Monel K500 против Monel 400: Сколько стоит дополнительная прочность

Monel K500 и Monel 400 имеют одну и ту же основу: примерно две части никеля к одной части меди, с тем же характером коррозии и той же кубической гранецентрированной решеткой. Ни один из сплавов не является сверхсплавом с упрочнением выделением, и ни один из них не выбирается для верхнего предела температурного диапазона. Разница между ними заключается в двух легирующих добавках и термообработке, которую эти добавки делают возможной, и почти каждое различие в свойствах, описанное в этой статье, сводится к этому.

Одно следствие стоит упомянуть в первую очередь, потому что именно здесь сравнение чаще всего искажается. Показатели прочности, опубликованные для этих двух сплавов, приведены для каждой формы и каждого состояния термообработки, и разрыв между ними значительно меняется в зависимости от сравниваемых условий. Версия этого сравнения, в которой не указано условие, не может быть использована для определения чего-либо, поэтому приведенные ниже цифры даны с указанием условия.

Сплав 400 представляет собой сплав с твердым раствором. Никель и медь растворимы друг в друге во всех пропорциях, поэтому материал является однофазным, и единственный способ упрочнить его — это холодная обработка. Сплав K500 имеет ту же основу и добавляет алюминий и титан, что позволяет сплаву упрочняться старением: контролируемый цикл нагрева осаждает субмикроскопические частицы Ni₃(Ti, Al) по всей матрице. В опубликованном описании прямо сказано, что K500 сочетает в себе коррозионную стойкость 400 с дополнительными преимуществами большей прочности и твердости, и что это увеличение происходит за счет этих двух добавок и обработки старением.

Составы различаются именно по этим двум элементам плюс небольшие сдвиги в остаточных элементах. Все остальные цифры близки, поэтому два сплава ведут себя так похоже в эксплуатации.

Предел содержания серы — это тихая строка в этой таблице. Он примерно в два с половиной раза ниже в K500, чем в 400, и причина та же, что и у прочности сплава: как только осадок находится на месте, остается меньше пластичности для поглощения повреждений, которые включение серы наносит по границе зерна.

В опубликованном сравнении указано, что K500 имеет примерно в три раза большую предел текучести и в два раза большую предел прочности на разрыв, чем 400. Это реальная цифра, и она описывает одно сочетание условий. Таблица ниже сопоставляет два сплава в условиях, в которых они фактически поставляются, в виде прутка и полосы.

Прочитайте эту таблицу, и заявление станет ясным. K500 в отожженном состоянии прочнее, чем 400 в отожженном состоянии, примерно в 1,2 раза по пределу прочности на разрыв и примерно в 1,4 раза по пределу текучести, что является разницей, а не фактором. Горячекатаные сплавы почти полностью перекрываются: диапазоны предела текучести составляют 276 - 690 МПа для 400 и 276 - 758 МПа для K500, поэтому горячекатаный пруток 400 может быть таким же прочным, как горячекатаный пруток K500.

Сравнение, которое фактически дают опубликованные цифры три и два, — это K500, который был упрочнен старением, по сравнению с 400 в отожженном состоянии. Это законное сравнение, потому что именно так два сплава чаще всего сравниваются друг с другом, но это сравнение между двумя состояниями, а не между двумя сплавами.

Сравнение завершено только наполовину, когда установлена прочность. Четыре стоимости связаны с этим, и каждая из них является строкой в спецификации, а не сноской.

Сплав 400 не имеет ни одной из этих стоимостей. Это однофазный твердый раствор, который упрочняется только холодной обработкой, у него нет этапа старения, который можно пропустить, нет усадки, которую нужно учитывать, и нет потери свариваемости в состоянии поставки. Там, где его прочности достаточно, это более простой материал для спецификации.

Два физических различия между этими сплавами контринтуитивны, и одно из них регулярно указывается неправильно в литературе поставщиков.

Строка температуры Кюри заслуживает места. Сплав 400 имеет температуру Кюри в пределах диапазона окружающей среды, и сопровождающая ее опубликованная заметка гласит: значение зависит от вариаций химического состава, указанный диапазон — это то, что можно ожидать от нормального производства, и поэтому некоторые плавки будут магнитными при комнатной температуре, а другие нет. Тот же источник добавляет, что если существует сильное требование к немагнитным характеристикам, следует рассмотреть другие сплавы в семействе.

