Подробный анализ материалов и свойств стержня из сплава Incoloy

Заказ на пруток состоит из трех решений, и большинство страниц каталога отвечают только на первое. Сорт — это одно решение. Состояние поставки — второе. Спецификация, по которой будет написан сертификат, — третье. Покупатель, который определяет сорт и оставляет два других на усмотрение завода, не купил материал, и счет это докажет.

Самая наглядная демонстрация — это сплав 800 в виде прутка. Та же химия, испытанная при комнатной температуре, дает предел текучести 250 МПа при отжиге при 980 °C, 445 МПа при горячей прокатке и 690 МПа при холодной вытяжке. Предел прочности изменяется с 590 до 665 до 771 МПа в тех же трех состояниях, а твердость изменяется со 138 до 198 HB между первыми двумя. Ничего в составе не изменилось. Изменилась обработка.

Именно этот разброс объясняет, почему страница под названием «Материалы и свойства прутка Incoloy» должна начинаться с предупреждения о своем собственном предмете. Не существует единого набора свойств для сорта прутка. Существует набор свойств для сорта в названном состоянии при названной температуре испытания, а все остальное является средним от того, что не следует усреднять.

Эта страница охватывает три семейства Incoloy, которые поставляются в виде прутка, состояния, в которых каждый из них приобретается, температуру, при которой каждый из них перестает быть правильным ответом, и четыре пункта, которые должны быть указаны в заказе на покупку, прежде чем сертификат будет иметь какое-либо значение.

Incoloy — это товарный знак группы Special Metals, охватывающий семейство никель-железо-хромовых сплавов. Это не сорт. Три члена этого семейства обычно поставляются в виде прутка и стержня и используются для трех разных задач.

Серия 800 — это аустенитный никель-железо-хромовый сплав с содержанием никеля около 32 % и хрома 21 %, и это жаростойкий член группы. Сплав 825 увеличивает содержание никеля до диапазона 38–46 % и добавляет молибден и медь, что превращает его в сплав для водной коррозии для серной кислоты, фосфорной кислоты и морской воды. Сплав 925 сохраняет основу 825 и увеличивает содержание титана и алюминия, что делает его упрочняемым дисперсионным твердением и повышает предел текучести с 271 МПа до 832 МПа после двухстадийной термообработки.

Из этой таблицы следуют два вывода, прежде чем обсуждать какие-либо свойства. Первый — это то, что запрос на пруток Incoloy указывает семейство и ничего больше, поэтому первый ответ должен быть вопросом о том, какой сорт. Второй — это то, что строка 800 содержит три номера UNS с почти одинаковым химическим составом, и разница между ними заключается в диапазоне углерода, сумме алюминия и титана, а также в размере зерна. Это не косметические различия, и они не видны в сертификате, который сообщает только о химическом составе.

Таблица ниже сравнивает шесть изделий из прутка и стержня при комнатной температуре. Пять из шести — это те же три семейства, которые уже описаны. Шестой — это тот же химический состав 800 в третьем состоянии, что и является целью упражнения.

Диапазон предела текучести в этой таблице составляет от 250 до 832 МПа, что в 3,3 раза больше, и только часть этого диапазона приходится на изменение сплава. Одна только колонка 800 охватывает от 250 до 690 МПа при постоянном химическом составе. Покупатель, который сравнивает предел текучести 800 с пределом текучести 925 из двух технических данных, сравнивает отожженный пруток с состаренным стержнем и придет к выводу, что 925 — более прочный сплав, когда большая часть разницы — это график печи.

Практическое чтение прямолинейно. Там, где дизайн требует 700 МПа от 800, ответом является холоднотянутый пруток, и та же покупка приносит относительное удлинение 17 % и твердость, которая не указана для этого состояния. Там, где дизайн требует пластичности для формованной или сварной детали, ответом является отожженный пруток при 250 МПа со 138 HB, и чертеж должен принять более низкую прочность. Эти два являются одним и тем же сортом, и они не взаимозаменяемы.

Та же логика объясняет строку 825. Отожженный стержень имеет предел текучести 324 МПа, что низко для коррозионностойкого сплава, и в бюллетене отмечается, что сплав может быть значительно упрочнен холодной обработкой. Холоднотянутая трубка того же сорта достигает 889 МПа предела текучести при 15 % относительного удлинения. Заказ на стержень, требующий большей прочности, чем отожженный, должен запрашивать холоднотянутое состояние и принимать ту же потерю пластичности, которую показывают данные по трубкам.

