Descrição pormenorizada das vantagens e áreas de aplicação únicas da liga Monel

Monel é um nome comercial para uma família de ligas de níquel-cobre e não o nome de um único material, e os dados publicados para a família mostram o quanto essa distinção vale. As classes em fornecimento geral compartilham uma química base e atingem sua resistência por três rotas diferentes, e a escolha entre elas move a resistência à tração em mais da metade, decide se uma peça é confiavelmente não magnética à temperatura ambiente e define quantos passos térmicos um fabricante tem que agendar.

Os membros são a liga MONEL 400, a liga K-500 e a liga R-405. A liga 400 é publicada como uma liga de solução sólida que só pode ser endurecida por trabalho a frio. A K-500 é publicada como combinando a resistência à corrosão da liga 400 com maior resistência e dureza, obtidas pela adição de alumínio e titânio à base de níquel-cobre e aquecimento do material sob condições controladas para que partículas submicroscópicas de Ni3(Ti, Al) precipitem em toda a matriz, um tratamento que o produtor chama de endurecimento por envelhecimento. A R-405 é a versão de usinagem livre da liga 400, e as constantes físicas publicadas para a liga 400 são declaradas como aplicáveis a ela também.

O que se segue é a família como um comprador a encontra: as designações, a química que separa as classes, a resistência que pode ser comprada em cada forma, seis vantagens que vêm com números publicados, as indústrias que compram cada classe e os deveres onde uma liga de níquel-cobre é a resposta errada.

As designações são a primeira coisa a resolver. Monel é uma marca registrada do grupo produtor que desenvolveu as ligas, e um desenho ou uma consulta que carrega apenas o nome comercial deixa a especificação aberta. O número UNS é o identificador que acompanha uma ordem de compra, e nesta família ele também carrega a rota de endurecimento, pois as três classes são três materiais diferentes e não três temperamentos de um.

Duas consequências seguem dessa tabela antes que qualquer propriedade seja comparada. Um requisito para resistência máxima nesta família não pode ser atendido pela liga 400, pois o mecanismo que a forneceria está ausente da liga. Um requisito para uma rota simples de estoque para peça acabada é atendido mais facilmente pela liga 400, pois é o membro sem passo térmico após a conformação.

A liga 400 é uma liga binária de solução sólida. Níquel e cobre são mutuamente solúveis em todas as proporções, de modo que a estrutura é monofásica com uma rede cúbica de face centrada e um parâmetro de rede de 3,534 angstroms, e não há segunda fase para precipitar. A K-500 mantém essa matriz e adiciona dois elementos que precipitam, que é toda a diferença metalúrgica entre as duas classes principais. Os limites abaixo são os limites de especificação, e as duas linhas na parte inferior da tabela existem apenas na K-500.

Um requisito de fabricação segue da química e não de um desenho de oficina. O enxofre prejudica esta família em alta temperatura, e a prática de recozimento publicada para a liga 400, portanto, requer uma atmosfera redutora livre de enxofre. Lápis de marcação e graxa, bem como alguns materiais refratários, devem ser mantidos longe de uma peça que vai para um forno, o que é uma regra que vem diretamente de um limite de composição.

As faixas publicadas são compostas para vários tamanhos de produto e, nas palavras do produtor, não são adequadas para fins de especificação. Elas são úteis para o propósito oposto, que é mostrar a um comprador o que é alcançável em uma determinada forma e quanta da dispersão de resistência da família vem da forma e não da classe.

Leia as últimas quatro linhas e a família chega a uma forma. A liga 400 atinge o pico na região de 965 MPa em tira com temperamento de mola, e a K-500 continua além de 1.500 MPa na mesma forma após o envelhecimento, o que é mais da metade. A extremidade distante só é alcançável através da reação de precipitação, e a extremidade próxima é alcançável sem um forno.

A família é escolhida primeiro pelo que ela não faz em cloretos e em ácidos redutores. A liga 400 mostra taxas de corrosão muito baixas em água do mar corrente, oferece resistência excepcional ao ácido fluorídrico em todas as concentrações até o ponto de ebulição, o que o produtor descreve como talvez a mais resistente de todas as ligas de engenharia comumente usadas, e resiste a muitas formas de ácido sulfúrico e clorídrico sob condições redutoras. O limite é publicado no mesmo documento: a liga é útil em temperaturas até e incluindo 1.000 °F em atmosferas oxidantes, com temperaturas mais altas disponíveis em um ambiente redutor. Um ácido fortemente oxidante é uma seleção diferente e pertence a uma classe com teor de cromo.

Dois detalhes separam as classes dentro desse envelope. A liga 400 resiste ao ataque em frestas na maioria das águas doces e industriais, mas a água do mar estagnada mostrou induzir corrosão em frestas e pites, de modo que as baixas taxas citadas para água do mar são taxas para água em movimento. A K-500 é publicada como substancialmente equivalente à liga 400 em resistência à corrosão, com uma qualificação: na condição envelhecida, ela tem uma maior tendência à corrosão por fadiga sob tensão em alguns ambientes. A qualificação é testável e foi testada. Espécimes em U de chapa envelhecida sobreviveram seis dias de imersão contínua em soluções saturadas de sulfeto de hidrogênio a 3.500 ppm em valores de pH de 1,0 a 11,0 sem rachaduras, em durezas de 28 a 40 na escala Rockwell C.

