Gedetailleerde beschrijving van de unieke voordelen en toepassingsgebieden van Monel-legering

Monel is een handelsnaam voor een familie van nikkel-koperlegeringen en niet de naam van één materiaal, en de gepubliceerde gegevens voor de familie laten zien hoeveel die onderscheiding waard is. De kwaliteiten die algemeen verkrijgbaar zijn, delen een basischemie en bereiken hun sterkte via drie verschillende routes, en de keuze daartussen verandert de treksterkte met meer dan de helft, bepaalt of een onderdeel betrouwbaar niet-magnetisch is bij kamertemperatuur en bepaalt hoeveel thermische stappen een fabrikant moet plannen.

De leden zijn MONEL legering 400, legering K-500 en legering R-405. Legering 400 wordt gepubliceerd als een vaste-oplossing legering die alleen door koudvervorming kan worden verhard. K-500 wordt gepubliceerd als een combinatie van de corrosiebestendigheid van legering 400 met grotere sterkte en hardheid, verkregen door aluminium en titanium toe te voegen aan de nikkel-koperbasis en het materiaal onder gecontroleerde omstandigheden te verwarmen zodat submicroscopische deeltjes van Ni3(Ti, Al) neerslaan door de matrix, een behandeling die de producent ouderdomsharding noemt. R-405 is de vrij-bewerkbare versie van legering 400, en de fysische constanten die voor legering 400 zijn gepubliceerd, zijn ook van toepassing op deze legering.

Wat volgt is de familie zoals een koper hem tegenkomt: de aanduidingen, de chemie die de kwaliteiten scheidt, de sterkte die in elke vorm kan worden gekocht, zes voordelen die gepaard gaan met gepubliceerde cijfers, de industrieën die elke kwaliteit kopen, en de taken waarbij een nikkel-koperlegering het verkeerde antwoord is.

De aanduidingen zijn het eerste dat moet worden vastgesteld. Monel is een handelsmerk van de producentengroep die de legeringen heeft ontwikkeld, en een tekening of een aanvraag die alleen de handelsnaam draagt, laat de specificatie open. Het UNS-nummer is de identificatie die meereist met een inkooporder, en in deze familie draagt het ook de verhardingsroute, omdat de drie kwaliteiten drie verschillende materialen zijn en geen drie ontlatingen van één.

Twee gevolgen vloeien voort uit die tabel voordat enige eigenschap wordt vergeleken. Een vereiste voor maximale sterkte in deze familie kan helemaal niet worden voldaan door legering 400, omdat het mechanisme dat deze zou leveren afwezig is in de legering. Een vereiste voor een eenvoudige route van voorraad naar afgewerkt onderdeel wordt het gemakkelijkst voldaan door legering 400, omdat dit het lid is zonder thermische stap na vorming.

Legering 400 is een binaire vaste-oplossing legering. Nikkel en koper zijn onderling oplosbaar in alle verhoudingen, dus de structuur is monofase met een kubisch vlakgecentreerd rooster en een roosterparameter van 3,534 angstrom, en er is geen tweede fase die neerslaat. K-500 behoudt die matrix en voegt twee elementen toe die neerslaan, wat het gehele metallurgische verschil is tussen de twee belangrijkste kwaliteiten. De limieten hieronder zijn de specificatielimieten, en de twee rijen onderaan de tabel bestaan alleen in K-500.

Eén fabricagevereiste vloeit voort uit de chemie en niet uit een werkplaatstekening. Zwavel beschadigt deze familie bij hoge temperatuur, en de gepubliceerde gloeipraktijk voor legering 400 vereist daarom een zwavelvrije reducerende atmosfeer. Markeerkrijtjes en vet, evenals sommige refractaire materialen, moeten uit de buurt worden gehouden van een onderdeel dat in een oven gaat, wat een regel is die rechtstreeks voortkomt uit een samenstellingslimiet.

De gepubliceerde bereiken zijn composieten voor verschillende productgroottes en, in de eigen woorden van de producent, zijn ze niet geschikt voor specificatiedoeleinden. Ze zijn nuttig voor het tegenovergestelde doel, namelijk om een koper te laten zien wat haalbaar is in een bepaalde vorm en hoeveel van de sterkte spreiding van de familie afkomstig is van de vorm en niet van de kwaliteit.

Lees de laatste vier rijen en de familie komt tot een vorm. Legering 400 bereikt een maximum in het gebied van 965 MPa in strip veerharding, en K-500 gaat verder dan 1.500 MPa in dezelfde vorm na veroudering, wat meer dan de helft is. Het verre einde is alleen bereikbaar via de neerslagreactie, en het nabije einde is bereikbaar zonder oven.

