2.19 ΝΙΚΔΛΙΟ ΚΑΙ ΚΡΑΜΑΣΑ ΝΙΚΔΛΙΟΤ

Transcript

1 2.19 ΝΙΚΔΛΙΟ ΚΑΙ ΚΡΑΜΑΣΑ ΝΙΚΔΛΙΟΤ 1. ΔΙΑΓΩΓΗ Σα ονόματα «νικζλιο» και «κοβάλτιο» δόκθκαν από τουσ ανκρακωρφχουσ του Freiberg / Γερμανία, όπου εξόρυςςαν μετάλλευμα χαλκοφ ςτθ μεςαιωνικι εποχι. Σο νικζλιο ωσ χθμικό ςτοιχείο ανιχνεφκθκε όχι πριν από 1751 από τον κ.cronstedt. τθ φφςθ, το νικζλιο είναι κατά κφριο λόγο παρόν ςαν ςουλφίδιο και οξείδιο, κακϊσ και ςε ενϊςεισ με αρςενικό, αντιμόνιο και πυρίτιο. Σα πιο ςθμαντικά κειοφχα κοιτάςματα βρίςκονται ςτον Καναδά και τθ Ρωςία, τα κοιτάςματα με οξείδιο διανζμονται ςε όλο τον κόςμο, κυρίωσ ςτθν ηϊνθ του Ιςθμερινοφ. Σο νικζλιο είναι κατά κφριο λόγο ζνα κραματικό ςτοιχείο που περιζχεται ςε περίπου είδθ χάλυβα και κραμάτων. Από το ςφνολο του εξευγενιςμζνου νικελίου ςτθ Γερμανία περίπου το 70% καταναλϊνεται από τθ βιομθχανία χάλυβα. Σο 60% χρθςιμοποιείται για τθν παραγωγι ανοξείδωτου και ανκεκτικοφ ςε υψθλζσ κερμοκραςίεσ χάλυβα. Για κράματα νικελίου και μθ ςιδθροφχα κράματα χρθςιμοποιείται περίπου το 20%,ενϊ το υπόλοιπο 10% χρθςιμοποιείται ςτθν βιομθχανία γαλβανιςμοφ, τθν παραγωγι μπαταριϊν και ςε χυτιρια ςιδιρου. Ο μεγαλφτεροσ χριςτθσ είναι θ χθμικι και μεταποιθτικι βιομθχανία με 35%, ακολουκοφμενθ από μθχανολογικζσ εφαρμογζσ, τθν παράκτια (off-shore) βιομθχανία και τθ βιομθχανία καταναλωτικϊν αγακϊν. Μια επιςκόπθςθ τθσ παγκόςμιασ αγοράσ για τα κράματα νικελίου ανάλογα με τον τφπο τουσ προϊόντοσ φαίνεται ςτο ςχιμα 1. Σχιμα 1.Θ παγκόςμια κατανάλωςθ από κράματα νικελίου ετθςίωσ-κατατάςςονται ανάλογα με τα προϊόντα. 1

2 2. ΚΑΣΗΓΟΡΙΟΠΟΙΗΗ Ονοματολογία Πρακτικά, πολλά κράματα νικελίου δεν ορίηονται από μία τυποποιθμζνθ ςφντομθ περιγραφι τουσ, αλλά με τθν γενικι ονομαςία τουσ. Μια τζτοια γενικι ονομαςία κα ξεκινιςει αυτι τθ ςτιγμι που κα ειςαχκεί μια ευρεςιτεχνία ι ζνα εμπορικό ςιμα κάποιου προϊόντοσ που προςτατεφεται από μία πατζντα χωρίσ κανζνα άλλο ανταγωνιςμό με αποτζλεςμα να κυριαρχιςει ςτθν αγορά. Ζνα χαρακτθριςτικό παράδειγμα είναι, θ ονομαςία «κράμα C-22» (γενικι ονομαςία). Αυτό το όνομα ζχει εξαχκεί από το «HASTELLOY C-22 Alloy», ζνα εμπορικό ςιμαπροςτατευόμενθσ ονομαςίασ προϊόντοσ τθσ εταιρείασ HayneInternationalInc. Πίνακασ 1. Ομάδεσ εμπορικϊν ςθμάτων επιλεγμζνων κραμάτων νικελίου και τα χαρακτθριςτικά τουσ. Υπζρ-ΚράματαΝικελίου(Nickel Super Alloys) Σα υπερ-κράματατου νικελίου χαρακτθρίηονται ωσ κράματα με βάςθ το νικζλιο,και μία ποικιλία άλλων κραματικϊν ςτοιχείωνόπωσco, Ni, Fe, Cr, Μο, W, Re, Ru, Ta, Cb, ΑΙ, Σi, Μn, Zr, C και Β. Είναι κατάλλθλα κυρίωσ για εφαρμογζσ πολφ υψθλϊν κερμοκραςίων. Αυτά τα βαςικά υλικά ςυνικωσ χαρακτθρίηονται από περίπλοκεσ ςυνκζςεισ ενδομεταλικϊν ενϊςεων μζςα ςτθ μικροδομι τουσ και είναι ανκεκτικά ςε υψθλζσ κερμοκραςίεσ, τόςο όςον αφορά τθν οξείδωςθ όςο και ςτον ερπυςμό. Βρίςκουν εφαρμογι ςτθν βιομθχανία των τουρμπίνων και τισ μονάδεσ παραγωγισ ενζργειασ, κακϊσ και ςτον τομζα τθσ αεροναυπθγικισ. Κατθγοριοποίθςθ ςφμφωνα με το πρότυπο ISO / TR Για ςυγκολλιςεισ και ςχετικζσ διεργαςίεσ, το νικζλιο και τα κράματα νικελίου κατατάςςονται ςε ομάδεσ ςφμφωνα με το ISO/TR Οι ομάδεσ αυτζσ, ςε ςυνδυαςμό με παραδείγματα κραμάτων, εμφανίηονται ςτον πίνακα 2. Μια περαιτζρω κατθγοριοποίθςθ αυτϊν των ομάδων δεν προβλζπεται οφτε μπορεί να εφαρμοςτεί από το ςυγκεκριμζνο 2

3 ζγγραφο. Θ κατάταξθ αυτι είναι εντελϊσ αςφμβατθ με το αρικμθτικό ςφςτθμα ταξινόμθςθσ ςφμφωνα με το ISO 9722 και το IS TR Πίνακασ 2. Ομάδα κατάταξθ του νικελίου και κράματα νικελίου ςφμφωνα με το CEN ISO / TR ΤΣΗΜΑΣΑ ΚΡΑΜΑΣΩΝ Σο μεγαλφτερο μζροσ των κραμάτων νικελίου είναι ςτερεά διαλφματα κραμάτων που κρυςταλλϊνονται ςτο εδροκεντρωμζνο κυβικό πλζγμα. Εκτόσ από αυτά, υπάρχουν και κάποιεσ μικρότερεσ ομάδεσ κραμάτων ερπυςμοφ, τα οποία κάνουν χριςθ τεχνικϊν ςκλιρυνςθσ με διαςπορά φάςεων κατακριμνιςθσ. Πίνακασ 3.Χαρακτθριςτικζσ ιδιότθτεσ των κραμάτων νικελίου. 3

