Descripción detallada de las ventajas y áreas de aplicación únicas de la aleación Monel

Monel es un nombre comercial para una familia de aleaciones de níquel-cobre y no el nombre de un solo material, y los datos publicados para la familia muestran cuánto vale esa distinción. Los grados de suministro general comparten una química base y alcanzan su resistencia por tres rutas diferentes, y la elección entre ellas mueve la resistencia a la tracción en más de la mitad, decide si una pieza es de manera confiable no magnética a temperatura ambiente y establece cuántos pasos térmicos tiene que programar un fabricante.

Los miembros son la aleación MONEL 400, la aleación K-500 y la aleación R-405. La aleación 400 se publica como una aleación de solución sólida que solo se puede endurecer mediante trabajo en frío. La K-500 se publica como una combinación de la resistencia a la corrosión de la aleación 400 con mayor resistencia y dureza, obtenida al agregar aluminio y titanio a la base de níquel-cobre y calentar el material bajo condiciones controladas para que partículas submicroscópicas de Ni3(Ti, Al) precipiten en toda la matriz, un tratamiento que el productor llama endurecimiento por envejecimiento. La R-405 es la versión de mecanizado libre de la aleación 400, y las constantes físicas publicadas para la aleación 400 se aplican también a ella.

Lo que sigue es la familia tal como la encuentra un comprador: las designaciones, la química que separa los grados, la resistencia que se puede comprar en cada forma, seis ventajas que vienen con números publicados, las industrias que compran cada grado y los deberes en los que una aleación de níquel-cobre es la respuesta incorrecta.

Las designaciones son lo primero que hay que resolver. Monel es una marca registrada del grupo de productores que desarrolló las aleaciones, y un dibujo o una consulta que solo lleva el nombre comercial deja la especificación abierta. El número UNS es el identificador que acompaña a una orden de compra, y en esta familia también lleva la ruta de endurecimiento, porque los tres grados son tres materiales diferentes y no tres temple de uno.

Dos consecuencias se derivan de esa tabla antes de comparar cualquier propiedad. Un requisito de máxima resistencia en esta familia no puede ser satisfecho por la aleación 400 en absoluto, porque el mecanismo que lo proporcionaría está ausente en la aleación. Un requisito de una ruta simple de stock a pieza terminada se cumple más fácilmente con la aleación 400, porque es el miembro sin paso térmico después de la formación.

La aleación 400 es una aleación binaria de solución sólida. El níquel y el cobre son mutuamente solubles en todas las proporciones, por lo que la estructura es monofásica con una red cúbica centrada en las caras y un parámetro de red de 3.534 angstroms, y no hay una segunda fase que precipite. La K-500 mantiene esa matriz y agrega dos elementos que precipitan, que es toda la diferencia metalúrgica entre los dos grados principales. Los límites a continuación son los límites de especificación, y las dos filas en la parte inferior de la tabla existen solo en la K-500.

Un requisito de fabricación se deriva de la química y no de un plano de taller. El azufre daña esta familia a alta temperatura, y la práctica de recocido publicada para la aleación 400, por lo tanto, requiere una atmósfera reductora libre de azufre. Las tizas de marcado y la grasa, así como algunos materiales refractarios, deben mantenerse alejados de una pieza que va a entrar en un horno, lo que es una regla que proviene directamente de un límite de composición.

Los rangos publicados son compuestos para varios tamaños de producto y, en palabras del propio productor, no son adecuados para fines de especificación. Son útiles para el propósito opuesto, que es mostrar a un comprador lo que es factible en una forma dada y cuánto de la dispersión de resistencia de la familia proviene de la forma y no del grado.

Lea las últimas cuatro filas y la familia llega a una forma. La aleación 400 alcanza un máximo en la región de 965 MPa en tira con temple de resorte, y la K-500 continúa más allá de 1.500 MPa en la misma forma después del envejecimiento, lo que es más de la mitad. El extremo lejano solo es alcanzable a través de la reacción de precipitación, y el extremo cercano es alcanzable sin un horno.

