Monel 400 Composición y propiedades a través de la temperatura

Monel 400 es UNS N04400, también publicado como W.Nr. 2.4360 y 2.4361, y es una solución sólida binaria de níquel y cobre que solo se puede endurecer mediante trabajo en frío. Esa única frase establece ambas mitades de lo que una página de propiedades tiene que decir: la composición decide el carácter de la aleación, y la cantidad de trabajo invertido en ella decide cada cifra de resistencia que se pueda comprar.

La composición es níquel con un mínimo del 63,0 % y cobre entre el 28,0 % y el 34,0 %, y el resto es un pequeño conjunto de residuales que se mantienen bajos y no se añaden. Lo que hace útil a la aleación es la solubilidad de los dos elementos principales entre sí: 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 Å. No hay una segunda fase que precipite, que es la razón por la que no hay tratamiento de envejecimiento en esta aleación y la razón por la que el único mecanismo de endurecimiento disponible es la deformación.

Leído de esa manera, las propiedades del Monel 400 se dividen en dos grupos que se comportan de manera completamente diferente. Los que están fijados por la composición no se mueven en absoluto: la densidad, el módulo, el rango de fusión y las propiedades térmicas están determinados por la química y la temperatura, y ninguna decisión de procesamiento los cambia. Los que el cliente especifica realmente se mueven en un amplio rango, porque siguen de cuánto trabajo en frío ha visto la pieza y qué tratamiento térmico vino después. Las secciones a continuación mantienen los dos grupos separados, y luego siguen la aleación a ambos extremos de su rango de temperatura, que es donde su comportamiento es más distintivo.

La Composición, y Qué Hace Cada Elemento

La línea del azufre es la que llega a la planta en lugar de quedarse en la hoja de datos. Debido a que el azufre daña esta familia de aleaciones a temperatura, la práctica de recocido publicada requiere una atmósfera reductora libre de azufre, y las tizas de marcado, la grasa y algunos materiales refractarios deben mantenerse alejados de una pieza que va a entrar en un horno. Ese es un requisito de fabricación que se deriva directamente de un límite de composición.

Lo que el Trabajo le hace a las Propiedades

Esta es la tabla de la que un comprador realmente ordena, y la dispersión que contiene es mayor de lo que la mayoría de la gente espera de una sola aleación. Cada fila tiene la misma composición; lo que cambia es la condición en la que se suministró.

Dos cosas en esa tabla deciden la mayoría de los pedidos. La primera es que el trabajo en frío es todo el mecanismo, por lo que la resistencia que se obtiene es la resistencia que se solicitó al especificar un temple. Pasar de chapa recocida a fleje de temple de resorte duplica aproximadamente el límite elástico y reduce el alargamiento del 35 % a un valor que puede ser tan bajo como el 2 %. La segunda es que la nota publicada adjunta a estos rangos es explícita: son compuestos para varios tamaños de producto, y no son adecuados para fines de especificación. Por lo tanto, una orden de compra nombra la forma, la condición y el estándar, y toma sus mínimos del estándar en lugar de una tabla como esta.

Una consecuencia adicional de la estructura monofásica vale la pena señalar. Debido a que no hay reacción de precipitación, no hay nada que sobreenvejecer y ningún tratamiento de envejecimiento que programar. Los tratamientos térmicos que existen para esta aleación cumplen una función diferente: el recocido ablanda completamente el material endurecido por trabajo, y el alivio de tensiones reduce la tensión residual sin recristalizar la estructura del grano.

Resistencia y Ductilidad a medida que la Temperatura Desciende

Esta es la propiedad que separa más claramente el Monel 400 de los aceros, y va en dirección opuesta a lo que la mayoría de los ingenieros esperan. A medida que la temperatura de prueba desciende, la aleación se vuelve más fuerte y mantiene su ductilidad al mismo tiempo. No hay transición a comportamiento frágil.

La fila de forjado es la que hay que mirar, porque abarca todo el espectro. Entre la temperatura ambiente y −423 °F, la resistencia a la tracción aumenta de 92 ksi a 142 ksi, lo que es aproximadamente la mitad de fuerte, y el alargamiento aumenta con ella en lugar de disminuir. La evaluación publicada de la aleación señala que este comportamiento se mantiene en un rango considerable de temperaturas, y la consecuencia práctica es que un servicio criogénico no requiere un cambio de material por motivo de tenacidad.

