Inconel 718 API Hochfeste Nickel-Chrom-Legierung (UNS N07718)

Inconel 718 (UNS N07718) ist ein ausscheidungshärtendes Nickel-Chrom-Eisen Superlegierung, die eine sehr hohe Streck- und Zugfestigkeit mit hervorragender Korrosionsbeständigkeit und Schweißbarkeit kombiniert; bei Lieferung unter API/NACE/API-6A CRA-Wärmebehandlungsbedingungen erfüllt sie die Härte- und Festigkeitsgrenzwerte, die für Öl- und Gasanlagen im Sauerbetrieb erforderlich sind, und ist eine der wichtigsten korrosionsbeständigen Legierungen, die für hochbelastete Bohrloch- und Oberflächenkomponenten verwendet werden.

Was Inconel 718 auszeichnet

Die Leistungsfähigkeit der Legierung 718 ergibt sich aus einer ausgewogenen Matrix auf Nickelbasis, die durch zwei wichtige Ausscheidungen (γ″ und γ′) verstärkt wird, die bei kontrollierter Alterung entstehen. Die Einzigartigkeit der Legierung besteht darin, dass das wärmebehandelbare Gefüge große Steigerungen der Streck- und Zugfestigkeit bei gleichzeitig guter Duktilität und Schweißbarkeit ermöglicht. Dies ermöglicht die Lieferung von Bauteilen, die die Grenzwerte der NACE MR0175/ISO 15156 und der API 6A CRA für Härte und Streckgrenze erfüllen, was für den Einsatz in sauren Umgebungen entscheidend ist.

Chemische Zusammensetzung und metallurgische Eigenschaften

Typische Zusammensetzungsbereiche (wt%) für Inconel 718 sind ungefähr:

(Die genauen vertraglichen chemischen Bereiche sollten sich nach der in der Bestellung angegebenen Spezifikation richten - API-, AMS- oder ASTM-Varianten führen leicht abweichende Toleranzen auf).

Metallurgische Hinweise

• Niederschlagsphasen: γ″ (Ni₃Nb) ist die wichtigste Härtephase in 718; γ′ (Ni₃(Al,Ti)) trägt ebenfalls dazu bei. Die Kontrolle von Nb/Ti/Al und der thermischen Geschichte diktiert die Ausscheidungsgröße und den Volumenanteil.

• Karbide und Delta-Phase (δ): Ein übermäßiges δ (Ni₃Nb, orthorhombisch) oder grobe Karbide können die Zähigkeit und Duktilität beeinträchtigen; Lösungsglühen und Alterungspläne werden eingesetzt, um schädliche Phasen zu minimieren.

• Praxis der Verfestigung: Mehrfache Schmelzrouten (VIM/VAR oder ESR) werden für hochintegrierte Schmiedestücke für die Luft- und Raumfahrt oder die Öl- und Gasindustrie verwendet.

Mechanische Eigenschaften - typische und hochfeste API-Varianten

Inconel 718 wird in einer Reihe von Zuständen verkauft, die von geglüht (geringere Festigkeit) bis zur höchsten Aushärtung (höchste Festigkeit) reichen. Die API/NACE-Ölfeldgüten sind aushärtbar und werden häufig so hergestellt, dass sie bestimmte Mindeststreckgrenzen oder Härtewerte erfüllen.

Repräsentative mechanische Tabelle (typisches Alter / Spitzenzustand)

API 6A CRA / 'API-718' Klassen: In der Praxis von API/Lieferanten wird 718 API üblicherweise nach der Mindeststreckgrenze in Klassen eingeteilt: ~120 ksi (≈827 MPa) und ~140 ksi (≈965 MPa), wobei einige hochfeste Produktvarianten 150 ksi in bestimmten Produktformen erreichen. Diese Varianten werden mit präziser Alterung entwickelt, um die angestrebte Ausbeute zu erreichen und gleichzeitig die Härte für den Einsatz im sauren Milieu zu kontrollieren.