La familia se elige primero por lo que no hace en cloruros y en ácidos reductores. La aleación 400 muestra tasas de corrosión muy bajas en agua de mar en flujo, ofrece una resistencia excepcional al ácido fluorhídrico en todas las concentraciones hasta el punto de ebullición, lo que el productor describe como quizás la más resistente de todas las aleaciones de ingeniería de uso común, y resiste muchas formas de ácido sulfúrico y clorhídrico en condiciones reductoras. El límite se publica en el mismo documento: la aleación es útil a temperaturas hasta e incluyendo 1.000 °F en atmósferas oxidantes, con temperaturas más altas disponibles en un entorno reductor. Un ácido fuertemente oxidante es una selección diferente y pertenece a un grado con contenido de cromo.

Dos detalles separan los grados dentro de ese sobre. La aleación 400 resiste el ataque por grietas en la mayoría de las aguas dulces e industriales, pero el agua de mar estancada ha demostrado inducir corrosión por grietas y picaduras, por lo que las bajas tasas citadas para el agua de mar son tasas para agua en movimiento. La K-500 se publica como sustancialmente equivalente a la aleación 400 en resistencia a la corrosión, con una calificación: en la condición endurecida por envejecimiento, tiene una mayor tendencia al agrietamiento por corrosión bajo tensión en algunos entornos. La calificación es comprobable y ha sido probada. Muestras en forma de U de chapa endurecida por envejecimiento sobrevivieron seis días de inmersión continua en soluciones saturadas de sulfuro de hidrógeno a 3.500 ppm en valores de pH de 1.0 a 11.0 sin agrietarse, a durezas de 28 a 40 en la escala Rockwell C.

Los dos mecanismos no son intercambiables y no son aditivos de la manera que un comprador podría esperar. En la aleación 400, la única ruta es el trabajo en frío, por lo que la resistencia que llega está fijada por el temple especificado y por la cantidad de deformación que aplicó el molino. En la K-500, la reacción de precipitación proporciona la mayor parte de la resistencia y el trabajo en frío proporciona el resto, por lo que la condición más resistente publicada es estirada en frío y luego envejecida, una combinación de ambos tratamientos.

El envejecimiento también tiene un modo de falla que vale la pena conocer antes de realizar el pedido. El material calentado durante cualquier tiempo apreciable entre 1.100 °F y 1.400 °F está sobreenvejecido en un grado que depende del tiempo y la temperatura, y el material sobreenvejecido tiene propiedades mecánicas inferiores al metal correctamente envejecido. Esas propiedades no se pueden recuperar envejeciendo de nuevo. La única ruta de regreso es un recocido en solución a 1.800 a 1.900 °F para redisolver los constituyentes de endurecimiento por envejecimiento, seguido de un nuevo tratamiento de envejecimiento, y todo el beneficio de cualquier trabajo en frío se pierde en ese recocido.

Esta es la ventaja que separa más claramente la familia de los aceros, y se comporta en la dirección que la mayoría de los ingenieros no esperan. La aleación 400 forjada probada a 70 °F alcanza una resistencia a la tracción de 92.00 ksi con un 31.0 por ciento de elongación; el mismo material a -297 °F alcanza 128.25 ksi con un 44.5 por ciento de elongación; y a -423 °F alcanza 142.00 ksi con un 38.5 por ciento de elongación. La resistencia aumenta y la ductilidad se mantiene. Los valores de Charpy V-notch en placa acabada en caliente a -423 °F se publican como un rango de 141 a 219 ft·lb longitudinales, y ninguna muestra en el programa de impacto mostró una fractura frágil.

La K-500 se publica en los mismos términos: las resistencias a la tracción y a la fluencia aumentan al bajar la temperatura mientras que la ductilidad y la tenacidad apenas se ven afectadas, y no ocurre ninguna transformación dúctil-brittle incluso a la temperatura del hidrógeno líquido. La chapa soldada probada a -423 °F arrojó 200 ksi de tracción, 136 ksi de fluencia y 28 por ciento de elongación con una eficiencia de unión del 95 por ciento frente a la chapa madre.

La aleación 400 a menudo se describe como no magnética, y las constantes publicadas no respaldan eso como una declaración incondicional. Su temperatura de Curie se da como un rango de 70 a 120 °F, que es 21 a 49 °C, y el boletín señala que este rango se encuentra dentro del rango ambiental y se ve afectado por variaciones en la composición química. Por lo tanto, algunas coladas son magnéticas a temperatura ambiente y otras no, y la dirección publicada es explícita: donde hay un requisito fuerte de características no magnéticas, se deben considerar otras aleaciones MONEL.

