Niķelis tēraudā un sakausējumos: kā tas maina izturību un koroziju
Niķelis tēraudā un sakausējumos parasti nav tikai “vēl viens metāls” sastāvā. Atkarībā no sakausējuma tas var palīdzēt stabilizēt noteiktu kristālisko struktūru, uzlabot plastiskumu un triecienizturību, saglabāt mehāniskās īpašības zemā temperatūrā vai kopā ar citiem elementiem palielināt noturību pret konkrētiem korozijas veidiem. Tieši tāpēc niķeli sastop gan plaši izmantotos nerūsējošajos tēraudos, gan specializētos dzelzs–niķeļa, niķeļa–vara un augsttemperatūras sakausējumos.
Svarīgi gan nenošķirt vienu elementu no visa materiāla sistēmas. Piemēram, nerūsējošajā tēraudā galveno pasīvā aizsargslāņa veidošanos nodrošina hroms, savukārt niķelis būtiski ietekmē struktūru, formējamību, metināmību un virkni korozijas īpašību. Tāpēc frāze “niķelis pasargā tēraudu no rūsas” ir pārāk vienkāršota. Ja vajadzīgs plašāks ievads par pašu metālu, tā īpašībām un izmantošanu, skatiet rakstu kas ir niķelis.
Ko niķelis dara tēraudā?
Tērauda īpašības nosaka ne tikai tas, kādi leģējošie elementi tam pievienoti, bet arī to daudzums, oglekļa saturs, termiskā apstrāde un gala mikrostruktūra. Niķelis ir viens no elementiem, ar kuru iespējams mainīt šo mikrostruktūru un līdz ar to arī materiāla uzvedību. Dažos leģētajos tēraudos niķeļa daudzums ir salīdzinoši neliels, bet specializētos materiālos tas var būt daudz lielāks.
Viena no svarīgām niķeļa īpašībām ir spēja veicināt austenīta stabilitāti. Austenīta kristāliskā struktūra ir saistīta ar labu plastiskumu un stingrību, tādēļ hroma–niķeļa nerūsējošie tēraudi ir viegli formējami un plaši izmantojami dažādos izstrādājumos. Niķelis arī palīdz pazemināt temperatūru, pie kuras atsevišķi dzelzs sakausējumi kļūst trauslāki, tāpēc niķeli saturoši tēraudi ir nozīmīgi arī zemtemperatūras pielietojumos.
| Sakausējumu grupa | Niķeļa galvenā loma | Ko tas dod praksē |
|---|---|---|
| Hroma–niķeļa nerūsējošais tērauds | Palīdz stabilizēt austenīta struktūru un papildina hroma nodrošināto korozijas noturību. | Laba formējamība, plastiskums, metināmība un plašs pielietojums iekārtās, traukos un konstrukcijās. |
| Leģētais tērauds ar niķeli | Var uzlabot stingrību un palīdzēt saglabāt mehāniskās īpašības zemākā temperatūrā. | Izmanto detaļās un konstrukcijās, kur svarīga slodzes izturība un triecienizturība. |
| Dzelzs–niķeļa sakausējumi | Pie lielāka niķeļa satura iespējams būtiski mainīt termisko izplešanos un magnētiskās īpašības. | Specializēti materiāli mērinstrumentiem, temperatūras kontrolei un precīzām tehniskām detaļām. |
| Vara–niķeļa sakausējumi | Niķelis palielina vara sakausējuma izturību un noturību noteiktās ūdens un jūras vidēs. | Cauruļvadi, siltummaiņi, jūras sistēmas un citas detaļas, kur svarīga korozijas un erozijas noturība. |
| Niķeļa–vara sakausējumi, piemēram, Monel tipa | Niķelis ir pamata metāls, bet varš palīdz veidot īpašu ķīmiskās un jūras vides noturības kombināciju. | Specializētas detaļas ķīmiskām, jūras un citām prasīgām ekspluatācijas vidēm. |
Hroms un niķelis nerūsējošajā tēraudā
Meklējot informāciju par “hroms niķelis” vai “hroms niķelis nerūsējošais tērauds”, bieži tiek domāti austenītiskie 300. sērijas nerūsējošie tēraudi. Klasisks piemērs ir 304 tips, ko bieži raksturo ar apzīmējumu “18/8” – aptuveni 18% hroma un 8% niķeļa. Šie skaitļi palīdz saprast principu, taču konkrētai markai vienmēr jāskatās tās standarta ķīmiskais sastāvs.
