Szczegółowy opis unikalnych zalet i obszarów zastosowań stopu Monel

Monel to nazwa handlowa rodziny stopów niklu i miedzi, a nie nazwy jednego materiału, a opublikowane dane dotyczące tej rodziny pokazują, ile warte jest to wyróżnienie. Ogólnie dostępne gatunki mają ten sam podstawowy skład chemiczny i osiągają wytrzymałość trzema różnymi drogami, a wybór między nimi zwiększa wytrzymałość na rozciąganie o ponad połowę, decyduje, czy część jest niemagnetyczna w temperaturze pokojowej i określa, ile etapów termicznych musi zaplanować producent.

Członkami są stop MONEL 400, stop K-500 i stop R-405. Stop 400 jest publikowany jako stop w roztworze stałym, który można utwardzać wyłącznie poprzez obróbkę na zimno. K-500 jest publikowany jako połączenie odporności na korozję stopu 400 z większą wytrzymałością i twardością, uzyskaną przez dodanie aluminium i tytanu do bazy niklowo-miedzianej i ogrzewanie materiału w kontrolowanych warunkach, tak aby submikroskopijne cząstki Ni3(Ti, Al) wytrąciły się w całej osnowie, co producent nazywa utwardzaniem wydzieleniowym. R-405 jest wolnoobrabialną wersją stopu 400 i stwierdzono, że stałe fizyczne opublikowane dla stopu 400 odnoszą się również do niego.

Poniżej przedstawiono rodzinę, z którą spotyka się kupujący: oznaczenia, skład chemiczny oddzielający gatunki, wytrzymałość, którą można kupić w każdej postaci, sześć zalet wynikających z opublikowanych liczb, branże, które kupują każdy gatunek oraz obowiązki, w przypadku których stop niklu i miedzi jest złą odpowiedzią.

Oznaczenia są pierwszą rzeczą do ustalenia. Monel jest znakiem towarowym grupy producentów, która opracowała stopy, a rysunek lub zapytanie zawierające jedynie nazwę handlową pozostawia specyfikację otwartą. Numer UNS jest identyfikatorem dołączanym do zamówienia i w tej rodzinie oznacza także drogę hartowania, ponieważ te trzy gatunki to trzy różne materiały, a nie trzy temperamenty jednego.

Przed porównaniem jakiejkolwiek właściwości wynikają z tej tabeli dwie konsekwencje. Stop 400 w ogóle nie może spełnić wymagania dotyczącego maksymalnej wytrzymałości w tej rodzinie, ponieważ stop nie posiada mechanizmu, który by ją zapewniał. Wymóg prostej drogi od półfabrykatu do gotowej części najłatwiej spełnia stop 400, ponieważ jest to element bez przejścia termicznego po formowaniu.

Alloy 400 jest stopem binarnym o roztworze stałym. Nikiel i miedź są wzajemnie rozpuszczalne we wszystkich proporcjach, więc struktura jest jednofazowa z siatką sześcienną skupioną na ścianie i parametrem sieci 3,534 angstremów i nie ma drugiej fazy, która mogłaby się wytrącić. K-500 zachowuje tę matrycę i dodaje dwa pierwiastki, które się wytrącają, co stanowi całą różnicę metalurgiczną pomiędzy dwoma głównymi gatunkami. Poniższe limity są limitami specyfikacji, a dwa wiersze na dole tabeli występują tylko w K-500.

Jeden wymóg produkcyjny wynika z chemii, a nie z rysunku warsztatowego. Siarka niszczy tę rodzinę w wysokiej temperaturze, dlatego opublikowana praktyka wyżarzania stopu 400 wymaga stosowania atmosfery redukującej niezawierającej siarki. Kredki i tłuszcze znakujące, a także niektóre materiały ogniotrwałe należy trzymać z dala od części trafiającej do pieca, co jest zasadą wynikającą bezpośrednio z limitu składu.

