Thành phần hóa học và tính chất cơ học của hợp kim niken

Thành phần hóa học và tính chất cơ học của hợp kim niken quyết định liệu một bộ phận có thể chịu được chất lưu ăn mòn, nhiệt độ duy trì, tải trọng chu kỳ hay sự kết hợp của các điều kiện này hay không. Niken tạo thành nền austenit ổn định trong dải nhiệt độ rộng và góp phần tạo độ dai, độ dẻo cùng khả năng chống chịu trong một số môi trường khử. Tính năng của hợp kim thay đổi đáng kể khi crom, molypden, sắt, coban, đồng, nhôm, titan, niobi hoặc cacbon được bổ sung với hàm lượng được kiểm soát.

Do đó, việc lựa chọn mác vật liệu phải bắt đầu từ điều kiện làm việc thực tế thay vì các mô tả chung như “chống ăn mòn” hoặc “nhiệt độ cao”. Thành phần hóa học của chất lưu, hàm lượng clorua, hàm lượng oxy, áp suất, nhiệt độ kim loại, hình dạng khe hở, chu kỳ nhiệt và quy trình chế tạo đều có thể làm thay đổi sự cân bằng cần thiết giữa thành phần hóa học và độ bền cơ học.

Ảnh hưởng của các nguyên tố chính đến hợp kim niken

Niken là nguyên tố nền chính trong nhiều hợp kim chống ăn mòn và chịu nhiệt. Hàm lượng niken cao có thể cải thiện khả năng chống nứt ăn mòn ứng suất do clorua so với nhiều loại thép không gỉ thông dụng, đồng thời duy trì độ dai hữu ích ở nhiệt độ thấp. Niken cũng hỗ trợ cấu trúc lập phương tâm diện, thường mang lại khả năng tạo hình và hàn tốt khi thành phần hợp kim và xử lý nhiệt phù hợp.

Crom thường được bổ sung để nâng cao khả năng chống oxy hóa và tạo lớp màng bảo vệ bề mặt trong axit oxy hóa तथा khí ở nhiệt độ cao. Hợp kim niken giàu crom có thể được lựa chọn cho các bộ phận lò, thiết bị khí nóng và hệ thống quy trình hóa chất có môi trường oxy hóa. Tuy nhiên, chỉ riêng crom không quyết định tính năng chống ăn mòn; axit khử, sự tấn công cục bộ của clorua và các khe hở tù đọng thường cần bổ sung thêm nguyên tố hợp kim.

Molypden cải thiện khả năng chống axit khử và có thể tăng cường khả năng chống ăn mòn rỗ và ăn mòn khe hở trong các dung dịch chứa clorua. Nguyên tố này đặc biệt quan trọng khi cặn bám, vận tốc dòng chảy thấp, vị trí tiếp giáp gioăng hoặc môi trường nước biển có thể tạo ra sự tập trung hóa chất cục bộ. Hàm lượng molypden cao hơn có thể cải thiện hiệu suất trong các môi trường này, nhưng cũng có thể ảnh hưởng đến khả năng gia công nóng và đòi hỏi kiểm soát cẩn thận trong quá trình nấu luyện và gia công.

Sắt được sử dụng trong một số nhóm hợp kim niken để điều chỉnh chi phí, độ giãn nở nhiệt, độ bền và độ ổn định luyện kim. Tùy theo mác vật liệu, sắt có thể là thành phần đáng kể thay vì chỉ là nguyên tố dư lượng nhỏ. Ảnh hưởng của nó phải được đánh giá cùng với toàn bộ thành phần hóa học vì tỷ lệ niken trên sắt tác động đến hành vi ăn mòn, phản ứng từ tính và độ ổn định pha.

Coban có thể duy trì độ bền ở nhiệt độ cao và được sử dụng trong một số thành phần nền niken chịu nhiệt. Nhôm, titan và niobi có vai trò quan trọng trong các hợp kim hóa bền kết tủa vì chúng có thể tạo thành các pha hóa bền trong quá trình hóa già được kiểm soát. Các mác này có thể đạt giới hạn chảy cao hơn các hợp kim hóa bền dung dịch rắn, mặc dù yêu cầu về chế tạo và xử lý nhiệt thường khắt khe hơn.

Đồng là thành phần chủ đạo trong các hợp kim niken-đồng được sử dụng cho một số điều kiện làm việc trong môi trường biển, kiềm và axit khử. Hệ niken-đồng có hành vi ăn mòn khác với các hợp kim niken-crom-molypden, vì vậy không nên thay thế đơn giản chỉ vì cả hai vật liệu đều được mô tả là hợp kim niken.