4 3.1 ΚΑΘΑΡΟ ΝΙΚΔΛΙΟ ΝΙΚΕΛΙΟ ΚΑΙ ΚΡΑΜΑΣΑ ΝΙΚΕΛΙΟΤ Σο κακαρό νικζλιο είναι ζνα υλικό αςθμζνιου χρϊματοσ με γυαλιςτερι επιφάνεια, ζχει ατομικό αρικμό 28 και ατομικό βάροσ 58,71. Ζχει πυκνότθτα 8,9 g / cm³. υνικεισ εμπορικοί τφποι κακαροφ νικελίου ζχουν ποςοςτό κακαρότθτασ από 99,0 ζωσ 99,8%. Για εξαρτιματα προσ ςυγκόλλθςθ χρθςιμοποιοφνται μόνο τα υλικά LC-Ni99 και LC-Ni99.6 (LC = χαμθλισ περιεκτικότθτασ ςε άνκρακα), όπου θ περιεκτικότθτα ςε C περιορίηεται ςε μζγιςτο 0,02%. Αυτι περιεκτικότθτα ςε C παραμζνει διαλυτοποιθμζνθ όταν κερμαίνεται.οι υψθλότερεσ περιεκτικότθτεσ κατακρθμνίηονται ωσ γραφίτθσ, ζχοντασ αρνθτικζσ ςυνζπειεσ για τθν ολκιμότθτα του κράματοσ (π.χ. ςτθνκερμικά επθρεαςμζνθ ηϊνθ των ςυγκολλιςεων). Σο κακαρό νικζλιο ζχει όπωσ και όλα τα ςτερεά διαλφματα κραμάτων νικελίου μια εδροκεντρωμζνθ κυβικι κρυςταλλικι δομι και δεν υπόκειται ςε αλλοτροπικζσ μεταβολζσ. Για αυτό τον λόγο δεν μπορεί να ςκλθρφνει με μία μζκοδο βαφισ και επαναφοράσ. Σο ςθμείο Curie του είναι 360 C, δθλαδι το κακαρό νικζλιο είναι ςιδθρομαγνθτικό ςτθ κερμοκραςία δωματίου και γίνεται μθ μαγνθτικό ςε κερμοκραςίεσ άνω των 360 C. ε ςφγκριςθ με τα κράματα νικελίου, το κακαρό νικζλιο ζχει χαμθλό όριο διαρροισ,περίπου 100 N/mm², και αντοχι ςε εφελκυςμό περίπου 400 N / mm², υψθλζσ τιμζσ επιμικυνςθσ και μείωςθσ διατομισ, κακϊσ και πολφ υψθλζσ τιμζσ κροφςθσ ακόμα και ςε χαμθλζσ κερμοκραςίεσ. Είναι πολφ καλά κατεργάςιμο (εν ψυχρϊ και εν κερμϊ), ενϊ χαρακτθρίηεται και από πολφ καλι ςυγκολλθςιμότθτα ςε ςυγκολλιςεισ τιξθσ. Σο κακαρό νικζλιο ζχει υψθλι αντοχι ςτθ διάβρωςθ ζναντι μιασ ποικιλίασ αλάτων και αλκαλικϊν. Σχιμα 2.Σεχνικϊσ κακαρό νικζλιο, ωςτενιτικισ δομισ με ορατι διδυμία. 4

5 Πίνακασ 4.χθμικι ςφνκεςθ των θμικατεργαςμζνων προϊόντων που καταςκευάηονται από νικζλιο και κράματα νικελίου-χαλκοφ (ποςοςτό επί τθσ μάηασ ςε%). 3.2 ΤΣΗΜΑ ΝΙΚΔΛΙΟΤ-ΥΑΛΚΟΤ (Ni-Cu) Σα μζταλλα νικζλιο και χαλκόσ είναι δίπλα ςτον περιοδικό πίνακα των ςτοιχείων. Ο χαλκόσ ζχει τον ατομικό αρικμό 29 και ατομικό βάροσ 63,54. Σο νικζλιο και ο χαλκόσ ςχθματίηουν ςτερεά διαλφματα ςε οποιαδιποτε αναλογία ανάμιξθσ και επομζνωσ τα κράματα τουσ ζχουν ευρεία εφαρμογι (ςχιμα 3). Σο νικζλιο προςδίδει το κυρίαρχο χρϊμα ςε αυτά τα κράματα και το κράμα CuNi10 με 10% Νi ζχει ιδθ μια αςθμζνια εμφάνιςθ, όπωσ και τα κζρματα του 1 και 2 Ευρϊ (με 20% Νi). Σα κράματα νικελίου-χαλκοφ ζχουν αργι ταχφτθτα διάχυςθσ. Όταν ψφχονται από το ςθμείο τιξθσ, δεν ςχθματίηουν καμία φάςθ ιςορροπίασ. ε ςτερεά κατάςταςθ, ςτθ ςυνζχεια, ανομοιογενι ςτερεά διαλφματα μπορεί να ςχθματιςτοφν (ςχιμα 4), ενϊ με μία κατεργαςία παραμόρφωςθσ εν κερμϊ και ανόπτθςθσ μια ομοιογενισ δομι ςτερεοφδιαλφματοσ ςχθματίηεται (χιμα 5). 5

6 Σχιμα 3. Διάγραμμα φάςεων νικελίου-χαλκοφ Σχιμα 4.Μικροδομι του NiCu30Fe ςε κατάςταςθ ωσ ζχει χυτεφκει (ascast) (200: 1). 6

7 Σχιμα 5.Μικροδομι του NiCu30Fe μετά από κερμι παραμόρφωςθ (200: 1) 3.3 ΚΡΑΜΑΣΑ ΙΓΗΡΟΤ-ΝΙΚΔΛΙΟΤ (Ni-Fe) Σο νικζλιο δθμιουργεί κράματα ςτερεοφ διαλφματοσ με τον ςίδθρο ςε μια ευρεία περιοχι ςυγκεντρϊςεων (ςχιμα 6). Θ κερμικι διαςτολι τουσ μπορεί να ρυκμιςτεί μζςω τθσ ςφνκεςισ τουσ. Είναι ιδιαίτερα χαμθλι ςε κράματα FeNi με 36% Ni. Κράματα FeNi με περιεχόμενο νικζλιο ζωσ 22% ζχουν μια φερριτικι δομι ςε κερμοκραςία δωματίου (κυβικό εδροκεντρωμζνο ςφςτθμα), ενϊ τα κράματα με υψθλότερθ περιεκτικότθτα ςε νικζλιο είναι ωςτενιτικισ δομισ (κυβικό χωροκεντρωμζνο ςφςτθμα). Σα κράματα Fe-Ni χρθςιμοποιοφνται ςε διάφορεσ εφαρμογζσ όπωσ π.χ. τθν βιομθχανία γυαλιοφ λόγω των φυςικϊν τουσ ιδιοτιτων. τθν τεχνολογία των ςυγκολλιςεων το 36% Ni- Fe κράμα ζχει αποκτιςει ςθμαςία ωσ υλικό για κρυογενικζσ δεξαμενζσ υγροποιθμζνου φυςικοφ αερίου και τισ αντίςτοιχεσ ςωλθνϊςεισ. 7

8 Σχιμα 6. Διάγραμμα φάςεων Ni-Fe. 3.4 ΚΡΑΜΑΣΑ ΝΙΚΔΛΙΟΤ-ΥΡΩΜΙΟΤ- ΙΓΗΡΟΤ (Ni-Cr-Fe) Σο νικζλιο μαηί με χρϊμιο ςχθματίηει κράματα γ-ςτερεοφ διαλφματοσ ςε ζνα μεγάλο εφροσ, χθμικϊν ςυςτάςεων τα οποία χαρακτθρίηονται από μία καλι αντοχι ςτθ διάβρωςθςε υψθλζσ κερμοκραςίεσ και υψθλι θλεκτρικι αντίςταςθ (ςχιμα 7). Σα ίδια ιςχφουν και για το τριμερζσ ςφςτθμα Ni-Cr-Fe. Από τθν πλευρά του διαγράμματοσ που είναι πλοφςια ςε ςίδθρο, υπάρχουν οι ωςτενιτικοί χάλυβεσ χρωμίου-νικελίου. Με τθν αφξθςθ τθσ περιεκτικότθτασ ςε νικζλιο παίρνουμε επίςθσ ωςτενιτικά κράματα νικελίου φκάνοντασ ζωσ περίπου 70% Νi, 20% Cr και 10% Fe. Για τθν αφξθςθ τθσ αντοχισ τθσ μιτρασ, αυτά τα κράματα περιζχουν επίςθσ κοβάλτιο, μολυβδαίνιο και νιόβιο. Σο μθ ςιδθροφχο κράμα με 80% Νi και 20% Cr χρθςιμοποιείται ωσ ζνα καλϊδιο θλεκτρικισ αντίςταςθσ και ωσ ζλαςμα χρθςιμοποιείται ςε κλιβάνουσ κερμικισ κατεργαςίασ, λόγω τθσ αντοχισ του ςτθν οξείδωςθ υψθλϊν κερμοκραςιϊν, ενϊ παράλλθλα μπορεί να απορροφιςει άηωτο και άνκρακα από το περιβάλλον του κλίβανου χωρίσ να παρουςιάςει προβλιματα. 8

9 Σχιμα 7. Διάγραμμα φάςεων Ni-Cr Σχιμα 8. Σριμερζσ ςφςτθμα νικελίου-χρωμίου-ςιδιρου.ιςοκερμικό τμιμα ςτουσ 650 C Τψθλότερεσ περιεκτικότθτεσ ςε χρϊμιο βελτιϊνουν τθν αντοχι διάβρωςθσ ςε υψθλζσ κερμοκραςίεσ παρουςία ιςχυρά διαβρωτικϊν ςυςτατικϊν ςτα καφςιμα όπωσ π.χ. το πεντοξείδιο του βαναδίου και το κειικό νάτριο. Αυτά τα ςυςτατικά καταςτρζφουν τθ φυςικιοξειδικιεπικάλυψθ των κραμάτων με περιεκτικότθτα ςε χρϊμιο μζχρι 20% και προκαλοφν γενικι ι τοπικι διαβρωτικι επίκεςθ ςεκερμοκραςίεσ άνω των 650 C. Για αυτζσ 9

