Monel 400 Zusammensetzung und Eigenschaften bei Temperatur

Monel 400 ist UNS N04400, auch veröffentlicht als W.Nr. 2.4360 und 2.4361, und es ist eine binäre Festlösung aus Nickel und Kupfer, die nur durch Kaltverformung gehärtet werden kann. Dieser einzelne Satz legt beide Hälften dessen fest, was eine Eigenschaftsseite zu sagen hat: Die Zusammensetzung bestimmt den Charakter der Legierung, und die Menge der eingebrachten Arbeit bestimmt jede Festigkeitszahl, die Sie kaufen können.

Die Zusammensetzung ist Nickel mit mindestens 63,0 % und Kupfer zwischen 28,0 % und 34,0 %, und der Rest sind eine kleine Menge von Resten, die niedrig gehalten und nicht zugesetzt werden. Was die Legierung nützlich macht, ist die Löslichkeit der beiden Hauptelemente ineinander: Sie sind in allen Verhältnissen gegenseitig löslich, so dass die Struktur einphasig ist, mit einem kubisch-flächenzentrierten Gitter und einem Gitterparameter von 3,534 Å. Es gibt keine zweite Phase, die ausfällt, was der Grund dafür ist, dass es bei dieser Legierung keine Alterungsbehandlung gibt und der einzige verfügbare Härtungsmechanismus die Verformung ist.

So gelesen, fallen die Eigenschaften von Monel 400 in zwei Gruppen, die sich völlig unterschiedlich verhalten. Die durch die Zusammensetzung festgelegten bewegen sich überhaupt nicht: Dichte, Modul, Schmelzbereich und thermische Eigenschaften werden durch die Chemie und die Temperatur bestimmt, und keine Prozessentscheidung ändert sie. Die, die der Kunde tatsächlich spezifiziert, bewegen sich über einen weiten Bereich, da sie davon abhängen, wie viel Kaltarbeit das Teil erfahren hat und welche Wärmebehandlung danach erfolgte. Die folgenden Abschnitte trennen die beiden Gruppen und verfolgen dann die Legierung bis zu beiden Enden ihres Temperaturbereichs, wo ihr Verhalten am charakteristischsten ist.

Die Zusammensetzung und was jedes Element bewirkt

Die Schwefellinie ist diejenige, die in die Werkstatt reicht, anstatt auf dem Datenblatt zu bleiben. Da Schwefel diese Familie von Legierungen bei Temperatur schädigt, erfordert die veröffentlichte Glühpraxis eine schwefel-freie reduzierende Atmosphäre, und Markierkreiden, Fett und einige feuerfeste Materialien müssen von einem Teil ferngehalten werden, das in einen Ofen kommt. Das ist eine Anforderung an die Fertigung, die sich direkt aus einer Zusammensetzungsgrenze ergibt.

Was die Bearbeitung mit den Eigenschaften macht

Dies ist die Tabelle, von der ein Käufer tatsächlich bestellt, und die darin enthaltene Streuung ist breiter, als die meisten Leute von einer einzigen Legierung erwarten. Jede Zeile hat die gleiche Zusammensetzung; was sich ändert, ist der Zustand, in dem sie geliefert wurde.

Zwei Dinge in dieser Tabelle entscheiden über die meisten Bestellungen. Das erste ist, dass Kaltverformung der gesamte Mechanismus ist, so dass die erhaltene Festigkeit die Festigkeit ist, die Sie durch die Angabe eines Temperaments angefordert haben. Von geglühtem Blech zu Federhartband verdoppelt sich die Streckgrenze ungefähr und die Dehnung sinkt von 35 % auf einen Wert, der so niedrig wie 2 % sein kann. Das zweite ist, dass die angehängte veröffentlichte Notiz zu diesen Bereichen explizit ist: Sie sind Zusammensetzungen für verschiedene Produktgrößen und nicht für Spezifikationszwecke geeignet. Eine Bestellung nennt daher die Form, den Zustand und den Standard und bezieht ihre Mindestwerte aus dem Standard anstatt aus einer solchen Tabelle.