Opublikowane asortymenty są kompozytami dla różnych rozmiarów produktów i według producenta nie nadają się do celów specyfikacji. Przydają się one w odwrotnym celu, czyli pokazania kupującemu, co można osiągnąć w danej formie i jaka część siły rodziny pochodzi z formy, a nie z gatunku.

Przeczytaj ostatnie cztery rzędy, a rodzina uzyska kształt. Alloy 400 osiąga maksymalne wartości w zakresie 965 MPa w stanie sprężyny taśmowej, a K-500 po starzeniu utrzymuje się w tej samej formie powyżej 1500 MPa, czyli ponownie o ponad połowę. Dalszy koniec jest osiągalny jedynie poprzez reakcję wytrącania, a bliższy koniec jest osiągalny bez pieca.

Rodzina została wybrana jako pierwsza ze względu na to, czego nie robi w przypadku chlorków i kwasów redukujących. Stop 400 wykazuje bardzo niską szybkość korozji w płynącej wodzie morskiej, zapewnia wyjątkową odporność na kwas fluorowodorowy we wszystkich stężeniach aż do temperatury wrzenia, który producent określa jako prawdopodobnie najbardziej odporny ze wszystkich powszechnie stosowanych stopów konstrukcyjnych oraz jest odporny na wiele form kwasu siarkowego i solnego w warunkach redukujących. Granicę opublikowano w tym samym dokumencie: stop jest użyteczny w temperaturach do 1000 °F włącznie w atmosferach utleniających, przy czym wyższe temperatury są dostępne w środowisku redukującym. Silnie utleniający kwas to inny wybór i należy do gatunku zawierającego chrom.

Oceny znajdujące się w tej kopercie oddzielają dwa szczegóły. Stop Alloy 400 jest odporny na ataki szczelinowe w większości wód słodkich i przemysłowych, ale wykazano, że stojąca woda morska powoduje korozję szczelinową i wżerową, dlatego niskie współczynniki podawane dla wody morskiej są wskaźnikami dla wody poruszającej się. Opublikowano, że K-500 jest zasadniczo równoważny stopowi 400 pod względem odporności na korozję, z jednym zastrzeżeniem: w stanie utwardzonym wydzieleniowo ma większą tendencję do pękania korozyjnego naprężeniowego w niektórych środowiskach. Kwalifikacja jest sprawdzalna i została sprawdzona. Próbki blachy utwardzanej wydzieleniowo w kształcie litery U przetrwały sześć dni ciągłego zanurzenia w nasyconych roztworach siarkowodoru przy 3500 ppm przy wartościach pH od 1,0 do 11,0 bez pęknięć, przy twardościach od 28 do 40 w skali Rockwella C.

Te dwa mechanizmy nie są zamienne i nie sumują się w sposób, w jaki mógłby mieć nadzieję kupujący. W przypadku stopu 400 jedyną metodą jest praca na zimno, więc uzyskiwana wytrzymałość jest ustalana na podstawie określonego stanu i wielkości odkształcenia zastosowanego w młynie. W K-500 reakcja wytrącania zapewnia większą część wytrzymałości, a obróbka na zimno resztę, dlatego też najsilniejszy opublikowany warunek to ciągnienie na zimno, a następnie starzenie, co stanowi kombinację obu obróbek.

Starzenie się ma również tryb awaryjny, o którym warto wiedzieć przed złożeniem zamówienia. Materiał podgrzewany przez dłuższy czas w temperaturze od 1100°F do 1400°F ulega przestarzeniu w stopniu zależnym od czasu i temperatury, a przestarzony materiał ma niższe właściwości mechaniczne niż odpowiednio postarzony metal. Tych właściwości nie da się odzyskać poprzez ponowne starzenie. Jedyną drogą powrotną jest wyżarzanie przesycające w temperaturze od 1800 do 1900°F w celu ponownego rozpuszczenia składników utwardzających się wydzieleniowo, a następnie następująca obróbka świeżego starzenia, w wyniku której wszystkie zalety jakiejkolwiek pracy na zimno zostają utracone w tym wyżarzaniu.