10 τισ ςυνκικεσ λειτουργίασ ςφυριλατα ι προϊόντα ζλαςθσ ζωσ περίπου 30% Cr και χυτά κράματα με 35 ζωσ 60%Cr ζχει αποδειχκεί ότι προςφζρουν τθν απαιτοφμενθ αντιδιαβρωτικι ικανότθτα. Σον τελευταίο καιρό, το κράμα NiCr29Fe (κράμα 690) με 29% Cr ςε ςχζςθ με το προθγοφμενο κράμα NiCr15Fe (κράμα 600) που χρθςιμοποιοφταν, ζχει αποκτιςει αυξανόμενθ εφαρμογι. Λόγω τθσ υψθλότερθσ περιεκτικότθτασ ςε χρϊμιο είναι πολφ πιο ανκεκτικό από ό, τι το NiCr15Feςτθ οξείδωςθ ςε υψθλζσ κερμοκραςίεσ. Και τα δφο υλικά που αναφζρονται παραπάνω είναι ανκεκτικά ζναντι μιασ ποικιλίασ αναγωγικϊν και οξειδωτικϊν ουςιϊν και δεν είναι ευπακι ςε εργοδιάβρωςθ (stresscorrosioncracking).σο κράμαnicr23fe με 60% Ni, 23% Cr και 1,35% Al (κράμα 601) είναι ανκεκτικό ζναντι ςτθν κερμικι κόπωςθ λόγω απότομων μεταβολϊν κερμοκραςίασ. υνολικά, τα κράματα Ni-Cr-Fe είναι θ μεγαλφτερθ ομάδα κραμάτων νικελίου και θ κατθγορία αυτι περιζχει μεγάλο αρικμό κραμάτων πζρα από αυτά που αναφζρονται παραπάνω (πίνακασ 5). Πίνακασ 5. Χθμικι ςφνκεςθ προϊόντων που καταςκευάηονται από κράματα νικελίουχρωμίου (Μολυβδαίνιο) (Μάηα %) Σχιμα 9.Ωςτενιτικι δομι NiCr15Fe με διδυμίεσ ςτουσ κόκκουσ 10

11 3.5 ΚΡΑΜΑΣΑ ΝΙΚΔΛΙΟΤ-ΥΡΩΜΙΟΤ - ΜΟΛΤΒΓΔΝΙΟΤ (Ni-Mo και Ni-Cr- Μο) Προκειμζνου να αυξθκεί περαιτζρω θ αντοχι ςτθ διάβρωςθ, μολυβδαίνιο προςτίκεται ςτα κράματα Ni-Cr. Σο νικζλιο ςχθματίηει ςτερεά διαλφματα ςε ζνα εφροσ ςυγκεντρϊςεων με το μολυβδαίνιο όπωσ φαίνεται και από το διάγραμμα φάςεων ςτο ςχιμα 10. Δφο τυπικά κράματα αυτοφ του τφπου είναι τα υλικά: NiCr12Mo (κράμα 925) με43% Νi, 21% Cr, 3% Μο, 2% Cu, το υπόλοιπο ςίδθροσ και NiCr22Mo9Nb (κράμα 625) με 58% Νi, 22% Cr, 9% Μο και 3,5% Nb. Σχιμα 10.Διάγραμμα φάςεων νικελίου-μολυβδαινίου. Με τθν περαιτζρω αφξθςθ του περιεχομζνου ςε Μο,ςχθματίηονται διάφορα κράματα με μεγάλθ αντοχι ςτθν διάβρωςθ (πίνακασ 6). Πίνακασ 6.Χθμικι ςφνκεςθ νζων κραμάτων νικελίου-μολυβδαινίου-χρωμίου. 11

12 Σο κράμα NiΜο28 που πρακτικά δεν περιζχει κακόλου χρϊμιο (κράμα Β-2) με 28% Μο ζχει πολφ υψθλι αντοχι κάτω από ζντονα διαβρωτικζσ ςυνκικεσ (υδροχλωρικό αζριο με υγραςία, πυκνό υδροχλωρικό οξφ)αλλά κάτω από ςυγκεκριμζνεσ ςυνκικεσλειτουργίασ δεν είναι πάντα ανκεκτικό ςε μθχανιςμό εργοδιάβρωςθσ (stresscorrosioncracking), λόγω του ςχθματιςμοφδιαμεταλλικϊν φάςεων (Ni 3 Mo και Ni 4 Mo). Θ προςκικθ χρωμίου και ςιδιρου ζχει οδθγιςει ςτθν δθμιουργία κραμάτων που δεν παρουςιάηουν αυτι τθν ευαιςκθςία (πίνακασ 7). Πίνακασ 7.Χθμικι ςφνκεςθ κραμάτωνnicrmo Μια περαιτζρω εξζλιξθ είναι το κράμα C-4 που αναπτφχκθκε το 70. Αυτό το κράμα δεν περιζχει βολφράμιο και θ περιεκτικότθτα του ςε ςίδθρο ζχει μειωκεί. ε ιςχυρά διαβρωτικά περιβάλλοντα θ αντίςταςθ του ςτθ διάβρωςθ είναι ελαφρϊσ χαμθλότερθ, αλλά βρικε ςθμαντικι εφαρμογι ςε εφαρμογζσ χθμικϊν βιομθχανιϊν λόγω τθσ καλισ ςυγκολλθςιμότθτασ του. Με το κράμα C-22 (που αναπτφχκθκε το 80) θ περιεκτικότθτα ςε χρϊμιο ζχει αυξθκεί ςε ςφγκριςθ με τα C-276 και C-4, αποκτϊντασ ζτςι ακόμθ υψθλότερθ αντίςταςθ ςτθν οξείδωςθ. Με το κράμα 59 που αναπτφχκθκε τθ δεκαετία του '90 το περιεχόμενο ςεcr και Μο ζχουν αυξθκεί περαιτζρω και το βολφράμιο ζχει αφαιρεκεί. Σο κράμα χαρακτθρίηεται από καλι επεξεργαςιμότθτα, υψθλι αντίςταςθ ςτθ διάβρωςθ και υψθλι κερμικι ςτακερότθτα. Νεότερα κράματα, όπωσ το 686 και το C2000 είναι ακόμθ υψθλότερακραματωμζνα από το κράμα 59. Σο C-2000 είναι ιδιαίτερα ανκεκτικό ςε κειικό οξφ και το 686 είναι γενικά ιδιαίτερα ανκεκτικό ςε ιςχυρά διαβρωτικά περιβάλλοντα. 12

13 Σχιμα 11.NiMo28 - Μικροδομι με διδυμίεσ 3.6 ΚΡΑΜΑΣΑ ΝΙΚΔΛΙΟΤ ΔΡΠΤΜΟΤ- ΚΡΑΜΑΣΑ ΝΙΚΔΛΙΟΤ ΜΔ ΘΔΡΜΙΚΗ ΚΑΣΔΡΓΑΙΑ Σα κερμικά κατεργαςμζνα κράματα νικελίου-χρωμίου-(ςιδιρου) χρθςιμοποιοφνται ωσ υλικά για υψθλζσ κερμοκραςίεσ. Με αυτά τα κράματα, οι τιμζσ για τθν αντοχι ςε εφελκυςμό και το όριο διαρροισ μζχρι και τουσ 700 C παραμζνουν ςε υψθλό επίπεδο, όπωσ φαίνεται ςτο παράδειγμα του κράματοσ NiCr15Co4Al5Ti (Nimonic 118) (ςχιμα 12). Για κερμοκραςίεσ από 600 C και πάνω, οι τιμζσ αντοχισ ςε εφελκυςμό υψθλισ κερμοκραςίασ δεν ζχουν καμία επίδραςθ ςτθν ςυμπεριφοράτου υλικοφ κατά τθν λειτουργία. Αντικζτωσ οι τιμζσ αντοχισ ερπυςμοφ (creeprupture) είναι αυτζσ που κακορίηουν τθν ςυμπεριφορά των υλικϊν ςε υψθλι κερμοκραςία. τουσ κινθτιρεσ τηετ θ απαίτθςθ χρόνου λειτουργίασ είναι για ϊρεσ, ενϊ ςτισ ςτακερζσ τουρμπίνεσ μονάδων παραγωγισ ενζργειασ και ςτισ χθμικζσ βιομθχανίεσ τιμζσ αναμζνεται ζνασ χρόνοσ λειτουργίασ από ζωσ και ϊρεσ (1 χρόνοσ ζχει ϊρεσ). 13