De familie wordt eerst gekozen vanwege wat het niet doet in chloriden en in reducerende zuren. Legering 400 vertoont zeer lage corrosiesnelheden in stromend zeewater, biedt uitzonderlijke weerstand tegen fluorwaterstofzuur in alle concentraties tot het kookpunt, wat de producent beschrijft als misschien wel de meest resistente van alle veelgebruikte technische legeringen, en weerstaat vele vormen van zwavelzuur en zoutzuur onder reducerende omstandigheden. De grens is gepubliceerd in hetzelfde document: de legering is bruikbaar bij temperaturen tot en met 1.000 °F in oxiderende atmosferen, met hogere temperaturen beschikbaar in een reducerende omgeving. Een sterk oxiderend zuur is een andere selectie en behoort tot een chroomhoudende kwaliteit.

Twee details scheiden de kwaliteiten binnen dat omhulsel. Legering 400 is bestand tegen spleetcorrosie in de meeste zoete en industriële wateren, maar stilstaand zeewater is aangetoond dat het spleet- en putcorrosie veroorzaakt, dus de lage snelheden die voor zeewater worden geciteerd, zijn snelheden voor bewegend water. K-500 wordt gepubliceerd als substantieel gelijkwaardig aan legering 400 op het gebied van corrosiebestendigheid, met één kwalificatie: in de ouderdomsverharde toestand heeft het een grotere neiging tot spanningscorrosie in sommige omgevingen. De kwalificatie is testbaar en is getest. U-bocht specimens van ouderdomsverharde plaat overleefden zes dagen continue onderdompeling in verzadigde waterstofsulfideoplossingen bij 3.500 ppm over pH-waarden van 1,0 tot 11,0 zonder scheuren, bij hardheden van 28 tot 40 op de Rockwell C-schaal.

De twee mechanismen zijn niet uitwisselbaar en ze zijn niet additief op de manier waarop een koper zou hopen. In legering 400 is de enige route koudvervorming, dus de sterkte die aankomt, wordt bepaald door de gespecificeerde ontlating en door de hoeveelheid vervorming die de fabriek heeft toegepast. In K-500 levert de neerslagreactie het grootste deel van de sterkte en koudvervorming de rest, daarom is de sterkste gepubliceerde toestand koud getrokken en vervolgens verouderd, een combinatie van beide behandelingen.

Veroudering heeft ook een faalmodus die het waard is om te weten voordat de inkooporder wordt geplaatst. Materiaal dat gedurende enige significante tijd tussen 1.100 °F en 1.400 °F wordt verwarmd, is oververouderd in een mate die afhankelijk is van de tijd en de temperatuur, en oververouderd materiaal heeft lagere mechanische eigenschappen dan correct verouderd metaal. Die eigenschappen kunnen niet opnieuw worden verkregen door veroudering. De enige route terug is een oplossingsgloeien bij 1.800 tot 1.900 °F om de ouderdomshardingbestanddelen opnieuw op te lossen, gevolgd door een nieuwe verouderingsbehandeling, en alle voordelen van eventuele koudvervorming gaan verloren in dat gloeien.

Dit is het voordeel dat de familie het duidelijkst scheidt van de staalsoorten, en het gedraagt zich in de richting die de meeste ingenieurs niet verwachten. Gesmeed legering 400 getest bij 70 °F bereikt 92,00 ksi treksterkte met 31,0 procent rek; hetzelfde materiaal bij -297 °F bereikt 128,25 ksi met 44,5 procent rek; en bij -423 °F bereikt het 142,00 ksi met 38,5 procent rek. Sterkte stijgt en ductiliteit blijft behouden. Charpy V-notch waarden op warm afgewerkte plaat bij -423 °F worden gepubliceerd als een bereik van 141 tot 219 ft·lb longitudinaal, en geen enkel specimen in het impactprogramma vertoonde een bros breuk.

K-500 wordt gepubliceerd in dezelfde termen: trek- en vloeigrenzen stijgen naarmate de temperatuur daalt, terwijl ductiliteit en taaiheid vrijwel onaangetast blijven, en er treedt geen ductiel-naar-bros transformatie op, zelfs niet bij de temperatuur van vloeibare waterstof. Gelaste plaat getest bij -423 °F leverde 200 ksi treksterkte, 136 ksi vloeigrens en 28 procent rek op met een gezamenlijke efficiëntie van 95 procent ten opzichte van de moedersoort.

Legering 400 wordt vaak beschreven als niet-magnetisch, en de gepubliceerde constanten ondersteunen dit niet als een onvoorwaardelijke verklaring. De Curie-temperatuur wordt gegeven als een bereik van 70 tot 120 °F, wat 21 tot 49 °C is, en het bulletin merkt op dat dit bereik binnen het omgevingstemperatuurbereik ligt en wordt beïnvloed door variaties in chemische samenstelling. Sommige partijen zijn daarom magnetisch bij kamertemperatuur en andere niet, en de gepubliceerde richting is expliciet: waar een sterke eis is voor niet-magnetische eigenschappen, moeten andere MONEL-legeringen worden overwogen.

