Detaillierte Beschreibung der einzigartigen Vorteile und Anwendungsbereiche der Monel-Legierung

Monel ist ein Markenname für eine Familie von Nickel-Kupfer-Legierungen und nicht der Name eines Materials, und die veröffentlichten Daten für die Familie zeigen, wie viel diese Unterscheidung wert ist. Die im Allgemeinen verfügbaren Sorten teilen eine Basischemie und erreichen ihre Festigkeit auf drei verschiedene Arten, und die Wahl zwischen ihnen verschiebt die Zugfestigkeit um mehr als die Hälfte, entscheidet, ob ein Teil bei Raumtemperatur zuverlässig nicht-magnetisch ist, und legt fest, wie viele thermische Schritte ein Verarbeiter einplanen muss.

Die Mitglieder sind MONEL-Legierung 400, Legierung K-500 und Legierung R-405. Legierung 400 wird als eine Mischkristalllegierung veröffentlicht, die nur durch Kaltverformung gehärtet werden kann. K-500 wird als Kombination der Korrosionsbeständigkeit von Legierung 400 mit größerer Festigkeit und Härte veröffentlicht, die durch Zugabe von Aluminium und Titan zur Nickel-Kupfer-Basis und Erhitzen des Materials unter kontrollierten Bedingungen erhalten wird, so dass sich submikroskopische Partikel von Ni3(Ti, Al) in der gesamten Matrix ausscheiden, eine Behandlung, die der Hersteller als Ausscheidungshärtung bezeichnet. R-405 ist die freibearbeitbare Version der Legierung 400, und die für Legierung 400 veröffentlichten physikalischen Konstanten gelten auch für sie.

Was folgt, ist die Familie, wie ein Käufer sie kennenlernt: die Bezeichnungen, die Chemie, die die Sorten trennt, die Festigkeit, die in jeder Form erhältlich ist, sechs Vorteile, die mit veröffentlichten Zahlen einhergehen, die Industrien, die jede Sorte kaufen, und die Aufgaben, bei denen eine Nickel-Kupfer-Legierung die falsche Antwort ist.

Die Bezeichnungen sind das Erste, was geklärt werden muss. Monel ist eine Marke der Herstellergruppe, die die Legierungen entwickelt hat, und eine Zeichnung oder eine Anfrage, die nur den Markennamen trägt, lässt die Spezifikation offen. Die UNS-Nummer ist die Kennung, die mit einer Bestellung mitreist, und in dieser Familie trägt sie auch die Härtungsroute, da die drei Sorten drei verschiedene Materialien und nicht drei Anlasshärten eines sind.

Zwei Konsequenzen ergeben sich aus dieser Tabelle, bevor irgendeine Eigenschaft verglichen wird. Eine Anforderung an maximale Festigkeit in dieser Familie kann mit Legierung 400 überhaupt nicht erfüllt werden, da der Mechanismus, der sie liefern würde, in der Legierung fehlt. Eine Anforderung an eine einfache Route von Lagerware zu Fertigteil wird am einfachsten mit Legierung 400 erfüllt, da sie das Mitglied ohne thermischen Schritt nach der Formgebung ist.

Legierung 400 ist eine binäre Mischkristalllegierung. Nickel und Kupfer sind in allen Verhältnissen gegenseitig löslich, so dass die Struktur eine einzige Phase mit einem kubisch-flächenzentrierten Gitter und einem Gitterparameter von 3,534 Ångström ist und keine zweite Phase ausscheidet. K-500 behält diese Matrix und fügt zwei Elemente hinzu, die ausscheiden, was der gesamte metallurgische Unterschied zwischen den beiden Hauptsorten ist. Die unten aufgeführten Grenzwerte sind die Spezifikationsgrenzwerte, und die beiden Zeilen am Ende der Tabelle existieren nur in K-500.

Eine Verarbeitungsanforderung ergibt sich aus der Chemie und nicht aus einer Werkstattzeichnung. Schwefel schädigt diese Familie bei hohen Temperaturen, und die veröffentlichte Glühpraxis für Legierung 400 sieht daher eine schwefelfreie reduzierende Atmosphäre vor. Markierkreiden und Fett sowie einige feuerfeste Materialien müssen von einem Teil ferngehalten werden, das in einen Ofen kommt, was eine Regel ist, die direkt aus einer Zusammensetzungsgrenze stammt.