14 Σχιμα 12. Θερμικι αντοχι του κερμικά κατεργαςμζνου κράματοσ Nimonic 118. Θ ικανότθτα κερμικισ κατεργαςίασδθμιουργείται με τθν προςκικθ ΑΙ, Σiκαι / ι Nbτα οποία ςυνδζονται με ςυγκεκριμζνουσ μθχανιςμοφσ γιρανςθσ. Μζςω μιασ ανόπτθςθσ διαλυτοποίθςθσ ςτθ ςτερει φάςθ (solid solution annealing)ςτουσ 1000 ζωσ 1150 C με επακόλουκθ ταχεία ψφξθ, παίρνουμε ζνα υπερκορεςμζνο ςτερεό διάλυμα που περιζχει τα παραπάνω κραματικά ςτοιχεία (ΑΙ, Σi και Nb) τθν ςυνζχεια πραγματοποιείται γιρανςθ από 12 ζωσ 20 ϊρεσ ςε κερμοκραςίεσ περίπου 720 C με αποτζλεςμα τθν κατακριμνιςθ ενδομεταλλικϊν φάςεων Ni 3 Al, Ni 3 Ti και Ni 3 Nb ςτα όρια των κόκκων (ςχιμα 13). Λόγω αυτοφ, οι τιμζσ αντοχισ ςε εφελκυςμό (ςε όλεσ τισ κερμοκραςίεσ) αυξάνονται, ενϊ τα μεγζκθ ολκιμότθτασ όπωσ θ επιμικυνςθ και θ αντοχι ςε κροφςθ μειϊνονται. Σο βαςικό πλεονζκτθμα αυτισ τθσ κερμικισ κατεργαςίασ βρίςκεται ςε μια ςθμαντικι αφξθςθ τθσ αντοχισ ερπυςμοφ ςε υψθλζσ κερμοκραςίεσ (μεταξφ 650 C και C), με το άκροιςμα τθσ περιεκτικότθτασ των ςτοιχείων ΑΙ + Σί + Nb να είναι κακοριςτικό για αυτό. 14

15 Σχιμα 13.Εικόνεσ τθσ μικροδομισ από οπτικό και θλεκτρονικό μικροςκόπιο για κράμα Nimonic 115 μετά από τεχνθτι γιρανςθ. Οι ενδομεταλλικζσ ενϊςεισ που βρίςκονται διαςκορπιςμζνεσ ςτθν δομι μποροφν να διαλυτοποιθκοφν και πάλι με τθ επανάλθψθ μιασ ανόπτθςθσ διαλυτοποίθςθσ (solid solution annealing). Σα κερμικά κατεργαςμζνα κράματα νικελίου πρζπει να ςυγκολλοφνται ςτθν κατάςταςθ διαλυτοποίθςθσ και ςτθ ςυνζχεια να πραγματοποιείται θ κερμικι κατεργαςία τθσ γιρανςθσ που κα τα ςκλθρφνει. Όταν θ ςυγκόλλθςθ πραγματοποιείται μετά τθν τελικι κερμικι κατεργαςία γιρανςθσ, υπάρχει ο κίνδυνοσ ςχθματιςμοφ ψυχρϊν ρωγμϊν λόγω εφκραυςτων κακιηιςεων ςτα όρια των κόκκων ςτθν ΘΕΗ. 4. ΑΤΞΗΗ ΜΗΥΑΝΙΚΩΝ ΙΓΙΟΣΗΣΩΝ ΣΑ ΚΡΑΜΑΣΑ ΝΙΚΔΛΙΟΤ Σκλιρυνςθ Περαιτζρω δυνατότθτεσ για τθν αφξθςθ τθσ αντοχισ ερπυςμοφ είναι θ ςκλιρυνςθ τθσ βαςικισ δομισ (π.χ. με προςκικθ μζχρι 20% κοβάλτιο), ι με τον ςχθματιςμό μιασ χονδρόκοκκθσ δομισ με κατευκυνόμενθ ςτερεοποίθςθ (πίνακασ 8).Θ εφαρμογι κενοφ 15

16 βελτιϊνει τισ ιδιότθτεσ ςε υψθλζσ κερμοκραςίεσ λόγω αφαίρεςθσ των ιχνοςτοιχείων με χαμθλό ςθμείο τιξθσ (ςχιμα 14). Πίνακασ 8.Ιδιότθτεσ ερπυςμοφ για κράμα M200 με κατευκυνόμενθ ςτερεοποίθςθ. Σχιμα 14.Επίδραςθ τθσ τιξθσ κενοφ ςτα χαρακτθριςτικά ερπυςμοφ δφο κραμάτων νικελίουμε υψθλι αντοχι ςε ερπυςμό. ΣκλιρυνςθλόγωΔιαςποράσ(DispersionStrengthening) Θ διαδικαςία τθσ ςκλιρυνςθσ λόγω διαςποράσ για τθν περαιτζρω αφξθςθ τθσ αντοχισ ερπυςμοφ είναι ςχετικά νζα. Μεταλλικζσ ςκόνεσ του βαςικοφ υλικοφ και ςκόνεσ οξειδίων μετάλλων αναμιγνφονται υπό μεγάλθ ενζργεια ςε ζνα κραυςτιρα κροφςθσ και ςτθ ςυνζχεια εφαρμόηεται υψθλισ κερμοκραςίασ ιςοςτατικι ςυμπίεςθ (HIP) ϊςτε να προκφψει το αρχικό προϊόν. ε αντίκεςθ με τθν κερμικι κατεργαςία τθσ γιρανςθσ όπου επιβάλλεται 16

17 θ διαλυτοποίθςθ των κατακρθμνίςεων με μία ανόπτθςθ διαλυτοποίθςθσ, τα ςωματίδια οξειδίου του μετάλλου είναι ςτακερά μζχρι πολφ υψθλζσ κερμοκραςίεσ, επιτρζποντασ ζτςι κερμοκραςίεσ λειτουργίασ πάνω από τθ κερμοκραςία τθσ ανόπτθςθσ διαλυτοποίθςθσ (ςχιμα 16). Με τθν κατθγορία υλικϊν που ονομάηονται κράματα ODS(ODS = oxide dispersion strenghtening).h κερμικι κατεργαςία γιρανςθσ και θ ςκλιρυνςθ λόγω διαςποράσ μποροφν να ςυνδυαςτοφν, με κονιοποίθςθ ενόσ κράματοσ ικανοφ για κερμικι κατεργαςία γιρανςθσ και τθν ανάμειξι του με οξείδια μετάλλων. τθν ςυνζχεια αυτό το μίγμα κατεργάηεται με υψθλισ κερμοκραςίασ ιςοςτατικι ςυμπίεςθ και μετά υποβάλλεται ςε τεχνικι γιρανςθ. Θ υψθλότερθ αντοχι ερπυςμοφ ςε υψθλζσ κερμοκραςίεσ ςε ςχζςθ με τθ κερμικι κατεργαςία των κραμάτων παρουςιάηεται ςτο ςχιμα 15. Διαςπορά ςκλιρυνςθσ κραμάτων είναι λόγω τθσ υψθλισ περιεκτικότθτασ οξειδίου και νιτριδίου, θ οποία οδθγεί ςτον ακραίο ςχθματιςμό πόρων, δεν είναι κατάλλθλο για τθ ςυγκόλλθςθ. Σχιμα 15.Ερπυςμόσ ς B 1000 του κράματοσ με ςκλιρυνςθ διαςποράσ ΙΝ 853 ςε ςφγκριςθ με το κραμά ςκλιρυνςθσ με κερμικι κατεργαςίαnimonic 80Α και του οξειδίου νικελίουκορίου. 17

