Análisis detallado de los materiales y propiedades de Incoloy Rod de aleación

Una orden de varilla son tres decisiones, y la mayoría de las páginas del catálogo solo responden a la primera. El grado es una decisión. La condición de suministro es la segunda. La especificación contra la cual se escribirá el certificado es la tercera. Un comprador que decide el grado y deja las otras dos al molino no ha comprado un material, y la factura lo demostrará.

La demostración más clara es la aleación 800 en forma de varilla. La misma química, probada a temperatura ambiente, da una resistencia a la fluencia de 250 MPa cuando se recoce a 980 °C, 445 MPa cuando se lamina en caliente y 690 MPa cuando se estira en frío. La resistencia a la tracción pasa de 590 a 665 a 771 MPa en las mismas tres condiciones, y la dureza pasa de 138 a 198 HB entre las dos primeras. Nada en la composición cambió. El procesamiento sí.

Esa dispersión es la razón por la que una página titulada materiales y propiedades de varilla de aleación Incoloy tiene que comenzar con una advertencia sobre su propio tema. No existe un conjunto único de propiedades para un grado de varilla. Existe un conjunto de propiedades para un grado en una condición nombrada a una temperatura de prueba nombrada, y cualquier otra cosa es un promedio de cosas que no deberían promediarse.

Esta página cubre las tres familias de Incoloy que se suministran como varilla, las condiciones en las que se compran, la temperatura a la que cada una deja de ser la respuesta correcta y los cuatro elementos que deben aparecer en una orden de compra antes de que el certificado signifique algo.

Incoloy es una marca registrada del grupo Special Metals que cubre una familia de aleaciones de níquel-hierro-cromo. No es un grado. Tres miembros de esa familia se suministran comúnmente en forma de varilla y barra, y se utilizan para tres trabajos diferentes.

La serie 800 es una aleación austenítica de níquel-hierro-cromo con aproximadamente un 32 % de níquel y un 21 % de cromo, y es el miembro resistente al calor del grupo. La aleación 825 eleva el níquel al rango del 38 al 46 % y añade molibdeno y cobre, lo que la convierte en una aleación de corrosión acuosa para ácido sulfúrico, ácido fosfórico y agua de mar. La aleación 925 mantiene la base 825 y eleva el titanio y el aluminio, lo que la hace endurecible por precipitación y lleva la resistencia a la fluencia de 271 MPa a 832 MPa después de un tratamiento térmico en dos etapas.

Dos cosas se desprenden de esa tabla antes de discutir cualquier propiedad. La primera es que una consulta para varilla Incoloy ha nombrado una familia y nada más, por lo que la primera respuesta tiene que ser una pregunta sobre qué grado. La segunda es que la línea 800 contiene tres números UNS con casi la misma química, y la diferencia entre ellos es un rango de carbono, un total de aluminio y titanio, y un tamaño de grano. Esas no son diferencias cosméticas, y no son visibles en un certificado que solo informa la química.

La tabla a continuación presenta seis productos de varilla y barra uno al lado del otro a temperatura ambiente. Cinco de los seis son las mismas tres familias ya descritas. El sexto es la misma química 800 en una tercera condición, que es el punto del ejercicio.

El rango de resistencia a la fluencia en esa tabla va de 250 a 832 MPa, un factor de 3.3, y solo una parte de esa extensión proviene del cambio de aleación. La columna 800 sola cubre de 250 a 690 MPa con la química constante. Un comprador que compara la resistencia a la fluencia de 800 con la resistencia a la fluencia de 925 de dos hojas de datos está comparando una varilla recocida con una barra envejecida, y concluirá que 925 es una aleación más fuerte cuando la mayor parte de la diferencia es un programa de horno.

La lectura práctica es sencilla. Donde un diseño necesita 700 MPa de 800, la respuesta es varilla estirada en frío, y la misma compra trae una elongación del 17 % y una dureza que no se publica para esa condición. Donde el diseño necesita ductilidad para una pieza formada o soldada, la respuesta es varilla recocida a 250 MPa con 138 HB, y el dibujo tiene que aceptar la menor resistencia. Las dos son del mismo grado y no son intercambiables.

La misma lógica explica la línea 825. La barra recocida se sitúa en 324 MPa de fluencia, que es baja para una aleación de corrosión, y el boletín señala que la aleación puede fortalecerse sustancialmente mediante trabajo en frío. El tubo estirado en frío del mismo grado alcanza 889 MPa de fluencia con un 15 % de elongación. Una orden de barra que necesita más que la resistencia recocida tiene que solicitar una condición estirada en frío y aceptar la misma pérdida de ductilidad que muestran los datos del tubo.

