تمام گریس، روغن، رنگ، کثیفی و جوهر مارک را با استفاده از یک حلال آزاد هالوژن- (مانند استون) پاک کنید. لایه های اکسیدی باید با وسایل مکانیکی (برس سیمی فولاد ضد زنگ) برداشته شوندفقط به نیکل اختصاص داده شده استیا سنگ زنی) بلافاصله قبل از جوشکاری.
جداسازی دقیق مواد: از ابزارهایی (برس، آسیاب) استفاده کنید که هرگز روی فولاد استفاده نشده است. ذرات آهن و فولاد می توانند سطح نیکل را آلوده کرده و منجر به مشکلات خوردگی شوند.
گاز محافظ مناسب: از مخلوط های 100% آرگون یا آرگون{1}هلیوم استفاده کنید. از جریان گاز کافی اطمینان حاصل کنید و از لنز گازی برای بهبود پوشش استفاده کنید. سپرهای دنباله دار ممکن است برای هندسه های پیچیده یا کاربردهای حیاتی برای محافظت از جوش خنک کننده و گرما{4}}در مقابل اکسیداسیون ضروری باشند.
انتخاب فلز پرکننده: فلز پرکننده مناسب معمولاً ERNi-1 است. این پرکننده به طور خاص برای جوشکاری نیکل 200 و 201 طراحی شده است و حاوی مواد اکسید کننده (مانند تیتانیوم و آلومینیوم) برای مقابله با تخلخل است.
کنترل ورودی گرما: از ورودی گرمای کم استفاده کنید. تکنیک "مهره رشته" با حداقل بافت ترجیح داده می شود. گرمای بیش از حد می‌تواند منجر به رشد دانه‌ها، ترک‌خوردگی داغ، و منطقه تحت تأثیر گرمای وسیع‌تر- شود. دمای بینگذر باید نسبتاً پایین نگه داشته شود (زیر 150 درجه فارنهایت / 65 درجه).
راه‌اندازی قوس: از-شروع یا استارت با فرکانس بالا در برگه‌های خاموش-استفاده کنید. روی سطح ماده اصلی قوس نزنید، زیرا این کار یک نقطه کوچک و آلوده ایجاد می کند که می تواند محلی برای شروع ترک باشد.
با برخورد با Ni 201 با احترامی که-به ویژه در مورد تمیزی-ساختارها لازم است، می توانند جوش هایی تولید کنند که به اندازه فلز پایه محکم و مقاوم در برابر خوردگی- هستند.
Q4: فراتر از صنعت فرآیند شیمیایی، نیکل 201 در چه صنایع پیشرفته یا تخصصی دیگری ضروری است و چرا مشخصات دارایی آن منحصراً برای آنها مناسب است؟
پاسخ: در حالی که صنعت سوزاننده معروف ترین کاربرد آن است، ترکیب منحصر به فرد نیکل 201 از خواص-خلوص بالا، انبساط حرارتی کنترل شده، ویژگی های مغناطیسی و مقاومت در برابر خوردگی-آن را در چندین بخش{3}فناوری پیشرفته دیگر حیاتی می کند.
الکترونیک و هوافضا:
کاربرد: قطعات در دستگاه های الکترونیکی، مانند جعبه های باتری برای کاربردهای فضایی و ماهواره ای، و قطعات برای موتورهای موشک و رانشگر.
چرا Ni 201؟ می‌توان آن را به راحتی شکل داد و به شکل‌های پیچیده-تشکیل داد. ضریب انبساط حرارتی کنترل‌شده آن به مدیریت تنش‌های حرارتی در هنگام اتصال به مواد دیگر مانند سرامیک یا شیشه در ورودی‌های الکترونیکی و اجزای هرمتیک کمک می‌کند. توانایی آن در حفظ شکل‌پذیری در دماهای برودتی نیز یک دارایی بزرگ برای سیستم‌های سوخت هوافضا است.
سودا-تولید شیشه آهکی (جایگزین پلاتین):
کاربرد: همزن ها، لوله های محافظ ترموکوپل، و تجهیزات جابجایی برای{0}}شیشه آهک مذاب سودا.
چرا Ni 201؟ شیشه مذاب برای اکثر فلزات به شدت خورنده است. نیکل 201 مقاومت بسیار خوبی در برابر خوردگی توسط شیشه آهک مذاب نشان می دهد، در درجه اول به این دلیل که به راحتی اکسیدهایی را تشکیل نمی دهد که شیشه را آلوده کند (بر خلاف آلیاژهای آهن{4} که می تواند باعث تغییر رنگ شود). این یک جایگزین مقرون‌به‌صرفه برای پلاتین در بسیاری از برنامه‌های تماس شیشه‌ای غیر بحرانی است.
