Ligas à base de níquel são uma classe de ligas que têm alta resistência e certo grau de resistência à oxidação e à corrosão em altas temperaturas de 650 a 1000°C.
| Classificação | Principais tipos |
|---|---|
| Por desempenho principal (à base de níquel) | Liga resistente ao calor |
| Liga resistente à corrosão | |
| Liga resistente ao desgaste | |
| Liga de precisão | |
| Liga com memória de forma | |
| Por Matrix Material | Superliga à base de ferro |
| Superliga à base de níquel | |
| Superliga à base de cobalto |
Papel dos principais elementos das ligas à base de níquel
Quando se trata de ligas à base de níquel, é preciso falar primeiro sobre o elemento níquel.
Assim como o ferro e o cobre, o níquel tem sido usado em ligas desde o início da civilização. No entanto, em comparação com o aço, o latão e o bronze, as ligas de níquel chegaram mais tarde ao setor químico. Os avanços contínuos na metalurgia e na tecnologia de fabricação impulsionaram o desenvolvimento das ligas de níquel e facilitaram seu uso generalizado no setor químico. As ligas de níquel combinam excelente resistência à corrosão, força, tenacidade, estabilidade metalúrgica, capacidade de trabalho e soldabilidade. Muitas ligas de níquel também têm excelente resistência ao calor, o que as torna ideais para aplicações que exigem resistência a altas temperaturas e resistência química em temperaturas elevadas.
A principal função do níquel nas ligas à base de níquel é alterar a estrutura cristalina do material. Um valor importante do níquel nas ligas à base de níquel é a formação de uma estrutura cristalina austenítica, que melhora aspectos como maleabilidade, soldabilidade e resistência.
As funções de vários elementos, além do níquel, nas ligas à base de níquel são as seguintes.
Redução do ponto de fusão da liga, expansão da zona de temperatura da linha de fase sólido-líquido e formação de cristais eutéticos de baixo ponto de fusão. Efeito desoxidante e redutor e função de escória. Endurecimento e fortalecimento do revestimento. Melhoria do desempenho do processo de operação.
Melhorar a resistência à corrosão por ácidos não oxidantes.
Efeito de fortalecimento da solução sólida, efeito de passivação. Melhora a resistência à corrosão e à oxidação em altas temperaturas. Formação de carboneto de cromo, fase dura de boreto de cromo para melhorar a dureza da liga e a resistência ao desgaste.
A solução sólida causa grandes distorções na estrutura, fortalecendo significativamente a matriz da liga. Melhora a resistência a altas temperaturas e a dureza vermelha da matriz. Pode cortar e reduzir a organização da reticulação no revestimento. Melhora a resistência à cavitação e à erosão Ligas de precisão à base de níquel.
Representante da liga de níquel
A primeira liga de níquel de importância comercial foi Liga 400. Foi desenvolvido e comercializado em 1905 pela International Nickel Company (Inco Alloys) com a marca registrada MONEL.
Os próximos marcos importantes foram os liga de níquel-molibdênio B e o liga de níquel-cromo-molibdênio-tungstênio Cque foram lançados por volta de 1930. Seu inventor foi a Haynes Stellite Company (Haynes International). Dois deles estão registrados sob a marca comercial HASTELLOY.
O próximo estágio importante no desenvolvimento de ligas à base de níquel veio da Inco. O desenvolvimento de liga de níquel-cromo e ferro 600 em 1931 e liga de níquel-ferro-cromo em 1949, foram denominados INCONEL e INCOLOY, respectivamente.
A Inco e a Haynes aproveitaram a popularidade e a reputação dessas marcas registradas iniciais para introduzir um total de cerca de 50 ligas resistentes à corrosão e ao calor. A VDM foi uma desenvolvedora e produtora posterior e mais conhecida de ligas à base de níquel sob as marcas registradas Nicrofer, Nimofer e Nicorros.
Histórico
As ligas à base de níquel foram desenvolvidas no final da década de 1930. O Nimonic 75 (Ni-20Cr-0.4Ti) foi produzido pela primeira vez no Reino Unido em 1941, e o Nimonic 80 (Ni-20Cr-2.5Ti-1.3Al) foi desenvolvido para melhorar a resistência à fluência e adicionar alumínio. As ligas à base de níquel também foram desenvolvidas nos EUA em meados da década de 1940, na URSS no final da década de 1940 e na China em meados da década de 1950.
Seu desenvolvimento incluiu melhorias na composição da liga e inovações nos processos de produção.
No início da década de 1950, o desenvolvimento da tecnologia de fusão a vácuo criou as condições para o refino de ligas à base de níquel contendo altos níveis de alumínio e titânio.
