Сплав 201, никель 201, другие/похожие характеристики, UNS N02201

Сплав 201, проволока никель 201, UNS N02201

Введение в сплав 201 (никель-201 провод, UNS N02201)

Сплав 201, коммерчески известный как никель 201 и классифицированный по UNS N02201, представляет собой низкоуглеродный, высокочистый никелевый сплав, разработанный для исключительной криогенной ввязчивости, превосходной устойчивости к хрупкости водорода и отличной теплопроводности и электрической теплопроводности. Будучи модифицированной версией классического Nickel 200, его отличительной чертой является сверхнизкое содержание углерода (≤0,02 массы), что устраняет осадки карбида на границах зерен — что критично для предотвращения межзернистой коррозии (IGC) и водородно-индуцированного трещины (HIC) в суровых условиях. Этот сплав надежно работает при криогенных температурах (-269°C/-452°F, при жидком гелии) до 315°C/600°F, используя полностью аустенитическую микроструктуру для обеспечения выдающейся пластичности и стабильности даже при почти абсолютном нуле. Проволока никель 201, специализированная форма этого сплава, широко распространена

Используется в таких отраслях, как химическая переработка, криогенная инженерия, электроника и аэрокосмическая промышленность — отлично отличается такими компонентами, как провода датчиков низкотемпературных температур, разъёмы систем хранения водорода и оборудование для обработки химикатов высокой чистоты, требующие бескомпромиссной работы в коррозийных, низкотемпературных или чистых средах.

1. Химический состав (типичный, масса)

Химический состав UNS N02201 соответствует строгим отраслевым стандартам, включая ASTM B160 (для стержня, стержней и проволоки из никелевого и никелевого сплава) и ASME SB160, с акцентом на ультранизкоуглеродную и высокочистоту никеля для оптимизации криогенных и антикоррозийных свойств. Типичное сочинение выглядит следующим образом:

Элемент

Диапазон содержания (масса)

Функция

Никель (Ni)

99,0 мин.

Служит основным матричным элементом, стабилизируя аустенитную структуру; устраняет переход от хрупкости к пластичности при криогенных температурах, обеспечивая исключительную прочность до -269°C.

Углерод (C)

≤ 0.02

Определяющая особенность ультранизкоуглеродных систем — предотвращает осадки карбида (Ni₃C) на границах зерен, устраняя межзернистую коррозию (IGC) и водородно-индуцированное трещинование (HIC) в богатых водородом или коррозионных средах.

Железо (Fe)

≤ 0,4

Минимизация для предотвращения образования ферромагнитных фаз (которые ухудшают криогенную активность) и предотвращения межгранулярной хрупкости; ограничено для улучшения горячей обработки при производстве проводов.

Медь (Cu)

≤ 0,2

Микроэлемент, который немного усиливает усиление твёрдым раствором без ущерба криогенной пластичности; Контролируемым, чтобы избежать снижения теплопроводности.

Марганец (Миннесота)

≤ 0.3

Способствует окислению при плавлении и улучшает холодную обработку для тонкого проволоки; строгий контроль, чтобы избежать осаждения хрупких межметаллических фаз при низких температурах.

Кремний (Si)

≤ 0.1

Уменьшает образование оксида при горячей обработке; Ультранизкое содержание предотвращает включения оксидов, которые выступают в роли концентраторов напряжения при криогенной работе.

Сера (S)

≤ 0,010

Строго ограничено, чтобы избежать горячих трещин во время проволоки и сварки; снижает риск коррозии в средах, содержащих серу (например, H₂S).

Фосфор (P)

≤ 0,010

Контролируется для предотвращения хрупкости границы зерна, что является критической проблемой для компонентов, подвергающихся циклической нагрузке при криогенных температурах.

Cobalt (Co)

≤ 0,2

Микроэлементы с минимальным воздействием на свойства; ограничено для поддержания высокой чистоты никеля и криогенной пластичности.

Кислород (O)

≤ 0.015

Сверхнизкое содержание предотвращает образование оксидных включений (например, NiO), которые ухудшают срок службы усталости при криогенных циклических нагрузках.

