Composizione e proprietà della lega Monel 400 attraverso la temperatura

Monel 400 è UNS N04400, pubblicato anche come W.Nr. 2.4360 e 2.4361, ed è una soluzione solida binaria di nichel e rame che può essere indurita solo per lavorazione a freddo. Questa singola frase stabilisce entrambe le metà di ciò che una pagina delle proprietà ha da dire: la composizione decide il carattere della lega e la quantità di lavoro impiegata decide ogni cifra di resistenza che si può acquistare.

La composizione è nichel al 63,0% minimo con rame tra il 28,0% e il 34,0%, e il resto è un piccolo insieme di residui che vengono mantenuti bassi e non aggiunti. Ciò che rende utile la lega è la solubilità dei due elementi principali l'uno nell'altro: 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 Å. Non c'è una seconda fase da precipitare, motivo per cui non c'è trattamento di invecchiamento in questa lega e motivo per cui l'unico meccanismo di indurimento disponibile è la deformazione.

Letto in questo modo, le proprietà del Monel 400 si dividono in due gruppi che si comportano in modo completamente diverso. Quelle fissate dalla composizione non si muovono affatto: la densità, il modulo, l'intervallo di fusione e le proprietà termiche sono determinate dalla chimica e dalla temperatura, e nessuna decisione di lavorazione le cambia. Quelle che il cliente specifica effettivamente si muovono su un ampio intervallo, perché derivano da quanto lavoro a freddo ha visto il pezzo e quale trattamento termico è seguito. Le sezioni sottostanti tengono separati i due gruppi, e poi seguono la lega a entrambe le estremità del suo intervallo di temperatura, dove il suo comportamento è più distintivo.

La Composizione e Cosa Fa Ogni Elemento

La linea dello zolfo è quella che entra nell'officina invece di rimanere sul foglio dati. Poiché lo zolfo danneggia questa famiglia di leghe ad alta temperatura, la pratica di ricottura pubblicata richiede un'atmosfera riducente priva di zolfo, e matite segnatrici, grassi e alcuni materiali refrattari devono essere tenuti lontani da un pezzo che andrà in forno. Questo è un requisito di fabbricazione che deriva direttamente da un limite di composizione.

Cosa Fa la Lavorazione alle Proprietà

Questa è la tabella da cui un acquirente ordina effettivamente, e la gamma che contiene è più ampia di quanto la maggior parte delle persone si aspetti da una singola lega. Ogni riga ha la stessa composizione; ciò che cambia è la condizione in cui è stata fornita.

Due cose in quella tabella decidono la maggior parte degli ordini. La prima è che il lavoro a freddo è l'intero meccanismo, quindi la resistenza che si ottiene è la resistenza che si è richiesta specificando una tempera. Passare da lamiera ricotta a nastro a tempera a molla raddoppia circa la resistenza allo snervamento e porta l'allungamento dal 35% a un valore che può essere basso come il 2%. La seconda è che la nota pubblicata allegata a questi intervalli è esplicita: sono compositi per varie dimensioni di prodotto e non sono adatti a scopi di specifica. Un ordine di acquisto nomina quindi la forma, la condizione e lo standard, e prende i suoi minimi dallo standard invece che da una tabella come questa.

Un'ulteriore conseguenza della struttura monofase merita di essere dichiarata. Poiché non vi è alcuna reazione di precipitazione, non c'è nulla da sovrainvecchiare e nessun trattamento di invecchiamento da programmare. I trattamenti termici esistenti per questa lega svolgono un lavoro diverso: la ricottura ammorbidisce completamente il materiale lavorato a freddo, e la distensione riduce lo stress residuo senza ricristallizzare la struttura del grano.

Resistenza e Duttilità al Calare della Temperatura

Questa è la proprietà che separa più chiaramente il Monel 400 dagli acciai, e corre nella direzione opposta a quanto la maggior parte degli ingegneri si aspetta. Al calare della temperatura di prova, la lega diventa più resistente e mantiene contemporaneamente la sua duttilità. Non c'è transizione a un comportamento fragile.

La riga forgiata è quella da guardare, perché copre l'intero intervallo. Tra la temperatura ambiente e -423 °F, la resistenza alla trazione sale da 92 ksi a 142 ksi, che è circa la metà più forte, e l'allungamento sale con essa invece di diminuire. La valutazione pubblicata della lega nota che questo comportamento è mantenuto su un considerevole intervallo di temperature, e la conseguenza pratica è che un servizio criogenico non richiede un cambio di materiale a causa della tenacità.