Jest to przewaga, która najwyraźniej oddziela rodzinę od stali i zachowuje się w kierunku, którego większość inżynierów się nie spodziewa. Kuty stop 400 testowany w temperaturze 70 ° F osiąga wytrzymałość na rozciąganie 92,00 ksi przy wydłużeniu 31,0 procent; ten sam materiał w temperaturze -297 ° F osiąga 128,25 ksi przy wydłużeniu 44,5%; a przy -423 ° F osiąga 142,00 ksi przy wydłużeniu 38,5%. Siła wzrasta, a plastyczność utrzymuje się. Wartości karbu Charpy V na płycie wykończonej na gorąco w temperaturze -423°F są publikowane w zakresie od 141 do 219 ft·lb w kierunku wzdłużnym, a żadna próbka w programie udarności nie wykazała kruchego pęknięcia.

K-500 opublikowano w ten sam sposób: granice wytrzymałości na rozciąganie i plastyczność rosną wraz ze spadkiem temperatury, podczas gdy plastyczność i wytrzymałość praktycznie nie ulegają pogorszeniu, a nawet w temperaturze ciekłego wodoru nie następuje przemiana plastyczności w kruchość. Spawana blacha testowana w temperaturze -423 °F zwróciła wytrzymałość na rozciąganie 200 ksi, wydajność 136 ksi i wydłużenie 28% przy wydajności połączenia wynoszącej 95% w porównaniu z blachą macierzystą.

Stop Alloy 400 jest często opisywany jako niemagnetyczny, a opublikowane stałe nie potwierdzają tego jako bezwarunkowego stwierdzenia. Jego temperaturę Curie podaje się w zakresie od 70 do 120°F, czyli od 21 do 49°C, a w biuletynie zauważono, że ten zakres mieści się w zakresie temperatur otoczenia i zależy od zmian składu chemicznego. Dlatego niektóre wytopy są magnetyczne w temperaturze pokojowej, a inne nie, a opublikowany kierunek jest wyraźny: tam, gdzie istnieje duże zapotrzebowanie na właściwości niemagnetyczne, należy rozważyć inne stopy MONEL.

K-500 to członek rodziny, który spełnia te wymagania. Opublikowane wartości przepuszczalności wahają się od 1,0011 dla materiału wyżarzonego i hartowanego do 1,0019 dla materiału ciągnionego na zimno i utwardzanego wydzieleniowo w temperaturze 200 oersted, przy temperaturach Curie dla przepuszczalności 1,01 między -210 ° F a -130 ° F, czyli od 50 do 80 stopni poniżej zera w skali Celsjusza. Stop jest opisywany jako praktycznie niemagnetyczny nawet w dość niskich temperaturach. Właściwości tej towarzyszy jedna uwaga dotycząca przetwarzania: aluminium i miedź można selektywnie utlenić podczas ogrzewania, pozostawiając na powierzchni magnetyczną warstwę bogatą w nikiel, co jest najbardziej zauważalne w przypadku cienkiego drutu i taśmy, gdzie stosunek powierzchni do masy jest wysoki. Folię usuwa się poprzez trawienie lub zanurzanie i przywracane są właściwości niemagnetyczne.

Opór elektryczny w temperaturze 21°C jest publikowany jako 0,511 mikrooma dla stopu 400 i 0,615 dla K-500, dla materiału w stanie równoważnym do wyżarzonego z niewielkim stopniem utwardzenia wydzieleniowego. Przewodność cieplna w tej samej temperaturze wynosi 22,0 W/m·K dla stopu 400 i 17,2 W/m·K dla K-500. Żadna z tych liczb nie zastępuje miedzi, a prawidłowe stosowanie tej rodziny w pracach elektrycznych ma miejsce wtedy, gdy odporność na korozję i stabilna rezystancja mają większe znaczenie niż wydajność przewodzenia, w elementach elektrycznych i elektronicznych oraz czujnikach, które oba biuletyny wymieniają wśród swoich zastosowań. Jedna uwaga dotyczy liczby K-500: na jej rezystywność duży wpływ ma historia cieplna, która jest bezpośrednią konsekwencją właściwości stopu w zakresie utwardzania wydzieleniowego, dlatego też stan musi być określony liczbą.