18 Σχιμα 16.Προαναμεμειγμζνθποφδρα (α) και δομι μετά τθνκερμι -ΙςοςτατικιΠίεςθ του κράματοσ με ςκλιρυνςθ λόγω διαςποράσ ΙΝ ΤΓΚΟΛΛΗΙΜΟΣΗΣΑ Εκτόσ από τα κερμικά κατεργαςμζνα και τα κράματα με ςκλιρυνςθ διαςποράσ όλα τα άλλα υλικά νικελίου μποροφν να ςυγκολλθκοφν χωρίσ προβλιματα. Για τα περιςςότερακραμάτα ςτερεοφ διαλφματοσ κατάλλθλα μζταλλα πλθρϊςεωσ είναι εφκολα εμπορικά διακζςιμα. Εκτόσ από τθν οξυγονοκόλλθςθ θ οποία δεν χρθςιμοποιείται πλζον ςιμερα, όλεσ οι θλεκτρικζσ και αυτοματοποιθμζνεσ διεργαςίεσ ςυγκόλλθςθσ είναι εφαρμόςιμεσ. Για τθ ςυγκόλλθςθ νικελίου και κράματα νικελίου κα πρζπει να τθροφνται οι ακόλουκοι βαςικοί κανόνεσ: Σο νικζλιο και τα κράματα νικελίου κα πρζπει να ςυγκολλθκοφν τουλάχιςτον με παρόμοια υλικά. Σα κράματα που περιζχουννικζλιοπεριζχοντα πρζπει να ςυγκολλοφνται ςτθν διαλυτοποιθμζνθ κατάςταςθ ανάλογα με τθν κερμοκραςία λειτουργίασ. Θ επιφανειακι οξείδωςθ, εάν υπάρχει, πρζπει να αφαιρείται με αμμοβολι, λείανςθ ι χθμικό κακαριςμό πριν αρχίςει θ ςυγκόλλθςθ. Οι πλευρζσ τθσ ςυγκόλλθςθσ, κακϊσ και οι γειτονικζσ ςτθν ςυγκόλλθςθ επιφάνειεσ του ελάςματοσ - τουλάχιςτον ςε μία απόςταςθ 25 mm κα πρζπει να είναι κακαρζσ, 18

19 δθλαδι απαλλαγμζνεσ από χρϊμα, υπολείμματα βαφισ και γράςα. Πρζπει να διαςφαλίηεταιεξαιρετικι κακαριότθτα. Ο κακαριςμόσ πρζπει να εκτελεςτεί με τθ χριςθ κακαριςτικϊν που δεν περιζχουν κείο και χλωρίδια. Μόνο εργαλεία με ανοξείδωταςφρματα ι τροχοί λείανςθσ χωρίσ ςίδθρο μπορεί να χρθςιμοποιθκοφν για βοφρτςιςμα και τρόχιςμα. Σα αζρια που ςχθματίηουν πόρουσ (π.χ. άηωτο) πρζπει να μζνουν μακριά από το λιωμζνο μζταλλο τθσ ςυγκόλλθςθσ. Όλαταχρθςιμοποιοφμενααναλϊςιμα (προςτατευτικά αζρια, θλεκτρόδια) πρζπει να είναι ςε καλι κατάςταςθ χωρίσ απορρόφθςθ υγραςίασ. Θ αντίδραςθ του λιωμζνου μετάλλου τθσ ςυγκόλλθςθσ με οξειδωτικά ςυςτατικά του αερίου πρζπει να αποφεφγεται, γιατί θ οξείδωςθ ςθμαντικϊν κραματικϊν ςτοιχείων μπορεί να οδθγιςει ςε ςθμαντικι μείωςθτθσ αντοχισ ςε οξείδωςθ και διάβρωςθ. Ο αποχρωματιςμόσ που παρατθρείται ςτθν περιοχι τθσ ςυγκόλλθςθσ πρζπει οπωςδιποτε να αφαιρείται μετά τθν ςυγκόλλθςθ. Κατά κφριο λόγο τα πλιρωσ ωςτενιτικά κράματα NiCrFe με ςχετικά χαμθλι περιεκτικότθτα ςε νικζλιο 30 ζωσ 40% είναι ευαίςκθτα ςτθ ρθγμάτωςθ εν κερμϊ, ιδίωσ τα κράματα X10NiCrAlTi32-20 (κράμα 800) και NiCr21Mo. Ωσ εκ τοφτου, αυτά τα κράματα ςυγκολλοφνται χρθςιμοποιϊντασ μζταλλα πλθρϊςεωσ με υψθλότερεσ περιεκτικότθτεσ ςε νικζλιο (ςχιμα 17). Σχιμα 17.υγκόλλθςθ κράματοσ Ni με ρωγμζσ εν κερμϊ ςτθν ΘΕΗ. Προκειμζνου να αποφευχκεί θ ρωγμάτωςθ εν κερμϊ, θ ςυγκόλλθςθ πρζπει να γίνεται χρθςιμοποιϊντασ μικρι κερμικι παροχι και "τραβθχτά" κορδόνια. Θ κερμικι παροχι κα πρζπει να περιορίηεται από 0.5 ζωσ 1.5 kj/mm, θ κερμοκραςία μεταξφ των πάςςων δεν πρζπει να υπερβαίνει τουσ 150 C. 19

20 5.1 ΔΠΙΓΡΑΗ ΣΟΙΥΔΙΩΝ ΜΔ ΥΑΜΗΛΟ ΗΜΔΙΟ ΣΗΞΗ ΝΙΚΕΛΙΟ ΚΑΙ ΚΡΑΜΑΣΑ ΝΙΚΕΛΙΟΤ Σο κείο μειϊνει ςθμαντικά το ςθμείο τιξθσ του νικελίου. Όπωσ φαίνεται και ςτο ςχιμα 18 το ευτθκτικό ςθμείο βρίςκεται ςε μία περικτικότθτα νικελίου 21.5% ςτουσ 645 C. Σο όριο διαλυτότθτασ του κείου ςε νικζλιο ανζρχεται ςε 0,005%. Οι υψθλότερεσ περιεκτικότθτεσ ςε κείο κατακρθμνίηονται ωσ κειοφχο νικζλιο Ni 3 S 2. ε ατμόςφαιρεσ που περιζχουν κείο, μία ευτικτικι φάςθ δθμιουργείται από το Niκαι τοni 3 S 2 ςε κερμοκραςίεσ μεταξφ 400 και 800 C. Θ φάςθ αυτι διαπερνά τα όρια των κόκκων από τθν επιφάνεια και οδθγεί ςε αποςφνκεςθ των κόκκων, λόγω των τάςεων εφελκυςμοφ που προκαλοφνται ςε υψθλζσ κερμοκραςίεσ και τθνευκραυςτόποίθςθ που οδθγεί ςε ρθγματϊςεισ ςε κερμοκραςία περιβάλλοντοσ. Σο ςχιμα 19 δείχνει τθν μορφι αυτισ τθσ αςτοχίασ. Σχιμα 18.Μζροσ από το δυαδικό διάγραμμα φάςεων νικελίου-κείου Ωσ εκ τοφτου, θ ακραία κακαριότθτα είναι απολφτωσ απαραίτθτθ κατά τθν επεξεργαςία νικελιοφχων υλικϊν προσ ςυγκόλλθςθ εξαρτιματα πρζπει να είναι απαλλαγμζνα από λάδια, λίπθ ι άλλεσ ακακαρςίεσ. υνιςτάται επίςθσ να αποφεφγεται θ επαφι των τμθμάτων με γυμνά χζρια, αλλά να τα χειριηόμαςτεμε κακαρά γάντια. 20

21 τοιχεία όπωσ τα P, Pb, Β και Zr ζχουν παρόμοιεσ ιδιότθτεσ με το S. Ωσ εκ τοφτου ςυλλιπάςματα που περιζχουν Β πρζπει να αποφεφγονται κατά τθν ςυγκόλλθςθ κραμάτων νικελίου. Σχιμα 19.a) Ηθμιά ςτα όρια των κόκκων από τθν ευτικτθκι φάςθ Ni - Ni 3 S 2 ςε κακαρό νικζλιο. b) Ψυχρζσ ρωγμζσςε δοκίμιο κάμψθσ που δθμιουργικθκαν από τθν φπαρξθ ςουλφιδίου του Ni. c) Θερμι ρθγμάτωςθ ςτθν δεξιά καμπφλθ λόγω τθσ χριςθ άμμου με κείο κατά τθν διαδικαςία τθσ καμπφλωςθσ. 5.2 ΔΠΙΓΡΑΗ ΣΩΝ ΑΔΡΙΩΝ Οξυγόνο: Ανόπτθςθ ςε ιςχυρά οξειδωτικι ατμόςφαιρα ζχει τθν βλαπτικι επίδραςθ τθσ περικρυςταλλικισοξείδωςθσ ςε νικζλιο και κράματα NiCuςε κερμοκραςίεσ άνω των 900 C. 21