Due avvertenze pubblicate appartengono alla tabella. I valori mostrati per le condizioni trafilate a freddo e ricotte si applicano a dimensioni da 0,032 a 0,250 pollici di diametro, e la fonte afferma che le proprietà per altre dimensioni possono variare da queste. E la riga trafilata a freddo testata a temperatura ambiente dopo essere stata mantenuta a -110 °F per diverse ore ha dato una resistenza allo snervamento inferiore rispetto alla riga testata a temperatura, che è il tipo di dettaglio che conta solo se una specifica richiede un ammollo invece di un test.

Tenacità alla Temperatura, Che è la Stessa Storia

I test d'impatto raccontano la stessa storia in modo più netto, perché un test di tenacità è dove un acciaio con una temperatura di transizione fallirebbe. Questa lega non ne ha una raggiungibile.

La valutazione pubblicata registra che non sono state mostrate prove di fratture fragili, e che il metallo d'apporto testato nello stesso programma si è fratturato nella saldatura e non nella lastra. C'è anche una nota sui provini d'impatto a torsione: i tentativi di produrre fratture in essi riducendo l'area minima del 75% non hanno avuto successo, a causa della tenacità del materiale.

Le Finestre di Fabbricazione

Poiché la lega si indurisce solo per lavorazione a freddo, i trattamenti termici non aumentano la resistenza. Ripristinano la duttilità e rimuovono lo stress. Stabiliscono anche la dimensione del grano, e ognuno ha una finestra pubblicata.

La distinzione tra distensione ed equilibrazione degli stress è quella che viene persa più spesso. Sono pubblicati come trattamenti separati a temperature separate per scopi separati, e un'officina che ne sostituisce uno all'altro non otterrà il risultato richiesto dal disegno.

Il Deposito di Saldatura alla Temperatura

La lega viene unita con un apporto corrispondente, e i dati pubblicati sull'intero metallo d'apporto mostrano come si comporta il deposito man mano che si scalda. Vale la pena averli separati dalle cifre del metallo base, perché un giunto a temperatura è limitato dal suo costituente più debole.

L'ultima riga è quella che conta, perché 1000 °F, o 538 °C, è la temperatura alla quale la lega raggiunge la fine del suo intervallo utile in aria. Il deposito porta ancora 386 MPa in trazione a quel punto, che è una cifra utile da avere, e la riduzione dell'area è scesa al 24,5%, che è il numero che limita quanto ci si può aspettare che un giunto a quella temperatura si adatti.

Un giunto di testa a grandezza naturale si comporta diversamente dal metallo d'apporto completo, e i dati pubblicati registrano che i test trasversali su una saldatura si sono tutti rotti nella saldatura e non nella lastra, che è il risultato atteso quando il deposito è più debole del metallo madre. Un trattamento termico di 1150 °F per 10 ore seguito da raffreddamento ad aria non ha modificato le proprietà della saldatura a temperatura ambiente in modo utile, il che è coerente con il deposito che non ha risposta di invecchiamento da sviluppare.

Lo Studio da Cui è Stato Tratto il Corpo Pubblicato, e Perché i Suoi Numeri Non Possono Essere Utilizzati

La versione di questa pagina che è stata pubblicata riporta il metodo e i risultati di uno studio di trazione a caldo, e lo studio è descritto in modo sufficientemente accurato da identificarlo: una macchina di simulazione termica Gleeble-1500D, un campione di 6 mm di diametro e 120 mm di lunghezza, riscaldato a 10 °C al secondo fino a 1100 °C e mantenuto per tre minuti, quindi raffreddato a 3 °C al secondo a temperature di prova di 600, 700, 800, 900, 1000 e 1100 °C, deformato a 10^-3 al secondo sottovuoto, con le superfici di frattura esaminate al microscopio elettronico a scansione.

