Monel i czysty nikiel – odporność chemiczna i morska

Monel® i czysty nikiel – odporność chemiczna i morska

Charakterystyka stopów Monel® i czystego niklu

Monel® to rodzina stopów niklowo-miedziowych charakteryzujących się wysoką odpornością na korozję w wielu agresywnych środowiskach chemicznych oraz bardzo dobrą odpornością na działanie wody morskiej. Najbardziej znanym przedstawicielem tej grupy jest Monel 400 – UNS N04400, zawierający minimum około 63% niklu, znaczną ilość miedzi oraz niewielkie dodatki żelaza i manganu. Drugim ważnym materiałem jest Monel K-500 – UNS N05500. Zachowuje on odporność korozyjną zbliżoną do Monelu 400, ale dzięki dodatkom aluminium i tytanu oraz zastosowaniu utwardzania wydzieleniowego uzyskuje znacznie wyższą wytrzymałość mechaniczną i twardość. Osobną grupę stanowią technicznie czyste gatunki niklu Nickel 200 – UNS N02200, Nickel 201 – UNS N02201 oraz Nickel 270 – UNS N02270, W.Nr. 2.4050. Są to materiały zawierające co najmniej około 99% niklu, przeznaczone przede wszystkim do zastosowań wymagających bardzo wysokiej odporności na alkalia i określone agresywne media chemiczne, a także dobrych właściwości elektrycznych i cieplnych. Monel 400, Monel K-500 oraz Nickel 200, 201 i 270 należy traktować jako materiały o odmiennym przeznaczeniu. Monel jest szczególnie interesujący w zastosowaniach morskich, chemicznych i procesowych, natomiast czysty nikiel jest jednym z podstawowych materiałów konstrukcyjnych stosowanych w instalacjach związanych z produkcją i przetwarzaniem silnych alkaliów.

Monel 400 – stop niklowo-miedziowy odporny na korozję

Monel 400 – UNS N04400, W.Nr. 2.4360 / 2.4361 jest stopem niklowo-miedziowym charakteryzującym się połączeniem wysokiej odporności korozyjnej, dobrej wytrzymałości mechanicznej oraz zachowaniem właściwości w szerokim zakresie temperatur. Stop posiada strukturę jednofazowego roztworu stałego i może być umacniany przede wszystkim poprzez obróbkę plastyczną na zimno. W przeciwieństwie do Monelu K-500 nie jest stopem utwardzanym wydzieleniowo. Jedną z najważniejszych właściwości Monelu 400 jest wysoka odporność na wodę morską. Materiał szczególnie dobrze zachowuje się w szybko przepływającej wodzie morskiej, dzięki czemu stosowany jest w urządzeniach okrętowych, instalacjach offshore, pompach, wymiennikach ciepła i armaturze. W wodzie stojącej lub przepływającej z niewielką prędkością warunki są mniej korzystne. Mogą powstawać osady biologiczne i lokalne różnice natlenienia powierzchni prowadzące do rozwoju korozji lokalnej i wżerowej. Dlatego określenie „odporny na wodę morską” nie oznacza całkowitej odporności w każdych warunkach eksploatacyjnych.

Odporność chemiczna Monelu 400

Monel 400 wykazuje bardzo dobrą odporność na wiele środowisk redukujących. Szczególnie istotna jest jego odporność na kwas fluorowodorowy i fluorowodór w wielu warunkach eksploatacyjnych. Materiał może być również stosowany w wybranych roztworach kwasu siarkowego, kwasu solnego, alkaliów oraz różnych soli. Jego odporność zależy jednak bardzo silnie od temperatury, stężenia, napowietrzenia roztworu oraz obecności substancji utleniających. W środowiskach silnie utleniających Monel 400 nie zawsze jest optymalnym materiałem. Obecność utleniaczy może znacząco zwiększać szybkość korozji stopów niklowo-miedziowych. Dlatego odporności na konkretny kwas nie należy oceniać wyłącznie na podstawie jego nazwy – konieczne jest uwzględnienie pełnych warunków procesu. Do najważniejszych właściwości Monelu 400 należą:

  • wysoka odporność na szybko przepływającą wodę morską,
  • dobra odporność na wiele roztworów soli,
  • wysoka odporność na kwas fluorowodorowy w wielu warunkach eksploatacyjnych,
  • odporność na wiele środowisk redukujących,
  • dobra odporność na alkalia,
  • dobre właściwości mechaniczne w szerokim zakresie temperatur,
  • zachowanie dobrej ciągliwości również w niskich temperaturach.

