Descrizione dettagliata dei vantaggi e delle applicazioni uniche della lega Monel

Monel è un nome commerciale per una famiglia di leghe nichel-rame e non il nome di un singolo materiale, e i dati pubblicati per la famiglia mostrano quanto valga questa distinzione. I gradi di fornitura generale condividono una chimica di base e raggiungono la loro resistenza attraverso tre percorsi diversi, e la scelta tra di essi sposta la resistenza alla trazione di oltre la metà, decide se un pezzo è affidabilmente non magnetico a temperatura ambiente e stabilisce quanti passaggi termici un fabbricante deve pianificare.

I membri sono la lega MONEL 400, la lega K-500 e la lega R-405. La lega 400 è pubblicata come una lega a soluzione solida che può essere indurita solo per lavorazione a freddo. La K-500 è pubblicata come combinazione della resistenza alla corrosione della lega 400 con maggiore resistenza e durezza, ottenute aggiungendo alluminio e titanio alla base nichel-rame e riscaldando il materiale in condizioni controllate in modo che particelle submicroscopiche di Ni3(Ti, Al) precipitino attraverso la matrice, un trattamento che il produttore chiama indurimento per precipitazione. La R-405 è la versione a lavorazione libera della lega 400, e le costanti fisiche pubblicate per la lega 400 si dichiarano applicabili anche ad essa.

Ciò che segue è la famiglia come la incontra un acquirente: le designazioni, la chimica che separa i gradi, la resistenza che può essere acquistata in ogni forma, sei vantaggi che derivano dai numeri pubblicati, le industrie che acquistano ogni grado e i compiti per i quali una lega nichel-rame è la risposta sbagliata.

Le designazioni sono la prima cosa da stabilire. Monel è un marchio del gruppo di produttori che ha sviluppato le leghe, e un disegno o una richiesta che riporta solo il nome commerciale lascia la specifica aperta. Il numero UNS è l'identificatore che accompagna un ordine di acquisto, e in questa famiglia porta anche il percorso di indurimento, poiché i tre gradi sono tre materiali diversi e non tre tempere di uno.

Due conseguenze derivano da quella tabella prima che venga confrontata qualsiasi proprietà. Un requisito per la massima resistenza in questa famiglia non può essere soddisfatto dalla lega 400, perché il meccanismo che la fornirebbe è assente dalla lega. Un requisito per un percorso semplice dallo stock al pezzo finito è soddisfatto più facilmente dalla lega 400, perché è il membro senza passaggio termico dopo la formatura.

La lega 400 è una lega binaria a soluzione solida. Nichel e rame sono mutualmente solubili in tutte le proporzioni, quindi la struttura è monofase con un reticolo cubico a facce centrate e un parametro reticolare di 3,534 angstrom, e non c'è una seconda fase da precipitare. La K-500 mantiene quella matrice e aggiunge due elementi che precipitano, che è l'intera differenza metallurgica tra i due gradi principali. I limiti sottostanti sono i limiti di specifica, e le due righe in fondo alla tabella esistono solo nella K-500.

Un requisito di fabbricazione deriva dalla chimica e non da un disegno di officina. Lo zolfo danneggia questa famiglia ad alta temperatura, e la pratica di ricottura pubblicata per la lega 400 richiede quindi un'atmosfera riducente priva di zolfo. Matite segnatrici e grasso, così come alcuni materiali refrattari, devono essere tenuti lontani da un pezzo che va in un forno, che è una regola che deriva direttamente da un limite di composizione.

Gli intervalli pubblicati sono compositi per varie dimensioni di prodotto e, secondo le parole del produttore, non sono adatti a scopi di specifica. Sono utili per lo scopo opposto, ovvero mostrare a un acquirente cosa è realizzabile in una data forma e quanta parte della diffusione di resistenza della famiglia deriva dalla forma e non dal grado.

Leggendo le ultime quattro righe, la famiglia assume una forma. La lega 400 raggiunge il suo massimo nella regione dei 965 MPa in nastro a tempera a molla, e la K-500 continua oltre i 1.500 MPa nella stessa forma dopo l'invecchiamento, che è più della metà. L'estremità più lontana è raggiungibile solo attraverso la reazione di precipitazione, e l'estremità più vicina è raggiungibile senza forno.