Eine weitere Folge der einphasigen Struktur ist erwähnenswert. Da es keine Ausscheidungsreaktion gibt, gibt es nichts zu überaltern und keine Alterungsbehandlung zu planen. Die Wärmebehandlungen, die für diese Legierung existieren, erfüllen eine andere Aufgabe: Glühen erweicht kaltverformtes Material vollständig, und Spannungsarmglühen reduziert Restspannungen, ohne die Kornstruktur zu rekristallisieren.

Festigkeit und Duktilität bei fallender Temperatur

Dies ist die Eigenschaft, die Monel 400 am deutlichsten von Stählen unterscheidet und die in die entgegengesetzte Richtung verläuft, als die meisten Ingenieure erwarten. Wenn die Testtemperatur sinkt, wird die Legierung fester und behält gleichzeitig ihre Duktilität. Es gibt keinen Übergang zu sprödem Verhalten.

Die Schmiedereihe ist diejenige, die man sich ansehen sollte, da sie den gesamten Bereich abdeckt. Zwischen Raumtemperatur und -423 °F steigt die Zugfestigkeit von 92 ksi auf 142 ksi, was etwa die Hälfte stärker ist, und die Dehnung steigt mit, anstatt zu fallen. Die veröffentlichte Bewertung der Legierung stellt fest, dass dieses Verhalten über einen beträchtlichen Temperaturbereich beibehalten wird, und die praktische Konsequenz ist, dass eine kryogene Anwendung keine Materialänderung aufgrund von Zähigkeit erfordert.

Zwei veröffentlichte Vorbehalte gehören zur Tabelle. Die Werte für die kaltgezogenen und geglühten Zustände gelten für Größen von 0,032 bis 0,250 Zoll Durchmesser, und die Quelle gibt an, dass die Eigenschaften für andere Größen davon abweichen können. Und die kaltgezogene Reihe, die bei Raumtemperatur nach stundenlangem Halten bei -110 °F getestet wurde, ergab eine niedrigere Streckgrenze als die bei Temperatur getestete Reihe, was die Art von Detail ist, die nur wichtig ist, wenn eine Spezifikation ein Einweichen anstelle eines Tests vorschreibt.

Zähigkeit bei Temperatur, was die gleiche Geschichte ist

Kerbschlagprüfungen erzählen die gleiche Geschichte schärfer, denn eine Zähigkeitsprüfung ist dort, wo ein Stahl mit einer Übergangstemperatur versagen würde. Diese Legierung hat keine, die erreicht werden kann.

Die veröffentlichte Bewertung verzeichnet, dass keine Anzeichen von spröden Brüchen gezeigt wurden und dass Schweißmetall, das im selben Programm getestet wurde, im Schweißnaht und nicht in der Platte brach. Es gibt auch eine Notiz zu den Torsionsschlagproben: Versuche, Brüche darin zu erzeugen, indem die Mindestfläche um 75 % reduziert wurde, waren erfolglos, aufgrund der Zähigkeit des Materials.

Die Fertigungsfenster

Da die Legierung nur durch Kaltverformung härtet, bauen die Wärmebehandlungen keine Festigkeit auf. Sie stellen die Duktilität wieder her und entfernen Spannungen. Sie legen auch die Korngröße fest, und jede hat ein veröffentlichtes Fenster.

Der Unterschied zwischen Spannungsarmglühen und Spannungsausgleich ist der, der am häufigsten verloren geht. Sie werden als separate Behandlungen bei separaten Temperaturen für separate Zwecke veröffentlicht, und eine Werkstatt, die eine durch die andere ersetzt, erhält nicht das Ergebnis, das die Zeichnung verlangt hat.

Die Schweißablagerung bei Temperatur

Die Legierung wird mit einem passenden Zusatzwerkstoff verbunden, und die veröffentlichten Schweißgutdaten zeigen, wie sich die Ablagerung bei Erwärmung verhält. Es lohnt sich, sie getrennt von den Grundmetallwerten zu betrachten, da eine Verbindung bei Temperatur durch ihren schwächsten Bestandteil begrenzt ist.