Monel K-500 – wysoka odporność korozyjna i większa wytrzymałość

Monel K-500 – UNS N05500, W.Nr. 2.4375 jest stopem niklowo-miedziowym opracowanym na bazie Monelu 400. Dodatek aluminium i tytanu umożliwia jego utwardzanie wydzieleniowe. Podczas odpowiedniej obróbki cieplnej w osnowie stopu powstają drobne wydzielenia fazy umacniającej, dzięki czemu materiał uzyskuje znacznie wyższą granicę plastyczności, wytrzymałość na rozciąganie i twardość niż Monel 400. Jednocześnie K-500 zachowuje odporność korozyjną zbliżoną do Monelu 400. Połączenie wysokiej wytrzymałości mechanicznej z bardzo dobrą odpornością na szybko przepływającą wodę morską sprawia, że jest szczególnie cenionym materiałem na silnie obciążone elementy urządzeń morskich. Typowe zastosowania obejmują:

  • wały pomp odśrodkowych,
  • wały i elementy napędowe urządzeń morskich,
  • elementy armatury,
  • sprężyny,
  • elementy złączne,
  • części pomp i zaworów,
  • elementy urządzeń offshore,
  • komponenty pracujące pod wysokim obciążeniem mechanicznym w środowisku korozyjnym.

Należy jednak uwzględnić, że Monel K-500 w stanie utwardzonym wydzieleniowo może w określonych środowiskach wykazywać większą podatność na korozję naprężeniową niż Monel 400. Dobór materiału powinien więc uwzględniać zarówno wymagane właściwości mechaniczne, jak i rzeczywiste środowisko pracy.

Nickel 200 i Nickel 201 – technicznie czysty nikiel

Nickel 200 – UNS N02200 oraz Nickel 201 – UNS N02201 są technicznie czystymi gatunkami niklu o bardzo wysokiej zawartości Ni. Materiały te charakteryzują się bardzo dobrą odpornością na wiele środowisk korozyjnych, a ich szczególnie istotną właściwością jest bardzo wysoka odporność na wodorotlenek sodu i inne alkalia. Nickel 200 i 201 posiadają również wysoką ciągliwość, dobre właściwości mechaniczne oraz dobrą przewodność cieplną i elektryczną.

Nickel 200 a Nickel 201 – podstawowa różnica

Podstawowa różnica pomiędzy Nickel 200 i Nickel 201 dotyczy zawartości węgla. Nickel 201 jest niskowęglową odmianą Nickel 200 i jest preferowany w zastosowaniach wysokotemperaturowych, w których podwyższona zawartość węgla mogłaby prowadzić do niekorzystnych zmian strukturalnych. Przy długotrwałej ekspozycji Nickel 200 w temperaturach powyżej około 315°C może wystąpić wydzielanie grafitu na granicach ziaren, co może prowadzić do pogorszenia ciągliwości materiału. W takich warunkach stosuje się Nickel 201, którego zawartość węgla jest ograniczona do maksymalnie około 0,02%. Niska zawartość węgla ogranicza ryzyko grafityzacji i pozwala na bezpieczniejsze stosowanie materiału w wyższych temperaturach. Dlatego Nickel 200 i Nickel 201 nie powinny być traktowane jako całkowicie identyczne materiały. W zastosowaniach wysokotemperaturowych właściwy dobór odmiany niklu ma bezpośrednie znaczenie dla trwałości konstrukcji.

