Monel K500 vs Monel 400: Wat de extra sterkte kost

Monel K500 en Monel 400 delen dezelfde basis: ruwweg twee delen nikkel op één deel koper, met hetzelfde corrosiekarakter en dezelfde kubisch vlakgecentreerde matrix. Geen van beide legeringen is een precipitatiegehard superlegering, en geen van beide wordt gekozen voor de top van een temperatuurbereik. Het verschil tussen beide is twee legeringstoevoegingen en de warmtebehandeling die die toevoegingen mogelijk maken, en bijna elk eigenschapsverschil in dit artikel komt daarop neer.

Eén gevolg is het vermelden waard aan het begin, omdat het de plek is waar de vergelijking het vaakst verkeerd wordt aangepakt. De sterktecijfers die voor deze twee legeringen worden gepubliceerd, worden per vorm en per warmtebehandelingsconditie gegeven, en de kloof ertussen verandert enorm, afhankelijk van welke condities worden vergeleken. Een versie van deze vergelijking die geen conditie vermeldt, kan niets specificeren, en de onderstaande cijfers worden daarom gegeven met de bijbehorende conditie.

Legering 400 is een massief oplossingslegering. Nikkel en koper zijn in alle verhoudingen oplosbaar in elkaar, dus het materiaal is monofasisch, en de enige manier om het te harden is door het koud te bewerken. Legering K500 neemt dezelfde basis en voegt aluminium en titanium toe, waardoor de legering verouderingsgehard kan worden: een gecontroleerde verwarmingscyclus precipiteert submicroscopische deeltjes van Ni₃(Ti, Al) door de matrix. De gepubliceerde beschrijving stelt het duidelijk: K500 combineert de corrosiebestendigheid van 400 met de toegevoegde voordelen van grotere sterkte en hardheid, en die toename komt van die twee toevoegingen en de verouderingsbehandeling.

De samenstellingen verschillen in precies die twee elementen plus kleine verschuivingen in de residuen. Elk ander cijfer ligt dichtbij, daarom gedragen de twee legeringen zich zo vergelijkbaar in gebruik.

De zwavelgrens is de stille lijn in die tabel. Het is ruwweg tweeënhalf keer strakker in K500 dan in 400, en de reden is dezelfde eigenschap die de legering sterk maakt: zodra het precipitatie aanwezig is, is er minder ductiliteit beschikbaar om de schade te absorberen die een zwavelinsluiting langs een korrelgrens veroorzaakt.

De gepubliceerde vergelijking stelt dat K500 ongeveer drie keer de vloeigrens en twee keer de treksterkte van 400 heeft. Dat is een reëel cijfer, en het beschrijft één koppeling van condities. De onderstaande tabel vergelijkt de twee legeringen in de condities waarin ze daadwerkelijk worden geleverd, op staaf en platte staaf.

Lees die tabel door en de claim wordt duidelijk. K500 in de gegloeide conditie is sterker dan 400 in de gegloeide conditie, met ongeveer 1,2 keer de treksterkte en ongeveer 1,4 keer de vloeigrens, wat een marge is en geen factor. Warm afgewerkt, de twee overlappen bijna volledig: de vloeigrenzen zijn 276 tot 690 MPa voor 400 en 276 tot 758 MPa voor K500, dus een warm afgewerkte staaf van 400 kan net zo sterk zijn als een warm afgewerkte staaf van K500.

Wat de gepubliceerde drie en twee cijfers daadwerkelijk vergelijken, is K500 dat verouderingsgehard is tegen 400 in de gegloeide conditie. Dat is een legitieme vergelijking, omdat het is hoe de twee legeringen het vaakst tegen elkaar worden gekocht, maar het is een vergelijking tussen twee condities in plaats van tussen twee legeringen.

De vergelijking is pas halverwege als de sterkte is vastgesteld. Vier kosten komen daarbij, en elk is een regel in een specificatie en geen voetnoot.