Dos advertencias publicadas pertenecen a la tabla. Los valores mostrados para las condiciones trefilado en frío y recocido se aplican a tamaños de 0,032 a 0,250 pulgadas de diámetro, y la fuente indica que las propiedades para otros tamaños pueden variar de estas. Y la fila de trefilado en frío probada a temperatura ambiente después de haber sido mantenida a −110 °F durante varias horas dio un límite elástico inferior al de la fila probada a temperatura, que es el tipo de detalle que solo importa si una especificación requiere un remojo en lugar de una prueba.

Tenacidad a Temperatura, Que Es la Misma Historia

Las pruebas de impacto cuentan la misma historia de forma más nítida, porque una prueba de tenacidad es donde fallaría un acero con una temperatura de transición. Esta aleación no tiene una que se pueda alcanzar.

La evaluación publicada registra que no se mostró evidencia de fracturas frágiles, y que el metal de soldadura probado en el mismo programa se fracturó en la soldadura y no en la placa. También hay una nota sobre los especímenes de impacto por torsión: los intentos de producir fracturas en ellos reduciendo el área mínima en un 75 % no tuvieron éxito, debido a la tenacidad del material.

Las Ventanas de Fabricación

Debido a que la aleación se endurece solo por trabajo en frío, los tratamientos térmicos no aumentan la resistencia. Restauran la ductilidad y eliminan la tensión. También establecen el tamaño del grano, y cada uno tiene una ventana publicada.

La distinción entre alivio de tensiones e igualación de tensiones es la que más a menudo se pierde. Se publican como tratamientos separados a temperaturas separadas para propósitos separados, y una planta que sustituye uno por el otro no obtendrá el resultado que pedía el dibujo.

El Depósito de Soldadura a Temperatura

La aleación se une con un material de aporte a juego, y los datos publicados de todo el metal de soldadura muestran cómo se comporta el depósito a medida que se calienta. Vale la pena tenerlo separado de las cifras del metal base, porque una junta a temperatura está limitada por su constituyente más débil.

La última fila es la que importa, porque 1000 °F, o 538 °C, es la temperatura a la que la aleación alcanza el final de su rango útil en aire. El depósito todavía soporta 386 MPa en tensión en ese punto, que es una cifra útil de tener, y la reducción de área ha caído al 24,5 %, que es el número que limita cuánto se puede esperar que acomode una junta a esa temperatura.

Una junta a tope de tamaño completo se comporta de manera diferente a todo el metal de soldadura, y los datos publicados registran que las pruebas transversales a través de una soldadura se rompieron en la soldadura y no en la placa, que es el resultado esperado cuando el depósito es más débil que el metal base. Un tratamiento térmico de 1150 °F durante 10 horas seguido de enfriamiento al aire no cambió las propiedades de soldadura a temperatura ambiente en ninguna medida útil, lo que es coherente con que el depósito no tenga respuesta de envejecimiento que desarrollar.

El Estudio del que se Tomó el Cuerpo Publicado, y Por Qué sus Números No Se Pueden Usar

La versión de esta página que se ha publicado contiene el método y los resultados de un estudio de tracción en caliente, y el estudio se describe con suficiente precisión para identificarlo: una máquina de simulación térmica Gleeble-1500D, una probeta de 6 mm de diámetro y 120 mm de longitud, calentada a 10 °C por segundo a 1100 °C y mantenida durante tres minutos, luego enfriada a 3 °C por segundo a temperaturas de prueba de 600, 700, 800, 900, 1000 y 1100 °C, deformada a 10⁻³ por segundo en vacío, con las superficies de fractura examinadas bajo un microscopio electrónico de barrido.

Dos cosas al respecto valen la pena conservar. El hallazgo de ductilidad es coherente con lo que los rangos de trabajo publicados llevarían a esperar: el estudio informa que la plasticidad a alta temperatura aumenta con la temperatura hasta un pico alrededor de los 900 °C y luego vuelve a disminuir, y los 900 °C se encuentran dentro de la ventana de trabajo en caliente publicada de 927 a 1177 °C, mientras que los 1100 °C se encuentran cerca de su límite superior. Lo segundo es que una probeta mantenida a 1100 °C durante tres minutos antes de la prueba ha sido efectivamente recocida, por lo que las cifras describen material recocido y no la condición en la que la aleación se suministra habitualmente.