Hroms ir kritiski svarīgs, jo uz virsmas veido pasīvu oksīdu slāni. Niķeļa uzdevums ir atšķirīgs: tas palīdz uzturēt austenītisku struktūru istabas temperatūrā un zem tās, tādējādi veicinot materiāla plastiskumu un tehnoloģiskās īpašības. Niķeļa klātbūtne var arī uzlabot korozijas uzvedību noteiktās vidēs, tomēr tā nav garantija pret jebkuru korozijas veidu. Hlorīdi, temperatūra, skābes, virsmas stāvoklis un metinājumu kvalitāte joprojām var būt izšķiroši faktori.
Tāpēc nav korekti vienkārši secināt, ka tērauds ar vairāk niķeļa vienmēr būs “labāks”. Dažiem pielietojumiem pietiek ar ferītisku nerūsējošo tēraudu, kur niķeļa ir maz vai nav vispār, bet citos vajadzīgs hroma–niķeļa vai hroma–niķeļa–molibdēna sastāvs. Materiālu izvēlas pēc ekspluatācijas vides, temperatūras, slodzes, metināšanas prasībām un izmaksām.
Kā sauc dzelzs un niķeļa sakausējumu?
Uz jautājumu “kā sauc dzelzs un niķeļa sakausējumu?” nav vienas universālas atbildes, jo Fe–Ni sistēmā ir daudz materiālu ar ļoti atšķirīgām īpašībām. Parasts leģētais tērauds var saturēt nelielu niķeļa daudzumu, savukārt specializēts dzelzs–niķeļa sakausējums var saturēt daudz vairāk niķeļa un būt paredzēts pavisam citam uzdevumam.
Viens pazīstams piemērs ir Invar tipa sakausējumi, kuros niķeļa saturs ir ap 36%. To galvenā īpašība ir ļoti maza termiskā izplešanās noteiktā temperatūras diapazonā. Tāpēc šādus materiālus izmanto vietās, kur detaļu izmēru stabilitāte temperatūras maiņas laikā ir svarīgāka par parasta konstrukciju tērauda īpašībām. Savukārt kriogēnajā tehnikā sastopami apmēram 9% niķeļa tēraudi, jo niķelis palīdz saglabāt nepieciešamo stingrību ļoti zemās temperatūrās.
Vara sakausējums ar niķeli un Monel: vai tas ir viens un tas pats?
Vara–niķeļa jeb Cu–Ni sakausējumos pamata metāls parasti ir varš, kam pievienots niķelis. Praksē plaši pazīstamas ir, piemēram, 90/10 un 70/30 vara–niķeļa grupas. Tās novērtē par labu uzvedību jūras ūdens sistēmās, jo pareizi ekspluatētā materiālā veidojas aizsargājoša virsmas plēve. Šādus sakausējumus izmanto cauruļvados, siltummaiņos un citās detaļās, kas ilgstoši saskaras ar ūdeni.
Monel ir cita sakausējumu grupa. Tajā niķelis ir dominējošais komponents un varš ir būtiska piedeva, tādēļ Monel korektāk raksturot kā niķeļa–vara, nevis vara–niķeļa sakausējumu. Piemēram, Monel 400 ir vienfāzes niķeļa–vara sakausējums, ko izvēlas specifiskām korozīvām vidēm. Nosaukumu “Monel” nevajadzētu lietot kā vispārīgu apzīmējumu jebkuram vara un niķeļa maisījumam.
Niķelis un kobalts augstas slodzes sakausējumos
Niķelis un kobalts var atrasties vienā sakausējumu sistēmā, īpaši materiālos, kuriem jāstrādā paaugstinātā temperatūrā vai agresīvā vidē. Niķeļa bāzes sakausējumos papildus var būt hroms, kobalts, molibdēns, dzelzs un citi elementi. Katrs no tiem tiek izvēlēts konkrētam mērķim – piemēram, oksidācijas noturībai, stiprībai augstā temperatūrā vai noturībai pret konkrētiem korozijas mehānismiem.