Legering 400 heeft geen van deze kosten. Het is een monofasige massieve oplossing die alleen door koud bewerken wordt verhard, het heeft geen verouderingsstap om te overschrijden, geen krimp om rekening mee te houden en geen verlies aan lasbaarheid in de conditie waarin het wordt geleverd. Waar de sterkte voldoende is, is het het eenvoudigere materiaal om te specificeren.

Twee van de fysieke verschillen tussen deze legeringen zijn contra-intuïtief, en één ervan wordt regelmatig verkeerd vermeld in leveranciersliteratuur.

De rij met de curietemperatuur verdient de ruimte. Legering 400 heeft een curietemperatuur binnen het omgevingstemperatuurbereik, en de gepubliceerde opmerking die erbij hoort is expliciet: de waarde wordt beïnvloed door variaties in chemische samenstelling, het getoonde bereik is wat normale productie kan geven, en daarom zullen sommige partijen magnetisch zijn bij kamertemperatuur en andere niet. Dezelfde bron voegt eraan toe dat als er een sterke eis is voor niet-magnetische eigenschappen, andere legeringen in de familie moeten worden overwogen.

K500 heeft geen dergelijke ambiguïteit. De curietemperatuur ligt tussen ongeveer −90 en −134 °C, afhankelijk van de conditie, wat de kamertemperatuur ver daarboven plaatst, en de gepubliceerde beschrijving is dat de legering vrijwel niet-magnetisch is, zelfs bij vrij lage temperaturen. Dus bij een niet-magnetische eis is de verouderingshardbare kwaliteit de veiligere van de twee. Dat is het tegenovergestelde van de aanname waarmee de meeste kopers komen, aangezien K500 de sterkere legering is en sterkte meestal als iets kostends wordt aangenomen.

Eén verwerkingskanttekening hoort bij die lezing. De gepubliceerde bron merkt op dat verwarming een magnetische film op de buitenkant van het stuk kan achterlaten, omdat aluminium en koper selectief kunnen oxideren, en dat de film in zuur kan worden verwijderd. Een magnetische eis moet daarom de oppervlakteconditie op de inkooporder vermelden naast de legering.

De gepubliceerde positie is dat de corrosiebestendigheid van K500 substantieel gelijkwaardig is aan die van 400, met één uitzondering. In de verouderingsgeharde conditie heeft K500 een grotere neiging tot spanningscorrosie in sommige omgevingen. Het woord substantieel doet echt werk in die zin, en de uitzondering is het enige dat een koper moet controleren voordat hij de verouderde conditie kiest voor nat gebruik.

Waar de twee samen zijn, zijn ze samen in de media die ertoe doen. Beide worden veel gebruikt in maritieme toepassingen, en beide vertonen zeer lage corrosiesnelheden in stromend zeewater. Beide zijn onderworpen aan dezelfde beperking in dat medium: stilstaand of langzaam bewegend zeewater veroorzaakt spleet- en putcorrosie, en de gepubliceerde beschrijving van K500 merkt op dat aangroei kan optreden gevolgd door putcorrosie, wat vertraagt na een vrij snelle initiële aanval. Legering 400 is ook bestand tegen spanningscorrosie en putcorrosie in de meeste zoete en industriële wateren, en biedt uitzonderlijke weerstand tegen fluorwaterstofzuur in alle concentraties tot het kookpunt, wat dezelfde bron beschrijft als misschien wel het meest resistente gedrag van elke veelgebruikte technische legering. Het is ook bestand tegen een aantal zwavelzuur- en zoutzuurtoepassingen onder reducerende omstandigheden.

K500 draagt één stuk corrosiegegevens met zich mee dat de moeite waard is om te weten, omdat het van toepassing is op een toepassing waar de sterkte de reden voor de keuze is. Het wordt beschreven als bestand tegen een zure gasomgeving: na zes dagen continue onderdompeling in verzadigde waterstofsulfideoplossingen bij 3.500 ppm, over zure en basische pH-waarden van 1,0 tot 11,0, vertoonden U-bocht specimens van het verouderingsgeharde plaatwerk geen scheuren. Een strakke zwarte schaal vormde zich en de specimens maten 28 tot 40 HRC. Dat is de kwalificatie achter de legering in olieveld- en zure toepassingen, en het is een kwalificatie voor de verouderde conditie.