La K-500 es el miembro de la familia que responde a ese requisito. Los valores de permeabilidad publicados van de 1.0011 para material recocido y templado a 1.0019 para material estirado en frío y endurecido por envejecimiento a 200 oersted, con temperaturas de Curie para una permeabilidad de 1.01 entre -210 °F y -130 °F, que son 50 a 80 grados por debajo de la congelación en la escala Celsius. La aleación se describe como virtualmente no magnética incluso a temperaturas bastante bajas. Una precaución de procesamiento acompaña a la propiedad: el aluminio y el cobre pueden oxidarse selectivamente durante el calentamiento, dejando una película rica en níquel y magnética en la superficie, un efecto más notable en alambres y tiras delgadas donde la relación superficie-peso es alta. La película se elimina mediante decapado o inmersión brillante, y se restauran las propiedades no magnéticas.

La resistividad eléctrica a 21 °C se publica como 0.511 micro-ohm metro para la aleación 400 y 0.615 para la K-500, en material en una condición equivalente a recocida con una pequeña cantidad de endurecimiento por envejecimiento. La conductividad térmica a la misma temperatura es de 22.0 W/m·K para la aleación 400 y 17.2 W/m·K para la K-500. Ninguna cifra es un sustituto del cobre, y el uso correcto de la familia en trabajos eléctricos es donde la resistencia a la corrosión y una resistencia estable importan más que la eficiencia de conducción, en los componentes eléctricos y electrónicos y los sensores que ambos boletines enumeran entre sus aplicaciones. Una precaución se aplica a la cifra de K-500: su resistividad está marcadamente influenciada por la historia térmica, que es una consecuencia directa de las características de endurecimiento por envejecimiento de la aleación, por lo que la condición debe declararse con el número.

La K-500 se publica como que tiene una estabilidad dimensional excepcionalmente buena, en pruebas de exposición a largo plazo y en pruebas cíclicas, y esa propiedad es la razón declarada para su uso en dispositivos de alta precisión como giroscopios. El número que un diseñador necesita con ella es el que describe lo que sucede durante el tratamiento térmico: el endurecimiento por envejecimiento causa una contracción de volumen inicial, y una barra recocida se contrajo 2.5 × 10⁻⁴ pulgadas por pulgada durante el envejecimiento. Una pieza acabada a máquina que se envejece después, por lo tanto, llega subdimensionada, por lo que la guía de fabricación publicada para trabajos de precisión es mecanizar sobredimensionado, envejecer y luego acabar a medida.

Las constantes a continuación se publican para los dos grados principales y son las que se utilizan en un cálculo de diseño. Dos filas en la tabla tienen más peso que el resto. La densidad y el rango de fusión apenas separan los grados, mientras que la fila magnética los separa completamente a temperatura ambiente, y la temperatura de Curie es la fila que con más frecuencia se omite en una comparación.

Los dos boletines publican sus propias listas de aplicaciones, y las listas son la ruta más corta para saber qué grado compra realmente una industria determinada. Las razones en la columna de la derecha son las que da el productor, no una inferencia de las piezas.

Una página de familia que solo enumera ventajas no es útil para un diseñador, por lo que los límites pertenecen a la misma página que las resistencias. Cada fila a continuación es una condición que los datos publicados descartan o califican, y no una reserva general sobre el material.

K-500, y la razón es la temperatura de Curie publicada y no la palabra no magnética. La aleación 400 tiene una temperatura de Curie entre 21 °C y 49 °C, que abarca la temperatura ambiente ordinaria, y el productor afirma que algunas coladas serán magnéticas a temperatura ambiente y otras no, y dirige un requisito fuerte de no magnético a otra aleación MONEL. La K-500 se publica con una permeabilidad de 1.0019 o inferior, con la temperatura de Curie para una permeabilidad de 1.01 entre -134 °C y -90 °C. Todavía se puede formar una película superficial magnética en alambres y tiras delgadas durante el calentamiento, y el decapado o la inmersión brillante la eliminan.