Arī šeit svarīgs ir kopējais sastāvs, nevis tikai niķeļa daudzums. Diviem sakausējumiem ar līdzīgu niķeļa saturu mehāniskās un korozijas īpašības var būt būtiski atšķirīgas, ja atšķiras hroma, molibdēna, kobalta, oglekļa vai citu elementu daudzums un termiskā apstrāde.
Vai lielāks niķeļa saturs vienmēr nozīmē labāku korozijas noturību?
Nē. Niķelis daudzos sakausējumos ir vērtīgs elements korozijas noturībai, taču reālā uzvedība ir atkarīga no ķīmiskās vides un visa sakausējuma. Nerūsējošajā tēraudā būtiska ir hroma pasīvā plēve; hlorīdu vidē svarīga var būt arī molibdēna klātbūtne; vara–niķeļa sakausējumiem būtisks ir aizsargplēves stāvoklis un ūdens plūsmas režīms. Tādēļ materiālu nevar droši izvēlēties tikai pēc viena elementa procenta.
Tāpat jānošķir sakausējums no virsmas pārklājuma. Niķelis, kas ir iestrādāts visā materiāla masā, ietekmē sakausējuma mikrostruktūru un īpašības. Niķeļa pārklājums savukārt ir virsmas slānis ar citu funkciju un citu bojājumu risku. Tāpēc jautājums par niķelēšanu pret koroziju ir atsevišķs no tērauda vai niķeļa sakausējuma izvēles.
Kā praktiski salīdzināt niķeli saturošus materiālus?
Ja jāizvēlas konkrēts tērauds vai sakausējums, ar nosaukumu “niķeļa sakausējums” vien nepietiek. Vispirms jāpārbauda materiāla marka vai standarts un ķīmiskais sastāvs. Pēc tam jāvērtē mehāniskās prasības: temperatūra, stiepes un trieciena slodzes, metināšana, formēšana un nepieciešamā cietība. Tikai tad jāanalizē korozijas vide – vai materiāls būs sausā atmosfērā, saldūdenī, jūras ūdenī, skābā vai sārmainā vidē un vai iespējami hlorīdi vai augsta temperatūra.
Šāda pieeja ir daudz drošāka nekā izvēle pēc viena populāra nosaukuma, piemēram, “nerūsējošais”, “Monel” vai “hroma–niķeļa tērauds”. Vienas grupas ietvaros var būt daudzas markas ar atšķirīgu sastāvu un paredzēto pielietojumu. Ja materiāla izvēle ir saistīta ar spiediena iekārtām, pārtikas ražošanu, ķīmiskām vielām vai citām drošībai kritiskām sistēmām, jāizmanto konkrētajai nozarei piemēroti standarti un ražotāja tehniskie dati.
Galvenais par niķeli tēraudā un sakausējumos
Niķeļa vērtība sakausējumos nav reducējama uz vienu īpašību. Nerūsējošajā tēraudā tas palīdz stabilizēt austenīta struktūru un uzlabo formējamību, plastiskumu un vairākus korozijas parametrus. Leģētajos tēraudos niķelis var uzlabot stingrību un zemtemperatūras īpašības. Dzelzs–niķeļa sakausējumos iespējams iegūt ļoti mazu termisko izplešanos, bet vara–niķeļa un niķeļa–vara materiālos tiek izmantota cita īpašību kombinācija, kas piemērota ūdens, jūras un ķīmiskām vidēm.
Ja mērķis ir nevis materiāla īpašības, bet tā tirgus vērtības etalons, aktuālo informāciju skatiet niķeļa cenu lapā: niķeļa tirgus cena. Sakausējuma vai lūžņu faktiskā vērtība var atšķirties no biržas niķeļa cenas, jo to ietekmē sastāvs, tīrība, forma, pārstrādes iespējas un konkrētais pircēja piedāvājums.