2. Физические свойства

Проволока никель 201 обладает исключительными физическими свойствами, особенно при криогенных температурах, при этом теплопроводность и теплопроводность превосходят многие никелевые сплавы. Ключевые свойства (измеряемые при заданных температурах):

Свойства

Ценность

Испытательное состояние

Плотность

8,89 г/см³

Комнатная температура (25°C)

Диапазон температуры плавления

1435 - 1455°C

-

Коэффициент теплового расширения

13,5 × 10⁻⁶/°C

20 - 100°C; 4,3 × 10⁻⁶/°C (20 - -200°C)

Теплопроводность

91,4 Вт/(м·К)

25°C; 198 Вт/(м·К) (-200°C)

Электрическое сопротивление

0,068 × 10⁻⁶ Ω·m

25°C; 0,014 × 10⁻⁶ Ω·м (-200°C)

Модуль упругости

208 GPa

Комнатная температура (растяжение); 232 GPa (-200°C)

Ratio Пуассона

0.31

Комнатной температуры; 0,33 (-200°C)

Температура Кюри

< -269°C

Остаётся неферромагнитным даже при температуре жидкого гелия (что критически важно для сверхпроводящих и магнитных применений).

Прочность на растяжение

≥ 485 МПа

Комнатной температуры; ≥ 830 МПа (-200°C)

Предел текучести (смещение 0,2%)

≥ 175 МПа

Комнатной температуры; ≥ 660 МПа (-200°C)

Удлинение

≥ 45%

Комнатной температуры; ≥ 35% (-200°C)

Ударная прочность (Charpy V-образный вырез)

≥ 210 J

-200°C; Нет хрупкого перелома при -269°C

Устойчивость к водородной хрупкости

Нет потери пластичности

Давление водорода 100 МПа, комнатная температура (ASTM F1459)

3. Процесс производства проволоки Nickel 201

Производство проволоки Nickel 201 требует сверхточного контроля содержания углерода и примесей, а также специализированной обработки для сохранения криогенных свойств и высокой чистоты. Ключевые шаги включают:

3.1 Плавка и литье сырья (высокая чистота и низкоуглеродный фокус)

Плавка: Никель высокой чистоты (99,99% чистоты) плавится методом вакуумно-индукционного плавления (VIM), затем переплавки электронным лучом (EBM). Этот двойной процесс обеспечивает ультранизкое содержание углерода (≤0,02 масс.), удаляя газообразные примеси (H₂ < 5 ppm, O₂ < 10 ppm), and removes non-metallic inclusions—critical for consistent cryogenic toughness and anti-hydrogen embrittlement performance.

Литье: Расплавленный сплав отливают в слитки малого диаметра (200–500 кг) для минимизации сегрегации, которые проходят гомогенизацию при 1050–1100°C в течение 6–8 часов. Этот этап устраняет микросегрегацию примесей, уточняет аустенитовую микроструктуру и растворяет остатки карбидов — готовя материал к горячей обработке.

3.2 Горячая обработка и производство проволочных тяг

Горячая ковка и прокатка: слитки горячей ковки подвергаются горячей ковке при температуре 950–1050°C в заготовки, а затем горячей прокатки в стержни (диаметр: 6–15 мм). Горячая обработка проводится в защитной атмосфере аргона для предотвращения окисления (что критически важно для поддержания низкого содержания кислорода); Стержни закаливают водой до комнатной температуры для сохранения мелкозернистой аустенитной структуры и предотвращения образования карбида.

Очистка от накипу: горячо прокатанные стержни проходят ультразвуковую очистку, а затем осоливание кислотой (разбавленная азотная кислота) для удаления поверхностных оксидов — чтобы избежать включений, которые могут ухудшить криогенную эффективность или загрязнить системы высокой чистоты.

3.3 Холодное вытягивание (образование проволоки для криогенной и высокочистой работы)

Многопроходное холодное извлечение: Проволочные стержни проходят холодным протяжением через алмазные штампы в 8–12 проходах для достижения желаемого диаметра (обычно 0,05–5 мм). Каждый проход уменьшает диаметр на 10–15% (меньшие сокращения, чем у стандартных сплавов), чтобы минимизировать упрочнение и сохранить пластичность. Между проходами проводится промежуточный отжиг (950–1000°C в течение 30–45 минут, охлаждение аргоном) для снятия остаточных напряжений, восстановления криогенной прочности и предотвращения осаждения карбида.