No. La aleación se publica como una aleación de solución sólida que solo se puede endurecer mediante trabajo en frío, y no existe un tratamiento de envejecimiento en la familia para ella. Los tratamientos térmicos que existen realizan la función opuesta: el recocido ablanda el material trabajado en frío, y el alivio de tensiones o la igualación de tensiones reducen las tensiones residuales. Un dibujo que solicita aleación 400 en una condición envejecida está solicitando un tratamiento que no existe, y el grado que sí lo tiene es K-500.

No, y la afirmación aparece en descripciones circuladas de la aleación, por lo que vale la pena corregirla con precisión. El mecanismo de fortalecimiento publicado para K-500 es la precipitación de partículas submicroscópicas de Ni3(Ti, Al) en toda la matriz cuando la aleación se calienta bajo condiciones controladas. Esa es una reacción de endurecimiento por precipitación, y sus consecuencias son mayor resistencia y dureza, una menor permeabilidad magnética y una pequeña contracción durante el envejecimiento. La memoria de forma, que es la capacidad de un material para volver a una forma previamente establecida al cambiar la temperatura, es una propiedad de las aleaciones de níquel-titanio casi equiatómicas y no de un grado de níquel-cobre con adiciones de aluminio y titanio. Una especificación escrita con la expectativa de un efecto de memoria está escrita sobre la propiedad incorrecta.

La aleación 400 es el caso más simple, porque no tiene tratamiento térmico que proteger y sus consumibles de soldadura son de la misma familia de rellenos de níquel-cobre. La K-500 necesita una secuencia. La soldadura se realiza mejor mediante el proceso de arco de tungsteno con gas, el metal de aporte MONEL 60 es el consumible habitual, y la calificación publicada importante es que las soldaduras hechas de esta manera no son endurecibles por envejecimiento y, por lo tanto, no tienen la resistencia que iguala al metal base endurecido. Donde una junta debe igualar el metal base envejecido, se deposita un metal de aporte de composición coincidente, y el tratamiento de envejecimiento se realiza después de soldar material recocido, es la ruta publicada. Las soldaduras de material recocido se pueden llevar a la resistencia del metal base endurecido por envejecimiento sin una pérdida significativa de ductilidad.

Casi nada, con una calificación que se aplica a la condición envejecida. El productor publica la resistencia a la corrosión de K-500 como sustancialmente equivalente a la de la aleación 400, excepto que en la condición endurecida por envejecimiento, la aleación tiene una mayor tendencia al agrietamiento por corrosión bajo tensión en algunos entornos. Esa calificación se probó contra gas ácido: muestras en forma de U de chapa endurecida por envejecimiento no mostraron agrietamiento después de seis días de inmersión continua en soluciones saturadas de sulfuro de hidrógeno a 3.500 ppm, en valores de pH de 1.0 a 11.0, a durezas de 28 a 40 en la escala Rockwell C. La regla práctica es que una sustitución de K-500 se verifica contra el medio específico y el estado de tensión específico, y no contra el nombre de la familia.

No por el nombre de la familia, y los tres grados fallan por tres razones diferentes. La aleación 400 no puede alcanzar la resistencia de la K-500 en ninguna condición, por lo que una sustitución en esa dirección está limitada por el mecanismo y no por el molino. La K-500 en la condición endurecida por envejecimiento es un caso de corrosión diferente en algunos entornos, y también aporta un paso térmico y una contracción a una secuencia de fabricación que puede no tener espacio para ninguno de los dos. La R-405 difiere nuevamente, porque su maquinabilidad proviene de un mayor contenido de azufre. Los datos publicados respaldan una sustitución y es una estrecha: donde el deber es un ácido clorhídrico o reductor y no se desea un paso térmico, la aleación 400 realiza el trabajo para el que se especificó la K-500, y lo contrario no es cierto.

La familia Monel son tres grados de níquel-cobre con una matriz y tres rutas de fortalecimiento. La aleación 400 es UNS N04400, una solución sólida monofásica con un parámetro de red de 3.534 angstroms que se endurece solo por trabajo en frío, útil hasta 1.000 °F en atmósferas oxidantes, excepcional contra el ácido fluorhídrico en todas las concentraciones hasta el punto de ebullición