Opublikowano, że K-500 charakteryzuje się wyjątkowo dobrą stabilnością wymiarową w testach długotrwałej ekspozycji i testach cyklicznych, i ta właściwość jest powodem jego stosowania w urządzeniach o wysokiej precyzji, takich jak żyroskopy. Liczba, której potrzebuje projektant, to ta, która opisuje, co dzieje się podczas obróbki cieplnej: utwardzanie poprzez starzenie powoduje początkowe zmniejszenie objętości, a wyżarzany pręt kurczy się podczas starzenia o 2,5 × 10⁻⁴ cala na cal. Dlatego też część obrobiona wykańczająco, która została później poddana procesowi starzenia, okazuje się niewymiarowa, dlatego też opublikowane wytyczne produkcyjne dotyczące prac precyzyjnych nakazują obróbkę nadwymiarową, starzenie, a następnie wykończenie na wymiar.

Poniższe stałe są publikowane dla dwóch głównych gatunków i to one są uwzględniane w obliczeniach projektowych. Dwa rzędy w tabeli mają większą wagę niż pozostałe. Gęstość i zakres topnienia prawie w ogóle nie oddzielają gatunków, podczas gdy rząd magnetyczny oddziela je całkowicie w temperaturze pokojowej, a temperatura Curie to rząd, który najczęściej pomija się w porównaniu.

Obydwa biuletyny publikują własne listy zastosowań, które stanowią najkrótszą drogę do uzyskania informacji, jaki gatunek faktycznie kupuje dana branża. Powody podane w prawej kolumnie są podane przez producenta, a nie wnioski z części.

Strona rodziny, która wyszczególnia same zalety, jest dla projektanta bezużyteczna, więc granice znajdują się na tej samej stronie, co mocne strony. Każdy wiersz poniżej stanowi warunek, który opublikowane dane wyklucza lub kwalifikuje, a nie ogólne zastrzeżenie dotyczące materiału.

K-500, a powodem jest opublikowana temperatura Curie, a nie słowo niemagnetyczny. Stop 400 ma temperaturę Curie pomiędzy 21°C a 49°C, która mieści się w przedziale zwykłej temperatury pokojowej, a producent twierdzi, że niektóre wygrzania będą magnetyczne w temperaturze pokojowej, a inne nie, i kieruje silne wymagania dotyczące niemagnetyczności do innego stopu MONEL. K-500 jest publikowany przy przepuszczalności 1,0019 lub niższej, z temperaturą Curie dla przepuszczalności 1,01 w zakresie od -134 ° C do -90 ° C. Podczas nagrzewania na cienkim drucie i taśmie może nadal tworzyć się magnetyczna warstwa powierzchniowa, którą można usunąć poprzez wytrawienie lub jasne zanurzenie.

Nie. Stop ten jest opisywany jako stop w roztworze stałym, który można utwardzać wyłącznie poprzez obróbkę na zimno i w rodzinie nie ma dla niego żadnej metody starzenia. Istniejące metody obróbki cieplnej mają odwrotne zadanie: wyżarzanie zmiękcza materiał utwardzany przez zgniot, a odprężanie lub wyrównywanie naprężeń zmniejsza naprężenia szczątkowe. Rysunek, który wymaga zastosowania stopu 400 w stanie postarzanym, wymaga obróbki, która nie istnieje, a gatunek, który ją posiada, to K-500.