Wärmebehandlung, Aushärtung und Gefügekontrolle

Die typische Reihenfolge zur Erzielung einer hohen Festigkeit ist:

1. Lösungsglühen (Lösungsglühen): hohe Temperatur (≈980-1035 °C / ≈1800-1900 °F) zur Homogenisierung und zum Auflösen von Nb und anderen Phasen, gefolgt von einer Abkühlung (Luftkühlung).

2. Alterung (in der Regel in zwei Schritten): z. B. 718 Standard-Alterungszyklus: 720 °C (≈1320-1350 °F) für 8 Stunden, abkühlen auf 620 °C (≈1150 °F) und 8 Stunden halten, dann Luftabkühlung (es gibt zahlreiche proprietäre Varianten). Dadurch entsteht eine feine γ″/γ′-Ausscheidungsverteilung, die die hohe Streck- und Zugfestigkeit bewirkt.

Praktische Tipps

• Kontrolle des Alterns: Kleine Abweichungen bei der Alterungstemperatur/-zeit verändern die Festigkeit und Härte. Um die Anforderungen der NACE/MR0175 zu erfüllen, verwenden die Hersteller maßgeschneiderte Sequenzen, um unter der maximalen Härtegrenze (in der Regel 40 HRC) zu bleiben und gleichzeitig eine Mindestausbeute zu erzielen.

• Auswirkungen der Abschnittsgröße: Größere Querschnitte altern und kühlen langsamer ab; die mechanischen Eigenschaften können mit der Querschnittsdicke variieren. In den Spezifikationen sind manchmal Eigenschaftsprüfungen an repräsentativen Querschnittsgrößen vorgeschrieben.

Internationale Normen und Öl- und Gasanforderungen API / NACE

Wichtige Dokumente und Spezifikationen, die üblicherweise für 718 in der Öl- und Gasindustrie zitiert werden:

• API 6A / API 6A CRA (Ergänzung): definiert Anforderungen für aushärtbare Nickellegierungen, die in Bohrlochkopf-, Baum- und Bohrlochausrüstung verwendet werden. Sie legt die Erwartungen an die Verarbeitung und Prüfung von Werkstoffen fest, die in Druckgeräten verwendet werden.

• NACE MR0175 / ISO 15156 (Teil 3): enthält Anforderungen für rissbeständige Werkstoffe, die in H₂S-haltigen Umgebungen verwendet werden; Alloy 718 kann mit Temperatur-/Druckgrenzen und Härteeinschränkungen aufgeführt werden. Die Einhaltung der Anforderungen erfordert eine spezifische Wärmebehandlung und Härtegrenzwerte (häufig Rockwell C ≤ 40 im gealterten Zustand).

• AMS / ASTM / ASTM B637 / AMS5662 / AMS5663: Beschaffungsspezifikationen für die Luft- und Raumfahrt und die Industrie, die lösungsgeglühte, gealterte oder andere Bedingungen mit entsprechenden Abnahmeprüfungen beschreiben.

Wichtige Vertragspunkte für Bestellungen

• Geben Sie die UNS-Nummer an (UNS N07718).

• Verweisen Sie auf die genaue Norm (API 6A CRA rev X, NACE MR0175 ed Y).

• Geben Sie ausdrücklich die erforderliche Mindeststreckgrenze und die maximale Härte an.

• Erforderliche Prüfungen (mechanisch, PMI/Chemie, ZfP, Mikrostruktur) und Rückverfolgbarkeit (Schmelznummern, Werkszeugnisse) einbeziehen.

Korrosionsverhalten und Umweltgrenzwerte

Die Legierung 718 bietet eine robuste Beständigkeit gegen allgemeine Korrosion, Lochfraß und Spaltkorrosion in vielen Chloridumgebungen und weist eine angemessene Beständigkeit gegen H₂S-induzierte Rissbildung auf, sofern der Werkstoff die NACE/ISO-Härte- und Wärmebehandlungsvorschriften erfüllt.

