Никель 200 против никеля 201: низкое содержание углерода и работа при высоких-температурах

Никель 200 и никель 201 представляют собой деформируемый никель промышленной чистоты (мин. 99,6%), но небольшая разница в содержании углерода -, значительно менее одного процента - определяет, останется ли компонент пластичным или станет хрупким при повышенной температуре. В этом руководстве подробно объясняется, что означает эта разница для выбора материала, изготовления и срока службы.

В чем основная разница между никелем 200 и никелем 201?

Никель 200 (UNS N02200) и Никель 201 (UNS N02201) представляют собой технически чистые деформируемые никелевые сплавы с одинаковым базовым составом, но никель 201 имеет гораздо более низкое максимальное содержание углерода - 0.02% по сравнению с 0,15% для никеля 200 -, что предотвращает охрупчивание графита при высокой температуре и делает никель 201 необходимым выбором для непрерывной эксплуатации при температуре выше 600 градусов. F (315 градусов).

Оба сорта содержат не менее 99,0% никеля (обычно 99,6% или выше в коммерческой продукции) с небольшими, строго контролируемыми добавками марганца, железа и меди. Углерод — это единственный элемент, который намеренно ограничен в никеле 201 значительно ниже его нормального уровня, поскольку при высокой температуре углерод ведет себя совершенно по-разному в этих двух марках -, что имеет реальные последствия для прочности и ударной вязкости.

Таблица 1. Предельные значения химического состава по ASTM B160/B162 (значения указаны в массовых процентах).

Для чего лучше всего использовать никель 200?

Никель 200 лучше всего подходит для применения при комнатной- и умеренной-температуре, где требуется превосходная коррозионная стойкость, высокая тепло- и электропроводность, а также простота изготовления -, включая обработку каустической соды, пищевую промышленность, а также электронные и электрические компоненты.

Более высокое допустимое содержание углерода в никеле 200 не является дефектом -, оно просто означает, что этот сорт никогда не предназначался для длительного использования при высоких-температурах. При температуре ниже примерно 600 градусов по Фаренгейту (315 градусов) содержание углерода не оказывает существенного влияния на механическое поведение, поэтому никель 200 работает превосходно и, как правило, его производство обходится дешевле, чем никель 201 с более строгим-контролем.

Типичные применения никеля 200

• Оборудование для обработки каустической соды (гидроксида натрия) и щелочей
• Пищевое-оборудование, требующее низкого уровня загрязнения металлами
• Электрические и электронные компоненты (выводы, разъемы, экранирование)
• Химические транспортировочные бочки и контейнеры для-продуктов высокой чистоты
• Морские и пресноводные компоненты ниже 600 градусов F (315 градусов)

Что такое никель 201 и почему его используют при высоких температурах?

Никель 201 — это низкоуглеродистая версия технически чистого никеля, произведенная специально для защиты от графитации и охрупчивания при температуре выше 600 градусов F (315 градусов), что делает его стандартной маркой для деталей печей, высоко-технологического оборудования и любых никелевых компонентов, которые будут подвергаться длительному нагреву при эксплуатации.

При температуре выше примерно 600 градусов F (315 градусов) углерод в никеле 200 может выпадать из твердого раствора в виде графита, концентрируясь на границах зерен.

Этот графитовый углерод не упрочняет металл так, как карбиды укрепляют сталь -, а образует сеть слабых мест, которая резко снижает пластичность и ударную вязкость. Этот вид разрушения обычно называют высоко-охрупчиванием при высоких температурах. Поскольку содержание углерода в никеле 201 ограничено 0,02 %, его недостаточно для образования разрушающей графитовой сетки, поэтому сплав сохраняет свою пластичность и вязкость даже после длительного воздействия-температуры.

Типичные применения никеля 201

• Компоненты печи и приспособления для-термической обработки
• Испарители каустической кислоты и высокотемпературная-щелочная система
• Оборудование для электронных трубок и вакуумных-печей
• Химическое технологическое оборудование, работающее при температуре выше 600 градусов F (315 градусов)
• Сварные сборки, которые подвергаются нагреву после-сварки или в-эксплуатации выше 600 градусов F (315 градусов).

Как содержание углерода вызывает-охрупчивание при высоких температурах?

Содержание углерода контролирует риск охрупчивания, поскольку никель имеет очень низкую растворимость углерода в твердом состоянии при высокой температуре; избыток углерода осаждается в виде графита вдоль границ зерен, и чем больше углерода присутствует, тем плотнее и разрушительнее становится графитовая сетка.