Tính chất cơ học phụ thuộc vào trạng thái, không chỉ riêng tên mác vật liệu

Quy cách vật liệu cần nêu rõ dạng sản phẩm và trạng thái luyện kim cùng với mác danh nghĩa. Tấm mỏng, băng, tấm dày, thanh, ống, chi tiết rèn và vật liệu hàn có thể có các yêu cầu tính chất khác nhau. Vật liệu ủ nhấn mạnh độ dẻo và khả năng tạo hình; vật liệu gia công nguội có thể có độ bền cao hơn nhưng độ giãn dài thấp hơn; vật liệu hóa già đạt được độ bền nhờ xử lý nhiệt xác định.

Độ bền kéo biểu thị ứng suất kỹ thuật lớn nhất đạt được trong thử kéo, trong khi giới hạn chảy biểu thị ứng suất tại đó biến dạng vĩnh viễn được quy ước xác định. Độ giãn dài cho biết hữu ích về độ dẻo khi kéo, nhưng cần được xem xét cùng với chiều dài đo, chiều dày sản phẩm và phương pháp thử. Độ cứng có thể hỗ trợ kiểm tra đầu vào hoặc kiểm soát trạng thái, nhưng không thay thế được thử kéo khi có yêu cầu về tính chất kết cấu.

Đối với điều kiện làm việc ở nhiệt độ cao, dữ liệu kéo ở nhiệt độ phòng chỉ là tham chiếu ban đầu. Khả năng chống rão, độ bền đứt do ứng suất, hành vi oxy hóa, mỏi nhiệt và độ ổn định vi cấu trúc có thể quyết định nhiệt độ thiết kế có thể sử dụng. Vật liệu vẫn bền trong thử kéo thời gian ngắn vẫn có thể biến dạng theo thời gian dưới tải trọng duy trì. Ngược lại, một hợp kim có khả năng chống ăn mòn rất cao có thể không phù hợp với khu vực nóng chịu tải lớn nếu chưa đánh giá khả năng làm việc dài hạn ở nhiệt độ cao.

Mối quan hệ giữa thành phần và tính chất trong điều kiện sử dụng

Hợp kim niken hóa bền dung dịch rắn đạt phần lớn độ bền nhờ các nguyên tố hợp kim hòa tan trong nền niken. Chúng thường duy trì độ dẻo tốt sau khi ủ và có thể phù hợp khi cần kết hợp khả năng chống ăn mòn, khả năng hàn và độ bền ở nhiệt độ từ trung bình đến cao. Tính chất cơ học của chúng có thể tăng lên nhờ gia công nguội, nhưng ứng suất dư tạo thành cần được xem xét trong môi trường chứa clorua hoặc môi trường kiềm ăn da.

Các mác hóa bền kết tủa sử dụng xử lý dung dịch, sau đó hóa già để hình thành các hạt hóa bền mịn. Quy trình này có thể tạo ra giới hạn chảy cao hơn nhiều cho bu lông, lò xo, trục, phụ kiện liên quan đến tuabin và các chi tiết chịu tải khác. Sự gia tăng độ bền đi kèm với yêu cầu kiểm soát chặt chẽ hơn về thời gian và nhiệt độ. Phơi nhiệt quá mức, hóa già không đúng hoặc hàn mà không xử lý sau hàn thích hợp có thể làm thay đổi đáp ứng cơ học dự kiến.

Vật liệu niken-đồng thường được xem xét cho phụ kiện hàng hải, bộ phận bơm, chi tiết trao đổi nhiệt và thiết bị tiếp xúc với một số loại axit hoặc kiềm. Ở dạng băng, sự kết hợp giữa khả năng chống ăn mòn và độ dẻo hữu ích cho các bộ phận tạo hình. Ví dụ, Dải thép hợp kim Monel có thể được cung cấp bằng vật liệu Monel 400 hoặc Monel K-500, với chiều dày từ 0.1 mm đến 100 mm, chiều rộng từ 10 mm đến 2500 mm và chiều dài tùy chỉnh. Trạng thái cơ học cần được quy định riêng vì Monel 400 và Monel K-500 có thể hóa già không thể thay thế cho nhau khi độ bền thiết kế là yếu tố quyết định.