Сплав 800 был выпущен в 1950-х годах как жаростойкий сплав с относительно низким содержанием никеля, и причина последней детали заключалась в стратегическом назначении никеля в то время. Он был одобрен для сосудов под давлением в 1963 году, и одобрение ввело различие, которое до сих пор регулирует серию: сорт 1, отожженный примерно при 980 °C, и сорт 2, отожженный примерно при 1150 °C. Второй сорт стал 800H.

Причина второго сорта — ползучесть. Сплав 800 предназначен для эксплуатации при температурах до примерно 816 °C, и при этих температурах проектирование обычно основано на растяжимых свойствах. Выше этой температуры проектирование регулируется разрывом и ползучестью, и оба реагируют на размер зерна и содержание углерода. Крупнозернистая структура лучше переносит скольжение по границам зерен, чем мелкозернистая, а более высокий уровень углерода поддерживает карбидную сеть, которая фиксирует границы. Сплав 800H был разработан для того, чтобы требовать и того, и другого, и его спецификация требует диапазон углерода от 0,05 до 0,10 % вместе со средним размером зерна ASTM 5 или крупнее.

Сплав 800HT — это дальнейшее ограничение в той же оболочке, введенное для удержания алюминия и титана в верхней части диапазона, где свойства ползучести и разрыва выше. Его химический состав находится в пределах 800H, его сумма алюминия и титана составляет 0,85–1,20 % против 0,30–1,20 % для 800H, а его термообработка составляет минимум 2100 °F (1149 °C).

Последняя колонка вызывает коммерческие трудности. Сплав 800HT соответствует требованиям как N08811, так и N08810 и может быть сертифицирован по любому из них или по обоим. Обратное неверно. Материал, произведенный по N08810, не может быть сертифицирован как N08811, если он не соответствует дополнительным требованиям по алюминию, титану и термообработке, а поставщик, предлагающий 800H в качестве замены 800HT, предложил другой расчетный предел прочности.

Размер зерна указывается в заказе на покупку по той же причине. Это результат окончательного отжига и количества горячей обработки перед ним, и он не может быть восстановлен из сертификата химического состава. Покупатель, который заказывает 800H только по составу, может получить мелкозернистый стержень, который соответствует каждому элементу химического состава и не обеспечивает срок службы при ползучести, на который рассчитывал дизайн.

Сорт 825 — это другое предложение. Это никель-железо-хромовый сплав с молибденом, медью и титаном, и добавки направлены на водную коррозию. Хром покрывает окислительные среды, такие как азотная кислота и нитраты. Молибден и медь покрывают восстановительные среды, такие как серная и фосфорная кислоты. Молибден также повышает стойкость к питтинговой и щелевой коррозии. Титан при правильной термообработке стабилизирует сплав против сенсибилизации к межкристаллитной коррозии.

Температурный предел — это то, что упускают страницы каталога. Бюллетень сплава указывает, что воздействие выше примерно 1000 °F (540 °C) может вызвать микроструктурные изменения и образование фаз, которые значительно снижают пластичность и ударную вязкость, и что по этой причине сплав обычно не используется при температурах, где свойства ползучести-разрыва являются факторами проектирования. Это не снижение для конкретной формы продукта. Это заявление о сплаве.

Для покупателя прутка следствие заключается в том, что 825 принадлежит к коррозионной стороне установки, а не к горячей стороне. Теплообменная трубка, корпус клапана или вал насоса в среде серной кислоты — это его применение. Опора, работающая при 700 °C, — нет, и никакое количество никеля в анализе не меняет этого.

Термообработка также имеет значение. Заводские изделия обрабатываются для обеспечения сочетания стабилизации, коррозионной стойкости, механических свойств и формуемости. Последующие отжиги должны проводиться при температуре от 1700 до 1800 °F (930 и 980 °C) с последующим быстрым воздушным охлаждением или закалкой в воде. Тяжелые сечения могут быть сенсибилизированы при охлаждении от температуры горячей обработки и затем подвержены межкристаллитной коррозии в определенных средах, в этом случае стабилизирующий отжиг восстанавливает стойкость. Стержень, который перерабатывается в мастерской изготовителя и оставляется для охлаждения на воздухе, — это стержень, который может потерять свойство, для которого он был куплен.

Сплав 925 — это основа 825 с увеличенным содержанием титана с 0,6–1,2 % до диапазона 1,9–2,4 % и с добавлением алюминия от 0,1 до 0,5 %. Эти два элемента являются упрочняющими добавками, а не добавками для коррозии. Термообработка осаждает гамма-прайм, Ni3(Al, Ti), и этот осадок увеличивает предел текучести с 271 МПа в состоянии после отжига в растворе до 832 МПа после старения.

