Monel K500 vs Monel 400: Cuánto cuesta la fuerza extra

Monel K500 y Monel 400 comparten la misma base: aproximadamente dos partes de níquel por una de cobre, con el mismo carácter de corrosión y la misma matriz cúbica centrada en las caras. Ninguna de las aleaciones es una superaleación endurecida por precipitación, y ninguna se elige para la parte superior de un rango de temperatura. La diferencia entre ellas son dos adiciones de aleación y el tratamiento térmico que esas adiciones hacen posible, y casi todas las diferencias de propiedades en este artículo se reducen a eso.

Una consecuencia vale la pena mencionarla al principio, porque es donde la comparación a menudo se maneja mal. Las cifras de resistencia publicadas para estas dos aleaciones se dan por forma y por condición de tratamiento térmico, y la brecha entre ellas cambia enormemente dependiendo de las condiciones que se comparen. Una versión de esta comparación que no indica ninguna condición no se puede utilizar para especificar nada, y por lo tanto, los números a continuación se dan con la condición adjunta.

La aleación 400 es una aleación de solución sólida. El níquel y el cobre son solubles entre sí en todas las proporciones, por lo que el material es monofásico, y la única forma de endurecerlo es mediante trabajo en frío. La aleación K500 toma la misma base y añade aluminio y titanio, lo que permite que la aleación se endurezca por envejecimiento: un ciclo de calentamiento controlado precipita partículas submicroscópicas de Ni₃(Ti, Al) en toda la matriz. La descripción publicada lo expone claramente, que K500 combina la resistencia a la corrosión de 400 con las ventajas añadidas de mayor resistencia y dureza, y que el aumento proviene de esas dos adiciones y el tratamiento de envejecimiento.

Las composiciones difieren exactamente en esos dos elementos más pequeños cambios en los residuales. Todas las demás cifras son cercanas, por eso las dos aleaciones se comportan de manera tan similar en servicio.

El límite de azufre es la línea silenciosa en esa tabla. Es aproximadamente dos veces y media más estricto en K500 que en 400, y la razón es la misma propiedad que hace que la aleación sea fuerte: una vez que el precipitado está en su lugar, hay menos ductilidad disponible para absorber el daño que una inclusión de azufre causa a lo largo del límite de grano.

La comparación publicada afirma que K500 tiene aproximadamente tres veces la resistencia a la fluencia y dos veces la resistencia a la tracción de 400. Esa es una cifra real, y describe un emparejamiento de condiciones. La tabla a continuación compara las dos aleaciones en las condiciones en las que se suministran realmente, en barra y varilla.

Lea esa tabla y la afirmación se resuelve. K500 en la condición recocida es más fuerte que 400 en la condición recocida, aproximadamente 1.2 veces en resistencia a la tracción y aproximadamente 1.4 veces en fluencia, lo que es un margen y no un factor. Acabado en caliente, los dos se superponen casi por completo: los rangos de fluencia son de 276 a 690 MPa para 400 y de 276 a 758 MPa para K500, por lo que una barra acabada en caliente de 400 puede ser tan fuerte como una barra acabada en caliente de K500.

Lo que comparan realmente las cifras publicadas de tres y dos es K500 que ha sido endurecido por envejecimiento frente a 400 en la condición recocida. Esa es una comparación legítima, porque es como las dos aleaciones se compran más a menudo entre sí, pero es una comparación entre dos condiciones en lugar de entre dos aleaciones.

La comparación solo está medio terminada cuando se ha establecido la resistencia. Cuatro costos vienen con ella, y cada uno es una línea en una especificación y no una nota al pie.

La aleación 400 no tiene ninguno de estos costos. Es una solución sólida monofásica que se endurece solo por trabajo en frío, no tiene un paso de envejecimiento que sobrepasar, ninguna contracción a tener en cuenta y ninguna pérdida de soldabilidad en la condición en que se suministra. Donde su resistencia es suficiente, es el material más simple de especificar.

Dos de las diferencias físicas entre estas aleaciones son contraintuitivas, y una de ellas se indica regularmente de forma incorrecta en la literatura del proveedor.

La fila de la temperatura de Curie merece el espacio. La aleación 400 tiene una temperatura de Curie dentro del rango ambiental, y la nota publicada que la acompaña es explícita: el valor se ve afectado por variaciones en la composición química, el rango mostrado es lo que se puede esperar de la producción normal, y por lo tanto, algunas coladas serán magnéticas a temperatura ambiente y otras no. La misma fuente añade que si hay un requisito fuerte para características no magnéticas, se deben considerar otras aleaciones de la familia.