Die letzte Reihe ist diejenige, die wichtig ist, da 1000 °F oder 538 °C die Temperatur ist, bei der die Legierung das Ende ihres nützlichen Bereichs an der Luft erreicht. Die Ablagerung trägt bei dieser Temperatur immer noch 386 MPa Zugspannung, was ein nützlicher Wert ist, und die Flächenreduktion ist auf 24,5 % gesunken, was die Zahl ist, die begrenzt, wie viel eine Verbindung bei dieser Temperatur aufgenommen werden kann.

Eine vollflächige Stumpfnaht verhält sich anders als reines Schweißgut, und die veröffentlichten Daten besagen, dass die Quertests über eine Schweißnaht alle in der Schweißnaht und nicht in der Platte brachen, was das erwartete Ergebnis ist, wenn die Ablagerung schwächer als das Grundmetall ist. Eine Wärmebehandlung von 1150 °F für 10 Stunden gefolgt von Luftkühlung änderte die Raumtemperatur-Schweißeigenschaften nicht in nennenswertem Umfang, was damit übereinstimmt, dass die Ablagerung keine Alterungsreaktion zur Entwicklung hat.

Die Studie, aus der der veröffentlichte Körper stammt, und warum ihre Zahlen nicht verwendet werden können

Die veröffentlichte Version dieser Seite enthält die Methode und die Ergebnisse einer Heißzugstudie, und die Studie ist genau genug beschrieben, um sie zu identifizieren: eine Gleeble-1500D thermische Simulationsmaschine, eine Probe von 6 mm Durchmesser und 120 mm Länge, erhitzt mit 10 °C pro Sekunde auf 1100 °C und 3 Minuten gehalten, dann gekühlt mit 3 °C pro Sekunde auf Testtemperaturen von 600, 700, 800, 900, 1000 und 1100 °C, gedehnt mit 10^-3 pro Sekunde im Vakuum, mit den Bruchflächen unter einem Rasterelektronenmikroskop untersucht.

Zwei Dinge daran sind erwähnenswert. Die Duktilitätsfeststellung stimmt mit dem überein, was die veröffentlichten Bearbeitungsbereiche erwarten lassen: Die Studie berichtet, dass die Hochtemperaturplastizität mit der Temperatur bis zu einem Spitzenwert um 900 °C ansteigt und dann wieder abfällt, und 900 °C liegt innerhalb des veröffentlichten Warmumformungsfensters von 927 bis 1177 °C, während 1100 °C nahe dessen oberem Ende liegt. Das zweite ist, dass eine Probe, die 3 Minuten bei 1100 °C gehalten wurde, bevor sie getestet wurde, effektiv geglüht wurde, so dass die Zahlen geglühtes Material und nicht den Zustand beschreiben, in dem die Legierung normalerweise geliefert wird.

Die Festigkeitswerte können nicht als Eigenschaften dieser Legierung wiederveröffentlicht werden. Die Studie berichtet eine Zugfestigkeit von 106,49 MPa bei 600 °C und 22,41 MPa bei 1100 °C. Die veröffentlichten Kurzzeitdaten für die gleiche Legierung verzeichnen 55,95 ksi, was 386 MPa entspricht, für Schweißgut bei 1000 °F oder 538 °C, und Schweißgut ist normalerweise der schwächere Bestandteil einer Verbindung. Eine gewalzte Zahl von 106 MPa bei einer höheren Temperatur ist daher etwa um den Faktor drei bis vier niedriger als das, was die veröffentlichten Daten implizieren, und die Diskrepanz ist so groß, dass die Zahl als spezifisch für diese eine Testkonfiguration behandelt werden sollte. Es ist keine Festigkeit, die für diese Legierung spezifiziert werden kann.

Die Prämisse der Studie muss auch gegen die veröffentlichte Bewertung der Legierung gelesen werden. Die Studie wurde aufgrund einer Heißrissneigung durchgeführt, die teilweise auf die geringe Wärmeleitfähigkeit und den niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten zurückzuführen ist, aber die veröffentlichte Beschreibung von Monel 400 besagt, dass es sich leicht mit herkömmlichen Verfahren verbinden lässt, dass es eine gute Schweißbarkeit aufweist und dass es in fast jede Form warm umgeformt werden kann. Diese beiden Positionen sind nicht unvereinbar, da eine Studie ein Problem innerhalb eines Materials nützlich untersuchen kann, das im Allgemeinen bearbeitbar ist, und sie sollten nicht als allgemeine Warnung gegen das Schweißen der Legierung gelesen werden. Die Unterscheidung ist erwähnenswert, da die gleiche geringe Wärmeleitfähigkeit, die Wärme in einem Schweißbad konzentriert, auch der Grund dafür ist, dass die Legierung ihre Festigkeit bei steigender Temperatur beibehält.

