Nickelbasislegierung

Coupon aus niedriglegiertem Nickel

Nickelbasislegierungen sind Werkstoffe, deren Hauptbestandteil aus Nickel besteht und die mit mindestens einem anderen chemischen Element meist mittels eines Schmelzverfahrens erzeugt werden.

Beschreibung

Diese Legierungen verfügen über eine gute Korrosions- und/oder Hochtemperaturbeständigkeit. Einige weisen spezielle physikalische Eigenschaften auf wie beispielsweise elektrischen Widerstand, eine kontrollierte thermische Ausdehnung, besondere magnetische Eigenschaften usw. Zur Verwendung kommen Nickel-Kupfer-, Nickel-Eisen-, Nickel-Eisen-Chrom-, Nickel-Chrom-, Nickel-Molybdän-Chrom, Nickel-Chrom-Kobalt-, niedriglegierte Nickellegierungen (mit einem Nickelanteil von bis zu 99,9 %) und andere Mehrstofflegierungen. Die meisten Nickellegierungen sind nach internationalen Normen klassifiziert.

Die Nickelwerkstoffe finden vielseitige Verwendung:

  • chemische Industrie (z. B. Kessel, Wärmeübertrager, Ventile und Pumpen, chemische Reaktoren)
  • Luftfahrt (z. B.Triebwerke, Turbinen, Befestigungsteile)
  • Automobilindustrie (z. B. Ventiltechnik, Katalysatoren)
  • Energieerzeugung (z. B. Kraftwerksgeneratoren)
  • Öl- und Gasförderung (z. B. Bohrwerkzeuge)
  • Umweltschutz und Abfallwirtschaft (z. B. Rauchgasentschwefelungsanlagen, Müllverbrennungsanlagen, Meerwasserentsalzungsanlagen)
  • elektronische und haushaltstechnische Anwendungen (elektronische Schaltungen, Computerherstellung, Küchenmaschinen, Küchenherde)

Nickellegierungen werden bevorzugt offen (an Luft) im Lichtbogenofen erschmolzen, teilweise auch im Induktionsschmelzverfahren, offen oder im Vakuum. Es schließt sich meist eine AOD-Behandlung (englisch argon oxygen decarburization) oder eine Umschmelzung nach dem Elektroschlacke-Umschmelzverfahren (ESU) an.

Schmieden eines Stabes aus einer Nickellegierung

Eine weitere Möglichkeit zur Herstellung ist mit dem so genannten mechanischen Legieren gegeben. Dabei wird mit hohem Energieeinsatz ein Gemisch aus Legierungspulver mit Oxiden vermischt, um auf diese Weise ein besonders homogenes und hochwarmfestes Gefüge zu erhalten.

Aus den so gegossenen Brammen werden durch Warm- und eventuell anschließender Kaltwalzschritte Bleche und Bänder hergestellt und Stäbe geschmiedet oder gewalzt. Rohre werden in speziellen Rohrreduzierwerken aus Blöcken oder in Pilgerrohrwalzwerken aus Luppen hergestellt, Drähte in Drahtwalz- oder -ziehwerken.

Nickelbasis-Superlegierung

Superlegierungen auf der Basis von Nickel bezeichnen Legierungen mit einer besonderen Zusammensetzung, die speziell für Hochtemperaturanwendungen (z. B. im Triebwerksbau) produziert werden.

Der Hauptvorteil der Nickelbasis-Superlegierungen besteht in ihren Kriech- und Ermüdungsfestigkeiten bei hohen Temperaturen. Ab etwa 550 °C sind sie diesbezüglich den Warmarbeitsstählen überlegen. Die Härtung durch intermetallische Phasen bewirkt, dass Nickelbasis-Superlegierungen bis nahe an ihren Schmelzpunkt eingesetzt werden können und in diesem Temperaturbereich selbst Refraktärmetalle übertreffen. Die Festigkeit wird dabei in der Regel durch Zulegieren von Aluminium und/oder Titan erreicht. Die entstehenden Ni3[Al,Ti]-Ausscheidungen nehmen bei höheren Legierungsgehalten eine charakteristische blockförmige Struktur an. In der kommerziell am weitesten verbreiteten Legierung IN718 findet die Aushärtung durch Ni3Nb-Ausscheidungen statt. Das Kriechen wird durch Korngrenzennetzwerke von M23C6-Karbiden verhindert.

Da außerdem ihre Korrosionsbeständigkeit durch Bildung einer undurchlässigen Oxidschicht sehr hoch ist, sind sie die erste Wahl für Konstruktionswerkstoffe in Gasturbinen von Kraftwerken und in Flugzeugturbinen. Dabei werden für die Turbinenscheiben einfache Schmiedebauteile und für die Turbinenschaufeln höher legierte Gussbauteile eingesetzt, die meist gerichtet und als Einkristall hergestellt werden. Solche Turbinenschaufeln können mit Hilfe von Beschichtungen und interner Luftkühlung sogar bei Umgebungstemperaturen jenseits des Schmelzpunkts ihrer Legierung (etwa 1200 °C) eingesetzt werden.