Контроль размеров: лазерный мониторинг диаметра используется на протяжении всего черчёжения для поддержания сверхплотных допусков (±0,005 мм для точной проволоки) — что критично для таких компонентов, как провода датчиков и электронные разъёмы, где изменения размеров влияют на производительность.

3.4 Окончательная термическая обработка (криогенная и коррозионная оптимизация)

Проволока Nickel 201 проходит специализированную термическую обработку для максимального повышения её ключевых свойств:

Раствор отжига: нагрев провода до 1000–1050°C в течение 1–2 часов, затем быстрое закалка водой. Этот этап растворяет остатки карбидов следов, обеспечивает равномерную аустенитную микроструктуру и устраняет упрочнение работы при холодном протяжении — что критически важно для поддержания анти-IGC и анти-HIC характеристик.

Криогенная стабилизация (опционально): Для компонентов, используемых при температурах ниже -200°C (например, системы с жидким гелием), провод охлаждается до -269°C в течение 24 часов и удерживается, затем медленно нагревается до комнатной температуры. Этот этап снимает остаточные тепловые напряжения и стабилизирует микроструктуру, предотвращая изменения размеров при работе.

3.5 Отделка поверхностей и инспекция качества

Обработка поверхности:

Электрополировка: провод проходит электрополировку в растворе серно-азотной кислоты для получения зеркальной поверхности (Ra ≤ 0,05 мкм). Это устраняет поверхностные дефекты, снижает трение и устраняет загрязнение — необходимое для химических и электронных применений высокой чистоты.

Пассивация: Опциональное пассивирование азотной кислотой для повышения устойчивости к атмосферной коррозии при хранении и обработке без ущерба для чистоты.

Очистка сверхвысокой чистоты: Для полупроводников или фармацевтических применений провод очищается сверхчистыми растворителями (изопропиловый спирт, деионизированная вода) для удаления всех загрязнителей, соответствующих стандартам ISO 14644 класса 5 для чистых помещений.

Контроль качества:

Химический анализ: масс-спектрометрия с разрядом светящегося (GDMS) для подтверждения соответствия содержанию углерода (≤0,02 массы) и уровней примесей (Fe, O₂, H₂) соответствует ультранизким требованиям.

Механические испытания: испытания на растяжение и ударные испытания при комнатной температуре и -200°C; Тестирование на усталость (10⁹ циклы) при криогенных температурах для подтверждения циклических характеристик.

Испытания на коррозию: Тестирование на межгранулярную коррозию (ASTM A262 Practice E) и испытания на хрупкость водорода (ASTM F1459) для подтверждения устойчивости к IGC и HIC.

Неразрушительное испытание: вихревые испытания (на дефекты поверхности) и ультразвуковое испытание (на внутренние дефекты); Тестирование утечки магнитного потока для подтверждения неферромагнитных свойств.

Проверка размеров: координатный измерительный аппарат (CMM) для точной проволоки для подтверждения диаметра, прямолинейности (≤0,05 мм/м) и округлости.

4. Применение продукции

Исключительное сочетание криогенной прочности, антиводородной хрупкости, высокой чистоты и теплопроводности и теплопроводности делает проволоку никель-201 незаменимым в различных отраслях:

4.1 Химическая переработка и применение высокой чистоты

Обработка химических веществ высокой чистоты: проволока для клапанов, насосов и датчиков в системах химического осаджения (CVD) полупроводников — устойчива к коррозии от сверхчистых кислот (например, фтористой) и предотвращает загрязнение технологических жидкостей.

Фармацевтическое производство: провод для лопастей миксера и фильтрующих экранов в производстве лекарств — соответствует стандартам FDA (21 CFR Part 177) для контакта с продуктами пищи и лекарствами, а ультранизкое содержание углерода предотвращает выщелачивание.

Хлор-щелочная промышленность: провод для компонентов электролизеров (например, катодных разъёмов) — устойчив к коррозии от рассола и хлорного газа, а анти-HIC обеспечивает долговечность в средах с водородом.