La aleación 800 se lanzó en la década de 1950 como una aleación resistente al calor con un contenido de níquel relativamente bajo, y la razón de este último detalle fue una designación estratégica sobre el níquel en ese momento. Fue aprobada para recipientes a presión en 1963, y la aprobación introdujo la distinción que aún rige la serie: grado 1 recocido a aproximadamente 980 °C, y grado 2 recocido a aproximadamente 1,150 °C. El segundo grado es lo que se convirtió en 800H.

La razón del segundo grado es la fluencia. La aleación 800 está destinada a servicio hasta aproximadamente 816 °C, y a esas temperaturas el diseño se basa normalmente en propiedades de tracción. Por encima de esa temperatura, el diseño se rige por la rotura y la fluencia, y ambas responden al tamaño del grano y al contenido de carbono. Una estructura de grano grueso soporta mejor el deslizamiento de los límites del grano que una fina, y un nivel de carbono más alto soporta la red de carburos que fija los límites. La aleación 800H se escribió para requerir ambas, y su especificación pide un rango de carbono de 0.05 a 0.10 % junto con un tamaño de grano promedio de ASTM 5 o más grueso.

La aleación 800HT es una restricción adicional dentro del mismo sobre, introducida para mantener el aluminio y el titanio en la parte superior del rango, donde las propiedades de fluencia y rotura son mayores. Su química está dentro de los límites de 800H, su aluminio más titanio es de 0.85 a 1.20 % frente a 0.30 a 1.20 % para 800H, y su tratamiento térmico es de 2,100 °F (1,149 °C) como mínimo.

La última columna es la que causa problemas comerciales. La aleación 800HT cumple los requisitos de N08811 y N08810 y puede certificarse para uno o ambos. Lo contrario no se cumple. El material producido según N08810 no puede certificarse como N08811 a menos que cumpla los requisitos adicionales de aluminio, titanio y tratamiento térmico, y un proveedor que ofrezca 800H como sustituto de 800HT ha ofrecido un esfuerzo de diseño diferente.

El tamaño del grano pertenece a la orden de compra por la misma razón. Es el resultado del recocido final y de la cantidad de trabajo en caliente anterior, y no es recuperable de un certificado de química. Un comprador que pide 800H solo por composición puede recibir una barra de grano fino que cumple todos los elementos de la química y no entrega la vida útil de fluencia que el diseño asumió.

El grado 825 es una propuesta diferente. Es una aleación de níquel-hierro-cromo con molibdeno, cobre y titanio, y las adiciones están dirigidas a la corrosión acuosa. El cromo cubre medios oxidantes como el ácido nítrico y los nitratos. El molibdeno y el cobre cubren medios reductores como el ácido sulfúrico y fosfórico. El molibdeno también aumenta la resistencia a la corrosión por picaduras y grietas. El titanio, con el tratamiento térmico adecuado, estabiliza la aleación contra la sensibilización a la corrosión intergranular.

El límite de temperatura es la parte que dejan fuera las páginas del catálogo. El boletín de la aleación indica que la exposición por encima de unos 1,000 °F (540 °C) puede causar cambios microestructurales y formación de fases que reducen significativamente la ductilidad y la resistencia al impacto, y que por esta razón la aleación no se utiliza normalmente a temperaturas donde las propiedades de fluencia-rotura son factores de diseño. Esto no es una reducción de potencia para una forma de producto específica. Es una declaración sobre la aleación.

Para un comprador de varilla, la consecuencia es que 825 pertenece al lado de la corrosión de una planta y no al lado del calor. Un tubo de intercambiador de calor, un cuerpo de válvula o un eje de bomba en servicio con ácido sulfúrico es su aplicación. Un soporte que funciona a 700 °C no lo es, y ninguna cantidad de níquel en el análisis cambia eso.

El tratamiento térmico también es importante aquí. Los productos de molino se tratan para desarrollar la combinación de estabilización, resistencia a la corrosión, propiedades mecánicas y formabilidad. Los recocidos posteriores deben estar entre 1,700 y 1,800 °F (930 y 980 °C) seguidos de un enfriamiento rápido al aire o una temple al agua. Las secciones pesadas pueden sensibilizarse al enfriarse desde la temperatura de trabajo en caliente y luego pueden estar sujetas a corrosión intergranular en ciertos medios, en cuyo caso un recocido estabilizador restaura la resistencia. Una barra que se reprocesa en un taller de fabricación y se deja enfriar al aire es una barra que puede haber perdido la propiedad para la que se compró.

La aleación 925 es la base 825 con el titanio elevado de 0.6 a 1.2 % al rango de 1.9 a 2.4 % y con aluminio añadido en 0.1 a 0.5 %. Esos dos elementos son la adición de fortalecimiento, no una adición de corrosión. El tratamiento térmico precipita la gamma prima, Ni3(Al, Ti), y ese precipitado es lo que lleva la resistencia a la fluencia de 271 MPa en la condición recocida en solución a 832 MPa después del envejecimiento.