La famiglia viene scelta innanzitutto per ciò che non fa nei cloruri e negli acidi riducenti. La lega 400 mostra tassi di corrosione molto bassi in acqua di mare fluente, offre un'eccezionale resistenza all'acido fluoridrico in tutte le concentrazioni fino al punto di ebollizione, che il produttore descrive come forse la più resistente tra tutte le leghe ingegneristiche comunemente utilizzate, e resiste a molte forme di acido solforico e cloridrico in condizioni riducenti. Il limite è pubblicato nello stesso documento: la lega è utile a temperature fino a 1.000 °F in atmosfere ossidanti, con temperature più elevate disponibili in un ambiente riducente. Un acido fortemente ossidante è una selezione diversa e appartiene a un grado contenente cromo.

Due dettagli separano i gradi all'interno di quell'involucro. La lega 400 resiste all'attacco per fessura nella maggior parte delle acque dolci e industriali, ma l'acqua di mare stagnante ha dimostrato di indurre corrosione per fessura e pitting, quindi i bassi tassi citati per l'acqua di mare sono tassi per acqua in movimento. La K-500 è pubblicata come sostanzialmente equivalente alla lega 400 in termini di resistenza alla corrosione, con una qualifica: nella condizione indurita per precipitazione ha una maggiore tendenza alla criccabilità da stress in alcuni ambienti. La qualifica è testabile ed è stata testata. Campioni a U di lamiera indurita per precipitazione sono sopravvissuti a sei giorni di immersione continua in soluzioni sature di idrogeno solforato a 3.500 ppm su valori di pH da 1,0 a 11,0 senza criccarsi, a durezze da 28 a 40 sulla scala Rockwell C.

I due meccanismi non sono intercambiabili e non sono additivi nel modo in cui un acquirente potrebbe sperare. Nella lega 400 l'unico percorso è la lavorazione a freddo, quindi la resistenza che si ottiene è determinata dalla tempera specificata e dalla quantità di deformazione applicata dal laminatoio. Nella K-500 la reazione di precipitazione fornisce la maggior parte della resistenza e la lavorazione a freddo fornisce il resto, motivo per cui la condizione più resistente pubblicata è trafilata a freddo e poi invecchiata, una combinazione di entrambi i trattamenti.

L'invecchiamento ha anche una modalità di guasto degna di nota prima che venga effettuato l'ordine di acquisto. Il materiale riscaldato per un tempo apprezzabile tra 1.100 °F e 1.400 °F è sovrainvecchiato in un grado che dipende dal tempo e dalla temperatura, e il materiale sovrainvecchiato ha proprietà meccaniche inferiori rispetto al metallo correttamente invecchiato. Tali proprietà non possono essere recuperate invecchiando di nuovo. L'unico percorso di ritorno è una ricottura di soluzione a 1.800-1.900 °F per ridissolvere i costituenti di indurimento per precipitazione, seguita da un nuovo trattamento di invecchiamento, e tutto il beneficio di qualsiasi lavorazione a freddo viene perso in quella ricottura.

Questo è il vantaggio che separa più chiaramente la famiglia dagli acciai, e si comporta nella direzione che la maggior parte degli ingegneri non si aspetta. La lega 400 forgiata testata a 70 °F raggiunge una resistenza alla trazione di 92,00 ksi con un allungamento del 31,0%; lo stesso materiale a -297 °F raggiunge 128,25 ksi con un allungamento del 44,5%; e a -423 °F raggiunge 142,00 ksi con un allungamento del 38,5%. La resistenza aumenta e la duttilità si mantiene. I valori Charpy V-notch su lastra finita a caldo a -423 °F sono pubblicati come un intervallo da 141 a 219 ft·lb longitudinali, e nessun campione nel programma di impatto ha mostrato una frattura fragile.

La K-500 è pubblicata negli stessi termini: le resistenze alla trazione e allo snervamento aumentano al diminuire della temperatura mentre la duttilità e la tenacità sono virtualmente non compromesse, e nessuna trasformazione duttile-fragile si verifica nemmeno alla temperatura dell'idrogeno liquido. La lamiera saldata testata a -423 °F ha restituito 200 ksi di trazione, 136 ksi di snervamento e 28% di allungamento con un'efficienza di giunto del 95% rispetto alla lamiera madre.

La lega 400 è spesso descritta come non magnetica, e le costanti pubblicate non supportano questa affermazione incondizionata. La sua temperatura di Curie è data come un intervallo da 70 a 120 °F, che è 21-49 °C, e il bollettino nota che questo intervallo si trova all'interno dell'intervallo ambientale ed è influenzato da variazioni nella composizione chimica. Alcuni lotti sono quindi magnetici a temperatura ambiente e altri no, e la direzione pubblicata è esplicita: dove c'è un forte requisito per caratteristiche non magnetiche, dovrebbero essere considerate altre leghe MONEL.