تولید الیاف مصنوعی (Spinnerets):
کاربرد: اسپینرها و تجهیزات مربوطه که برای اکسترود کردن الیاف مصنوعی مانند ابریشم مصنوعی استفاده می شود.
چرا Ni 201؟ فرآیند ویسکوز برای ساخت ریون شامل مواد شیمیایی تهاجمی است. Ni 201 مقاومت لازم در برابر خوردگی را ارائه می دهد. علاوه بر این، ساختار یکنواخت و سطح غیر واکنشی آن امکان تولید الیاف با قطر و سطح ثابت را فراهم می کند که برای کیفیت نساجی بسیار مهم است.
در این برنامه‌ها، موضوع فقط «زنگ نشدن» نیست. این در مورد خلوص (جلوگیری از آلودگی محصول)، شکل پذیری، و خواص فیزیکی قابل پیش بینی در شرایط شدید است.
Q5: یک مهندس نیکل 201 را برای قطعه ای که در دمای 350 درجه (660 درجه فارنهایت) کار می کند مشخص کرده است. ملاحظات کلیدی خواص مکانیکی که آنها باید در طراحی خود لحاظ کنند، چیست، زیرا این ویژگی ها به طور قابل توجهی با دمای اتاق متفاوت است؟
پاسخ: طراحی برای خدمات دمای بالا مستلزم تغییر در تفکر از طراحی دمای محیط است. در 350 درجه، خواص نیکل 201 به طور قابل توجهی تغییر کرده است، و طراحی مبتنی بر داده‌های دمای اتاق{3}}می‌تواند منجر به خرابی زودرس شود.
در اینجا ملاحظات حیاتی برای عملکرد یک قطعه در 350 درجه وجود دارد:
کاهش بازده و استحکام کششی: مانند اکثر فلزات، نیکل 201 با افزایش دما، استحکام خود را از دست می دهد. تنش طراحی مجاز (تنشی که قطعه می تواند با خیال راحت تحمل کند) باید کاهش یابد. مهندس باید کد ASME بویلر و مخزن تحت فشار (یا استاندارد محلی مربوطه) را برای حداکثر مقادیر تنش مجاز در 350 درجه رصد کند. این مقادیر به طور قابل توجهی کمتر از دمای اتاق هستند.
خزش و استرس{0}}پارگی: این شاید مهم‌ترین نکته باشد. در 350 درجه، نیکل 201 در یک محدوده دمایی قرار دارد که می‌تواند تحت بار ثابت تحت بار ثابت تحت خزش{4}}تغییر شکل پلاستیک وابسته به زمان- قرار گیرد، حتی اگر تنش کمتر از قدرت تسلیم ماده باشد.
مهندس نه تنها باید تنش لحظه ای را در نظر بگیرد، بلکه باید کرنشی را نیز در نظر بگیرد که در طول عمر طراحی قطعه جمع می شود. به عنوان مثال، یک اتصال پیچ شده ممکن است در طول زمان به دلیل آرامش خزش، پیش بار خود را از دست بدهد.
طراحی باید بر اساس داده‌های پارگی{0}}تنشی باشد، که به شما می‌گوید سطح تنشی که بعد از چند ساعت مشخص در آن دما باعث خرابی می‌شود (مثلاً قدرت گسیختگی 100000 ساعت).
انبساط حرارتی: نیکل 201 ضریب انبساط حرارتی نسبتا بالایی دارد. در سیستمی که در 350 درجه کار می‌کند، انبساط و انقباض حرارتی در طول چرخه‌های راه‌اندازی-خاموش و خاموش شدن{4}}می‌تواند تنش‌های قابل‌توجهی ایجاد کند. طرح باید این حرکت را از طریق:
چیدمان مناسب سیستم های لوله کشی با حلقه های انبساط یا دم.
طراحی دقیق اتصالات فلنجی و تکیه‌گاه‌های تجهیزات برای امکان رشد حرارتی بدون محدودیت بیش از حد-جزء.
اکسیداسیون: در حالی که Ni 201 دارای مقاومت اکسیداسیون خوبی است، در 350 درجه در هوا، به آرامی مقیاس اکسید را تشکیل می دهد. برای بخش‌ها یا اجزای نازک با تلورانس‌های تنگ (مانند قطعات ابزار)، ممکن است این مقیاس‌بندی آهسته در طول عمر بسیار طولانی در نظر گرفته شود.
به طور خلاصه، طراحی با Ni 201 در 350 درجه یک مشکل طراحی وابسته به زمان-است. مهندس باید از محاسبات ساده استحکام به تجزیه و تحلیل های مربوط به سرعت خزش، تنش{4}}عمر پارگی، و خستگی حرارتی برای اطمینان از عملکرد طولانی مدت-ایمن حرکت کند.