No final da década de 1950, as temperaturas operacionais mais altas das lâminas de turbina exigiam ligas com maior resistência a altas temperaturas. Entretanto, a alta resistência da liga dificulta, se não impossibilita, a deformação. Por isso, usamos o processo de fundição de investimento para desenvolver uma série de ligas de fundição com boa resistência a altas temperaturas.
Em meados da década de 1960, o desenvolvimento de uma série de ligas de fundição com boa resistência a altas temperaturas.
Em meados da década de 1960, foram desenvolvidas ligas de alta temperatura de cristal único e ligas de alta temperatura de metalurgia do pó com bom desempenho. Para atender às necessidades de navios e turbinas a gás industriais, desde a década de 1960 também foram desenvolvidas várias ligas com alta resistência ao calor, resistência à corrosão e boa estabilidade organizacional à base de cromo e níquel.
Do início da década de 1940 até o final da década de 1970, cerca de 40 anos, a temperatura de trabalho das ligas à base de níquel passou de 700 ℃ para 1100 ℃, um aumento médio anual de cerca de 10 ℃.
Produto de ligas de níquel
Composição e propriedades
As ligas de alta temperatura à base de níquel são as mais usadas. Os principais motivos são: primeiro, podem dissolver mais elementos de liga e manter uma boa estabilidade organizacional. Em segundo lugar, o composto intermetálico do tipo A3B, ordenado em co-lattice, forma a fase γ[Ni3(Al, Ti)] como fase de reforço e fortalece a liga. Por fim, também é possível obter resistências a altas temperaturas mais altas do que as das ligas de alta temperatura à base de ferro e das ligas de alta temperatura à base de cobalto. Terceiro, em comparação com as ligas de alta temperatura à base de ferro, as ligas à base de níquel contendo cromo têm melhor resistência à oxidação e à corrosão por gás.
Ele contém mais de uma dúzia de elementos, dos quais o cromo desempenha principalmente o papel de antioxidante e resistência à corrosão. Existem elementos de reforço de solução sólida, elementos de reforço de precipitação e elementos de reforço de limite de grão, de acordo com seus efeitos de reforço.
De acordo com o método de reforço, há ligas de reforço de solução sólida e ligas de reforço de precipitação.
Processo de produção
A fundição para obter aço mais purificado, reduzir o teor de gás e o teor de elementos nocivos e, ao mesmo tempo, devido a algumas ligas nos elementos oxidáveis, como Al, Ti etc., a existência de fundição sem vácuo é difícil de controlar; mas também para obter melhor termoplasticidade, ligas resistentes ao calor à base de níquel, geralmente usando uma fundição em forno de indução a vácuo. Mesmo com a fundição por indução a vácuo mais o forno de autoconsumo a vácuo ou o modo de refusão do forno de eletroescória para produção.
Deformação de forjamento, processo de laminação, para a baixa termoplasticidade da liga e até mesmo o uso de extrusão de tarugo aberto após a laminação ou processo de extrusão direta de jaqueta de aço macio (ou aço inoxidável). O objetivo da deformação é quebrar a organização da fundição e otimizar a microestrutura.
A fundição geralmente é feita pela fusão da liga principal em um forno de indução a vácuo para garantir a composição e controlar o conteúdo de gases e impurezas. E as peças são feitas por fundição de precisão por refusão a vácuo.
No caso da liga Udmet 500, por exemplo, há quatro estágios no sistema de tratamento térmico. Tratamento de solução, 1175°C, 2 horas, resfriamento a ar. Tratamento intermediário, 1080°C, 4 horas, resfriamento a ar. Tratamento de envelhecimento primário, 843°C, 24 horas, resfriamento a ar. Tratamento de envelhecimento secundário, 760°C, 16 horas, resfriamento a ar. Para obter o estado de organização necessário e um bom desempenho geral.
Ligas resistentes à corrosão à base de níquel
Os principais elementos de liga são cobre, cromo e molibdênio. Tem bom desempenho abrangente e pode resistir a vários tipos de corrosão ácida e corrosão sob tensão. As primeiras aplicações foram as ligas de níquel-cobre, também conhecidas como ligas de monel. Há também ligas de níquel-cromo, ligas de níquel-molibdênio, ligas de níquel-cromo-molibdênio. Ao mesmo tempo, o níquel puro também é um representante típico das ligas resistentes à corrosão à base de níquel. As ligas resistentes à corrosão à base de níquel são indispensáveis para a fabricação de petróleo, produtos químicos, energia elétrica e outras peças ambientais resistentes à corrosão.
Categoria
A liga Ni-Cu tem melhor resistência à corrosão do que o níquel em meios redutores e melhor resistência à corrosão do que o cobre em meios oxidantes. É o melhor material para resistir a altas temperaturas de gás flúor, fluoreto de hidrogênio e ácido fluorídrico sob a condição de ausência de oxigênio e oxidante.