Nickel 270 – nikiel wysokiej czystości, UNS N02270 / 2.4050

Nickel 270 (Alloy 270) – UNS N02270, W.Nr. 2.4050 to gatunek niklu wysokiej czystości, wytwarzany między innymi metodami metalurgii proszków. Według specyfikacji producenta zawartość niklu łącznie z kobaltem wynosi minimum 99,9%, przy bardzo niskich dopuszczalnych zawartościach innych pierwiastków. Gatunek wyróżnia się niewielką twardością w stanie wyżarzonym, dużą ciągliwością, bardzo dobrą przewodnością cieplną i elektryczną oraz powtarzalnością właściwości fizycznych. W porównaniu z Nickel 200 i Nickel 201 jest wybierany przede wszystkim wtedy, gdy kluczowe znaczenie mają wysoka czystość, niski poziom zanieczyszczeń i właściwości elektryczne. Typowe zastosowania obejmują elementy elektroniki, termometry rezystancyjne, elementy lamp elektronowych i tyratronów wodorowych oraz specjalistyczne części elektrotechniczne. Nickel 270 nie jest automatycznym zamiennikiem Nickel 200 i 201 – o wyborze decydują wymagania konkretnego wyrobu i normy. Podstawowe oznaczenia: UNS N02270, W.Nr. 2.4050, ASTM F3. Według danych producenta typowe formy dostawy obejmują taśmy, pręty okrągłe i drut.

Odporność Nickel 200 i 201 na ługi i zasady

Jedną z najważniejszych właściwości czystego niklu jest jego bardzo wysoka odporność na wodorotlenek sodu – NaOH. Nickel 200 wykazuje bardzo niską szybkość korozji w wielu roztworach NaOH, również przy wysokich stężeniach. W przypadku wysokich temperatur i bardzo stężonych lub stopionych alkaliów stosowany jest przede wszystkim niskowęglowy Nickel 201. Z tego względu Nickel 200 i 201 znajdują zastosowanie między innymi w:

  • produkcji i koncentracji wodorotlenku sodu,
  • parownikach i wymiennikach ciepła,
  • zbiornikach procesowych,
  • rurociągach technologicznych,
  • aparaturze do produkcji i przetwarzania alkaliów.

Odporność na amoniak i związki amonowe

Odporność czystego niklu na związki amonowe wymaga dokładnego określenia środowiska. Nickel 200 wykazuje dobrą odporność na bezwodny amoniak oraz bardzo rozcieńczone roztwory wodorotlenku amonu. Nie należy jednak przyjmować, że Nickel 200 jest odporny na wszystkie stężenia wodorotlenku amonu. W bardziej stężonych roztworach możliwy jest intensywny rozwój korozji. Z tego powodu przy projektowaniu instalacji zawierających amoniak, związki amonowe lub mieszaniny procesowe należy analizować dokładny skład medium, zawartość wody, temperaturę oraz obecność dodatkowych substancji.

Właściwości fizyczne i mechaniczne

Monel 400, Monel K-500 oraz Nickel 200/201/270 różnią się właściwościami mechanicznymi i nie powinny być opisywane jednym wspólnym zakresem wytrzymałości. Monel 400 charakteryzuje się gęstością około 8,8 g/cm³, wysoką ciągliwością oraz dobrymi właściwościami mechanicznymi w szerokim zakresie temperatur. Monel K-500 posiada podobną gęstość, ale dzięki utwardzaniu wydzieleniowemu może osiągać znacznie wyższą granicę plastyczności, wytrzymałość na rozciąganie i twardość. Nickel 200 i Nickel 201 mają gęstość około 8,9 g/cm³ i charakteryzują się wysoką plastycznością oraz dobrymi właściwościami cieplnymi i elektrycznymi. Nickel 270 ma gęstość około 8,91 g/cm³ i wyróżnia się dużą ciągliwością, niską rezystywnością oraz dobrą przewodnością cieplną. W stanie wyżarzonym producent podaje typowo Rm około 345 MPa, Rp0,2 około 110 MPa i wydłużenie około 50%. Dokładne wartości Rp0,2, Rm, wydłużenia i twardości zależą od postaci produktu, wymiaru, stanu dostawy, obróbki cieplnej oraz normy wykonania. Przy projektowaniu konstrukcji należy korzystać z wartości określonych dla konkretnego wyrobu i stanu materiału.