Это проблема растворимости, а не проблема прочности. В отличие от стали, где углерод образует твердые, укрепляющие карбиды, количество углерода в никеле просто превышает то, что металл может удерживать в растворе при повышении температуры, а затем выпадает в виде мягкого, слабого графита. Практические последствия выбора класса являются прямыми:

Никель 201 (макс. 0,02% C): уровень углерода остается достаточно низким, поэтому графит образуется незначительно или вообще не образуется, даже после длительного воздействия температуры выше 600 градусов F (315 градусов). Пластичность и прочность сохраняются.

Никель 200 (макс. 0,15% C): Содержание углерода достаточно велико, поэтому осаждение графита становится вероятным при температуре выше 600 градусов F (315 градусов), особенно при медленном охлаждении или длительном времени выдержки, что приводит к измеримой потере ударной вязкости и пластичности.

Вот почему порог в 600 градусов по Фаренгейту (315 градусов) рассматривается как жесткая граница в спецификациях и практике проектирования, а не как грубый ориентир: ниже этого порога любой класс работает надежно; выше него для длительной эксплуатации рекомендуется только никель 201.

Каковы различия в механических и физических свойствах никеля 200 и никеля 201?

При комнатной температуре никель 200 и никель 201 имеют практически идентичные механические и физические свойства; разница становится значительной только после длительного воздействия температуры выше 600 градусов F (315 градусов), когда никель 200 теряет пластичность и ударную вязкость, а никель 201 сохраняет и то, и другое.

Таблица 2. Типичные механические и физические свойства согласно ASTM B160/B161/B162.

Какую оценку следует выбрать для своего приложения?

ВыбиратьНикель 200для экономичной-эффективности при комнатной- и умеренной-температуре в условиях коррозии или высокой-проводимости; выбирайте никель 201 для любого компонента, постоянно работающего при температуре выше 600 градусов F (315 градусов), или для сварных деталей, которые впоследствии будут подвергаться длительному нагреву.

Таблица 3. Краткое-руководство по выбору справочной оценки.

Когда температура конструкции приближается к пороговому значению 600 градусов F (315 градусов) или когда при эксплуатации компонент будет подвергаться сварке и нагреву, более безопасной и стандартной практикой является использование никеля 201, а не риска графитации в никеле 200. Незначительная разница в стоимости между двумя марками незначительна по сравнению со стоимостью хрупкого разрушения в-эксплуатации.

Часто задаваемые вопросы

Кратковременные, случайные подъемы температуры выше 600 градусов F (315 градусов) обычно допустимы, поскольку графитизация — это процесс,- и температура-зависимый. Однако никель 200 не рекомендуется для непрерывной или многократной эксплуатации при превышении этого порога, поскольку кумулятивное воздействие увеличивает риск охрупчивания.

Никель 201 дороже, чем никель 200?

Никель 201 обычно имеет небольшую надбавку к цене по сравнению с никелем 200, что отражает дополнительную очистку, необходимую для удержания углерода на уровне 0,02% или ниже. В приложениях, работающих при высоких-температурах, эта надбавка незначительна по сравнению с ценой преждевременного выхода из строя из-за охрупчивания графита.

Обладают ли никель 200 и никель 201 одинаковой коррозионной стойкостью?

Да. Коррозионная стойкость обоих марок обусловлена ​​самой никелевой матрицей, а не содержанием углерода, поэтому никель 200 и никель 201 одинаково работают в едких, нейтральных солях, а также во многих органических средах и средах пищевой-переработки.

Можно ли сваривать никель 201 без особых мер предосторожности?

При сварке никеля 201 используются стандартные методы сварки никеля и присадочные металлы, а низкое содержание углерода в нем фактически снижает риск охрупчивания зон термического-воздействия-по сравнению со сваркой никеля 200. Стандартные меры предосторожности в отношении чистоты и защиты для чистого никеля по-прежнему применяются.

Как обнаружить или предотвратить графитацию Никеля 200?

Графитизация обычно выявляется при металлографическом исследовании или потере ударной вязкости при механических испытаниях после воздействия высоких-температур. Самая надежная профилактика — это не термическая обработка, а замена материала: использование никеля 201 везде, где устойчивая рабочая температура превышает 600 градусов F (315 градусов).