H₂S (saure) Umgebungen

• NACE MR0175/ISO 15156 klassifiziert die CRAs und legt Grenzwerte für Temperatur und Teildruck fest. Für UNS N07718 enthält Tabelle A.32 Beschränkungen für die Höchsttemperatur und den Höchstdruck für den sauren Betrieb und betont die Notwendigkeit einer kontrollierten Wärmebehandlung und Härteüberwachung. Die Nichteinhaltung des Härtegrenzwertes erhöht die Anfälligkeit für Sulfid-Spannungsrisse und Wasserstoffversprödung.

Andere Umgebungen

• Meerwasser und chloridhaltige Solen: Die Legierung 718 widersteht der Lochfraßbildung besser als viele andere nichtrostende Stähle, kann aber unter stagnierenden oder sehr aggressiven Chloridbedingungen dennoch örtlich begrenzt angegriffen werden.

• Oxidationsbeständigkeit: Betriebstemperaturen bis zu ~650-700 °C (≈1200-1300 °F) sind typisch für die Beibehaltung der Festigkeit; für kontinuierliche Oxidationsbeständigkeit bei höheren Temperaturen können andere Nickellegierungen bevorzugt werden.

Fertigung, Schweißen und Fügen

Ein Grund für die weite Verbreitung von 718 ist seine Schweißbarkeit im Vergleich zu vielen hochfesten Legierungen.

• Schweißeignung: 718 lässt sich mit passenden Schweißzusätzen gut schweißen; Probleme entstehen, wenn die Wärmebehandlung nach dem Schweißen (PWHT) vernachlässigt wird. Lösungsglühen plus Alterung an geschweißten Baugruppen ist bei kritischen Teilen üblich.

• Auswahl des Schweißzusatzes: Verwendung abgestimmter oder zugelassener Füllstoffe, die eine Alterung nach dem Schweißen ermöglichen, um ein kompatibles mechanisches und korrosives Verhalten zu erreichen.

• Verformung und Eigenspannung: Aufgrund der hohen Festigkeit sind bei Teilen mit engen Toleranzen eine korrekte Befestigung und eine kontrollierte Schweißfolge erforderlich.

• Bearbeitungen: Im gealterten Zustand ist 718 aufgrund seiner hohen Festigkeit schwer zu bearbeiten - viele Hersteller bearbeiten es im weichen (lösungsgeglühten) Zustand und wenden dann den Alterungszyklus an.

Anwendungen in der Öl- und Gasindustrie sowie in der Luft- und Raumfahrt

Öl und Gas (Hauptaugenmerk für API 6A CRA 718):

• Packer, Hänger, Kupplungen, Bohrlochanschlüsse, Sicherheits-/Entlastungsventile, Dichtungen und hochfeste Befestigungselemente. Die Kombination aus Festigkeit und Sour-Service-Fähigkeit macht 718 zu einer Hauptstütze für Fertigstellungs- und Bohrausrüstung.

Luft- und Raumfahrt und Gasturbinen:

• Für Turbinenscheiben, Wellen und Verbindungselemente wurden in der Vergangenheit ältere Varianten von 718 (AMS-Bedingungen) verwendet. Die Nachfrage aus der Luft- und Raumfahrt trieb die frühe Entwicklung der Legierung aufgrund ihrer Kriechbeständigkeit und Ermüdungseigenschaften voran.

Andere Sektoren:

• Kerntechnische Komponenten, Hochdruckpumpenwellen und bestimmte chemische Verarbeitungsanlagen, bei denen eine hohe Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit erforderlich ist.

Inspektion, Prüfung und Qualifizierung für den sauren Betrieb

Die übliche Prüfmatrix für die Lieferung von API 718 umfasst:

• Positive Materialidentifikation (PMI): bestätigen die Zusammensetzung.

• Mechanische Tests: Zugfestigkeit, Streckung und Dehnung an repräsentativen Proben.

• Härteprüfung: Rockwell C und/oder Brinell im gesamten Bereich - obligatorisch für die Einhaltung der NACE MR0175.

• Mikrostrukturelle Untersuchung: für die Verteilung der Ausscheidungen, die Korngröße und das Fehlen von schädlichen Phasen.