Normy i oznaczenia

Monel 400: UNS N04400, W.Nr. 2.4360 / 2.4361. Monel K-500: UNS N05500, W.Nr. 2.4375. Nickel 200: UNS N02200. Nickel 201: UNS N02201. Nickel 270: UNS N02270, W.Nr. 2.4050; ASTM F3. Materiały te występują w wielu normach ASTM obejmujących określone postacie wyrobów. Dla Monelu 400 stosowane są między innymi ASTM B127 dla blach, płyt i taśm, ASTM B164 dla prętów, drutów i odkuwek oraz ASTM B165 dla rur bezszwowych. Dla Nickel 270 zastosowanie ma między innymi ASTM F3, obejmująca nikiel do zastosowań elektronicznych. Dla Nickel 200 i Nickel 201 zastosowanie mają między innymi ASTM B162 dla blach, płyt i taśm oraz ASTM B163 dla rur stosowanych między innymi w wymiennikach ciepła i skraplaczach. Normę materiałową należy zawsze dobierać do konkretnej postaci produktu, ponieważ jedna norma ASTM nie obejmuje wszystkich wyrobów wykonanych z danego stopu.

Typowe zastosowania Monelu i czystego niklu

Przemysł morski i offshore – pompy, wały, armatura, rurociągi, elementy wymienników ciepła, urządzenia wykorzystujące wodę morską oraz elementy instalacji offshore. Przemysł chemiczny – zbiorniki, rurociągi, wymienniki ciepła i aparatura procesowa pracująca w środowisku alkaliów, kwasów i innych agresywnych substancji chemicznych. Produkcja alkaliów – aparatura do produkcji, transportu, odparowywania i koncentracji wodorotlenku sodu oraz innych silnych zasad. Przemysł petrochemiczny i rafineryjny – elementy instalacji procesowych, wymienniki, pompy, zawory i aparatura narażona na środowiska korozyjne. Energetyka – wymienniki ciepła, chłodnice, instalacje wykorzystujące wodę morską jako medium chłodzące oraz elementy urządzeń procesowych. Elektrotechnika i elektronika – elementy wymagające odpowiednich właściwości elektrycznych, cieplnych oraz wysokiej czystości materiału, w tym elementy z Nickel 270 do termometrów rezystancyjnych, lamp elektronowych i aparatury specjalistycznej. Aparatura specjalistyczna – urządzenia laboratoryjne, instalacje chemiczne, wyposażenie procesowe oraz elementy wymagające połączenia odporności chemicznej z odpowiednimi właściwościami fizycznymi.

Dobór Monelu lub czystego niklu

Wybór pomiędzy Monel 400, Monel K-500, Nickel 200, Nickel 201 i Nickel 270 powinien wynikać z rzeczywistych warunków eksploatacji. Monel 400 jest szczególnie interesujący w instalacjach morskich oraz wielu środowiskach redukujących, gdy wymagana jest wysoka odporność korozyjna i dobra ciągliwość. Monel K-500 stosuje się wtedy, gdy oprócz odporności korozyjnej wymagane są znacznie wyższa wytrzymałość mechaniczna i twardość. Nickel 200 jest szczególnie przydatny w instalacjach chemicznych pracujących z silnymi alkaliami oraz tam, gdzie wymagane są właściwości charakterystyczne dla technicznie czystego niklu. Nickel 270 warto rozważyć, gdy podstawowe wymagania dotyczą wysokiej czystości i szczególnych właściwości elektrycznych, zwłaszcza w elektronice oraz aparaturze precyzyjnej. Nickel 201 należy preferować w zastosowaniach wysokotemperaturowych, szczególnie powyżej około 315°C, gdzie niska zawartość węgla ogranicza ryzyko pogorszenia właściwości materiału. Przy doborze materiału należy każdorazowo uwzględnić temperaturę, stężenie medium, pH, warunki przepływu, obecność utleniaczy i zanieczyszczeń, naprężenia mechaniczne oraz wymaganą trwałość urządzenia.