K500 no tiene tal ambigüedad. Su temperatura de Curie se encuentra entre aproximadamente -90 y -134 °C dependiendo de la condición, lo que sitúa la temperatura ambiente muy por encima de ella, y la descripción publicada es que la aleación es virtualmente no magnética incluso a temperaturas bastante bajas. Por lo tanto, en un requisito no magnético, el grado endurecible por envejecimiento es el más seguro de los dos. Eso es lo opuesto a la suposición con la que llegan la mayoría de los compradores, ya que K500 es la aleación más fuerte y la fuerza generalmente se asume que tiene un costo.

Una advertencia de procesamiento pertenece a esa lectura. La fuente publicada señala que el calentamiento puede dejar una película magnética en el exterior de la pieza, porque el aluminio y el cobre pueden oxidarse selectivamente, y que la película se puede quitar con ácido. Por lo tanto, un requisito magnético debe nombrar la condición de la superficie en la orden de compra junto con la aleación.

La posición publicada es que la resistencia a la corrosión de K500 es sustancialmente equivalente a la de 400, con una excepción. En la condición endurecida por envejecimiento, K500 tiene una mayor tendencia a la corrosión bajo tensión en algunos entornos. La palabra sustancialmente está haciendo un trabajo real en esa oración, y la excepción es lo único que un comprador debe verificar antes de elegir la condición envejecida para un servicio húmedo.

Donde los dos están juntos, están juntos en los medios que importan. Ambos se utilizan ampliamente en servicio marino, y ambos muestran tasas de corrosión muy bajas en agua de mar en flujo. Ambos están sujetos a la misma limitación en ese medio: el agua de mar estancada o de movimiento lento induce ataque por grietas y picaduras, y la descripción publicada de K500 señala que puede ocurrir incrustación seguida de picaduras, que se ralentiza después de un ataque inicial bastante rápido. La aleación 400 también es resistente a la corrosión bajo tensión y picaduras en la mayoría de las aguas dulces e industriales, y ofrece una resistencia excepcional al ácido fluorhídrico en todas las concentraciones hasta el punto de ebullición, lo que la misma fuente describe como quizás el comportamiento más resistente de cualquier aleación de ingeniería comúnmente utilizada. También es resistente a una serie de tareas con ácido sulfúrico y clorhídrico en condiciones reductoras.

K500 lleva un dato de corrosión propio que vale la pena conocer, porque se aplica a un servicio donde la resistencia es la razón de la elección. Se describe como resistente a un entorno de gas agrio: después de seis días de inmersión continua en soluciones saturadas de sulfuro de hidrógeno a 3.500 ppm, en valores de pH ácidos y básicos de 1.0 a 11.0, las muestras en U de la lámina envejecida no mostraron agrietamiento. Se formó una escama negra apretada y las muestras midieron 28 a 40 HRC. Esa es la calificación detrás de la aleación en servicio de petróleo y gas agrio, y es una calificación para la condición envejecida.

Solo para un emparejamiento de condiciones, y ese emparejamiento debe indicarse. El K500 que ha sido endurecido por envejecimiento tiene aproximadamente tres veces la resistencia a la fluencia y aproximadamente el doble de la resistencia a la tracción del 400 en la condición recocida, que es la comparación que describen las cifras publicadas. Comparar condiciones similares da una brecha mucho menor: recocido frente a recocido es aproximadamente 1.2 veces en resistencia a la tracción, y en la condición acabada en caliente los dos rangos se superponen.

Dos adiciones de aleación y el tratamiento térmico que permiten. La aleación 400 es una solución sólida de níquel y cobre que es monofásica y solo se puede endurecer por trabajo en frío. La aleación K500 añade entre 2.30 % y 3.15 % de aluminio y entre 0.35 % y 0.85 % de titanio, lo que hace que un tratamiento de envejecimiento controlado precipite partículas submicroscópicas de Ni₃(Ti, Al) a través de la matriz. Todo lo demás se deriva de eso.

Sustancialmente, con una excepción que los datos publicados indican claramente. En la condición endurecida por envejecimiento, K500 tiene una mayor tendencia a la corrosión bajo tensión en algunos entornos. Donde el medio presenta ese riesgo, 400 es la opción más segura a menos que la resistencia sea esencial, y en cualquier caso el medio debe verificarse con los datos publicados antes de fijar la condición.

K500, y por una razón que es fácil de invertir. La temperatura de Curie del 400 se encuentra entre 21 y 49 °C, que abarca el ambiente, y la nota publicada es que algunas coladas serán magnéticas a temperatura ambiente y otras no. K500 tiene una temperatura de Curie entre aproximadamente -90 y -134 °C, muy por debajo del ambiente, y se describe como virtualmente no magnético incluso a temperaturas bastante bajas.