Nie, a stwierdzenie to pojawia się w obiegowych opisach stopu, dlatego warto je dokładnie skorygować. Opublikowany mechanizm wzmacniający dla K-500 polega na wytrącaniu się submikroskopijnych cząstek Ni3(Ti, Al) w całej osnowie, gdy stop jest podgrzewany w kontrolowanych warunkach. Jest to reakcja utwardzania wydzieleniowego, której następstwem jest wyższa wytrzymałość i twardość, mniejsza przenikalność magnetyczna oraz niewielki skurcz podczas starzenia. Pamięć kształtu, czyli zdolność materiału do powrotu do wcześniej ustalonego kształtu pod wpływem zmiany temperatury, jest właściwością prawie równoatomowych stopów niklowo-tytanowych, a nie gatunku niklowo-miedzianego z dodatkami aluminium i tytanu. Specyfikacja napisana w oparciu o oczekiwanie efektu pamięci jest zapisana w niewłaściwej właściwości.

Stop 400 jest prostszym przypadkiem, ponieważ nie podlega obróbce cieplnej zabezpieczającej, a jego materiały spawalnicze należą do tej samej rodziny wypełniaczy niklowo-miedzianych. K-500 potrzebuje sekwencji. Spawanie najlepiej wykonywać metodą łuku gazowo-wolframowego, zwykle stosowanym materiałem spawalniczym jest spoiwo MONEL 60, a ważnym opublikowanym zastrzeżeniem jest to, że wykonane w ten sposób konstrukcje spawane nie są utwardzalne wydzieleniowo i dlatego nie mają wytrzymałości odpowiadającej hartowanemu metalowi nieszlachetnemu. Jeżeli złącze musi odpowiadać starzonemu metalowi nieszlachetnemu, opublikowaną metodą jest osadzanie metalu wypełniającego o odpowiednim składzie i obróbka starzeniowa przeprowadzana po spawaniu wyżarzonego materiału. Spoiny wyżarzonego materiału można doprowadzić do wytrzymałości utwardzanego wydzieleniowo metalu nieszlachetnego bez poważnej utraty plastyczności.

Prawie nic, z jednym zastrzeżeniem, które dotyczy stanu wieku. Producent publikuje, że odporność na korozję K-500 jest zasadniczo równoważna odporności stopu 400, z tym wyjątkiem, że w stanie utwardzonym wydzieleniowo stop ma większą tendencję do pękania korozyjnego naprężeniowego w niektórych środowiskach. Kwalifikację tę sprawdzono w stosunku do kwaśnego gazu: próbki blachy utwardzanej wydzieleniowo wygięte w kształcie litery U nie wykazały pęknięć po sześciu dniach ciągłego zanurzenia w nasyconych roztworach siarkowodoru przy 3500 ppm, przy wartościach pH od 1,0 do 11,0, przy twardościach od 28 do 40 w skali Rockwella C. Praktyczną zasadą jest, że substytucję K-500 sprawdza się pod kątem konkretnego podłoża i konkretnego stanu stresu, a nie pod kątem nazwiska.

Nie na nazwisku, a trzy klasy nie zdają egzaminu z trzech różnych powodów. Alloy 400 w żadnych warunkach nie może osiągnąć wytrzymałości K-500, więc zastąpienie w tym kierunku jest ograniczone przez mechanizm, a nie przez młyn. K-500 w stanie utwardzonym wydzieleniowo stanowi inny przypadek korozji w niektórych środowiskach, a także powoduje etap termiczny i skurcz w sekwencji produkcyjnej, w której może nie być miejsca na żadne z nich. R-405 znów się wyróżnia, ponieważ jego obrabialność wynika z wyższej zawartości siarki. Opublikowane dane potwierdzają jedno podstawienie i jest ono wąskie: tam, gdzie obowiązkiem jest chlorek lub kwas redukujący i nie jest wymagany żaden etap termiczny, stop 400 spełnia zadanie, dla którego określono K-500, a sytuacja odwrotna nie jest prawdą.

Rodzina Monel to trzy gatunki niklowo-miedziane z jedną osnową i trzema drogami wzmacniania. Stop Alloy 400 to UNS N04400, jednofazowy roztwór stały o parametrze sieci 3,534 angstremów, który twardnieje tylko w wyniku pracy na zimno, użyteczny do 1000 °F w atmosferze utleniającej, wyjątkowy przeciwko kwasowi fluorowodorowemu we wszystkich stężeniach aż do wrzenia