22 Αηωτο: Όλα τα μζταλλα ζχουν μεγαλφτερθ ικανότθτα διάλυςθσ αερίων ςτθ λιωμζνθ κατάςταςθ από ότι ςτθν ςτερεά. ε αρκετά αργι ψφξθ και υψθλι κερμοκραςία τα αζρια μποροφν επίςθσ να διαχζονται από το μζταλλο ςε ςτερει κατάςταςθ, αν θ διαλυτότθτα μειϊνεται με τθ μείωςθ τθσ κερμοκραςίασ. ε γριγορεσ διαδικαςίεσ ψφξθσ, όπωσ με τθ ςτερεοποίθςθ του μετάλλου ςυγκόλλθςθσ, ο χρόνοσ για να ολοκλθρωκεί θ διάχυςθ ςυχνά δεν είναι επαρκισ, το αζριο διατθρείται ςε ζνα υπερκορεςμζνο διάλυμα εντόσ του ςτερεοποιθμζνου μετάλλου, ςχθματίηοντασ τελικά πόρουσ κατά τθν ψφξθ. Θ ευαιςκθςία ςε διάφορα αζρια είναι διαφορετικι ανάλογα με το υλικό. το νικζλιο, κυρίωσ το άηωτο οδθγεί ςτο ςχθματιςμό πόρων, το ίδιο ιςχφει για το οξυγόνο, εάν υπάρχει ςε μεγαλφτερεσ ποςότθτεσ.σο υδρογόνο δεν προκαλεί πόρουσ ςτο νικζλιο και τα κράματα του, όπωσ δεν προκαλοφν και τα μονοατομικά προςτατευτικά αζρια αργό ι ιλιο. Σχιμα 20. Πόροι ςε μία ςυγκόλλθςθ TIG του κράματοσ NiCu30Fe όταν αυτό ςυγκολλικθκε με μζταλλο πλιρωςθσ ίδιου τφπου χωρίσ κάποιο ςτοιχείο για τθν δζςμευςθ των αερίων. Μζταλλο ςυγκόλλθςθσ χωρίσ πόρουσ μετά τθν χριςθ μετάλλου πλιρωςθσ με Ti για τθν δζςμευςθ των αερίων. ΥλικάΠλιρωςθσ για Δζςμευςθ Αερίων (GasBindingFillerMaterials) 22

23 Με υλικά πλιρωςθσ που περιζχουν ςτοιχεία για τθν δζςμευςθ των αερίων που βρίςκονται ςτθν ςυγκόλλθςθ, είναι δυνατόν να μετατραποφν τα αζρια που δθμιουργοφν πορϊδεσ ςε ςτερεά διαλφματα. Ζνα τζτοιο αποτζλεςμα επιτυγχάνεται από τα μζταλλα ΑΙ, Σiκαι Nb/Ta. Σα ςτοιχεία αυτά δεςμεφουν το άηωτο με τθν μορφινιτρίδιου, το οξυγόνο ςαν οξείδια και τον άνκρακα ςαν καρβίδια. Ωσ εκ τοφτου, προςτίκενται ςτα κράματα νικελίου είτε μεμονομζνα, είτε ςε μεταξφ τουσ ςυνδυαςμό. τθν πράξθ το ςυνολικό άκροιςμααυτϊν των ςτοιχείων είτε μεμονωμζνα είτε ςε ςυνδυαςμό είναι κάτω από το όριο που κα προκαλοφςε ςκλιρυνςθ ςτο υλικό δθλαδι κάτω από περίπου 1,5 ζωσ 2,5%. Με αυτά τα μζτρα μπορεί να αποφευχκείθ δθμιουργία πόρωνςτισςυγκόλλθςεισσ των κραμάτων νικελίου. Πίνακασ9. Επιλογι του μετάλλου πλιρωςθσ. 5.3 ΑΝΑΛΩΙΜΑ ΤΓΚΟΛΛΗΗ Για όλα τα τυποποιθμζνα κράματα νικελίου υπάρχουν ζνα ι περιςςότερα αναλϊςιμα ςυγκόλλθςθσ του ιδίου τφπου προσ διάκεςθ ςτθν αγορά. Μερικά από αυτά τα μζταλλα πλθρϊςθσ χρθςιμοποιοφνται επίςθσ για ανόμοιεσ ςυγκολλιςεισ μεταξφ φερριτικϊν και ωςτενιτικϊν χάλυβων και για ςυγκολλιςεισ κραμάτων νικελίου με χάλυβεσ. Οι χάλυβεσ με υψθλι ολκιμότθτα ςε χαμθλζσ κερμοκραςίεσ ςυχνά ςυγκολλοφνται χρθςιμοποιϊντασ μζταλλα πλθρϊςεωσ τφπου EL-NiCr20Nb και EL NiCr15FeNb και τα αντίςτοιχα ςφρματα. 23

24 Πίνακασ 10.Εκνικά πρότυπα για αναλϊςιμα ςυγκόλλθςθσ νικελίου Σα υλικά ςυγκόλλθςθσ με μζςθ περιεκτικότθτα ςε νικζλιο περίπου 40% απαιτοφν ιδιαίτερθ προςοχι κατά τθν ςυγκόλλθςθ, επειδι είναι πιο επιρρεπι ςε ρθγμάτωςθ εν κερμϊ από αναλϊςιμα ςυγκόλλθςθσ που περιζχουν περιςςότερο από 50% Ni.Σα τελευταία είναι ςε κζςθ να χρθςιμοποιθκοφν ςε ςυγκολλιςεισ εκτόσ κζςθσ. Για τα κερμικά κατεργάςιμα, ανκεκτικά ςε ερπυςμό κράματα νικελίου τα μζταλλα πλιρωςθσ δεν είναι τυποποιθμζνα. Εάν τα κερμικά κατεργάςιμα, όςον αφορά τα κράματα με ΑΙ, Σi και/ι Nb για τθ κερμικι κατεργαςία είναι ςυγκολλιςιμα, μποροφν να ςυγκολλθκοφν χωρίσ τον ςχθματιςμό πόρων είτε χωρίσ μζταλλο πλιρωςθσ ι με μζταλλο πλιρωςθσ του ίδιου τφπου. Κατά τθν ςυγκόλλθςθ χωρίσ μζταλλο πλιρωςθσ μζροσ των ςτοιχείων γιρανςθσ χρθςιμοποιείται για τθ δζςμευςθ των αερίων, ζτςι οι τιμζσ αντοχισ ςε εφελκυςμό είναι πικανϊσ χαμθλότερεσ από το βαςικό μζταλλο. Αυτό δεν ιςχφει απαραίτθτα για τισ τιμζσ αντοχισ ερπυςμοφ επειδι το μεγαλφτερο μζγεκοσ των κόκκων ςτο μζταλλο τθσ ςυγκόλλθςθσ μπορεί να ζχει υψθλότερεσ τιμζσ από ότι θ ςφυριλατθ δομι του μετάλλου βάςθσ. Σα κράματα με ςκλιρυνςθ διαςποράσ δεν είναι κατάλλθλα για ςυγκόλλθςθ. 24