K-500 is het lid van de familie dat aan deze eis voldoet. Gepubliceerde permeabiliteitswaarden lopen van 1,0011 voor gegloeid en gehard materiaal tot 1,0019 voor koud getrokken en ouderdomsverhard materiaal bij 200 oersted, met Curie-temperaturen voor een permeabiliteit van 1,01 tussen -210 °F en -130 °F, wat 50 tot 80 graden onder het vriespunt op de Celsius-schaal is. De legering wordt beschreven als vrijwel niet-magnetisch, zelfs bij vrij lage temperaturen. Eén verwerkingswaarschuwing gaat gepaard met de eigenschap: aluminium en koper kunnen selectief worden geoxideerd tijdens het verwarmen, waardoor een magnetische nikkelrijke film op het oppervlak achterblijft, een effect dat het meest opvalt op dunne draad en strip waar de oppervlakte-gewichtsverhouding hoog is. De film wordt verwijderd door beitsen of glansbeitsen, en de niet-magnetische eigenschappen worden hersteld.

Elektrische weerstand bij 21 °C wordt gepubliceerd als 0,511 micro-ohm meter voor legering 400 en 0,615 voor K-500, op materiaal in een toestand die vergelijkbaar is met gegloeid met een kleine hoeveelheid ouderdomsharding. Thermische geleidbaarheid bij dezelfde temperatuur is 22,0 W/m·K voor legering 400 en 17,2 W/m·K voor K-500. Geen van beide cijfers is een substituut voor koper, en het juiste gebruik van de familie in elektrisch werk is waar corrosiebestendigheid en een stabiele weerstand belangrijker zijn dan geleidingsefficiëntie, in de elektrische en elektronische componenten en de sensoren die beide bulletins onder hun toepassingen vermelden. Eén waarschuwing geldt voor het K-500 cijfer: de weerstand wordt aanzienlijk beïnvloed door de thermische geschiedenis, wat een direct gevolg is van de ouderdomshardingseigenschappen van de legering, dus de toestand moet worden vermeld bij het getal.

K-500 wordt gepubliceerd als uitzonderlijk goede dimensionale stabiliteit, in langdurige blootstellingstests en in cyclische tests, en die eigenschap is de verklaarde reden voor het gebruik ervan in hoog-precisieapparaten zoals gyroscopen. Het getal dat een ontwerper ermee nodig heeft, is het getal dat beschrijft wat er gebeurt tijdens warmtebehandeling: ouderdomsharding veroorzaakt een initiële volumekrimp, en een gegloeide staaf kromp 2,5 × 10⁻⁴ inch per inch tijdens veroudering. Een afgewerkt bewerkt onderdeel dat daarna wordt verouderd, wordt dus te klein, daarom is de gepubliceerde fabricagebegeleiding voor precisiewerk om te groot te bewerken, te verouderen en vervolgens op maat af te werken.

De constanten hieronder worden gepubliceerd voor de twee belangrijkste kwaliteiten en het zijn de constanten die worden gebruikt in een ontwerpberekening. Twee rijen in de tabel wegen zwaarder dan de rest. Dichtheid en smeltbereik scheiden de kwaliteiten nauwelijks, terwijl de magnetische rij ze volledig scheidt bij kamertemperatuur, en de Curie-temperatuur is de rij die het vaakst wordt weggelaten bij een vergelijking.

De twee bulletins publiceren hun eigen toepassingslijsten, en de lijsten zijn de kortste weg om te weten welke kwaliteit een bepaalde industrie daadwerkelijk koopt. De redenen in de rechterkolom zijn de redenen die de producent geeft, geen gevolgtrekking uit de onderdelen.

Een familiedossier met alleen voordelen is niet nuttig voor een ontwerper, dus de grenzen horen op dezelfde pagina als de sterktes. Elke rij hieronder is een toestand die de gepubliceerde gegevens uitsluiten of kwalificeren, en geen algemene reservering over het materiaal.

K-500, en de reden is de gepubliceerde Curie-temperatuur en niet het woord niet-magnetisch. Legering 400 heeft een Curie-temperatuur tussen 21 °C en 49 °C, wat de gewone kamertemperatuur doorsnijdt, en de producent stelt dat sommige partijen magnetisch zullen zijn bij kamertemperatuur en andere niet, en adviseert een sterke niet-magnetische eis aan een andere MONEL-legering. K-500 wordt gepubliceerd op 1,0019 permeabiliteit of lager, met de Curie-temperatuur voor een permeabiliteit van 1,01 tussen -134 °C en -90 °C. Een magnetische oppervlaktefilm kan nog steeds ontstaan op dunne draad en strip tijdens het verwarmen, en beitsen of glansbeitsen verwijdert deze.