Fragen, die Käufer stellen

Was ist die chemische Zusammensetzung von Monel 400?

Nickel mit mindestens 63,0 % und Kupfer zwischen 28,0 % und 34,0 %, wobei der Rest Nickel ist und die Reststoffe niedrig gehalten werden: Kohlenstoff maximal 0,3 %, Eisen 2,5 %, Mangan 2,0 %, Silizium 0,5 % und Schwefel 0,024 %. Die Nickelangabe ist ein Minimum und kein Bereich. Sie wird durch Differenz bestimmt. Veröffentlichte Datenblätter geben manchmal den Nickelbereich als 63,0 bis 70,0 % an.

Wie wird Monel 400 verstärkt?

Nur durch Kaltverformung. Nickel und Kupfer sind in allen Verhältnissen gegenseitig löslich, so dass die Legierung einphasig mit einem kubisch-flächenzentrierten Gitter ist und keine zweite Phase ausfällt. Daher gibt es keine Alterungsbehandlung für diese Legierung, und die Festigkeit eines gelieferten Teils ist eine Funktion davon, wie viel Kaltverformung es erfahren hat. Das ist das Gegenteil der Situation bei einer ausscheidungshärtenden Sorte wie Monel K500.

Was ist der verfügbare Festigkeitsbereich aus einer Zusammensetzung?

Etwa ein Faktor zwei zwischen den Extremen, und die Extreme liegen nicht eng beieinander. Geglühtes Blech wird mit 482 bis 586 MPa Zugfestigkeit und 35 % oder mehr Dehnung angegeben. Federhartband aus der gleichen Legierung erreicht 690 bis 965 MPa mit einer Dehnung von nur 2 %. Eine Bestellung muss daher das Temperament sowie die Legierung angeben, da der Zustand die Festigkeit trägt.

Wird Monel 400 bei niedriger Temperatur spröde?

Nein, und es tut das Gegenteil. Bei -423 °F, also -253 °C, getestetes Schmiedematerial zeigt eine Zugfestigkeit von 142 ksi gegenüber 92 ksi bei Raumtemperatur, wobei die Dehnung von 31 % auf 38,5 % steigt. Charpy V-Kerb-Werte bei der gleichen Temperatur reichen je nach Ausrichtung von 121 bis 219 ft·lb, und die veröffentlichte Bewertung verzeichnet keine Anzeichen von spröden Brüchen. Dies ist ein Grund, die Legierung für kryogene Anwendungen zu wählen, und keine Einschränkung.

Was sind die Warmumformungs- und Glühtemperaturen?

Warmumformung reicht von 1700 °F bis 2150 °F, oder 927 °C bis 1177 °C, mit einem Optimum um 2000 °F, und die Legierung darf niemals über 2150 °F erhitzt werden, da dauerhafte Schäden entstehen können. Glühen wird als 1600 bis 1800 °F für 2 bis 10 Minuten bei der offenen Erwärmungsmethode oder 1400 bis 1500 °F für 1 bis 3 Stunden beim Kasten-Glühen angegeben, mit einem allgemeinen Bereich von 1300 bis 1800 °F. Das untere Ende des Bereichs wird mit längeren Zeiten verwendet, um das Korn fein zu halten. Die Glühatmosphäre muss schwefel-frei und reduzierend sein.

Was ist der Unterschied zwischen Spannungsarmglühen und Spannungsausgleich?

Es handelt sich um getrennte veröffentlichte Behandlungen mit separaten Zwecken. Spannungsarmglühen erfolgt bei 1000 bis 1050 °F für 1 bis 2 Stunden und reduziert Restspannungen, ohne die Kornstruktur zu rekristallisieren. Spannungsausgleich erfolgt durch Halten für etwa 3 Stunden bei 575 °F und erhöht die Streckgrenze bei 0,00 % Versatz ohne nennenswerte Auswirkungen auf die anderen Eigenschaften. Das Ersetzen des einen durch das andere ergibt nicht das von der Zeichnung geforderte Ergebnis.