Esa distinción corrige una descripción común. El grado 925 se presenta a menudo como 825 con aleación adicional para resistencia a la corrosión y picaduras. El molibdeno y el cobre son las adiciones de corrosión y son los mismos que en 825. El titanio y el aluminio están ahí para la resistencia. La resistencia a la corrosión de los dos grados es cercana, como lo demuestran los datos de servicio en medio ácido en el boletín de la aleación: en una prueba de autoclave en medio ácido con azufre libre, 925 se corroía a 1.1 y 1.2 mpy en dos soluciones y 825 a 1.1 y 1.6 mpy, frente a 3.9 y 4.5 mpy para el acero inoxidable tipo 316.

El tratamiento térmico tiene dos etapas y ambas tienen tolerancias que importan a una orden de varilla. El recocido en solución se realiza a 1,800 a 1,900 °F (980 a 1,040 °C) durante un mínimo de 30 minutos y un máximo de 4 horas, con enfriamiento equivalente a enfriamiento al aire o más rápido para secciones de 1 pulgada (25 mm) y menos, y un temple al agua para todos los tamaños superiores a 1 pulgada. El envejecimiento sigue a 1,350 a 1,380 °F (732 a 749 °C) durante 6 a 9 horas, enfriamiento en horno a 1,150 °F (621 °C), luego mantenimiento a 621 °C más o menos 8 °C durante un tiempo total de envejecimiento de 18 horas.

La columna de diámetro es la parte que sorprende a los compradores. Los límites de propiedad se escriben por forma de producto y por tamaño, y la ruta de trabajo en caliente se mantiene a una fluencia mínima más alta que la ruta de trabajo en frío porque la probeta de ensayo proviene de una parte diferente del proceso. Una orden de compra que cita la fluencia mínima sin el rango de diámetro ha citado un número que puede no aplicarse a la barra que se está cortando.

La secuencia de mecanizado es la segunda consecuencia práctica. El mecanizado en bruto se realiza antes del endurecimiento por envejecimiento y el acabado después, porque la aleación se mecaniza bien en la condición recocida en solución y envejecida, y mal en el medio. El boletín va más allá en la distorsión: después de trepanar una barra a un espesor de pared inferior a aproximadamente 25 mm, el torneado produjo una distorsión de hasta 0.010 pulgadas (0.25 mm), y la excentricidad se eliminó o redujo sustancialmente dejando que el material reposara durante varias semanas o recalentándolo a 1,150 °F (621 °C) durante 2 horas antes de tornear. Un taller que trepana y termina en una sola configuración mantendrá una tolerancia que el material no mantendrá.

La soldadura tiene su propia restricción. La soldadura por arco de gas tungsteno y por arco de metal de gas con el electrodo de aporte 725NDUR a juego son las rutas recomendadas, y la soldadura por arco sumergido y por arco de metal blindado no se recomiendan para este grado. Una varilla que se convierte en un conjunto soldado debe diseñarse en torno a eso.

Una afirmación común para el grupo es que estas varillas retienen resistencia a temperaturas que a menudo superan los 1,000 °C, dependiendo del grado. Esa frase no sobrevive al contacto con los tres boletines de aleación. La aleación 825 se limita a unos 540 °C. La aleación 925 mantiene la resistencia hasta unos 650 °C. La aleación 800 está diseñada hasta 816 °C, y por encima de eso la respuesta es un tratamiento térmico diferente dentro de la misma familia, no la misma varilla a una temperatura más alta.

De dónde proviene la cifra de 1,000 °C es de las pruebas de fluencia y rotura de los grados 800H y 800HT, que se informan a temperaturas muy por encima del rango de diseño. Una temperatura de prueba no es una temperatura de servicio. Una varilla cargada a 1,000 °C está fuera de la base de diseño de cada grado de esta familia, y una especificación que cita tal cifra ha confundido el laboratorio con el horno.

Cinco elementos deciden si el certificado coincide con la pieza. El primero es el grado con su número UNS, porque el nombre comercial por sí solo no fija la química. El segundo es la condición de suministro, escrita como recocida, laminada en caliente, estirada en frío o recocida en solución y envejecida, con el tratamiento de envejecimiento si aplica el último. El tercero es el tamaño del grano, solo para 800H y 800HT, porque es el resultado del recocido final y no está en la química. El cuarto es la base de la propiedad, lo que significa la temperatura de prueba y si los valores son mínimos o típicos. El quinto es el documento de inspección.

La línea 925 vale la pena una nota. El boletín de aleación nombra tres documentos para el producto y no nombra una especificación separada de varilla y barra ASTM, por lo que una orden de compra que inventa una ha inventado un documento. Los límites de propiedad para el grado provienen de la especificación del productor HA 46, y la base del recipiente a presión proviene del Código Caso 2218. Un comprador que necesita una referencia ASTM para 925 debe hacer que el proveedor indique cuál de los dos está certificando.