K500 не имеет такой двусмысленности. Его температура Кюри находится в пределах от примерно -90 до -134 °C в зависимости от состояния, что ставит комнатную температуру значительно выше нее, и опубликованное описание гласит, что сплав практически немагнитен даже при довольно низких температурах. Таким образом, при требовании немагнитности упрочняемый старением сплав является более безопасным из двух. Это противоположно предположению, с которым большинство покупателей приходят, поскольку K500 является более прочным сплавом, а прочность обычно предполагается, что чего-то стоит.

Одна технологическая оговорка относится к этому чтению. Опубликованный источник отмечает, что нагрев может оставить магнитную пленку на внешней стороне детали, поскольку алюминий и медь могут окисляться избирательно, и что пленку можно удалить в кислоте. Поэтому требование к магнитной характеристике должно указывать состояние поверхности в заказе на поставку вместе со сплавом.

Опубликованная позиция заключается в том, что коррозионная стойкость K500 существенно эквивалентна стойкости 400, за одним исключением. В состоянии с упрочнением старением K500 имеет большую тенденцию к коррозионному растрескиванию под напряжением в некоторых средах. Слово «существенно» играет важную роль в этом предложении, и исключение — это единственное, что покупатель должен проверить перед выбором упрочненного старением состояния для влажной эксплуатации.

Где два сплава вместе, они вместе в важных средах. Оба широко используются в морской службе и оба показывают очень низкие скорости коррозии в проточной морской воде. Оба подвержены одному и тому же ограничению в этой среде: застойная или медленно движущаяся морская вода вызывает щелевую и питтинговую коррозию, а в опубликованном описании K500 отмечается, что может происходить обрастание с последующим питтингом, который замедляется после довольно быстрой начальной атаки. Сплав 400 также устойчив к коррозионному растрескиванию под напряжением и питтингу в большинстве пресных и промышленных вод и обладает исключительной стойкостью к плавиковой кислоте во всех концентрациях до точки кипения, что тот же источник описывает как, возможно, самое стойкое поведение среди всех широко используемых конструкционных сплавов. Он также устойчив к ряду сернокислых и солянокислых сред в восстановительных условиях.

K500 несет одну единицу данных по коррозии, которую стоит знать, потому что она относится к эксплуатации, где прочность является причиной выбора. Он описан как устойчивый к среде с сероводородом: после шести дней непрерывного погружения в насыщенные растворы сероводорода при 3500 ppm, при значениях pH от 1,0 до 11,0 (кислых и щелочных), образцы U-образной формы из упрочненного старением листа не показали растрескивания. Образовалась плотная черная окалина, и образцы имели твердость 28-40 HRC. Это квалификация сплава для нефтегазовой и сероводородной эксплуатации, и это квалификация для упрочненного старением состояния.

Только для одного сочетания условий, и это сочетание должно быть указано. K500, который был упрочнен старением, имеет примерно в три раза большую предел текучести и примерно в два раза большую предел прочности на разрыв, чем 400 в отожженном состоянии, что является сравнением, которое описывают опубликованные цифры. Сравнение одинаковых условий дает гораздо меньший разрыв: отожженный против отожженного составляет примерно 1,2 раза по пределу прочности на разрыв, а в горячекатаном состоянии диапазоны перекрываются.

Две легирующие добавки и термообработка, которую они позволяют. Сплав 400 — это твердый раствор никеля и меди, который является однофазным и может быть упрочнен только холодной обработкой. Сплав K500 добавляет от 2,30 % до 3,15 % алюминия и от 0,35 % до 0,85 % титана, что позволяет контролируемой обработке старением осаждать субмикроскопические частицы Ni₃(Ti, Al) по всей матрице. Все остальное следует из этого.

Существенно, за одним исключением, которое четко указано в опубликованных данных. В состоянии с упрочнением старением K500 имеет большую тенденцию к коррозионному растрескиванию под напряжением в некоторых средах. Там, где среда несет такой риск, 400 является более безопасным выбором, если прочность не является необходимой, и в любом случае среда должна быть проверена по опубликованным данным перед фиксацией состояния.

K500, и по причине, которую легко перепутать. Температура Кюри 400 находится в пределах от 21 до 49 °C, что находится в пределах окружающей среды, и опубликованная заметка гласит, что некоторые плавки будут магнитными при комнатной температуре, а другие нет. K500 имеет температуру Кюри в пределах от примерно -90 до -134 °C, значительно ниже окружающей среды, и описывается как практически немагнитный даже при довольно низких температурах.