Alleen voor één koppeling van condities, en die koppeling moet worden vermeld. K500 dat verouderingsgehard is, heeft ongeveer drie keer de vloeigrens en ongeveer twee keer de treksterkte van 400 in de gegloeide conditie, wat de vergelijking is die de gepubliceerde cijfers beschrijven. Het vergelijken van gelijke condities geeft een veel kleinere kloof: gegloeid tegen gegloeid is ongeveer 1,2 keer op treksterkte, en in de warm afgewerkte conditie overlappen de twee bereiken.

Twee legeringstoevoegingen en de warmtebehandeling die ze mogelijk maken. Legering 400 is een massieve oplossing van nikkel en koper die monofasisch is en alleen door koud bewerken kan worden verhard. Legering K500 voegt tussen 2,30 % en 3,15 % aluminium en tussen 0,35 % en 0,85 % titanium toe, waardoor een gecontroleerde verouderingsbehandeling submicroscopische deeltjes van Ni precipiteert₃(Ti, Al) door de matrix. Al het andere volgt daaruit.

Substantieel, met één uitzondering die de gepubliceerde gegevens duidelijk vermelden. In de verouderingsgeharde conditie heeft K500 een grotere neiging tot spanningscorrosie in sommige omgevingen. Waar het medium dat risico met zich meebrengt, is 400 de veiligere keuze, tenzij de sterkte essentieel is, en in beide gevallen moet het medium worden gecontroleerd tegen gepubliceerde gegevens voordat de conditie wordt vastgelegd.

K500, en om een reden die gemakkelijk verkeerd begrepen wordt. De curietemperatuur van 400 ligt tussen 21 en 49 °C, wat rond omgevingstemperatuur ligt, en de gepubliceerde opmerking is dat sommige partijen magnetisch zullen zijn bij kamertemperatuur en andere niet. K500 heeft een curietemperatuur tussen ongeveer −90 en −134 °C, ver onder omgevingstemperatuur, en wordt beschreven als vrijwel niet-magnetisch, zelfs bij vrij lage temperaturen.

Niet in de verouderingsgeharde conditie, en de gepubliceerde richtlijnen zijn expliciet dat het lassen van verouderingsgehard materiaal moet worden vermeden vanwege sterk verminderde ductiliteit. Waar een verbinding de verouderde sterkte moet bereiken, is de volgorde om gegloeid materiaal te lassen en vervolgens de verouderingsbehandeling uit te voeren. Legering 400 kan worden verbonden met de conventionele processen in de conditie waarin het wordt geleverd.

De eigenschappen gaan verloren en kunnen niet door opnieuw te verouderen worden hersteld. Oververouderd materiaal heeft lagere mechanische eigenschappen dan correct verouderd materiaal, en om het te versterken moet het onderdeel worden oplossing gegloeid bij 1.800 tot 1.900 °F om het precipitatie opnieuw op te lossen en vervolgens opnieuw te verouderen. Alle voordelen van koud bewerken gaan verloren in dat gloeien, dus het beste resultaat dat daarna beschikbaar is, is het gegloeide en verouderde cijfer.

Monel K500 is Monel 400 met toegevoegd aluminium en titanium en een toegepaste verouderingsbehandeling. Dat geeft het ongeveer drie keer de vloeigrens en twee keer de treksterkte van gegloeid 400, en het neemt vier dingen weg: ductiliteit, enige weerstand tegen spanningscorrosie in de verouderde conditie, lasbaarheid in die conditie, en de eenvoud van een materiaal zonder onomkeerbare processtap. Tussen die twee posities zijn de fysieke verschillen klein, behalve op twee plaatsen: 400 geleidt warmte beter met ongeveer 28 %, en K500 is betrouwbaarder niet-magnetisch bij kamertemperatuur omdat de curietemperatuur ver onder omgevingstemperatuur ligt, terwijl die van 400 erin ligt.