Nee. De legering wordt gepubliceerd als een vaste-oplossing legering die alleen door koudvervorming kan worden verhard, en er is geen verouderingsbehandeling in de familie voor. De bestaande thermische behandelingen doen het tegenovergestelde: gloeien verzacht werk-verhard materiaal, en spanningsontlasting of spanningsgelijkstelling vermindert restspanning. Een tekening die legering 400 in een verouderde toestand vraagt, vraagt om een behandeling die niet bestaat, en de kwaliteit die er wel een heeft, is K-500.

Nee, en de verklaring komt voor in verspreide beschrijvingen van de legering, dus het is de moeite waard om deze nauwkeurig te corrigeren. Het gepubliceerde versterkingsmechanisme voor K-500 is de neerslag van submicroscopische Ni3(Ti, Al) deeltjes door de matrix wanneer de legering onder gecontroleerde omstandigheden wordt verwarmd. Dat is een neerslagverhardingsreactie, en de gevolgen zijn hogere sterkte en hardheid, een lagere magnetische permeabiliteit en een kleine krimp tijdens veroudering. Vormgeheugen, wat het vermogen van een materiaal is om terug te keren naar een eerder ingestelde vorm bij een temperatuurverandering, is een eigenschap van bijna-equiatomische nikkel-titaniumlegeringen en niet van een nikkel-koperkwaliteit met aluminium- en titaniumtoevoegingen. Een specificatie geschreven op basis van de verwachting van een geheugeneffect, is geschreven op basis van de verkeerde eigenschap.

Legering 400 is het eenvoudigste geval, omdat het geen warmtebehandeling te beschermen heeft en de lasverbruiksartikelen dezelfde familie van nikkel-koper vulstoffen zijn. K-500 heeft een sequentie nodig. Lassen wordt het best gedaan met het gas-wolfraam-boogproces, MONEL vulmetaal 60 is het gebruikelijke verbruiksartikel, en de belangrijke gepubliceerde kwalificatie is dat lasverbindingen die op deze manier zijn gemaakt niet ouderdomsverhardbaar zijn en daarom geen sterkte hebben die overeenkomt met het verharde basismetaal. Waar een verbinding moet overeenkomen met het verouderde basismetaal, is een vulmetaal met overeenkomende samenstelling aangebracht, met de verouderingsbehandeling uitgevoerd na het lassen van gegloeid materiaal, de gepubliceerde route. Lassen van gegloeid materiaal kunnen worden gebracht tot de sterkte van ouderdomsverhard basismetaal zonder ernstig verlies van ductiliteit.

Bijna niets, met één kwalificatie die van toepassing is op de verouderde toestand. De producent publiceert de corrosiebestendigheid van K-500 als substantieel gelijkwaardig aan die van legering 400, behalve dat in de ouderdomsverharde toestand de legering een grotere neiging heeft tot spanningscorrosie in sommige omgevingen. Die kwalificatie werd getest tegen zure gas: U-bocht specimens van ouderdomsverharde plaat vertoonden geen scheuren na zes dagen continue onderdompeling in verzadigde waterstofsulfideoplossingen bij 3.500 ppm, over pH-waarden van 1,0 tot 11,0, bij hardheden van 28 tot 40 op de Rockwell C-schaal. De praktische regel is dat een K-500 substitutie wordt gecontroleerd tegen het specifieke medium en de specifieke spanningsstaat, en niet tegen de familienaam.

Niet op de familienaam, en de drie kwaliteiten falen om drie verschillende redenen. Legering 400 kan de sterkte van K-500 in geen enkele toestand bereiken, dus een substitutie in die richting wordt beperkt door het mechanisme en niet door de fabriek. K-500 in de ouderdomsverharde toestand is een ander corrosiegeval in sommige omgevingen, en het brengt ook een thermische stap en een krimp in een fabricagesequentie die mogelijk geen ruimte heeft voor beide. R-405 verschilt opnieuw, omdat de bewerkbaarheid afkomstig is van een hoger zwavelgehalte. De gepubliceerde gegevens ondersteunen één substitutie en het is een smalle: waar de taak een chloride of een reducerend zuur is en geen thermische stap gewenst is, doet legering 400 het werk waarvoor K-500 was gespecificeerd, en omgekeerd is niet waar.

De Monel-familie bestaat uit drie nikkel-koperkwaliteiten met één matrix en drie versterkingsroutes. Legering 400 is UNS N04400, een monofase vaste oplossing met een roosterparameter van 3,534 angstrom die alleen door koudvervorming verhardt, bruikbaar tot 1.000 °F in oxiderende atmosferen, uitzonderlijk tegen fluorwaterstofzuur in alle concentraties tot het kookpunt