Due cose a riguardo meritano di essere conservate. Il risultato sulla duttilità è coerente con quanto ci si aspetterebbe dagli intervalli di lavorazione pubblicati: lo studio riporta la plasticità ad alta temperatura in aumento con la temperatura fino a un picco intorno ai 900 °C e poi in calo, e 900 °C si trova all'interno della finestra di lavorazione a caldo pubblicata di 927-1177 °C mentre 1100 °C si trova vicino al suo limite superiore. La seconda è che un campione mantenuto a 1100 °C per tre minuti prima del test è stato effettivamente ricotto, quindi le cifre descrivono materiale ricotto e non la condizione in cui la lega viene solitamente fornita.

Le cifre di resistenza non possono essere ripubblicate come proprietà di questa lega. Lo studio riporta una resistenza alla trazione di 106,49 MPa a 600 °C e 22,41 MPa a 1100 °C. I dati pubblicati a breve termine per la stessa lega registrano 55,95 ksi, che è 386 MPa, per il metallo d'apporto completo a 1000 °F, o 538 °C, e il metallo d'apporto è normalmente il costituente più debole di un giunto. Una cifra di lavorato di 106 MPa a una temperatura superiore è quindi circa un fattore da tre a quattro inferiore a quanto implicano i dati pubblicati, e la discrepanza è abbastanza grande da considerare il numero specifico di quella singola configurazione di test. Non è una resistenza che questa lega può essere specificata per.

La premessa dello studio deve anche essere letta rispetto alla valutazione pubblicata della lega. Lo studio è stato intrapreso a causa di una tendenza alla criccatura a caldo attribuita in parte alla bassa conducibilità termica e al basso coefficiente di espansione, ma la descrizione pubblicata del Monel 400 registra che è facilmente unito con processi convenzionali, che ha una buona saldabilità, e che può essere formato a caldo in quasi ogni forma. Queste due posizioni non sono incompatibili, in quanto uno studio può indagare utilmente un problema all'interno di un materiale che è generalmente lavorabile, e non dovrebbero essere interpretate come un avvertimento generale contro la saldatura della lega. La distinzione merita di essere mantenuta, poiché la stessa bassa conducibilità termica che concentra il calore in un bagno di saldatura è anche il motivo per cui la lega mantiene la sua resistenza all'aumentare della temperatura.

Domande che Pongono gli Acquirenti

Qual è la composizione chimica del Monel 400?

Nichel al 63,0% minimo e rame tra il 28,0% e il 34,0%, con il resto nichel e i residui mantenuti bassi: carbonio allo 0,3% massimo, ferro al 2,5%, manganese al 2,0%, silicio allo 0,5% e zolfo allo 0,024%. La cifra del nichel è un minimo e non un intervallo. È determinata per differenza. I fogli dati pubblicati a volte riportano l'intervallo di nichel da 63,0 a 70,0%.

Come viene rinforzato il Monel 400?

Solo per lavorazione a freddo. Nichel e rame sono mutualmente solubili in tutte le proporzioni, quindi la lega è monofase con un reticolo cubico a facce centrate e non c'è una seconda fase da precipitare. Non esiste quindi alcun trattamento di invecchiamento per questa lega, e la resistenza di un pezzo consegnato è una funzione di quanto lavoro a freddo ha subito. Questa è la posizione opposta a quella di una lega a indurimento per precipitazione come il Monel K500.

Qual è l'intervallo di resistenza disponibile da una composizione?

Circa un fattore di due tra gli estremi, e gli estremi non sono vicini. La lamiera ricotta è pubblicata a 482-586 MPa di trazione con un allungamento del 35% o più. Il nastro a tempera a molla della stessa lega raggiunge 690-965 MPa con un allungamento basso come il 2%. Un ordine di acquisto deve quindi indicare la tempera oltre alla lega, perché la condizione è ciò che porta la resistenza.

Il Monel 400 diventa fragile a basse temperature?

No, e fa il contrario. Il materiale forgiato testato a -423 °F, ovvero -253 °C, mostra una resistenza alla trazione di 142 ksi contro 92 ksi a temperatura ambiente, con l'allungamento che sale dal 31% al 38,5%. I valori Charpy V-notch alla stessa temperatura vanno da 121 a 219 ft·lb a seconda dell'orientamento, e la valutazione pubblicata non registra alcuna prova di fratture fragili. Questo è un motivo per scegliere la lega per servizi criogenici e non una sua limitazione.

Quali sono le temperature di lavorazione a caldo e di ricottura?