Beide legeringen worden geleverd vanuit Changzhou, Jiangsu, in staaf, draad, strip, plaat en buis, in de vormen en condities die de gepubliceerde bereiken hierboven beschrijven. De fabriek heeft ISO 9001-certificering en wordt gecontroleerd door SGS. Stuur het medium, de vereiste sterkte en de fabricagevolgorde, en de keuze tussen de twee volgt uit die drie antwoorden.

1. Special Metals technisch bulletin SMC-053, MONEL nikkel-koper legering 400. Bron voor de samenstellingslimieten, de dichtheid en het smeltbereik, de modulus en de Poissonngetal, de curietemperatuur en de opmerking dat het rond omgevingstemperatuur ligt, zodat sommige partijen magnetisch zijn bij kamertemperatuur, de mechanische eigenschapsbereiken per vorm en conditie, de verklaring dat de legering een monofasige massieve oplossing is die alleen door koud bewerken kan worden verhard, de limiet van 1.000 °F in oxiderende atmosferen, en het corrosiegedrag in zeewater, zoet water en fluorwaterstofzuur.
2. Special Metals technisch bulletin SMC-062, MONEL legering K-500. Bron voor de aluminium- en titaniumbereiken, de strakkere residulimieten, de beschrijving van de legering als het combineren van de corrosiebestendigheid van 400 met grotere sterkte en hardheid door precipitatie van Ni₃(Ti, Al), de mechanische eigenschapsbereiken per vorm en conditie, de dichtheid, de magnetische eigenschappen en curietemperaturen per conditie, de magnetische oppervlaktefilm en de verwijdering ervan, de corrosie-equivalentie en de spanningscorrosie-uitzondering in de verouderde conditie, de zure gasgegevens, de opmerking over zeewater snelheid, en de verouderingskrimp.
3. Hetzelfde bulletin, over lassen. Bron voor de verklaring dat het lassen van verouderingsgehard materiaal moet worden vermeden vanwege sterk verminderde ductiliteit, en dat verouderingsbehandelingen worden uitgevoerd na het lassen van gegloeid materiaal waar de verbinding de verouderde sterkte moet bereiken.
4. Hetzelfde bulletin, over warmtebehandeling en bewerking. Bron voor het oververouderingsgedrag, de eis om oplossing te gloeien bij 1.800 tot 1.900 °F en opnieuw te verouderen, het verlies van alle voordelen van koud bewerken in dat gloeien, het gegloeide en verouderde cijfer als het hoogste beschikbare daarna, en de praktijk van machinaal bewerken op maat, verouderingsharding en afwerken op maat.
5. Hetzelfde bulletin, over de gepubliceerde nominale eigenschapsbereiken. Bron voor de waarschuwing dat de bereiken composieten zijn voor verschillende productgroottes en niet geschikt zijn voor specificatiedoeleinden.
6. UNS N04400 en N05500 zoals gepubliceerd voor deze twee legeringen. Bron voor de identificatiecodes die in de samenstellingstabel worden gebruikt.
7. Leveringsgegevens van DLX Alloy voor beide kwaliteiten. Bron voor de productvormen en de condities waarin ze worden aangeboden.

Elk cijfer hierboven is een gepubliceerde waarde voor het standaardproduct, en verschillende ervan zijn composieten die een reeks maten en temperaturen bestrijken. Ze zijn niet geschikt voor specificatiedoeleinden. De conditie is onderdeel van de specificatie van beide legeringen, dus een inkooporder die de legering noemt zonder het temperen te noemen, beschrijft niet het materiaal dat wordt gekocht. Acceptatie berust op het certificaat van de molentest voor de geleverde partij.