Это различие корректирует распространенное описание. Сорт 925 часто представляют как 825 с дополнительным легированием для коррозионной стойкости и стойкости к питтингу. Молибден и медь — это коррозионные добавки, и они такие же, как в 825. Титан и алюминий предназначены для прочности. Коррозионная стойкость двух сортов близка, что показывают данные по эксплуатации в кислой среде в бюллетене сплава: в тесте автоклава в кислой среде со свободным серой 925 корродировал со скоростью 1,1 и 1,2 мкм в двух растворах, а 825 — со скоростью 1,1 и 1,6 мкм, по сравнению с 3,9 и 4,5 мкм для нержавеющей стали типа 316.

Термообработка состоит из двух стадий, и обе имеют допуски, которые важны для заказа прутка. Отжиг в растворе проводится при температуре от 1800 до 1900 °F (980 до 1040 °C) в течение минимум 30 минут и максимум 4 часов, с охлаждением, эквивалентным воздушному охлаждению или быстрее для сечений до 1 дюйма (25 мм), и закалкой в воде для всех размеров более 1 дюйма. Затем следует старение при температуре от 1350 до 1380 °F (732 до 749 °C) в течение 6–9 часов, охлаждение в печи до 1150 °F (621 °C), затем выдержка при 621 °C плюс или минус 8 °C в течение общего времени старения 18 часов.

Колонка диаметра — это то, что удивляет покупателей. Пределы свойств написаны по форме продукта и размеру, а горячекатаный маршрут имеет более высокий минимальный предел текучести, чем холоднотянутый маршрут, потому что испытательный образец берется из другой части процесса. Заказ на покупку, в котором указан минимальный предел текучести без диапазона диаметров, указал число, которое может не относиться к разрезаемому стержню.

Последовательность механической обработки — второе практическое следствие. Черновая обработка выполняется до старения, а чистовая — после, потому что сплав хорошо обрабатывается в состоянии после отжига в растворе и в состаренном состоянии, и плохо — между ними. Бюллетень идет дальше по искажению: после расточки стержня до толщины стенки менее примерно 25 мм, токарная обработка вызывала искажение до 0,010 дюйма (0,25 мм), и биение устранялось или значительно уменьшалось путем выдержки материала в течение нескольких недель или повторного нагрева при 1150 °F (621 °C) в течение 2 часов перед токарной обработкой. Мастерская, которая растачивает и отделывает за одну установку, будет соблюдать допуск, который материал не будет соблюдать.

Сварка несет свое собственное ограничение. Газовая дуговая сварка вольфрамовым электродом и газовая дуговая сварка плавящимся электродом с соответствующим присадочным материалом 725NDUR — рекомендуемые маршруты, а автоматическая сварка под флюсом и дуговая сварка покрытым электродом не рекомендуются для этого сорта. Пруток, который становится сварной сборкой, должен быть спроектирован с учетом этого.

Общее утверждение для группы заключается в том, что эти прутки сохраняют прочность при температурах, часто превышающих 1000 °C, в зависимости от сорта. Это предложение не выдерживает контакта с тремя бюллетенями сплавов. Сплав 825 ограничен примерно 540 °C. Сплав 925 сохраняет прочность до примерно 650 °C. Сплав 800 разработан до 816 °C, а выше этого — это другая термообработка внутри того же семейства, а не тот же пруток при более высокой температуре.

Откуда берется цифра 1000 °C, так это испытания на ползучесть и разрыв сортов 800H и 800HT, которые сообщаются при температурах значительно выше расчетного диапазона. Температура испытания — это не температура эксплуатации. Нагруженный пруток при 1000 °C находится за пределами расчетной базы каждого сорта в этом семействе, а спецификация, цитирующая такую цифру, путает лабораторию с печью.

Пять пунктов определяют, соответствует ли сертификат детали. Первый — это сорт с его номером UNS, потому что одно только торговое название не фиксирует химический состав. Второй — это состояние поставки, указанное как отожженный, горячекатаный, холоднотянутый или отожженный в растворе и состаренный, с указанием процедуры старения, если применяется последнее. Третий — это размер зерна, только для 800H и 800HT, потому что это результат окончательного отжига и его нет в химическом составе. Четвертый — это основа свойств, то есть температура испытания и являются ли значения минимальными или типичными. Пятый — это документ инспекции.