Beispiele

Inconel alloy 718

Kenndaten
Hersteller Special Metals Corporation
Werkstoffnummer 2.4668,
Kurzname NiCr19NbMo
Dichte 8,19 g/cm³

Chemische Zusammensetzung: 0,04 % C; 19 % Cr; 3,0 % Mo; 52,5 % Ni; 0,9 % Al; ≤0,1 % Cu; 5,1 % Nb; 0,9 % Ti; 19 % Fe.

Diese mit Ni3[Nb,V]-Ausscheidungen verstärkte Superlegierung macht noch heute 60–70 % des Volumens aller Nickelbasislegierungen aus.

Inconel alloy 600

Kenndaten
Hersteller Special Metals Corporation
Werkstoffnummer 2.4816
Kurzname NiCr15Fe

Gute Widerstandsfähigkeit gegenüber allgemeiner Korrosion und Spannungsrisskorrosion. Hervorragende Oxidationsbeständigkeit bis ca. 1150 °C. Nicht einsetzbar oberhalb 550 °C in schwefelhaltiger Atmosphäre. In Kohlendioxid liegt die Einsatzgrenze bei 500 °C, da ab 650 °C starke Korrosion einsetzt. In Natrium sollte Alloy 600 nicht oberhalb 750 °C eingesetzt werden, da ab dieser Temperatur Materialabbau erfolgt. In chlorfreiem Wasser bis 590 °C verwendbar.

Mit allen bekannten Schweißverfahren gut schweißbar. Vor dem Schweißen sollte geglüht werden. Gut löt- und hartlötbar. Sehr gute Duktilität. Als hoch nickelhaltige Legierung besitzt Alloy 600 bei hoher Temperatur sehr gute mechanische Eigenschaften. Da es sich um einen weichen, zähen Werkstoff handelt, wird die spanabhebende Verarbeitung erleichtert, wenn das Material nicht im geglühten, sondern im walzharten Zustand bearbeitet wird.

Der Werkstoff ist Standardwerkstoff für den Bau von Druckwasserreaktoren, Kernkraftwerken, Ofenbau, Synthetikfaserherstellung, Glaswannenabzüge, Kunststoffindustrie, Papierherstellung, Nahrungsmittelverarbeitung, Dampfkessel, Destillationskolonnen sowie Flugmotoren.

Diese Artikel könnten dir auch gefallen

Die letzten News aus den Naturwissenschaften

25.01.2021
Optik - Teilchenphysik
Aus Weiß wird (Extrem)-Ultraviolett
Forscher des Max-Born-Instituts für Nichtlineare Optik und Kurzzeitspektroskopie (MBI) haben eine neue Methode entwickelt, um die spektrale Breite von extrem-ultraviolettem (XUV) Licht zu modifizieren.
25.01.2021
Astrophysik - Teilchenphysik
Neue Möglichkeiten bei Suche nach kalter dunkler Materie
Das Baryon-Antibaryon-Symmetrie-Experiment (BASE) am Antiprotonen-Entschleuniger des CERN hat neue Grenzen für die Masse von Axion-ähnlichen Teilchen – hypothetischen Teilchen, die Kandidaten für dunkle Materie sind – festgelegt und eingeschränkt, wie leicht sie sich in Photonen, die Teilchen des Lichts, verwandeln können.
25.01.2021
Exoplaneten
Weltraumteleskop findet einzigartiges Planetensystem
Das Weltraumteleskop CHEOPS entdeckt sechs Planeten, die den Stern TOI-178 umkreisen.
25.01.2021
Elektrodynamik - Teilchenphysik
Ladungsradien der Quecksilberkerne 207Hg und 208Hg wurden erstmals vermessen
Was hält Atomkerne im Innersten zusammen? Das können Physikerinnen und Physiker anhand von Präzisionsmessungen des Gewichts, der Größe und der Form von Atomkernen erkennen.
25.01.2021
Elektrodynamik - Quantenoptik
Physiker erzeugen und leiten Röntgenstrahlen simultan
Röntgenstrahlung ist meist ungerichtet und schwer zu leiten.
25.01.2021
Optik - Quantenoptik
Optimale Information über das Unsichtbare
Wie vermisst man Objekte, die man unter gewöhnlichen Umständen gar nicht sehen kann? Universität Utrecht und TU Wien eröffnen mit speziellen Lichtwellen neue Möglichkeiten.
22.01.2021
Festkörperphysik - Quantenoptik - Thermodynamik
Physiker filmen Phasenübergang mit extrem hoher Auflösung
Laserstrahlen können genutzt werden, um die Eigenschaften von Materialien gezielt zu verändern.
21.01.2021
Sonnensysteme - Planeten
Die Entstehung des Sonnensystems in zwei Schritten
W
21.01.2021
Exoplaneten
Die Entstehung erdähnlicher Planeten unter der Lupe
Innerhalb einer internationalen Zusammenarbeit haben Wissenschaftler ein neues Instrument namens MATISSE eingesetzt, das nun Hinweise auf einen Wirbel am inneren Rand einer planetenbildenden Scheibe um einen jungen Stern entdeckt hat.
20.01.2021
Kometen_und_Asteroiden
Älteste Karbonate im Sonnensystem
Die Altersdatierung des Flensburg-Meteoriten erfolgte mithilfe der Heidelberger Ionensonde.