Formy dostawy

W zależności od gatunku i normy wykonania Monel oraz technicznie czysty nikiel dostępne są między innymi w postaci:

Dostępność poszczególnych wymiarów, stanów dostawy oraz norm wykonania zależy od gatunku i wymaganej postaci produktu. Gatunki dostępne w ofercie Alfa-Tech:

Podział stopów niklu

Stopy niklu można podzielić na kilka głównych rodzin, różniących się składem chemicznym, własnościami i typowymi zastosowaniami. Poniżej przedstawiono najważniejsze grupy wraz z przykładami gatunków dostępnych w ofercie Alfa-Tech:

Stopy niklu

Inconel® – superstopy niklu i chromu

Stopy o bardzo wysokiej odporności na utlenianie i pełzanie w wysokich temperaturach. Stosowane w energetyce, lotnictwie i przemyśle chemicznym. Gatunki: Inconel 600, Inconel 601, Inconel 625, Inconel 686, Inconel 718, Inconel X-750, Inconel HX.

Incoloy® – stopy niklu, żelaza i chromu

Łączą odporność korozyjną z dobrą stabilnością strukturalną. Szczególnie cenione w chemii i petrochemii. Gatunki: Incoloy 800 H/HT, Incoloy 825, Incoloy 925, Incoloy DS, Incoloy 330, Incoloy A-286.

Nimonic® – superstopy wysokotemperaturowe

Materiały wzmacniane wydzieleniowo, stosowane w lotnictwie i turbinach gazowych. Wyróżniają się wysoką odpornością na pełzanie i zmęczenie cieplne. Gatunki: Nimonic 75, Nimonic 80A, Nimonic 90, Nimonic 263, Nimonic 901.

Udimet® / Waspaloy® – superstopy do ekstremalnych obciążeń

Stosowane w silnikach lotniczych i energetyce, tam gdzie wymagana jest najwyższa odporność na pełzanie i zmęczenie cieplne. Gatunki: Udimet 188, Udimet L-605, Waspaloy.

Monel® i czysty nikiel – odporność chemiczna i morska

Monel (stopy niklu z miedzią) i czysty nikiel to materiały odporne na wodę morską, kwasy i zasady. Często stosowane w przemyśle morskim, chemicznym i aparaturze specjalistycznej. Gatunki: Monel 400, Monel K-500, Nickel 200, Nickel 201, Nickel 270.

Stopy specjalne – Invar®, Kovar®, Permalloy

Materiały o unikalnych własnościach fizycznych – niski współczynnik rozszerzalności cieplnej, stabilność wymiarowa lub kontrolowana przenikalność magnetyczna. Stosowane w elektronice, optyce i aparaturze precyzyjnej. Gatunki: Invar 36, Kovar, Permalloy, Nilomag 77.

Hastelloy® / Haynes® – stopy odporne na korozję i wysokie temperatury

Stopy o wysokiej odporności na agresywne środowiska chemiczne, utlenianie i pełzanie. Stosowane w przemyśle chemicznym, energetyce i lotnictwie. Gatunki: Hastelloy B-2, B-3, C-276, C-22, C-4, C-2000, G-30, G-35, X, N; Haynes 214, 230, 242, 282, HR-160.

Nazwy Inconel®, Incoloy®, Nimonic®, Monel® i Udimet® są zarejestrowanymi znakami handlowymi firmy Special Metals Corporation. Waspaloy® jest znakiem ATI Allvac / Precision Castparts, Hastelloy® jest znakiem Haynes International, Invar® i Kovar® należą do Imphy / ArcelorMittal.

Preferencje plików cookie

Szanowni Państwo, serwis Alfa-Tech stosuje pliki Cookies, aby zapewnić jego prawidłowe działanie. Możecie określić warunki przechowywania lub dostępu klikając Ustawienia. Zalecamy zapoznanie się z naszą Polityką prywatności.