Строка 925 заслуживает внимания. Бюллетень сплава называет три документа для продукта и не называет отдельную спецификацию ASTM для прутка и стержня, поэтому заказ на покупку, который изобретает один, изобрел документ. Пределы свойств для сорта взяты из спецификации производителя HA 46, а основа для сосудов под давлением — из Code Case 2218. Покупатель, которому нужна ссылка ASTM для 925, должен попросить поставщика указать, по какому из двух он сертифицирует.

Сам сертификат должен быть документом EN 10204 3.1, который содержит фактические результаты испытаний партии и заверен независимым представителем инспекции производителя. Сертификат 2.2 сообщает результаты неспецифической инспекции и не является тем же документом, и разница имеет значение, когда деталь входит в границу давления.

DLX поставляет марки Incoloy в виде прутка и стержня из Чанчжоу, Цзянсу, вместе с теми же семействами в виде проволоки от 0,025 мм и ленты от 0,50 мм до 2,5 мм, когда применение переходит к другой форме. Заказы производятся в соответствии со стандартом, указанным в заказе на покупку, с сертификатом EN 10204 3.1 по запросу и номером плавки, прослеживаемым до результатов испытаний.

Два вопроса решают большинство котировок. Первый — это состояние, потому что цена на отожженный 800 — это не цена на холоднотянутый 800. Второй — это необходимость требования к размеру зерна для данного сорта, потому что 800H и 800HT не могут быть процитированы без него.

Ответ зависит от среды, а не от торгового названия. Для детали печи или теплообменника выше 600 °C кандидатом является серия 800, с 800H или 800HT выше 816 °C. Для серной кислоты, фосфорной кислоты или морской воды ниже примерно 540 °C кандидатом является 825. Для детали для нефтегазовой отрасли или фонтанной арматуры, требующей минимального предела текучести 724 МПа с устойчивостью к кислой среде, кандидатом является 925.

Потому что ползучесть и разрыв зависят от границ зерен и карбидов, а 800H требует диапазон углерода от 0,05 до 0,10 % вместе со средним размером зерна ASTM 5 или крупнее. Крупное зерно уменьшает скольжение границ, а углерод поддерживает карбидную сеть, которая фиксирует границы. Сплав 800 не имеет ни одного из этих требований, поэтому его расчетная база выше 816 °C не та же.

Нет. Бюллетень сплава ограничивает его примерно 540 °C, выше которого образование фаз значительно снижает пластичность и ударную вязкость, и указывает, что сплав обычно не используется там, где свойства ползучести-разрыва являются факторами проектирования. Предел — это свойство сплава и относится к прутку, стержню, трубе и листу одинаково.

Старение осаждает гамма-прайм, Ni3(Al, Ti), который повышает предел текучести с 271 МПа в состоянии после отжига в растворе до 832 МПа. Оно проводится после отжига в растворе при температуре от 980 до 1040 °C, при температуре от 732 до 749 °C в течение 6–9 часов, затем охлаждается в печи до 621 °C и выдерживается в течение общего времени старения 18 часов. Черновая обработка выполняется до старения, а чистовая — после.

Это более прочный 825, и коррозионная стойкость обоих близка. Добавки титана и алюминия в 925 предназначены для реакции гамма-прайм. Молибден и медь, которые обеспечивают стойкость к кислотам, одинаковы в обоих сортах. В тесте автоклава в кислой среде со свободным серой оба сплава показали схожие скорости, и оба были значительно ниже, чем у нержавеющей стали типа 316.

Только когда состояние и температура испытания совпадают. Тот же химический состав 800 дает предел текучести 250 МПа в отожженном состоянии, 445 МПа в горячекатаном и 690 МПа в холоднотянутом. Сравнение значения отожженного 800 из листа и значения холоднотянутого 800 из прутка — это сравнение двух процессов, и сплав исчезает из сравнения.

Семейство прутков Incoloy охватывает три задачи. Серия 800 — это жаростойкий член, и его три номера UNS различаются по углероду, по алюминию и титану, и по размеру зерна, причем размер зерна несет расчетную нагрузку при ползучести выше 816 °C. Сплав 825 — это член для водной коррозии с потолком около 540 °C, который страницы каталога склонны опускать. Сплав 925 — это член, упрочняемый старением, с пределом текучести 832 МПа после двухстадийной обработки и таблицей свойств, которая написана по форме продукта и диаметру.

Свойство, которое их объединяет, заключается в том, что ни один из этих сортов не имеет прочности без состояния. Разброс от 250 до 832 МПа по всему семейству и от 250 до 690 МПа в пределах одного сорта больше, чем разница между большинством сортов. Заказ на покупку, в котором указан сорт, состояние, размер зерна, где это применимо, и сертификат, определил материал. Тот, который называет торговое название, определил семейство.