4.2 Криогенная инженерия и накопление энергии

Инфраструктура жидкого водорода (LH₂): провод для датчиков резервуаров LH₂, соединителей топливных труб и клапанов сброса давления — устойчив к хрупкости водорода при 70 МПа (10 000 psi) и поддерживает пластичность при -253°C.

СПГ (сжиженный природный газ) промышленность: провод для датчиков уровня баллонов СПГ и криогенных клапанов — выдерживает -162°C и устойчив к коррозии от метана и этана.

Сверхпроводящие системы: тонкая проволока (0,05–0,2 мм) для сверхпроводящих магнитных проводов в МРТ-аппаратах и ускорителях частиц — неферромагнитные свойства предотвращают взаимодействие с магнитными полями, а криогенная прочность обеспечивает надёжность.

4.3 Электроника и полупроводниковая промышленность

Электроника при низких температурах: провод для систем охлаждения криогенных полупроводников (например, квантовых вычислительных процессоров) — отличная теплопроводность (198 Вт/(м·К) при -200°C) эффективно передаёт тепло и обеспечивает высокую чистоту загрязнения электронами.

Разъёмы с высокой проводимостью: провод для высокопроизводительных электрических разъёмов в аэрокосмической и оборонной электронике — низкое электрическое сопротивление (0,014 × 10⁻⁶ Ω·м при -200°C) обеспечивает стабильную передачу тока.

4.4 Аэрокосмическая и оборонная промышленность

Космические исследования: Провод для компонентов ракетных двигателей (например, датчики топливных линий LH₂) и спутниковых криогенных охлаждений — сохраняет прочность и пластичность в вакууме пространства (-270°C) и устойчив к хрупкости водорода.

Военная авиация: провод для систем управления окружающей средой на больших высотах — работает надёжно при -60°C (стратосферные температуры) и устойчив к коррозии топливных паров.

4.5 Медицинские и научные исследования

Медицинская визуализация: провод для катушек градиента МРТ-аппарата и криогенных охлаждающих контуров — неферромагнитные свойства обеспечивают чёткость изображения, а высокая чистота предотвращает заражение пациентов.

Низкотемпературные исследования: провод для криогенных датчиков (температура, давление) в лабораториях квантовой физики и материаловедения — надежно работает при почти абсолютном нуле и обеспечивает точные измерения.

Заключение

Сплав 201 (Nickel 201 Wire, UNS N02201) — это ведущий низкоуглеродный проволока из никелевого сплава высокой чистоты, отличающийся непревзойдённой криогенной прочностью, устойчивостью к хрупкости водорода и высокой теплопроводностью/теплопроводностью. Его ультранизкоуглеродная конструкция устраняет межгранулярную коррозию и трещины, вызванные водородом, делая его критически важным материалом для химической обработки высокой чистоты, криогенного хранения энергии и передовой электроники — там, где стандартные сплавы выходят из строя из-за загрязнения, хрупкости или коррозии. Сверхточный производственный процесс, ориентированный на контроль примесей и оптимизацию микроструктуры, обеспечивает стабильную производительность во всех приложениях. Для индивидуальных требований — таких как ультратонкая проволока (до 0,01 мм диаметром) для квантовых вычислений, очистка с ультравысокой чистотой для полупроводников или проволока большого диаметра (до 8 мм) для криогенных конструктивных компонентов — производители предлагают индивидуальные решения для решения самых сложных задач низкотемпературных, высокочистых или коррозийных условий.

Упаковка Стандартная упаковка:

Типичная упаковка оптом включает паллетированный пластик объемом 5 галлонов/25 кг. ведра, волокнистые и стальные бочки до супермешков по 1 тонне в полном контейнере (FCL) или грузовиках (T/L). Исследовательские и пробные количества, а также гигроскопические, окисляющие или другие чувствительные к воздуху материалы могут упаковываться под аргон или вакуум. Растворы упаковываются в полипропиленовых, пластиковых или стеклянных банках до поддонных жидких контейнеров на 640 галлонов. Специальный пакет доступен по запросу.