Las cifras de resistencia no se pueden volver a publicar como propiedades de esta aleación. El estudio informa una resistencia a la tracción de 106,49 MPa a 600 °C y 22,41 MPa a 1100 °C. Los datos publicados de corta duración para la misma aleación registran 55,95 ksi, que son 386 MPa, para todo el metal de soldadura a 1000 °F, o 538 °C, y el metal de soldadura es normalmente el constituyente más débil de una junta. Una cifra de trabajo de 106 MPa a una temperatura superior a esa es, por lo tanto, aproximadamente de tres a cuatro veces inferior a lo que implican los datos publicados, y la discrepancia es lo suficientemente grande como para que el número deba tratarse como específico de esa única configuración de prueba. No es una resistencia que se pueda especificar para esta aleación.

La premisa del estudio también debe leerse en contra de la evaluación publicada de la aleación. El estudio se llevó a cabo debido a una tendencia de agrietamiento en caliente atribuida en parte a la baja conductividad térmica y al bajo coeficiente de expansión, pero la descripción publicada del Monel 400 registra que se une fácilmente mediante procesos convencionales, que tiene buena soldabilidad y que se puede conformar en caliente en casi cualquier forma. Esas dos posiciones no son incompatibles, en el sentido de que un estudio puede investigar útilmente un problema dentro de un material que es generalmente trabajable, y no deben leerse como una advertencia general contra la soldadura de la aleación. La distinción vale la pena conservarla, ya que la misma baja conductividad térmica que concentra el calor en un baño de soldadura es también la razón por la que la aleación mantiene su resistencia a medida que aumenta la temperatura.

Preguntas que Hacen los Compradores

¿Cuál es la composición química del Monel 400?

Níquel con un mínimo del 63,0 % y cobre entre el 28,0 % y el 34,0 %, con el resto níquel y los residuales controlados: carbono con un máximo del 0,3 %, hierro con un 2,5 %, manganeso con un 2,0 %, silicio con un 0,5 % y azufre con un 0,024 %. La cifra de níquel es un mínimo y no un rango. Se determina por diferencia. Las hojas de datos publicadas a veces dan el rango de níquel como 63,0 a 70,0 %.

¿Cómo se fortalece el Monel 400?

Solo mediante trabajo en frío. El níquel y el cobre son mutuamente solubles en todas las proporciones, por lo que la aleación es monofásica con una red cúbica centrada en las caras y no hay una segunda fase que precipite. Por lo tanto, no hay tratamiento de envejecimiento para esta aleación, y la resistencia de una pieza entregada es una función de cuánto trabajo en frío ha visto. Esa es la posición opuesta a la de una aleación de endurecimiento por precipitación como el Monel K500.

¿Cuál es el rango de resistencia disponible a partir de una composición?

Aproximadamente un factor de dos entre los extremos, y los extremos no están juntos. La chapa recocida se publica con una resistencia a la tracción de 482 a 586 MPa con un alargamiento del 35 % o más. El fleje de temple de resorte de la misma aleación alcanza 690 a 965 MPa con un alargamiento tan bajo como el 2 %. Por lo tanto, una orden de compra debe nombrar el temple además de la aleación, porque la condición es lo que lleva la resistencia.

¿El Monel 400 se vuelve frágil a baja temperatura?

No, y hace lo contrario. El material forjado probado a −423 °F, que son −253 °C, muestra una resistencia a la tracción de 142 ksi frente a 92 ksi a temperatura ambiente, con el alargamiento aumentando del 31 % al 38,5 %. Los valores de Charpy V-notch a la misma temperatura van de 121 a 219 ft·lb dependiendo de la orientación, y la evaluación publicada no registra evidencia de fracturas frágiles. Esta es una razón para elegir la aleación para servicio criogénico y no una limitación de la misma.

¿Cuáles son las temperaturas de trabajo en caliente y recocido?