25 5.4 ΓΙΑΓΙΚΑΙΔ ΤΓΚΟΛΛΗΗ Οξυγονοκόλλθςθ Όπωσ ζχει ιδθ αναφερκεί, θ ςυγκόλλθςθ αερίου με χριςθ φλόγασ οξυγόνου αςετυλίνθσπρακτικά δεν εφαρμόηεται πια. Εκτόσ από τα οικονομικά μειονεκτιματα, θ διαδικαςία απαιτεί αζρια υψθλισ κακαρότθτασ, και θ ακριβισ προςαρμογι τουφλόγιςτρου ςε μια ουδζτερθ φλόγα είναι δφςκολθ. Επιπλζον, θ κερμικι παροχι τθσ μεκόδου είναι υψθλι. Συγκόλλθςθ τόξου με καλυμμζναθλεκτρόδια Θ χειροκίνθτθ ςυγκόλλθςθ τόξου με θλεκτρόδια ιταν μία από τισ πρϊτεσμεκόδουσ που χρθςιμοποιικθκε για τθν ςυγκόλλθςθ των κραμάτων νικελίου. Για όλεσ τισ περιπτϊςεισ εφαρμογισ, υπάρχουν εμπορικά διακζςιμα θλεκτρόδια. Χρθςιμοποιοφνται επίςθσ για διάφορουσ τφπουσ ενϊςεων. Μεςαίου μεγζκουσ, βαςικά θλεκτρόδια χρθςιμοποιοφνται κυρίωσ με χριςθ ςυνεχοφσ ρεφματοσ (θλεκτρόδιο ςτο κετικό πόλο). Εν μζρει τα ςθμαντικά κραματικά ςτοιχεία βρίςκονται ςτθν επικάλυψθ και όχι ςτον πυρινα του θλεκτροδίου. Μζκοδοσ TIG Θ ςυγκόλλθςθ TIG χρθςιμοποιείται κατά κφριο λόγο για τθ ςυγκόλλθςθ λεπτϊν φφλλων για διαμικεισ και περιφερειακζσ ραφζσ ςωλινα ζωσ πάχουσ περίπου 3 mm, όπωσ επίςθσ και για τθ ςυγκόλλθςθ ρίηασ χωρίσ υποςτιριξθ. Ωσ προςτατευτικά αζρια χρθςιμοποιοφνται, το κακαρό αργό ι το ιλιο. Σο αργό, το υδρογόνο και το μίγματα αργοφ-θλίου μποροφν να χρθςιμοποιθκοφν επίςθσ. Θ ροι του προςτατευτικοφ αερίου πρζπει να είναι επαρκισ, ϊςτε να καλφπτει ολόκλθρο το πλάτοσ τθσ ραφισ (ονομαςτικι αξία 8 ζωσ 15 l/min). Θ ςυγκόλλθςθ πραγματοποιείται με τθ χριςθ ςυνεχοφσ ρεφματοσ, με το θλεκτρόδιο βολφραμίου ςτο αρνθτικό πόλο. Όςον αφορά τα θλεκτρόδια, τα κράματα βολφραμίου μεκόριο είναι αυτά που προτείνονται για χριςθ. Για επιμικεισ ραφζσ, θ μζκοδοσ TIG εφαρμόηεται επίςθσ ςε μθχανοποιθμζνεσ ςυγκόλλθςεισ, όπου το μζταλλο πλιρωςθσ τροφοδοτείται ςυνεχϊσ από ζνα ρολό. 25

26 Σχιμα 21.Μακροςκοπικι εμφάνιςθ κορδονιϊν με τθν μζκοδο TIG ςε διάφορα κράματα αλουμινίου (ζλαςμα 1.6 mm). Μζκοδοσ MIG/MAG Θ διαδικαςία MIG εφαρμόηεται με τθ χριςθ των τυποποιθμζνων θλεκτροδίων ςφρματοσκυρίωσ για πάχθ φφλλων που υπερβαίνουν 3mm και ςυγκολλιςεισ μεγάλου μικουσ ςε εργοςτάςια. Σα προςτατευτικά αζρια που χρθςιμοποιοφνται είναι ίδια με αυτά τθσ ςυγκόλλθςθσ TIG. Θ χριςθ μίγματοσ αργοφ-θλίου με μια μικρι προςκικθ CO 2, που αντιςτοιχεί ςε Μ12 ι Μ13 ςφμφωνα με το EN ISO ζχει αποδειχκεί επιτυχισ. Επίςθσ κατάλλθλο είναι ζναμίγμα αζριο από αργό- 30% ιλιο - 2% Θ 2 και ζωσ 0,05% CO 2, όπου θ προςκικθ CO 2 βελτιϊνει τθ διαβροχι τθσ περιοχισ τθσ ςυγκόλλθςθσ. Μια περαιτζρω δυνατότθτα είναι επίςθσ ζνα αζριο μίγμα αργοφ - 30% ιλιο - 0,03% Ο 2. 26

27 Θ χριςθ ενόσ προςτατευτικοφ αζριου μίγματοσ που περιζχει λίγο υδρογόνο π.χ. 70% Ar + 25% He + 5% Θ 2 δθμιουργεί μία αναγωγικι ατμόςφαιρα που δεν επιτρζπει τθν δθμιουργία ενόσ υπολειπόμενου ςτρϊματοσ οξειδίου ςτθν επιφάνεια του κορδονιοφ. Με αυτό τον τρόπο ο κακαριςμόσ των κορδονιϊν ανάμεςα ςτα πάςςα δεν είναι απαραίτθτοσ. Μζκοδοσ βυκιςμζνου τόξου Θ πλιρωσ μθχανοποιθμζνθ μζκοδοσ βυκιςμζνου τόξου δεν ιςχφει για όλεσ τισ εφαρμογζσ νικελίου γιατί τα κατάλλθλα ςυλλιπάςματα δεν είναι διακζςιμα για όλα τα κράματα. Θ μζκοδοσ εφαρμόηεται ςε κακαρό νικζλιο, NiCr (Μο) κράματα και κράματαnicu, αλλά όχι ςτουσ τφπουσ κραμάτων με Μο (βλζπε ISO και EN ISO 18274). Συγκόλλθςθ πλάςματοσ Θ ςυγκόλλθςθ πλάςματοσ εφαρμόηεται με τυποποιθμζνα αναλϊςιμα ςυγκόλλθςθσ και προςτατευτικά αζρια αργοφ ι αργοφ-υδρογόνουγια πάχθ φφλλων ζωσ περίπου 10 mm. Θ διαδικαςία μικρο-πλάςματοσ επιτρζπει τθ ςφνδεςθ χωρίσ μζταλλο πλιρωςθσ με χαμθλζσ εντάςεισ ρεφματοσ (από 1 ζωσ περίπου 20 Α) λεπτϊν ελαςμάτων και ελαςμάτων τα οποία δεν μποροφν να ενωκοφν με τθ χριςθ τθσ διαδικαςίασ TIG λόγω του αςτακοφσ τόξου. Συγκόλλθςθ με λζιηερ Λζιηερ CO 2 με ιςχφ μζχρι 25kW λζιηερ εφαρμόηονται για τθν ςυγκόλλθςθ ελαςμάτων πάχουσ 1 ζωσ 15 mm για οικοδομικζσ εφαρμογζσ. Για λεπτά ελάςματα 0,2 ζωσ 3 mm πάχοσ χρθςιμοποιοφνται λζιηερ ςτερεάσ κατάςταςθσ νεοδυμίου με ιςχφ 100W ζωσ 5kW. Χάρθ ςτισ ςτενζσ ραφζσ και θ μεγάλθ αναλογία βάκουσ / πλάτουσ και τισ πολφ ςτενζσ ηϊνεσ προςβολισ από τθ κερμότθτα, θ ςυγκόλλθςθ πραγματοποιείται γενικά χωρίσ μζταλλο πλιρωςθσ. Θ ακριβισ προετοιμαςία είναι απαραίτθτθ. Σο κενό ανάμεςα ςτα μζρθ που πρόκειται να ςυγκολλθκοφν πρζπει να αποφεφγεται ι να διατθρείται όςο πιο μικρό γίνεται. Άλλεσ μζκοδοι ςυγκόλλθςθσ Θ ςυγκόλλθςθ με δζςμθ θλεκτρονίων και θ ςυγκόλλθςθ θλεκτρικισ αντίςταςθσ είναι δυνατζσ ςε όλα τα κράματα νικελίου.εφαρμόηονται κατά κφριο λόγο ςταανκεκτικά ςε ερπυςμόκράματα. Θ ςυγκόλλθςθ τριβισ χρθςιμοποιείται για να ενϊςει περιςτροφικά ςυμμετρικά μζρθ και επίςθσ διαφορετικά υλικά (π.χ. ςυγκόλλθςθ του ςτελζχουσ και τθσ κεφαλισ υψθλά κραματωμζνων βαλβίδων εξαγωγισ ςε μθχανζσ αυτοκινιτων). 27