El certificado en sí debe ser un documento EN 10204 3.1, que contiene resultados de pruebas reales del lote y está respaldado por el representante de inspección independiente del fabricante. Un certificado 2.2 informa los resultados de una inspección no específica y no es el mismo documento, y la diferencia importa cuando la pieza va a formar parte de un límite de presión.

DLX suministra los grados Incoloy en varilla y barra desde Changzhou, Jiangsu, junto con las mismas familias en alambre desde 0.025 mm y fleje desde 0.50 mm hasta 2.5 mm donde la aplicación se mueve a una forma diferente. Los pedidos se producen contra el estándar nombrado en la orden de compra, con un certificado EN 10204 3.1 bajo pedido y el número de calor rastreable a los resultados de las pruebas.

Dos preguntas deciden la mayoría de las cotizaciones. La primera es la condición, porque un precio para 800 recocido no es un precio para 800 estirado en frío. La segunda es si el grado necesita un requisito de tamaño de grano, porque 800H y 800HT no pueden cotizarse sin uno.

La respuesta depende del entorno y no del nombre comercial. Para una pieza de horno o un intercambiador de calor por encima de 600 °C, la serie 800 es la candidata, con 800H o 800HT por encima de 816 °C. Para ácido sulfúrico, ácido fosfórico o agua de mar por debajo de unos 540 °C, 825 es la candidata. Para una pieza de fondo de pozo o cabeza de pozo que necesita una fluencia mínima de 724 MPa con resistencia a medios ácidos, 925 es la candidata.

Porque la fluencia y la rotura dependen de los límites del grano y de los carburos, y 800H requiere un rango de carbono de 0.05 a 0.10 % junto con un tamaño de grano promedio de ASTM 5 o más grueso. El grano grueso reduce el deslizamiento de los límites y el carbono soporta la red de carburos que fija los límites. La aleación 800 no tiene ninguno de los dos requisitos, por lo que su base de diseño por encima de 816 °C no es la misma.

No. El boletín de la aleación lo limita a unos 540 °C, por encima de los cuales la formación de fases reduce significativamente la ductilidad y la resistencia al impacto, y establece que la aleación no se utiliza normalmente donde rigen las propiedades de fluencia-rotura. El límite es una propiedad de la aleación y se aplica a varilla, barra, tubo y chapa por igual.

El envejecimiento precipita la gamma prima, Ni3(Al, Ti), que eleva la resistencia a la fluencia de 271 MPa en la condición recocida en solución a 832 MPa. Se realiza después del recocido en solución a 980 a 1,040 °C, a 732 a 749 °C durante 6 a 9 horas, luego se enfría en horno a 621 °C y se mantiene durante un tiempo total de envejecimiento de 18 horas. El mecanizado en bruto se realiza antes del envejecimiento y el acabado después.

Es un 825 más fuerte, y la resistencia a la corrosión de ambos es cercana. Las adiciones de titanio y aluminio en 925 están ahí para la reacción de gamma prima. El molibdeno y el cobre, que confieren resistencia a los ácidos reductores, son los mismos en ambos grados. En la prueba de autoclave en medio ácido con azufre libre, las dos aleaciones registraron tasas similares, y ambas estuvieron muy por debajo del acero inoxidable tipo 316.

Solo cuando la condición y la temperatura de prueba coinciden. La misma química 800 da una resistencia a la fluencia de 250 MPa recocida, 445 MPa laminada en caliente y 690 MPa estirada en frío. Una comparación entre un valor de hoja 800 recocida y un valor de varilla 800 estirada en frío es una comparación de dos procesos, y la aleación desaparece de la comparación.

La familia de varillas Incoloy cubre tres trabajos. La serie 800 es el miembro resistente al calor, y sus tres números UNS difieren por el carbono, por el aluminio y el titanio, y por el tamaño del grano, siendo el tamaño del grano el que soporta el esfuerzo de diseño de fluencia por encima de 816 °C. La aleación 825 es el miembro de corrosión acuosa, con un techo cercano a los 540 °C que las páginas del catálogo tienden a omitir. La aleación 925 es el miembro endurecible por envejecimiento, con una resistencia a la fluencia de 832 MPa después de un tratamiento en dos etapas y una tabla de propiedades que se escribe por forma de producto y diámetro.

La propiedad que los une es que ninguno de estos grados tiene una resistencia sin una condición. La dispersión de 250 a 832 MPa en toda la familia, y de 250 a 690 MPa dentro de un solo grado, es mayor que la diferencia entre la mayoría de los grados. Una orden de compra que nombra el grado, la condición, el tamaño del grano donde aplica y el certificado ha especificado un material. Una que nombra un nombre comercial ha especificado una familia.