La lavorazione a caldo va da 1700 °F a 2150 °F, ovvero 927 °C a 1177 °C, con un ottimale intorno ai 2000 °F, e la lega non deve mai essere riscaldata sopra i 2150 °F perché potrebbero verificarsi danni permanenti. La ricottura è pubblicata come 1600-1800 °F per 2-10 minuti nel metodo di riscaldamento aperto, o 1400-1500 °F per 1-3 ore nella ricottura in scatola, con un intervallo generale di 1300-1800 °F. L'estremità inferiore dell'intervallo viene utilizzata con tempi più lunghi per mantenere fine la dimensione del grano. L'atmosfera di ricottura deve essere riducente e priva di zolfo.

Qual è la differenza tra distensione e equilibrazione degli stress?

Sono trattamenti pubblicati separati con scopi separati. La distensione viene eseguita a 1000-1050 °F per 1-2 ore e riduce lo stress residuo senza ricristallizzare la struttura del grano. L'equilibrazione degli stress viene eseguita mantenendo per circa 3 ore a 575 °F e aumenta la resistenza allo snervamento a offset 0,00% senza effetti marcati sulle altre proprietà. Sostituire uno con l'altro non produce il risultato richiesto dal disegno.

Riepilogo

Monel 400 è una soluzione solida nichel-rame monofase, UNS N04400 e W.Nr. 2.4360 o 2.4361, che può essere indurita solo per lavorazione a freddo. La composizione è nichel al 63,0% minimo con rame tra il 28,0% e il 34,0%, e poiché i due elementi sono mutualmente solubili non vi è alcuna reazione di precipitazione e alcun trattamento di invecchiamento. Le proprietà si dividono quindi in quelle fissate dalla composizione, come densità, modulo e intervallo di fusione, e quelle fissate dalla condizione in cui il materiale viene fornito, dove gli intervalli pubblicati vanno da 482 MPa di trazione in lamiera ricotta a 965 MPa in nastro a tempera a molla. A temperatura decrescente la lega acquista resistenza mantenendo la sua duttilità, raggiungendo 142 ksi in materiale forgiato a -423 °F senza prove di frattura fragile. A temperatura crescente il limite utile in aria è 1000 °F, la finestra di lavorazione a caldo è 1700-2150 °F, e il deposito di saldatura porta ancora 386 MPa a 1000 °F.

Monel 400 viene fornito da Changzhou, Jiangsu in lamiere, lastre, nastri, barre, tondi, fili, forgiati, tubi e tubolari senza saldatura, e tubi per condensatori, nelle condizioni ricotto, disteso, semiduro, duro e a tempera a molla, da uno stabilimento certificato ISO 9001 e auditato da SGS. Inviare la forma, la tempera e la temperatura di servizio, e le proprietà deriveranno da queste tre risposte.

Riferimenti

1. Bollettino tecnico Special Metals SMC-053, lega nichel-rame MONEL 400. Fonte per i limiti di composizione, la densità di 8,80 g/cm³ e l'intervallo di fusione, il modulo di elasticità in trazione, compressione e torsione con il coefficiente di Poisson, la temperatura di Curie e la sua nota, la descrizione della lega come soluzione solida binaria con un parametro reticolare cubico a facce centrate di 3,534 Å, gli intervalli di proprietà meccaniche per forma e condizione, le tabelle di trazione e impatto a bassa temperatura, la nota che gli intervalli pubblicati sono compositi non adatti a scopi di specifica, le proprietà a breve termine dell'intero metallo d'apporto alla temperatura, il risultato del test trasversale di saldatura e la tabella di durezza per tempera per lamiera e nastro.
2. Lo stesso bollettino, sul trattamento termico e la fabbricazione. Fonte per gli intervalli di ricottura a riscaldamento aperto e in scatola, l'affermazione che la lega forma un film di ossido aderente quando lasciata raffreddare all'aria dopo il riscaldamento, l'affermazione che la velocità di raffreddamento non ha effetti significativi, il trattamento di equilibrazione degli stress a 575 °F e il suo effetto sulla resistenza allo snervamento a offset 0,00%, l'affermazione che la crescita del grano si verifica quando il materiale viene riscaldato a temperatura elevata, il limite di lavorazione a caldo di 2150 °F con l'avvertimento che potrebbero verificarsi danni permanenti, e la guida che in nessun caso la lega deve essere riscaldata oltre tale cifra.
3. Dati tecnici pubblicati per la lega 400 come diffusi da