La K-500 è il membro della famiglia che risponde a questo requisito. I valori di permeabilità pubblicati vanno da 1,0011 per materiale ricotto e temprato a 1,0019 per materiale trafilato a freddo e indurito per precipitazione a 200 oersted, con temperature di Curie per una permeabilità di 1,01 tra -210 °F e -130 °F, che sono 50-80 gradi sotto lo zero sulla scala Celsius. La lega è descritta come virtualmente non magnetica anche a temperature piuttosto basse. Una cautela di lavorazione accompagna la proprietà: alluminio e rame possono essere ossidati selettivamente durante il riscaldamento, lasciando un film magnetico ricco di nichel sulla superficie, un effetto più evidente su fili sottili e nastri dove il rapporto superficie-peso è elevato. Il film viene rimosso tramite decapaggio o decapaggio brillante, e le proprietà non magnetiche vengono ripristinate.

La resistività elettrica a 21 °C è pubblicata come 0,511 micro-ohm metro per la lega 400 e 0,615 per la K-500, su materiale in una condizione equivalente ad annealed con una piccola quantità di indurimento per precipitazione. La conducibilità termica alla stessa temperatura è 22,0 W/m·K per la lega 400 e 17,2 W/m·K per la K-500. Nessuna delle due cifre è un sostituto del rame, e l'uso corretto della famiglia nel lavoro elettrico è dove la resistenza alla corrosione e una resistenza stabile contano più dell'efficienza di conduzione, nei componenti elettrici ed elettronici e nei sensori che entrambi i bollettini elencano tra le loro applicazioni. Una cautela si applica alla cifra della K-500: la sua resistività è marcatamente influenzata dalla storia termica, che è una conseguenza diretta delle caratteristiche di indurimento per precipitazione della lega, quindi la condizione deve essere dichiarata con il numero.

La K-500 è pubblicata come avente un'eccezionale stabilità dimensionale, in test di esposizione a lungo termine e in test ciclici, e tale proprietà è la ragione dichiarata del suo utilizzo in dispositivi ad alta precisione come i giroscopi. Il numero di cui un progettista ha bisogno è quello che descrive cosa accade durante il trattamento termico: l'indurimento per precipitazione causa una contrazione volumetrica iniziale, e una barra finita si è contratta di 2,5 × 10⁻⁴ pollici per pollice durante l'invecchiamento. Un pezzo finito a macchina che viene poi invecchiato arriva quindi sottodimensionato, motivo per cui la guida di fabbricazione pubblicata per lavori di precisione è di lavorare sovradimensionato, invecchiare e poi finire a misura.

Le costanti sottostanti sono pubblicate per i due gradi principali e sono quelle che entrano in un calcolo di progettazione. Due righe nella tabella hanno più peso delle altre. La densità e l'intervallo di fusione separano le leghe quasi per nulla, mentre la riga magnetica le separa completamente a temperatura ambiente, e la temperatura di Curie è la riga che viene più spesso omessa in un confronto.

I due bollettini pubblicano i propri elenchi di applicazioni, e gli elenchi sono il percorso più breve per sapere quale grado un determinato settore acquista effettivamente. Le ragioni nella colonna di destra sono quelle fornite dal produttore, non un'inferenza dai pezzi.

Una pagina di famiglia che elenca solo vantaggi non è utile a un progettista, quindi i limiti appartengono alla stessa pagina dei punti di forza. Ogni riga sottostante è una condizione che i dati pubblicati escludono o qualificano, e non una riserva generale sul materiale.

K-500, e la ragione è la temperatura di Curie pubblicata e non la parola non magnetico. La lega 400 ha una temperatura di Curie tra 21 °C e 49 °C, che attraversa la normale temperatura ambiente, e il produttore afferma che alcuni lotti saranno magnetici a temperatura ambiente e altri no, e indirizza un forte requisito non magnetico verso un'altra lega MONEL. La K-500 è pubblicata a permeabilità 1,0019 o inferiore, con la temperatura di Curie per una permeabilità di 1,01 tra -134 °C e -90 °C. Un film magnetico superficiale può ancora formarsi su fili sottili e nastri durante il riscaldamento, e il decapaggio o il decapaggio brillante lo rimuovono.

