Exotische Legierung findet Nische
Die Fachzeitschrift für Nickel und seine Anwendungen
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Juni 2003 |
Walzen aus Nickelaluminid fertig für die Auslieferung.
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Walzen in einem Wärmebehandlungsofen.
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Konventionelle Walzen in einem 4 Meter breiten Härtereiofen im Burns Harbour-Werk in Chesterton im US-Bundesstaat Indiana.
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Blase, die sich während des Betriebs auf einem Walzenkörper aus Edelstahl Rostfrei gebildet hat.
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Entfernung einer Blase durch manuelles Schleifen, um eine Beschädigung der Platten zu vermeiden.
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Nickelaluminid, eine Intermetalllegierung, senkt die Kosten der Wärmebehandlung. Von Gerald
Crawford
Nickel Magazine, April 8, 2003 -- Nickelaluminid (Ni3Al), ein intermetallischer Werkstoff, ermöglicht es den Herstellern, die mit der Austenitisierung, Karburierung und sonstigen mit der Anwendung in Härteöfen assoziierten Energie-, Produktrecycling- und Kapitalanlagenkosten zu senken.
Diese fortschrittliche, 80 % Nickel enthaltende Legierung beginnt, traditionelleren Werkstoffen in einigen Anwendungen Konkurrenz zu machen. Ein Stahlplattenaustenitisierungsofen im Werk Burns Harbour der Firma Bethlehem Steel in Chesterton im US-Bundesstaat Indiana beispielsweise enthält mehr als 130 Tonnen der Legierung in Form von Transferwalzen, während ein Karburierungsofen im Autoteilewerk der Firma Delphi Saginaw Steering Systems in Saginaw im US-Bundesstaat Michigan mehr als 110 Tonnen der Legierung in Form verschiedener Bauteile enthält.
Die Nachfrage könnte sich in zwei Jahren verdoppeln, während neue Anwendungen wie Strahlungsbrennerröhren und Dichtwalzen (derzeit in Erprobung) in Gebrauch kommen.
Die vom Oak Ridge National Laboratory (ORNL) des US-Energieministeriums im US-Bundesstaat Tennessee und von der in Troy im US-Bundesstaat Michigan ansässigen Delphi Automotive Systems Corp. gemeinsam entwickelte Legierung härtet bei etwa 900° C. Dies liegt an ihrer hochgeordneten Struktur und Kriechfestigkeit, den Eigenschaften, die ihren überlegenen Leistungscharakteristika zugrunde liegen.
Die auch als IC-221M bekannte Legierung enthält Nickel in einer Kombination mit Aluminium, Chrom, Molybdän, Zirkonium und Bor. Die Zugabe von Bor ist kritisch für die Steigerung der Duktilität der Legierung, und diese Entdeckung war es, die eine kommerzielle Herstellung der Legierung erlaubte. Die Legierung wird unter Anwendung des Exo-Melt™-Verfahrens des ORNL von einem halben Dutzend Lizenznehmer in den USA angeboten.
IC-221M ist den herkömmlichen Legierungen überlegen. Transferwalzen aus der traditionellen hitzebeständigen Stahllegierung HP ( N08705, mit 25 % Chrom, 35 % Nickel) beispielsweise bilden beim Einsatz bei Temperaturen von 950° C Blasen, was verschiedene kostenintensive Konsequenzen nach sich zieht:
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Der Ofen muss wöchentlich abgeschaltet werden, um die Blasen von der Oberfläche der Walzen zu schleifen, wodurch Hitze verschwendet und die Produktion verringert wird;
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Bis zu 40 % der hergestellten Stahlplatten sind aufgrund von Kratzern, die durch die Blasen verursacht wurden, von minderer Qualität, was die Einnahmen sinken lässt;
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Die Walzen müssen häufig, manche sogar jährlich, ersetzt werden, was entsprechende Kapitalersatzkosten nach sich zieht.
Die Walzen aus Nickelaluminid bilden hingegen keine Blasen und brauchen nicht abgeschliffen zu werden, wodurch die Hersteller Energiekosten einsparen und die Einnahmen aus der Produktion steigern können. Außerdem sind sie drei bis fünf Mal langlebiger als die Walzen aus der Stahllegierung, weshalb die Lebenszykluskosten geringer sind.
Konventionelle Bauteile aus Stahllegierungen in Karburierungsöfen bringen andere Probleme mit sich. Ein katastrophales Versagen eines Bauteils kann zu einer Verklemmung im Ofen führen, der dann abgeschaltet werden muss, wodurch Energie verschwendet und möglicherweise die Qualität des gerade bearbeiteten Produkts gefährdet wird. Bauteile aus Nickelaluminid hingegen haben eine drei Mal längere Lebenszeit als Bauteile aus Stahl, wodurch sowohl die Anzahl der benötigten Bauteile als auch die Anzahl der für eine gegebene Produktionsrate benötigten Öfen verringert wird. Deshalb sind die Energiekosten, die Produktersatzkosten und die Kapitalkosten bei Verwendung der Alternative aus Nickelaluminid niedriger.
Nur wenige Konstruktionswerkstoffe werden entwickelt, ohne dass dabei auch technische Herausforderungen auftauchen. Die Legierung IC-221M ist keine Ausnahme von dieser Regel. Die Eigenschaften, die den bemerkenswerten Leistungscharakteristika von Nickelaluminid zugrunde liegen, d.h. die hochgeordnete stabile Struktur und die hohe Kriechbeständigkeit, sind zugleich auch dafür verantwortlich, dass dieser Werkstoff schwer schweißbar ist. In einer Walzenanwendung beispielsweise müssen Schweißverfahren angewendet werden, um den Lagerzapfen am Walzenkörper zu befestigen. Dies stellte bei den anfänglichen Versuchen ein Problem dar, doch mittlerweile hat sich die Schweißtechnologie so weiterentwickelt, dass automatisierte MIG-Verfahren heute konsequente, reproduzierbare Schweißnähte ergeben.
Es ist nicht überraschend, dass die Anfangskosten des Nickelaluminids sich bis auf das Doppelte dessen belaufen können, was konventionelle hitzebeständige Stahllegierungen kosten. Aufgrund der Leistungscharakteristika der Nickelaluminidalternative jedoch sind die Lebenszykluskosten wesentlich geringer. Deshalb werden wir künftig wohl mehr Ni3Al in Walzen, Bauteilen, Brennerröhren und anderen Anwendungen vorfinden.
Die Legierung IC-221M fällt unter ASTM A1002-99, 'Standard Specification for Castings, Nickel-Aluminum Ordered Alloy'.
Gerald Crawford, Ph.D., P.Eng, ist ein in Toronto ansässiger technischer Berater des Nickel Development Institute.
Photos: ORNL
Dr. Vinod Sikka |