Die veröffentlichten Bereiche sind Zusammensetzungen für verschiedene Produktgrößen und sind nach den Worten des Herstellers nicht für Spezifikationszwecke geeignet. Sie sind für den entgegengesetzten Zweck nützlich, nämlich um einem Käufer zu zeigen, was in einer bestimmten Form erreichbar ist und wie viel von der Festigkeitsstreuung der Familie von der Form und nicht von der Sorte herrührt.

Lesen Sie die letzten vier Zeilen, und die Familie nimmt Gestalt an. Legierung 400 erreicht in Bandfederzustand etwa 965 MPa, und K-500 geht nach dem Vergüten in derselben Form über 1.500 MPa hinaus, was mehr als die Hälfte ist. Das ferne Ende ist nur durch die Ausscheidungsreaktion erreichbar, und das nahe Ende ist ohne Ofen erreichbar.

Die Familie wird zuerst wegen dessen ausgewählt, was sie in Chloriden und reduzierenden Säuren nicht tut. Legierung 400 zeigt sehr geringe Korrosionsraten in fließendem Meerwasser, bietet außergewöhnliche Beständigkeit gegen Flusssäure in allen Konzentrationen bis zum Siedepunkt, was der Hersteller als vielleicht die beständigste aller gängigen technischen Legierungen beschreibt, und widersteht vielen Formen von Schwefel- und Salzsäure unter reduzierenden Bedingungen. Die Grenze ist im selben Dokument veröffentlicht: Die Legierung ist bei Temperaturen bis einschließlich 1.000 °F in oxidierenden Atmosphären nützlich, mit höheren Temperaturen in reduzierender Umgebung. Eine stark oxidierende Säure ist eine andere Auswahl und gehört zu einer chromhaltigen Sorte.

Zwei Details trennen die Sorten innerhalb dieses Rahmens. Legierung 400 widersteht Spaltkorrosion in den meisten Süß- und Industrie wässern, aber stehendes Meerwasser wurde gezeigt, dass es Spalt- und Lochfraßkorrosion induziert, so dass die für Meerwasser angegebenen niedrigen Raten Raten für fließendes Wasser sind. K-500 wird als im Wesentlichen gleichwertig mit Legierung 400 in Bezug auf Korrosionsbeständigkeit veröffentlicht, mit einer Einschränkung: im ausscheidungshärterzustand hat sie eine größere Neigung zu Spannungsrisskorrosion in einigen Umgebungen. Die Einschränkung ist prüfbar und wurde getestet. U-Biegeproben von ausscheidungshärterem Blech überstanden sechs Tage kontinuierliche Tauchung in gesättigten Schwefelwasserstofflösungen bei 3.500 ppm über pH-Werte von 1,0 bis 11,0 ohne Rissbildung, bei Härten von 28 bis 40 auf der Rockwell-C-Skala.

Die beiden Mechanismen sind nicht austauschbar und nicht additiv, wie ein Käufer hoffen könnte. In Legierung 400 ist die einzige Route die Kaltverformung, so dass die erreichte Festigkeit durch den spezifizierten Anlasszustand und die Verformungsmenge des Walzwerks bestimmt wird. In K-500 liefert die Ausscheidungsreaktion den größeren Teil der Festigkeit und die Kaltverformung den Rest, weshalb der stärkste veröffentlichte Zustand kaltgezogen und dann vergütet ist, eine Kombination beider Behandlungen.

Die Ausscheidungshärtung hat auch einen Fehlerfall, der vor der Bestellung bekannt sein sollte. Material, das für eine nennenswerte Zeit zwischen 1.100 °F und 1.400 °F erhitzt wird, ist überaltert, bis zu einem Grad, der von Zeit und Temperatur abhängt, und überaltertes Material hat geringere mechanische Eigenschaften als richtig vergütetes Metall. Diese Eigenschaften können durch erneutes Vergüten nicht wiederhergestellt werden. Die einzige Route zurück ist eine Lösungsglühung bei 1.800 bis 1.900 °F, um die ausscheidungshärtenden Bestandteile wieder aufzulösen, gefolgt von einer neuen Ausscheidungshärtungsbehandlung, und der gesamte Vorteil jeder Kaltverformung geht bei dieser Lösungsglühung verloren.