Các chi tiết chế tạo ảnh hưởng đến hiệu suất cuối cùng

Hợp kim niken có thể biến cứng nhanh trong quá trình gia công cơ khí và tạo hình nguội. Dụng cụ ổn định, gá kẹp cứng vững, lượng chạy dao dương, đủ dung dịch cắt gọt và tránh để dụng cụ dừng tì sẽ giúp giảm biến cứng bề mặt và quá nhiệt cục bộ. Bề mặt gia công kém có thể trở thành điểm khởi phát mỏi hoặc ăn mòn cục bộ, đặc biệt khi bộ phận chịu rung động hoặc áp suất thay đổi luân phiên.

Hàn đòi hỏi vật liệu điền đầy tương ứng hoặc tương thích, chuẩn bị mối nối sạch và kiểm soát nhiệt đầu vào. Nhiễm bẩn từ dầu chứa lưu huỳnh, kim loại có nhiệt độ nóng chảy thấp, bụi xưởng hoặc mạt mài thép cacbon có thể làm ảnh hưởng đến mối hàn hoặc bề mặt lân cận. Các quy trình TIG, MIG và hàn hồ quang có khí bảo vệ có thể phù hợp với một số mác và chiều dày nhất định, nhưng việc phê duyệt quy trình phải phản ánh hợp kim, hình dạng mối nối và điều kiện sử dụng dự kiến. Khi hàn vật liệu hóa bền kết tủa, cần xác định xử lý nhiệt sau hàn cần thiết trước khi bắt đầu chế tạo.

Tình trạng bề mặt cần được chú ý sau khi tạo hình, hàn hoặc gia công cơ khí. Có thể lựa chọn tẩy gỉ, đánh bóng hoặc hoàn thiện xước tùy theo bộ phận và môi trường sử dụng. Việc loại bỏ màu nhiệt, nhiễm bẩn sắt bám dính và cặn còn lại sau chế tạo đặc biệt quan trọng đối với thiết bị yêu cầu chống ăn mòn nghiêm ngặt. Không nên dùng chung vật liệu mài và dụng cụ thao tác đã sử dụng cho thép cacbon nếu không có biện pháp kiểm soát, vì sắt chuyển bám có thể gây ố màu hoặc tạo các vị trí ăn mòn cục bộ.

Các lỗi lựa chọn thường gặp

• Sử dụng nhãn hợp kim niken chung chung mà không xác nhận đầy đủ thành phần hóa học, trạng thái giao hàng và tiêu chuẩn dạng sản phẩm.
• So sánh độ bền kéo ở nhiệt độ phòng nhưng bỏ qua dạng ăn mòn, nhiệt độ kim loại dự kiến hoặc điều kiện chịu tải duy trì.
• Cho rằng khả năng chống nước biển sẽ loại bỏ nguy cơ ăn mòn khe hở quanh phớt, mối ghép chồng, cặn bám hoặc các chi tiết thoát nước kém.
• Thay thế hợp kim ủ bằng trạng thái gia công nguội hoặc hóa già cường độ cao mà không đánh giá bán kính uốn, trình tự hàn và ứng suất dư.
• Chấp nhận phân tích hóa học từ hồ sơ mẻ luyện nhưng bỏ qua khả năng truy xuất giữa hồ sơ, vật liệu được đánh dấu và các chi tiết cắt hoàn thiện.

Việc phê duyệt vật liệu cần liên kết bản vẽ, ký hiệu hợp kim, giới hạn thành phần hóa học, yêu cầu tính chất cơ học, kích thước, tình trạng bề mặt và hồ sơ kiểm tra. Đối với các chi tiết quan trọng, nhận dạng vật liệu xác thực có thể được dùng để kiểm soát khi tiếp nhận hoặc trước khi lắp đặt, trong khi phân tích hóa học trong phòng thí nghiệm vẫn là phương pháp tham chiếu khi cần xác minh nguyên tố chính xác. Kỷ luật tương tự cần được duy trì trong quá trình cắt, bố trí phôi, hàn và đánh dấu cuối cùng để tránh trộn lẫn các hợp kim niken có ngoại quan tương tự.

Hiệu suất của hợp kim niken đạt được nhờ tác động tổng hợp của thành phần, trạng thái gia công, hình dạng bộ phận và môi trường sử dụng. Một mác có thành phần hóa học phù hợp có thể hoạt động kém sau xử lý nhiệt không đúng hoặc chế tạo bị nhiễm bẩn, trong khi một mác có độ bền cơ học cao có thể là lựa chọn không phù hợp cho một môi trường ăn mòn cụ thể. Xác định đồng thời các yếu tố này sẽ tạo ra quy cách vật liệu có thể chế tạo và bảo trì mà không dựa vào các giả định.