• Zerstörungsfreie Prüfung (NDT): Magnetpulver (für ferromagnetische Einschlüsse), Flüssigkeitseindringverfahren, Ultraschall wie angegeben.

• Screening auf Wasserstoffversprödung / SSC-Prüfung: in bestimmten sauren Anwendungen erforderlich; die NACE-Leitlinien geben an, wann SCC-Prüfungen obligatorisch sind.

Beschaffungsformulare, Kennzeichnung und Rückverfolgbarkeit

Die Lieferanten liefern 718 in der Regel in Form von Stangen, Schmiedestücken, Platten, Ringen, nahtlosen Stangen und bearbeiteten Teilen. Für API/NACE Verwendung Aufträge erfordern in der Regel:

• Werksprüfzeugnisse (EN 10204 Typ 3.1 oder gleichwertig).

• Rückverfolgbarkeit der Schmelznummer von der Schmelze bis zum fertigen Stück.

• Dokumentation der durchgeführten Wärmebehandlungszyklen (Temperatur-/Zeitprofile).

• Härteprotokolle und Berichte über mechanische Prüfungen für jede Partie/Charge.

Vergleichende Auswahl (718 gegenüber anderen gängigen Legierungen)

Auswahllogik: Wenn eine sehr hohe Streckgrenze in Verbindung mit einer hohen Beständigkeit gegen Säuren erforderlich ist, werden die 718 API-Varianten bevorzugt.

Konstruktionsüberlegungen - Ermüdung, Kriechen und Temperatur

• Müdigkeit: 718 weist im gealterten Zustand eine gute Ermüdungsleistung auf; allerdings sind Oberflächenbeschaffenheit, Eigenspannungen und Wärmebehandlungsschwankungen kritisch. Kugelstrahlen und Oberflächenbehandlungen können die Ermüdungslebensdauer erhöhen.

• Fiesling: 718 behält seine nützliche Kriechbeständigkeit bis zu ≈650-700 °C. Für Dauerbelastungen oberhalb dieser Bereiche können andere Nickelsuperlegierungen (z. B. die Legierungen 713, 625) gewählt werden.

• Temperaturgrenzen für sauren Betrieb: Die NACE/ISO-Tabellen enthalten Grenzwerte; Ingenieure müssen die tatsächliche Temperatur und den H₂S-Partialdruck miteinander vergleichen, um festzustellen, ob 718 für die jeweilige Anwendung zulässig ist.

Repräsentative Fallbeispiele und zu vermeidende Fehlerarten

Häufige Ursachen für den Ausfall von 718-Komponenten im Einsatz:

• Unsachgemäße Wärmebehandlung: unzureichende Alterung oder falsches Lösungsglühen, was entweder zu geringer Festigkeit oder örtlicher Sprödigkeit führt.

• Überschreitung der NACE-Härtegrenzwerte: Bei Bauteilen, die über den zulässigen HRC-Wert hinaus gehärtet werden oder bei denen hohe Eigenspannungen auftreten, können Sulfid-Spannungsrisse auftreten.

• Falsche Zuordnung von Abschnitt zu Wärmebehandlung: Große Schmiedestücke benötigen angepasste Alterungs- oder Nachbearbeitungskontrollen, da die Eigenschaften mit der Querschnittsdicke variieren.

• Mischmetallurgie ohne geeignete galvanische Isolierung: Verbindungen, die unterschiedliche Metalle im Meerwasser verbinden, können einen lokalen Angriff auf die unedlere Komponente begünstigen.

Tabellen mit Schnellreferenzen

Tabelle A - Typische chemische Zusammensetzung (normalisiert)

(Die Spezifikationsbereiche variieren leicht je nach AMS-, ASTM- oder API-Variante - geben Sie immer an, welches Dokument Sie benötigen).

Tabelle B - Beispiele für Wärmebehandlungszyklen (zur Veranschaulichung)

(Die tatsächlichen Zyklen können variieren; die Lieferanten dokumentieren in der Regel Wärmebehandlungsprofile).