Dies ist der Vorteil, der die Familie am deutlichsten von den Stählen trennt, und sie verhält sich in der Richtung, die die meisten Ingenieure nicht erwarten. Geschmiedete Legierung 400, getestet bei 70 °F, erreicht eine Zugfestigkeit von 92,00 ksi bei 31,0 Prozent Dehnung; dasselbe Material bei -297 °F erreicht 128,25 ksi bei 44,5 Prozent Dehnung; und bei -423 °F erreicht es 142,00 ksi bei 38,5 Prozent Dehnung. Die Festigkeit steigt und die Duktilität bleibt erhalten. Charpy-V-Kerbschlagwerte auf warmgewalzter Platte bei -423 °F werden als Bereich von 141 bis 219 ft·lb longitudinal veröffentlicht, und kein Prüfkörper im Schlagversuchsprogramm zeigte einen spröden Bruch.

K-500 wird in denselben Begriffen veröffentlicht: Zug- und Streckgrenzen steigen mit fallender Temperatur, während Duktilität und Zähigkeit praktisch unbeeinträchtigt bleiben und keine duktil-spröde Umwandlung selbst bei der Temperatur von flüssigem Wasserstoff auftritt. Geschweißtes Blech, getestet bei -423 °F, ergab 200 ksi Zugfestigkeit, 136 ksi Streckgrenze und 28 Prozent Dehnung mit einer Nahtwirkungsgrad von 95 Prozent im Vergleich zum Grundmaterial.

Legierung 400 wird oft als nicht-magnetisch beschrieben, und die veröffentlichten Konstanten unterstützen dies nicht als bedingungslose Aussage. Ihre Curie-Temperatur wird als Bereich von 70 bis 120 °F (21 bis 49 °C) angegeben, und das Bulletin stellt fest, dass dieser Bereich innerhalb des Umgebungsbereichs liegt und von Schwankungen der chemischen Zusammensetzung beeinflusst wird. Einige Chargen sind daher bei Raumtemperatur magnetisch und andere nicht, und die veröffentlichte Anweisung ist eindeutig: Wo eine starke Anforderung an nicht-magnetische Eigenschaften besteht, sollten andere MONEL-Legierungen in Betracht gezogen werden.

K-500 ist das Mitglied der Familie, das diese Anforderung erfüllt. Veröffentlichte Permeabilitätswerte reichen von 1,0011 für geglühtes und abgeschrecktes Material bis 1,0019 für kaltgezogenes und ausscheidungshärteres Material bei 200 Oersted, mit Curie-Temperaturen für eine Permeabilität von 1,01 zwischen -210 °F und -130 °F (50 bis 80 Grad unter dem Gefrierpunkt auf der Celsius-Skala). Die Legierung wird als praktisch nicht-magnetisch auch bei recht niedrigen Temperaturen beschrieben. Eine Verarbeitungs vorsicht begleitet die Eigenschaft: Aluminium und Kupfer können beim Erhitzen selektiv oxidiert werden, wodurch ein magnetischer nickelreicher Film auf der Oberfläche zurückbleibt, ein Effekt, der bei dünnem Draht und Band, wo das Oberflächen-zu-Gewichts-Verhältnis hoch ist, am auffälligsten ist. Der Film wird durch Beizen oder Blankbeizen entfernt, und die nicht-magnetischen Eigenschaften werden wiederhergestellt.

Der elektrische Widerstand bei 21 °C wird für Legierung 400 mit 0,511 Mikro-Ohm-Meter und für K-500 mit 0,615 angegeben, bei Material in einem Zustand, der dem geglühten Zustand mit geringer Ausscheidungshärtung entspricht. Die Wärmeleitfähigkeit bei derselben Temperatur beträgt 22,0 W/m·K für Legierung 400 und 17,2 W/m·K für K-500. Keine dieser Zahlen ist ein Ersatz für Kupfer, und die richtige Verwendung der Familie in elektrischen Arbeiten ist dort, wo Korrosionsbeständigkeit und ein stabiler Widerstand wichtiger sind als die Leitfähigkeit, in den elektrischen und elektronischen Komponenten und den Sensoren, die beide Bulletins unter ihren Anwendungen auflisten. Eine Vorsichtsmaßnahme gilt für die K-500-Zahl: Ihr Widerstand wird maßgeblich von der thermischen Geschichte beeinflusst, was eine direkte Folge der Ausscheidungshärtungseigenschaften der Legierung ist, so dass der Zustand mit der Zahl angegeben werden muss.

