Nikkel en nikkellegeringen

[Innomet Ko Buijs]

Zuiver nikkel is een metaal dat zeer goed vervormbaar is omdat het tot aan het smeltpunt beschikt over een kristalstructuur dat kubisch vlakken gecentreerd is. Dat betekent een optimaal aantal glijvlakken waardoor het bijzonder ductiel is. Nikkel biedt een goede corrosieweerstand in vele watertypen en in onbeluchte niet-oxiderende zuren. Tevens is het uitstekend bestand tegen sterke basische oplossingen. Nikkel biedt dan als metaal een goede algemene weerstand tegen corrosie en vormt daardoor een goede basis voor de ontwikkeling van hoogwaardige nikkellegeringen. Ook wordt nikkel als legeringelement toegevoegd aan roestvast staal om een austenitische structuur te verkrijgen en om het meer corrosiebestendig te maken.

Nikkel kan met bepaalde legeringelementen intermetallische fasen vormen waardoor er legeringen ontstaan die beschikken over hoge sterkte zowel voor gebruik bij lage als bij hoge temperaturen. Het merendeel van nikkel kneedproducten zijn leverbaar in alle gangbare halffabricaten zoals staf, draad, folie, plaat, band en buis. Tal van producten zijn ook in gegoten of gesmede vorm leverbaar. Nikkel en nikkellegeringen zijn gemakkelijk te lassen en er zijn voor de meeste legeringtypen geschikte laselektrodes en lasdraad beschikbaar. Commerciële nikkellegeringen worden veelal ontwikkeld voor diverse toepassingen. Ook is het mogelijk om met geringe aanpassingen van de samenstelling tegemoet te komen aan specifieke gebruikseisen.

Nikkellegeringen variëren in samenstelling van technisch zuiver nikkel tot complexe legeringen die tal van legeringelementen kunnen bevatten. Er wordt vaak onderscheid gemaakt tussen legeringen die hoofdzakelijk worden gebruikt om hun sterkte bij hoge temperaturen en typen waarbij het primair gaat om een hoge corrosieweerstand bij lagere temperaturen. Men noemt beide typen ook wel superlegeringen

Enige interessante voordelen van nikkellegeringen zijn de volgende:
• Binnen een legeringgroep kan worden beschikt over een breed scala aan fysische en mechanische eigenschappen;
• De KVG microstructuur zorgt ervoor dat er geen verbrossing ontstaat bij verlaging van de temperatuur;
• Uitstekend sterktebehoud tot 70% van het smeltpunt;
• Hoge weerstand tegen corrosie van de volgende legeringen Ni/Cu, Ni/Mo, Ni/Mo/Cr en Ni/Mo/Cr/Cu. Hoge weerstand tegen oxidatie tot 1100°C van Ni/Cr legeringen door toevoeging van aluminium, silicium en zeldzame aardmetalen. Verder zijn al deze legeringen tot cryogene temperaturen sterk en taai;
• Er kunnen speciale legeringen worden bereid met een zeer lage uitzettingscoëfficiënt en een nagenoeg constante elasticiteitsmodulus.

Enige nadelen van nikkellegeringen:
• Nikkellegeringen zijn duur vanwege het relatief dure basismetaal, alsmede door de vaak prijzige legeringelementen;
• Alle legeringen vertonen een sterke neiging tot deformatieharding en zijn derhalve moeilijk te bewerken zonder tussentijds zachtgloeien. Om de legeringen in sterkte te doen toenemen d.m.v. uitscheidingsharding c.q. verouderingsharding zijn er speciale warmtebehandelingen noodzakelijk;
• Geringe weerstand tegen zuren die oxiderende verontreinigingen bevatten en tegen bepaalde hete gassen;
• Sulfiderende atmosferen tasten de legeringen snel aan, vooral bij temperaturen in het gebied van 750-1000°C;
• Er moet silicium worden toegevoegd om de gietbaarheid van deze legeringen te verbeteren, hetgeen gepaard gaat met verlies aan vervormbaarheid;
• Het hoge sterkteniveau bij verhoogde temperaturen leidt tot moeilijkheden bij warm vervormen. Derhalve moet er vaak gebruik worden gemaakt van giet- of smeedstukken;
• De legeringen zijn zeer gevoelig voor verontreinigingen, alsmede de mate van deformatieharding, die beide gepaard gaan met verlies aan ductiliteit. Dit is slechts gedeeltelijk te herstellen door middel van een warmtebehandeling.

Nikkel en nikkellegeringen worden voornamelijk in de chemische apparatenbouw gebruikt, wanneer hoge eisen aan de weerstand tegen corrosie en/of aan de hittebestendigheid worden gesteld. Het smeltpunt van nikkel ligt in de buurt van dat van staal.

Hoewel nagenoeg alle nikkellegeringen goed lasbaar zijn, zijn er een tweetal mogelijkheden die tot lasfouten kunnen leiden:
1. De geringste aanwezigheid van zwavel kan aanleiding zijn tot het optreden van warmscheuren. Het warmscheuren wordt bevorderd door de aanwezigheid van silicium, vooral bij legeringen op basis van nikkelkoper en nikkelchroom.
2. Er kan poreusheid ontstaan door gasopname; dit wordt veroorzaakt door zuurstof, stikstof en vooral waterstof. Het kan echter worden voorkomen door het afdoende reinigen van het werkstuk en met het gebruik van een juiste gasbescherming.
Bij het lassen van nikkel en zijn legeringen moet de openingshoek van V-naden groter worden gekozen dan bij het lassen van staal, want het smeltbad is nogal viskeus. Nikkel en nikkellegeringen worden vooral met het TIG-proces gelast. Dit geschiedt dan met gelijkstroom waarbij de elektrode de negatieve pool is. Er moet dus voor een zeer goede gasbescherming worden gezorgd dat zeer zuiver en droog dient te zijn. Indien mogelijk, wordt er bij voorkeur altijd met backinggas gewerkt. Eventueel toevoegmateriaal heeft in de regel dezelfde samenstelling als het werkstuk.