El trabajo en caliente va de 1700 °F a 2150 °F, o 927 °C a 1177 °C, con un óptimo alrededor de 2000 °F, y la aleación nunca debe calentarse por encima de 2150 °F porque pueden producirse daños permanentes. El recocido se publica como 1600 a 1800 °F durante 2 a 10 minutos en el método de calentamiento abierto, o 1400 a 1500 °F durante 1 a 3 horas en recocido en caja, con un rango general de 1300 a 1800 °F. El extremo inferior del rango se utiliza con tiempos más largos para mantener el grano fino. La atmósfera de recocido debe ser reductora y libre de azufre.

¿Cuál es la diferencia entre alivio de tensiones e igualación de tensiones?

Son tratamientos publicados separados con propósitos separados. El alivio de tensiones se realiza a 1000 a 1050 °F durante 1 a 2 horas y reduce la tensión residual sin recristalizar la estructura del grano. La igualación de tensiones se realiza manteniendo durante aproximadamente 3 horas a 575 °F y aumenta el límite elástico a 0,00 % de desplazamiento sin efectos marcados en las otras propiedades. Sustituir uno por el otro no produce el resultado que pedía el dibujo.

Resumen

El Monel 400 es una solución sólida de níquel-cobre monofásica, UNS N04400 y W.Nr. 2.4360 o 2.4361, que solo se puede endurecer mediante trabajo en frío. La composición es níquel con un mínimo del 63,0 % y cobre entre el 28,0 % y el 34,0 %, y debido a que los dos elementos son mutuamente solubles no hay reacción de precipitación ni tratamiento de envejecimiento. Por lo tanto, las propiedades se dividen en las fijadas por la composición, como la densidad, el módulo y el rango de fusión, y las fijadas por la condición en la que se suministra el material, donde los rangos publicados van de 482 MPa de tracción en chapa recocida a 965 MPa en fleje de temple de resorte. A medida que la temperatura desciende, la aleación gana resistencia manteniendo su ductilidad, alcanzando 142 ksi en material forjado a −423 °F sin evidencia de fractura frágil. A medida que la temperatura aumenta, el límite útil en aire es de 1000 °F, la ventana de trabajo en caliente es de 1700 a 2150 °F, y el depósito de soldadura todavía soporta 386 MPa a 1000 °F.

El Monel 400 se suministra desde Changzhou, Jiangsu en chapa, placa, fleje, barra, varilla, alambre, forjas, tubos y cañerías sin costura, y tubos de condensador, en las condiciones recocido, aliviado de tensiones, semiduro, duro y temple de resorte, desde una planta que posee certificación ISO 9001 y es auditada por SGS. Envíe la forma, el temple y la temperatura de servicio, y las propiedades se derivan de esas tres respuestas.

Referencias

1. Boletín técnico de Special Metals SMC-053, aleación de níquel-cobre MONEL 400. Fuente de los límites de composición, la densidad de 8,80 g/cm³ y el rango de fusión, el módulo de elasticidad en tracción, compresión y torsión con el coeficiente de Poisson, la temperatura de Curie y su nota, la descripción de la aleación como una solución sólida binaria con un parámetro de red cúbica centrada en las caras de 3,534 Å, los rangos de propiedades mecánicas por forma y condición, las tablas de tracción e impacto a baja temperatura, la nota de que los rangos publicados son compuestos que no son adecuados para fines de especificación, las propiedades de corta duración de todo el metal de soldadura a temperatura, el resultado de la prueba transversal de soldadura y la tabla de dureza por temple para chapa y fleje.
2. El mismo boletín, sobre tratamiento térmico y fabricación. Fuente de los rangos de recocido de calentamiento abierto y en caja, la afirmación de que la aleación forma una película de óxido adherente cuando se deja enfriar al aire después del calentamiento, la afirmación de que la velocidad de enfriamiento no tiene un efecto significativo, el tratamiento de igualación de tensiones a 575 °F y su efecto en el límite elástico de desplazamiento del 0,00 %, la afirmación de que el crecimiento del grano ocurre cuando el material se calienta a temperatura elevada, el límite de trabajo en caliente de 2150 °F con la advertencia de que pueden producirse daños permanentes, y la guía de que en ningún caso se debe calentar la aleación por encima de esa cifra.
3. Datos técnicos publicados para la aleación 400 según lo distribuido por