K-500 wird als außergewöhnlich dimensionsstabil in Langzeit-Expositions tests und zyklischen Tests veröffentlicht, und diese Eigenschaft ist der angegebene Grund für seine Verwendung in hochpräzisen Geräten wie Gyroskopen. Die Zahl, die ein Konstrukteur damit benötigt, ist diejenige, die beschreibt, was während der Wärmebehandlung geschieht: Die Ausscheidungshärtung verursacht eine anfängliche Volumenkontraktion, und ein geglühter Stab zog sich während der Ausscheidungshärtung um 2,5 × 10⁻⁴ Zoll pro Zoll zusammen. Ein fertig bearbeitetes Teil, das anschließend vergütet wird, ist daher untermaßig, weshalb die veröffentlichte Fertigungs anleitung für Präzisionsarbeiten lautet: Übermaß bearbeiten, vergüten und dann auf Maß fertigstellen.

Die unten aufgeführten Konstanten werden für die beiden Hauptsorten veröffentlicht und sind diejenigen, die in eine Konstruktionsberechnung einfließen. Zwei Zeilen in der Tabelle haben mehr Gewicht als die anderen. Dichte und Schmelzbereich trennen die Sorten kaum, während die magnetische Zeile sie bei Raumtemperatur vollständig trennt und die Curie-Temperatur die Zeile ist, die am häufigsten bei einem Vergleich weggelassen wird.

Die beiden Bulletins veröffentlichen ihre eigenen Anwendungslisten, und die Listen sind der kürzeste Weg, um zu wissen, welche Sorte eine bestimmte Industrie tatsächlich kauft. Die Gründe in der rechten Spalte sind die, die der Hersteller angibt, keine Schlussfolgerung aus den Teilen.

Eine Familienseite, die nur Vorteile auflistet, ist für einen Konstrukteur nutzlos, daher gehören die Grenzen auf dieselbe Seite wie die Stärken. Jede Zeile unten ist eine Bedingung, die die veröffentlichten Daten ausschließen oder einschränken, und keine allgemeine Einschränkung des Materials.

K-500, und der Grund ist die veröffentlichte Curie-Temperatur und nicht das Wort nicht-magnetisch. Legierung 400 hat eine Curie-Temperatur zwischen 21 °C und 49 °C, die die gewöhnliche Raumtemperatur überschneidet, und der Hersteller gibt an, dass einige Chargen bei Raumtemperatur magnetisch sein werden und andere nicht, und verweist bei starker nicht-magnetischer Anforderung auf eine andere MONEL-Legierung. K-500 wird mit einer Permeabilität von 1,0019 oder niedriger veröffentlicht, mit der Curie-Temperatur für eine Permeabilität von 1,01 zwischen -134 °C und -90 °C. Ein magnetischer Oberflächenfilm kann sich bei dünnem Draht und Band während des Erhitzens immer noch bilden, und Beizen oder Blankbeizen entfernt ihn.

Nein. Die Legierung wird als Mischkristalllegierung veröffentlicht, die nur durch Kaltverformung gehärtet werden kann, und es gibt keine Ausscheidungshärtungsbehandlung in der Familie dafür. Die vorhandenen thermischen Behandlungen erfüllen die entgegengesetzte Aufgabe: Glühen erweicht kaltverformtes Material, und Spannungsarmglühen oder Spannungsangleichen reduziert Restspannungen. Eine Zeichnung, die Legierung 400 in einem vergüteten Zustand verlangt, verlangt eine Behandlung, die nicht existiert, und die Sorte, die eine solche hat, ist K-500.