28 5.5 ΤΓΚΟΛΛΗΔΙ ΑΝΟΜΟΙΩΝ ΚΡΑΜΑΣΩΝ ΝΙΚΕΛΙΟ ΚΑΙ ΚΡΑΜΑΣΑ ΝΙΚΕΛΙΟΤ Συγκολλιςεισ ωςτενιτικών-φερριτικών υλικών και ςυγκολλιςεισ κραμάτων νικελίου με χάλυβεσ. Με τθν αυξανόμενθ χριςθ των κραμάτων νικελίου αυξάνονται και οι ςυγκολλιςεισ των υλικϊν αυτϊν με τουσ χάλυβεσ καταςκευϊν και τουσ ανοξείδωτουσ χάλυβεσ. Σζτοιεσ ςυγκολλιςεισ πρζπει να ζχουν μια υγιι δομι και επαρκι αντοχι. υνικωσ, για ανόμοιεσ ςυγκολλιςεισ μπορεί να χρθςιμοποιθκεί το μζταλλο πλιρωςθσ που είναι κατάλλθλο για κράματα νικελίου. Πρζπει να λθφκεί υπόψθ ωςτόςο, ότι θ περιεκτικότθτα του κράματοσ μειϊνεται κατά 10 ζωσ 30% κατά τθν τιξθ με ζνα χαμθλότερα κραματωμζνο υλικό (ςχιμα 22). Σχιμα 22.Περιεκτικότθτα ςε ςίδθρο ςτο χαμθλότερο ςτρϊμα του μετάλλου ςυγκόλλθςθσ από S-NiCr15Ti ανάλογα με τον αρικμό των ςτρωμάτων. Οι ςυγκολλιςεισ των φερριτικϊν με ωςτενιτικοφσ χάλυβεσ που λειτουργοφν ςε υψθλζσ κερμοκραςίεσ και οι οποίεσ ςυγκολλοφνται με τθν χριςθ μετάλλου πλιρωςθσ απόωςτενιτικό χάλυβα, μπορεί να οδθγιςουν ςε διάχυςθ του άνκρακα από τονφερριτικό χάλυβα ςτοωςτενιτικόμζταλλο ςυγκόλλθςθσ εάν το υλικό λειτουργεί ςε κερμοκραςία περίπου 600 C. Θ κινθτιρια δφναμθ τθσ διάχυςθσ του άνκρακα ςε αυτι τθν περίπτωςθ είναι θ μεγαλφτερθ διαλυτότθτα του άνκρακα ςτθν ωςτενιτικι δομι. Με αυτό το φαινόμενο, μία ηϊνθ ενανκράκωςθσ κα δθμιουργθκεί ςτθν περιοχι του φερριτικοφ υλικοφ ενϊ ςτθν περιοχι του ωςτενιτικοφ υλικοφ κα δθμιουργθκεί μία περιοχι πλοφςια ςε 28

29 καρβίδια του Cr. Θ απανκρακωμζνθ ηϊνθ κα χαρακτθρίηεται από χαμθλότερθ αντοχι ςε ςχζςθ με το υπόλοιπο φερριτικό μζταλλο ενϊ θ ηϊνθ ενανκράκωςθσ ςτον ωςτενίτθζχει υψθλότερθ ςκλθρότθτα και χαμθλότερθ ολκιμότθτα. Μπορεί να είναι το ςθμείο ζναρξθσ για ρωγμζσ, εργοδιάβρωςθ και περικρυςταλλικιδιάβρωςθ. τισ ςυγκολλιςεισ μεταξφ φερριτικϊν και ωςτενιτικϊνχαλφβων χρθςιμοποιοφνταιμζταλλα πλιρωςθσμε περιεκτικότθτα νικελίου πάνω από 50% για αποφευχκεί θ διάχυςθ του άνκρακα από τον φερριτικό χάλυβα ςε κερμοκραςίεσ λειτουργίασ άνω των 600 C. Επιπλζον, τα μζταλλα πλθρϊςεωσ νικελίου παρά τθν εδροκεντρωμζνθ κυβικι δομι τουσ ζχουν ςυντελεςτι κερμικισ διαςτολισ που είναι κοντά ςε αυτι των φερριτικϊν χαλφβων (ςχιμα 23). Ωσ εκ τοφτου, τα κερμικά κυκλικά φορτία δθμιουργοφν χαμθλζσ τάςεισ ςτθν πιο κρίςιμθ πλευρά τθσ ςυγκόλλθςθσ, δθλαδι μεταξφ του φερριτικοφ χάλυβα και του μετάλλου ςυγκόλλθςθσ. Οι υψθλότερεσ καταπονιςεισ μεταξφ του μετάλλου ςυγκόλλθςθσ και του ωςτενιτικοφ μετάλλου βάςθσ κα μειωκοφν χάρθ ςτθν υψθλι ανκεκτικότθτα και ολκιμότθτα του νικελιοφχου μετάλλου βάςθσ και του επίςθσ νικελιοφχου μετάλλου ςυγκόλλθςθσ. Όςο λιγότερο ςυμβατά από μεταλλουργικι άποψθ είναι τα προσ ςυγκόλλθςθ υλικά τόςο μεγαλφτερθ προςοχι πρζπει να δοκεί ςτθν επιλογι τθσ διαδικαςίασ ςυγκόλλθςθσ. Διεργαςίεσ με χαμθλι κερμικι παροχι και διείςδυςθ είναι ευνοϊκζσ ςε αυτι τθν περίπτωςθ. Σχιμα 23. υντελεςτισ κερμικισ διαςτολισ του μετάλλου ςυγκόλλθςθσ EL-NiCrNb15 ςε ςφγκριςθ με τουσ μθ κραματικοφσ χάλυβεσ, φερριτικοφσ 12% χρωμιοφχοφσ χάλυβεσ και ωςτενιτικοφσχάλυβεσ 29

30 Συγκολλιςεισ κραμάτων Ni με άλλα μθ ςιδθροφχα μζταλλα ΝΙΚΕΛΙΟ ΚΑΙ ΚΡΑΜΑΣΑ ΝΙΚΕΛΙΟΤ To Νi και o Cu μποροφν εφκολα να ςυγκολλοφνται μαηί, δεδομζνου ότι τα δφο μζταλλα ζχουν πλιρθ διαλυτότθτα μεταξφ τουσ ςε κάκε ςυγκζντρωςθ και ςε κάκε μορφι (ςτερεά ι υγρά διαλφματα). Θδιαφορετικι κερμικι αγωγιμότθτα τουσ, ωςτόςο μπορεί να δθμιουργιςει κάποια προβλιματα. Ωσ εκ τοφτου, μπορεί να είναι αναγκαία θ προκζρμανςθ του υλικοφ του χαλκοφ, ενϊ το κράμα του νικζλιου δεν πρζπει να υπερκερμανκεί. Με τα περιςςότερα από τα άλλα μθ ςιδθροφχα μζταλλα υπάρχουν μεγάλα προβλιματα κατά τθν ςυγκόλλθςθ χρθςιμοποιϊντασ τισ κοινζσ διεργαςίεσ ςυγκόλλθςθσ τιξθσ. Από τθ μία πλευρά, τα ςθμεία τιξθσ διαφζρουν πολφ μεταξφ τουσ (π.χ. Νi και ΑΙ), από τθν άλλθ πλευρά, ςτισ περιςςότερεσ των περιπτϊςεων, ςχθματίηονται εφκραυςτεσ, ενδομεταλλικζσενϊςεισοι οποίεσ οδθγοφν ςε ρωγμζσ που ςυμβαίνουν ιδθ κατά τθ ςυγκόλλθςθ. Σχιμα 25. Διάγραμμα φάςθσ Ni-Al 30

31 Σχιμα 26. Διάγραμμα φάςθσ Ni-Ti Η επιλογι τθσ διαδικαςίασ ςυγκόλλθςθσ για ανόμοια υλικά Τλικά τα οποία μποροφν να ςχθματίηουν κράματα ςε οποιαδιποτε αναλογία (π.χ. χαλκόσνικζλιο) μπορεί πρακτικά να ενωκοφν χρθςιμοποιϊντασ οποιεςδιποτε διαδικαςίεσ ςυγκόλλθςθσ τιξθσ. Όςο λιγότερο, τα δφο προσ ςυγκόλλθςθ υλικά είναι μεταλλουργικά ςυμβατά μεταξφ τουσ, τόςο πιο ςθμαντικι είναι θ επιλογι τθσ διαδικαςίασ ςυγκόλλθςθσ. Διαδικαςίεσ με χαμθλι κερμικι παροχι και κατά ςυνζπεια μικρό βάκοσ τιξθσ των βαςικϊν μετάλλων είναι ευνοϊκζσ. Με αυτό τον τρόπο, υλικά που είναι δφςκολο να ςυγκολλθκοφν χρθςιμοποιϊντασ άλλεσ μεκόδουσ, μποροφν να ςυγκολλθκοφν με τθ χριςθ π.χ. ςυγκόλλθςθσ με δζςμθ θλεκτρονίων. Αν δφο υλικά δεν μποροφν να ενωκοφν με ςυγκόλλθςθ, λόγω των ανωτζρω αναφερκζντων λόγων, είναι δυνατόν (για ςυμμετρικά περιςτρεφόμενα μζρθ) να ςυνδεκοφν χρθςιμοποιϊντασ ςυγκόλλθςθ τριβισ. Αν όχι, αςθμοκόλλθςθ ι μθχανικι ςφνδεςθ κα είναι οι εναλλακτικζσ λφςεισ. 31