No en la condición endurecida por envejecimiento, y la guía publicada es explícita en que se debe evitar la soldadura de material envejecido debido a la gran reducción de la ductilidad. Donde una junta debe alcanzar la resistencia envejecida, la secuencia es soldar material recocido y luego realizar el tratamiento de envejecimiento. La aleación 400 se puede unir mediante los procesos convencionales en la condición en que se suministra.

Las propiedades se pierden y no se pueden recuperar envejeciendo de nuevo. El material sobre-envejecido tiene propiedades mecánicas inferiores al material correctamente envejecido, y para fortalecerlo, la pieza debe recocerse en solución a 1,800 a 1,900 °F para redisolver el precipitado y luego volver a envejecerse. Todo el beneficio de cualquier trabajo en frío se pierde en ese recocido, por lo que el mejor resultado disponible después es la cifra recocida y envejecida.

Monel K500 es Monel 400 con adición de aluminio y titanio y un tratamiento de envejecimiento aplicado. Eso le da aproximadamente tres veces la resistencia a la fluencia y el doble de la resistencia a la tracción del 400 recocido, y quita cuatro cosas: ductilidad, algo de resistencia a la corrosión bajo tensión en la condición envejecida, soldabilidad en esa condición y la simplicidad de un material sin paso de proceso irreversible. Entre esas dos posiciones, las diferencias físicas son pequeñas, excepto en dos lugares: 400 conduce mejor el calor aproximadamente un 28 %, y K500 es el más confiablemente no magnético a temperatura ambiente porque su temperatura de Curie se sitúa muy por debajo del ambiente mientras que la de 400 se sitúa dentro de él.

Ambas aleaciones se suministran desde Changzhou, Jiangsu, en barra, alambre, fleje, placa y tubo, en las formas y condiciones que describen los rangos publicados anteriormente. La planta cuenta con certificación ISO 9001 y es auditada por SGS. Envíe el medio de servicio, la resistencia requerida y la secuencia de fabricación, y la elección entre los dos se deriva de esas tres respuestas.

1. Boletín técnico de Special Metals SMC-053, aleación de níquel-cobre MONEL 400. Fuente de los límites de composición, la densidad y el rango de fusión, el módulo y el coeficiente de Poisson, la temperatura de Curie y la nota de que abarca el ambiente, por lo que algunas coladas son magnéticas a temperatura ambiente, los rangos de propiedades mecánicas por forma y condición, la afirmación de que la aleación es una solución sólida monofásica endurecible solo por trabajo en frío, el límite de 1,000 °F en atmósferas oxidantes y el comportamiento de corrosión en agua de mar, agua dulce y ácido fluorhídrico.
2. Boletín técnico de Special Metals SMC-062, aleación MONEL K-500. Fuente de los rangos de aluminio y titanio, los límites residuales más estrictos, la descripción de la aleación como que combina la resistencia a la corrosión de 400 con mayor resistencia y dureza a través de la precipitación de Ni₃(Ti, Al), los rangos de propiedades mecánicas por forma y condición, la densidad, las características magnéticas y las temperaturas de Curie por condición, la película superficial magnética y su eliminación, la equivalencia de corrosión y la excepción de corrosión bajo tensión en la condición envejecida, los datos de gas agrio, la nota de velocidad del agua de mar y la contracción por envejecimiento.
3. El mismo boletín, sobre uniones. Fuente de la afirmación de que se debe evitar la soldadura de material envejecido debido a la gran reducción de la ductilidad, y que los tratamientos de envejecimiento se realizan después de soldar material recocido donde la junta debe alcanzar la resistencia envejecida.
4. El mismo boletín, sobre tratamiento térmico y mecanizado. Fuente del comportamiento de sobre-envejecimiento, el requisito de recocer en solución a 1,800 a 1,900 °F y volver a envejecer, la pérdida de todo el beneficio del trabajo en frío en ese recocido, la cifra recocida y envejecida como la más alta disponible después, y la práctica de mecanizar sobredimensionado, endurecer por envejecimiento y terminar a medida.
5. El mismo boletín, sobre los rangos de propiedades nominales publicadas. Fuente de la advertencia de que los rangos son compuestos para varios tamaños de producto y no son adecuados para fines de especificación.
6. UNS N04400 y N05500 según lo publicado para estas dos aleaciones. Fuente de los identificadores utilizados en la tabla de composición.
7. Registros de entrega en poder de DLX Alloy que cubren ambos grados. Fuente de las formas del producto y las condiciones en las que se ofrecen.

Cada cifra anterior es un valor publicado para el producto estándar, y varias de ellas son compuestos que abarcan una gama de tamaños y temple. No son adecuados para fines de especificación. La condición es parte de la especificación en ambas aleaciones, por lo que una orden de compra que nombra la aleación sin nombrar el temple no describe el material que se está comprando. La aceptación se basa en el certificado de prueba del molino para la colada suministrada.