Nein, und die Aussage erscheint in zirkulierenden Beschreibungen der Legierung, daher ist es wert, sie präzise zu korrigieren. Der veröffentlichte Verstärkungsmechanismus für K-500 ist die Ausscheidung von submikroskopischen Ni3(Ti, Al)-Partikeln in der gesamten Matrix, wenn die Legierung unter kontrollierten Bedingungen erhitzt wird. Dies ist eine Ausscheidungshärtungsreaktion, und ihre Folgen sind höhere Festigkeit und Härte, eine geringere magnetische Permeabilität und eine geringe Kontraktion während der Ausscheidungshärtung. Formgedächtnis, die Fähigkeit eines Materials, sich bei Temperaturänderung in eine zuvor eingestellte Form zurückzuversetzen, ist eine Eigenschaft von annähernd äquiatomaren Nickel-Titan-Legierungen und nicht von einer Nickel-Kupfer-Legierung mit Aluminium- und Titanzusätzen. Eine Spezifikation, die auf der Erwartung eines Memory-Effekts basiert, basiert auf der falschen Eigenschaft.

Legierung 400 ist der einfachere Fall, da sie keine zu schützende Wärmebehandlung hat und ihre Schweißzusatzwerkstoffe zur selben Familie von Nickel-Kupfer-Füllern gehören. K-500 benötigt eine Sequenz. Das Schweißen erfolgt am besten im WIG-Verfahren, MONEL-Fülldraht 60 ist das übliche Verbrauchsmaterial, und die wichtige veröffentlichte Qualifikation ist, dass auf diese Weise hergestellte Schweißverbindungen nicht ausscheidungshärtbar sind und daher keine Festigkeit aufweisen, die dem gehärteten Grundmaterial entspricht. Wo eine Naht dem vergüteten Grundmaterial entsprechen muss, ist die veröffentlichte Route ein Fülldraht mit passender Zusammensetzung, der abgeschieden wird, wobei die Ausscheidungshärtungsbehandlung nach dem Schweißen von geglühtem Material durchgeführt wird. Schweißnähte aus geglühtem Material können ohne ernsthaften Verlust an Duktilität auf die Festigkeit von ausscheidungshärtendem Grundmaterial gebracht werden.

Fast nichts, mit einer Einschränkung, die für den vergüteten Zustand gilt. Der Hersteller veröffentlicht die Korrosionsbeständigkeit von K-500 als im Wesentlichen gleichwertig mit der von Legierung 400, außer dass die Legierung im ausscheidungshärterzustand eine größere Neigung zu Spannungsrisskorrosion in einigen Umgebungen aufweist. Diese Einschränkung wurde gegen Sauergas getestet: U-Biegeproben von ausscheidungshärterem Blech zeigten nach sechs Tagen kontinuierlicher Tauchung in gesättigten Schwefelwasserstofflösungen bei 3.500 ppm, über pH-Werte von 1,0 bis 11,0, bei Härten von 28 bis 40 auf der Rockwell-C-Skala keine Rissbildung. Die praktische Regel ist, dass ein K-500-Ersatz gegen das spezifische Medium und den spezifischen Spannungszustand geprüft wird und nicht gegen den Familiennamen.

Nicht unter dem Familiennamen, und die drei Sorten scheitern aus drei verschiedenen Gründen. Legierung 400 kann die Festigkeit von K-500 in keinem Zustand erreichen, so dass eine Substitution in diese Richtung durch den Mechanismus und nicht durch das Walzwerk begrenzt ist. K-500 im ausscheidungshärterzustand ist in einigen Umgebungen ein anderer Korrosionsfall, und es bringt auch einen thermischen Schritt und eine Kontraktion in eine Fertigungssequenz, die möglicherweise keinen Platz für beides hat. R-405 unterscheidet sich erneut, da seine Bearbeitbarkeit von einem höheren Schwefelgehalt herrührt. Die veröffentlichten Daten unterstützen eine Substitution, und zwar eine enge: Wenn die Aufgabe eine Chlorid- oder reduzierende Säure ist und kein thermischer Schritt gewünscht wird, erfüllt Legierung 400 die Aufgabe, für die K-500 spezifiziert wurde, und umgekehrt ist dies nicht der Fall.

Die Monel-Familie besteht aus drei Nickel-Kupfer-Sorten mit einer Matrix und drei Verstärkungsrouten. Legierung 400 ist UNS N04400, eine einphasige Mischkristalllegierung mit einem Gitterparameter von 3,534 Ångström, die nur durch Kaltverformung härtet, nützlich bis 1.000 °F in oxidierenden Atmosphären, außergewöhnlich gegen Flusssäure in allen Konzentrationen bis zum Siedepunkt