Liga Ni-Cr Também conhecida como liga resistente ao calor à base de níquel, é usada principalmente em condições de meio oxidante. Resistente à oxidação em alta temperatura e à corrosão de gases contendo enxofre e vanádio, sua resistência à corrosão aumenta com o teor de cromo. Essas ligas também têm boa resistência à corrosão por hidróxido (como NaOH, KOH) e resistência à corrosão sob tensão.
As ligas de níquel-molibdênio são usadas principalmente em condições corrosivas em meios redutores. É uma das ligas com melhor resistência à corrosão do ácido clorídrico. Entretanto, na presença de oxigênio e agentes oxidantes, sua resistência à corrosão é bastante reduzida.
A liga Ni-Cr-Mo (W) apresenta o mesmo desempenho da liga Ni-Cr e da liga Ni-Mo acima. Usada principalmente em condições de meios mistos oxidantes e redutores. Esse tipo de liga tem boa resistência à corrosão no gás fluoreto de hidrogênio em alta temperatura, no oxigênio e no agente oxidante que contém ácido clorídrico e solução de ácido fluorídrico, bem como em temperatura ambiente no gás cloro úmido.
As ligas Ni-Cr-Mo-Cu são resistentes à corrosão por ácido nítrico e sulfúrico e têm boa resistência à corrosão em alguns ácidos mistos redox.
Ligas resistentes ao desgaste à base de níquel
Os principais elementos de liga são cromo, molibdênio, tungstênio e também contém uma pequena quantidade de nióbio, tântalo e índio. Além do desempenho de resistência ao desgaste, sua resistência à oxidação, resistência à corrosão e desempenho de soldagem também são bons. Ele pode produzir peças resistentes ao desgaste. É também um material de revestimento, que atua como uma sobreposição em outras superfícies de substrato por meio do processo de revestimento e pulverização.
Há principalmente pós de ligas de fusão automática e pós de ligas sem fusão automática.
O pó não autofundente à base de níquel refere-se ao pó de liga à base de níquel sem B, Si ou com menor teor de B, Si. Esse tipo de pó é amplamente utilizado em revestimento por spray de arco de plasma, revestimento por spray de chama e reforço de superfície por plasma. Eles incluem principalmente: Pó de liga de Ni-Cr, pó de liga de Ni-Cr-Mo, pó de liga de Ni-Cr-Fe, pó de liga de Ni-Cu, pó de liga de Ni-P e Ni-Cr-P, pó de liga de Ni-Cr-Mo-Fe, pó de liga de Ni-Cr-Mo-Si com alta resistência à abrasão, pó de liga de Ni-Cr-Fe-Al, pó de liga de Ni-Cr-Fe-Al-B-Si, pó de liga de Ni-Cr-Si, pó de liga resistente à corrosão e ao desgaste à base de Ni-Cr-W, entre outros.
A adição de quantidades adequadas de B e Si aos pós de liga de níquel resulta na formação de pós de liga de autofusão. O chamado pó de liga de autofusão, também conhecido como ligas de baixo ponto eutético e ligas de revestimento duro, é feito em ligas à base de níquel, cobalto e ferro pela adição de elementos de liga eutética de baixo ponto de fusão (principalmente boro e silício) para formar uma série de materiais em pó. Comumente usados são pó de liga Ni-B-Si, pó de liga Ni-Cr-B-Si, Ni-Cr-B-Si-Mo, Ni-Cr-B-Si-Mo-Cu, pó de liga de autofusão à base de Ni-Cr-W-C, pó de liga de autofusão com alto teor de cobre e muito mais.
Ligas de precisão à base de níquel
Entre elas estão as ligas magnéticas macias, as ligas de resistência de precisão e as ligas eletrotérmicas. As ligas magnéticas macias mais comumente usadas são as ligas Bomol que contêm cerca de 80% de níquel, que têm alta permeabilidade máxima e permeabilidade inicial e baixa coercividade, e são importantes materiais essenciais para o setor de eletrônicos. Os principais elementos de liga das ligas de resistência de precisão são cromo, alumínio e cobre. Essa liga tem alta resistividade, baixo coeficiente de temperatura de resistência e boa resistência à corrosão. Ela se aplica à fabricação de resistores. A liga eletrotérmica é uma liga de níquel que contém cromo 20%, tem boa resistência à oxidação e à corrosão e pode ser usada a longo prazo sob a temperatura de 1000 a 1100 ℃.
Ligas com memória de forma à base de níquel
Ele contém titânio 50%. Sua temperatura de recuperação é de 70°C, com bom efeito de memória de forma. Uma pequena alteração na proporção de componentes de níquel e titânio pode fazer com que a temperatura de recuperação fique na faixa de 30 a 100 ℃. Utilizado principalmente na fabricação de espaçonaves usadas na abertura automática de componentes estruturais, na indústria aeroespacial, em fixadores autoexcitados, no uso biomédico de motores de coração artificial e assim por diante.
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