No. La lega è pubblicata come una lega a soluzione solida che può essere indurita solo per lavorazione a freddo, e non esiste alcun trattamento di invecchiamento nella famiglia per essa. I trattamenti termici esistenti svolgono il lavoro opposto: la ricottura ammorbidisce il materiale indurito per lavorazione, e il distensamento o l'equalizzazione delle tensioni riducono le tensioni residue. Un disegno che richiede la lega 400 in una condizione invecchiata richiede un trattamento che non esiste, e il grado che ne ha uno è la K-500.

No, e l'affermazione appare in descrizioni circolate della lega, quindi vale la pena correggerla con precisione. Il meccanismo di rafforzamento pubblicato per la K-500 è la precipitazione di particelle submicroscopiche di Ni3(Ti, Al) attraverso la matrice quando la lega viene riscaldata in condizioni controllate. Questa è una reazione di indurimento per precipitazione, e le sue conseguenze sono maggiore resistenza e durezza, una minore permeabilità magnetica e una piccola contrazione durante l'invecchiamento. La memoria di forma, che è la capacità di un materiale di tornare a una forma precedentemente impostata al variare della temperatura, è una proprietà delle leghe nichel-titanio quasi equiatomiche e non di un grado nichel-rame con aggiunte di alluminio e titanio. Una specifica scritta sull'aspettativa di un effetto memoria è scritta sulla proprietà sbagliata.

La lega 400 è il caso più semplice, perché non ha trattamenti termici da proteggere e i suoi materiali d'apporto per saldatura sono della stessa famiglia di riempitivi nichel-rame. La K-500 necessita di una sequenza. La saldatura è meglio eseguita con il processo a gas-tungsteno-arco, il materiale d'apporto MONEL 60 è il consumabile usuale, e l'importante qualifica pubblicata è che i saldati realizzati in questo modo non sono induribili per precipitazione e quindi non hanno la resistenza corrispondente al metallo base indurito. Dove un giunto deve corrispondere al metallo base invecchiato, un materiale d'apporto di composizione corrispondente depositato, con il trattamento di invecchiamento eseguito dopo la saldatura di materiale ricotto, è il percorso pubblicato. Le saldature di materiale ricotto possono essere portate alla resistenza del metallo base indurito per precipitazione senza una seria perdita di duttilità.

Quasi nulla, con una qualifica che si applica alla condizione invecchiata. Il produttore pubblica la resistenza alla corrosione della K-500 come sostanzialmente equivalente a quella della lega 400, tranne per il fatto che nella condizione indurita per precipitazione la lega ha una maggiore tendenza alla criccabilità da stress in alcuni ambienti. Tale qualifica è stata testata contro il gas acido: campioni a U di lamiera indurita per precipitazione non hanno mostrato cricche dopo sei giorni di immersione continua in soluzioni sature di idrogeno solforato a 3.500 ppm, su valori di pH da 1,0 a 11,0, a durezze da 28 a 40 sulla scala Rockwell C. La regola pratica è che una sostituzione di K-500 viene verificata rispetto al mezzo specifico e allo stato di stress specifico, e non rispetto al nome della famiglia.

Non con il nome della famiglia, e i tre gradi falliscono per tre motivi diversi. La lega 400 non può raggiungere la resistenza della K-500 in nessuna condizione, quindi una sostituzione in quella direzione è limitata dal meccanismo e non dal laminatoio. La K-500 nella condizione indurita per precipitazione è un caso di corrosione diverso in alcuni ambienti, e porta anche un passaggio termico e una contrazione in una sequenza di fabbricazione che potrebbe non avere spazio per nessuno dei due. La R-405 differisce ancora, perché la sua lavorabilità deriva da un contenuto di zolfo più elevato. I dati pubblicati supportano una sostituzione ed è una stretta: dove il compito è un acido cloridrico o riducente e non si desidera un passaggio termico, la lega 400 svolge il lavoro per cui è stata specificata la K-500, e viceversa non è vero.

La famiglia Monel è composta da tre gradi di nichel-rame con una matrice e tre percorsi di rafforzamento. La lega 400 è UNS N04400, una soluzione solida monofase con un parametro reticolare di 3,534 angstrom che si indurisce solo per lavorazione a freddo, utile fino a 1.000 °F in atmosfere ossidanti, eccezionale contro l'acido fluoridrico a tutte le concentrazioni fino all'ebollizione