Zusammenfassung

Monel 400 ist eine einphasige Nickel-Kupfer-Festlösung, UNS N04400 und W.Nr. 2.4360 oder 2.4361, die nur durch Kaltverformung gehärtet werden kann. Die Zusammensetzung ist Nickel mit mindestens 63,0 % und Kupfer zwischen 28,0 % und 34,0 %, und da die beiden Elemente gegenseitig löslich sind, gibt es keine Ausscheidungsreaktion und keine Alterungsbehandlung. Die Eigenschaften teilen sich daher in diejenigen auf, die durch die Zusammensetzung festgelegt sind, wie Dichte, Modul und Schmelzbereich, und diejenigen, die durch den Zustand festgelegt sind, in dem das Material geliefert wird, wobei die veröffentlichten Bereiche von 482 MPa Zugfestigkeit in geglühtem Blech bis 965 MPa in Federhartband reichen. Bei fallender Temperatur gewinnt die Legierung an Festigkeit, während sie ihre Duktilität beibehält, und erreicht 142 ksi in geschmiedetem Material bei -423 °F ohne Anzeichen von sprödem Bruch. Bei steigender Temperatur liegt die nutzbare Grenze an der Luft bei 1000 °F, das Warmumformungsfenster liegt bei 1700 bis 2150 °F, und die Schweißablagerung trägt bei 1000 °F immer noch 386 MPa.

Monel 400 wird aus Changzhou, Jiangsu, in Blech, Platte, Band, Stange, Rundstab, Draht, Schmiedeteile, nahtlose Rohre und Röhren sowie Kondensatorrohre geliefert, in den Zuständen geglüht, spannungsarmgeglüht, halbhart, vollhart und Federhart, von einem Werk, das die ISO 9001-Zertifizierung besitzt und von SGS auditiert wird. Senden Sie die Form, das Temperament und die Service-Temperatur, und die Eigenschaften ergeben sich aus diesen drei Antworten.

Referenzen

1. Special Metals technisches Bulletin SMC-053, MONEL Nickel-Kupfer-Legierung 400. Quelle für die Zusammensetzungsgrenzen, die Dichte von 8,80 g/cm³ und den Schmelzbereich, den Elastizitätsmodul in Zug, Druck und Torsion mit dem Poissonzahl, die Curie-Temperatur und ihre Notiz, die Beschreibung der Legierung als binäre Festlösung mit einem kubisch-flächenzentrierten Gitterparameter von 3,534 Å, die mechanischen Eigenschaftsbereiche nach Form und Zustand, die Tabellen für Tieftemperatur-Zug- und Schlagprüfungen, die Notiz, dass die veröffentlichten Bereiche Zusammensetzungen sind, die nicht für Spezifikationszwecke geeignet sind, die Kurzzeit-Eigenschaften des gesamten Schweißguts bei Temperatur, das Ergebnis der Querschweißprüfung und die Temper-Härtetabelle für Blech und Band.
2. Dasselbe Bulletin, über Wärmebehandlung und Fertigung. Quelle für die Bereiche für offenes Erhitzen und Kasten-Glühen, die Aussage, dass die Legierung beim Abkühlen an der Luft nach dem Erhitzen einen haftenden Oxidfilm bildet, die Aussage, dass die Abkühlgeschwindigkeit keine signifikante Auswirkung hat, die Spannungsausgleichsbehandlung bei 575 °F und ihre Auswirkung auf die Streckgrenze bei 0,00 % Versatz, die Aussage, dass Kornwachstum auftritt, wenn Material auf erhöhte Temperatur erhitzt wird, die 2150 °F Warmumformungs-Obergrenze mit der Warnung, dass dauerhafte Schäden entstehen können, und der Hinweis, dass die Legierung in keinem Fall über diese Grenze erhitzt werden sollte.
3. Veröffentlichte technische Daten für Legierung 400, wie sie von