FAQs

1) Ist Inconel 718 für sauren (H₂S) Betrieb geeignet?
Ja - vorausgesetzt, das Material wird so hergestellt und wärmebehandelt, dass es die Anforderungen von NACE MR0175 / ISO 15156-3 und API 6A CRA erfüllt (einschließlich maximaler Härtegrenzen und dokumentierter Wärmebehandlung). Überprüfen Sie die Prüfberichte des Lieferanten.

2) Was ist der Unterschied zwischen AMS und API 6A CRA 718?
AMS-Spezifikationen (z. B. AMS5662/5663) definieren üblicherweise Wärmebehandlungsbedingungen und Abnahmeprüfungen für die Luft- und Raumfahrt; API 6A CRA fügt öl- und gasspezifische Verarbeitungs-, Prüf- und Härtegrenzwerte hinzu, die auf den sauren Betrieb zugeschnitten sind. Wählen Sie die Spezifikation, die für Ihre Anwendung geeignet ist.

3) Welche Härte ist für die NACE-Konformität akzeptabel?
Typischerweise ist Rockwell C ≤ 40 im lösungsgeglühten + gealterten Zustand, aber Sie müssen die Ausgabe und die spezifische Tabelle für die Anwendung bestätigen (NACE/ISO hat temperaturabhängige Einschränkungen).

4) Kann 718 geschweißt werden und trotzdem im sauren Bereich eingesetzt werden?
Ja - aber geschweißte Baugruppen müssen korrekte Lösungsglüh- und Alterungszyklen (oder eine spezifizierte Wärmebehandlung nach dem Schweißen) durchlaufen und durch Härte- und Gefügeprüfung verifiziert werden, um die Einhaltung der NACE-Vorschriften zu gewährleisten.

5) Was sind typische Mindeststreckgrenzen für API 718-Klassen?
Die gängige Industriepraxis liefert Klassen mit einer Mindeststreckgrenze von 120 ksi und 140 ksi; einige Lieferanten bieten ein spezielles hochfestes Produkt mit 150 ksi in eingeschränkten Formen an. Geben Sie in der Bestellung immer das erforderliche Minimum an.

6) Gibt es Temperaturgrenzen für 718 im sauren Betrieb?
Ja. Die Tabellen der NACE MR0175 / ISO 15156 enthalten Richtwerte für Temperatur und Druck; Ingenieure müssen die spezifische Kombination von Temperatur und H₂S-Partialdruck anhand dieser Tabellen validieren.

7) Wie wirkt sich die Querschnittsdicke auf die mechanischen Eigenschaften aus?
Große Abschnitte kühlen und altern unterschiedlich; die Streck- und Zugfestigkeitseigenschaften und die Härte können je nach Abschnittsgröße variieren. Die Lieferanten testen oft repräsentative Abschnitte oder geben Hinweise zur Herabsetzung.

8) Ist 718 magnetisch?
Unter den meisten Bedingungen ist 718 aufgrund seiner austenitischen Nickelmatrix schwach magnetisch oder nahezu unmagnetisch; durch Kaltverformung oder bestimmte Ausscheidungsverteilungen kann er jedoch leicht magnetisch werden.

9) Welche ZfP- und Qualifikationsprüfungen sind typischerweise für kritische Teile erforderlich?
PMI, Zugversuch, Härteprüfung, Gefügeuntersuchung und geeignete zerstörungsfreie Prüfung (UT/MT/PT) sowie alle in der Beschaffungsspezifikation vorgeschriebenen Prüfungen auf Wasserstoffversprödung oder SSC.

10) Alternativen, wenn die Anwendung eine höhere allgemeine Korrosionsbeständigkeit erfordert?
Wenn die Lochfraß- oder Chloridbeständigkeit im Vordergrund steht, sollten Legierungen wie 625, 725 oder edlere CRAs in Betracht gezogen werden; wenn eine höhere Temperaturkriechbeständigkeit erforderlich ist, sollten andere Nickelbasis-Superlegierungen geprüft werden, die auf Kriechverhalten zugeschnitten sind.