Не в состоянии с упрочнением старением, и опубликованное руководство явно указывает, что сварка упрочненного старением материала должна быть избегнута из-за значительно сниженной пластичности. Там, где соединение должно достичь упрочненной старением прочности, последовательность заключается в сварке отожженного материала, а затем проведении обработки старением. Сплав 400 может быть соединен обычными процессами в состоянии поставки.

Свойства теряются и не могут быть восстановлены повторным старением. Переупрочненный материал имеет более низкие механические свойства, чем правильно упрочненный материал, и для его упрочнения деталь должна быть подвергнута отжигу при 1800-1900 °F для повторного растворения осадка и затем повторно подвергнута старению. Вся польза от любой холодной обработки теряется при этом отжиге, поэтому наилучший результат, доступный после этого, — это состояние отожженного и упрочненного старением.

Monel K500 — это Monel 400 с добавлением алюминия и титана и применением обработки старением. Это дает ему примерно в три раза большую предел текучести и в два раза большую предел прочности на разрыв отожженного 400, и это отнимает четыре вещи: пластичность, некоторую стойкость к коррозионному растрескиванию под напряжением в упрочненном старением состоянии, свариваемость в этом состоянии и простоту материала без необратимого этапа процесса. Между этими двумя положениями физические различия малы, за исключением двух случаев: 400 лучше проводит тепло примерно на 28 %, а K500 более надежно немагнитен при комнатной температуре, потому что его температура Кюри находится далеко ниже окружающей среды, в то время как температура 400 находится внутри нее.

Оба сплава поставляются из Чанчжоу, Цзянсу, в виде прутка, проволоки, полосы, листа и трубы, в формах и состояниях, описанных выше в опубликованных диапазонах. Завод имеет сертификат ISO 9001 и проходит аудит SGS. Отправьте среду эксплуатации, требуемую прочность и последовательность изготовления, и выбор между двумя сплавами будет следовать из этих трех ответов.

1. Технический бюллетень Special Metals SMC-053, никель-медный сплав MONEL 400. Источник данных о пределах состава, плотности и диапазоне плавления, модуле упругости и коэффициенте Пуассона, температуре Кюри и примечании о том, что он находится в пределах окружающей среды, поэтому некоторые плавки магнитны при комнатной температуре, диапазонах механических свойств по форме и состоянию, утверждении, что сплав является однофазным твердым раствором, упрочняемым только холодной обработкой, пределе 1000 °F в окислительных атмосферах и коррозионном поведении в морской воде, пресной воде и плавиковой кислоте.
2. Технический бюллетень Special Metals SMC-062, сплав MONEL K-500. Источник данных об алюминии и титане, более узких пределах остаточных элементов, описании сплава как сочетающего коррозионную стойкость 400 с большей прочностью и твердостью за счет осаждения Ni₃(Ti, Al), диапазонах механических свойств по форме и состоянию, плотности, магнитных характеристиках и температурах Кюри по состоянию, магнитной поверхностной пленке и ее удалении, эквивалентности коррозии и исключении коррозионного растрескивания под напряжением в упрочненном старением состоянии, данных о сероводородной среде, примечании о скорости морской воды и усадке при старении.
3. Тот же бюллетень, по сварке. Источник утверждения о том, что сварка упрочненного старением материала должна быть избегнута из-за значительно сниженной пластичности, и что старение проводится после сварки отожженного материала, где соединение должно достичь упрочненной старением прочности.
4. Тот же бюллетень, по термообработке и механической обработке. Источник данных о поведении при переупрочнении, требовании отжига при 1800-1900 °F и повторного старения, потере всей пользы от холодной обработки при этом отжиге, о том, что отожженное и упрочненное старением состояние является наивысшим доступным после этого, и о практике механической обработки с припуском, упрочнения старением и доводки до размера.
5. Тот же бюллетень, по опубликованным номинальным диапазонам свойств. Источник предупреждения о том, что диапазоны являются композитными для различных размеров продукции и не подходят для целей спецификации.
6. UNS N04400 и N05500, как опубликовано для этих двух сплавов. Источник идентификаторов, используемых в таблице состава.
7. Записи о поставках, хранящиеся для DLX Alloy, охватывающие обе марки. Источник форм продукции и состояний, в которых они предлагаются.

Каждая приведенная выше цифра является опубликованным значением для стандартного продукта, и несколько из них являются композитными, охватывающими диапазон размеров и состояний. Они не подходят для целей спецификации. Состояние является частью спецификации для обоих сплавов, поэтому заказ на поставку, в котором указан сплав без указания состояния, не описывает приобретаемый материал. Приемка осуществляется на основании сертификата заводских испытаний для поставленной плавки.