Os dois mecanismos não são intercambiáveis e não são aditivos da maneira que um comprador poderia esperar. Na liga 400, a única rota é o trabalho a frio, de modo que a resistência que chega é definida pelo temperamento especificado e pela quantidade de deformação que a usina aplicou. Na K-500, a reação de precipitação fornece a maior parte da resistência e o trabalho a frio fornece o resto, razão pela qual a condição mais forte publicada é trefilada a frio e depois envelhecida, uma combinação de ambos os tratamentos.

O envelhecimento também tem um modo de falha que vale a pena conhecer antes que a ordem de compra seja colocada. Material aquecido por qualquer tempo apreciável entre 1.100 °F e 1.400 °F é superenvelhecido em um grau que depende do tempo e da temperatura, e material superenvelhecido tem propriedades mecânicas inferiores ao metal adequadamente envelhecido. Essas propriedades não podem ser recuperadas por envelhecimento novamente. A única rota de volta é um recozimento em solução a 1.800 a 1.900 °F para redissolver os constituintes de endurecimento por envelhecimento, seguido por um novo tratamento de envelhecimento, e todo o benefício de qualquer trabalho a frio é perdido nesse recozimento.

Esta é a vantagem que mais claramente separa a família dos aços, e ela se comporta na direção que a maioria dos engenheiros não espera. Liga 400 forjada testada a 70 °F atinge 92,00 ksi de resistência à tração com 31,0 por cento de alongamento; o mesmo material a -297 °F atinge 128,25 ksi com 44,5 por cento de alongamento; e a -423 °F atinge 142,00 ksi com 38,5 por cento de alongamento. A resistência aumenta e a ductilidade se mantém. Valores Charpy V-notch em chapa com acabamento a quente a -423 °F são publicados como uma faixa de 141 a 219 ft·lb longitudinais, e nenhum espécime no programa de impacto mostrou fratura frágil.

A K-500 é publicada nos mesmos termos: as resistências à tração e ao escoamento aumentam à medida que a temperatura cai, enquanto a ductilidade e a tenacidade são virtualmente inalteradas, e nenhuma transformação dúctil-brilhante ocorre mesmo à temperatura do hidrogênio líquido. Chapa soldada testada a -423 °F retornou 200 ksi de tração, 136 ksi de escoamento e 28 por cento de alongamento com uma eficiência de junta de 95 por cento em relação à chapa mãe.

A liga 400 é frequentemente descrita como não magnética, e as constantes publicadas não suportam isso como uma declaração incondicional. Sua temperatura Curie é dada como uma faixa de 70 a 120 °F, que é 21 a 49 °C, e o boletim observa que essa faixa está dentro da faixa ambiente e é afetada por variações na composição química. Algumas ligas são, portanto, magnéticas à temperatura ambiente e outras não, e a direção publicada é explícita: onde há um forte requisito para características não magnéticas, outras ligas MONEL devem ser consideradas.

A K-500 é o membro da família que responde a esse requisito. Valores de permeabilidade publicados variam de 1,0011 para material recozido e temperado a 1,0019 para material trefilado a frio e envelhecido a 200 oersteds, com temperaturas Curie para uma permeabilidade de 1,01 entre -210 °F e -130 °F, que é 50 a 80 graus abaixo de zero na escala Celsius. A liga é descrita como virtualmente não magnética mesmo em temperaturas bastante baixas. Uma cautela de processamento acompanha a propriedade: alumínio e cobre podem ser seletivamente oxidados durante o aquecimento, deixando uma película rica em níquel magnética na superfície, um efeito mais notável em fios finos e tiras onde a relação superfície-peso é alta. A película é removida por decapagem ou imersão brilhante, e as propriedades não magnéticas são restauradas.

A resistividade elétrica a 21 °C é publicada como 0,511 micro-ohm metro para a liga 400 e 0,615 para a K-500, em material em uma condição equivalente a recozido com uma pequena quantidade de endurecimento por envelhecimento. A condutividade térmica na mesma temperatura é de 22,0 W/m·K para a liga 400 e 17,2 W/m·K para a K-500. Nenhum desses valores é um substituto para o cobre, e o uso correto da família em trabalhos elétricos é onde a resistência à corrosão e uma resistência estável importam mais do que a eficiência de condução, nos componentes elétricos e eletrônicos e nos sensores que ambos os boletins listam entre suas aplicações. Uma cautela se aplica ao valor da K-500: sua resistividade é marcadamente influenciada pela história térmica, que é uma consequência direta das características de endurecimento por envelhecimento da liga, portanto, a condição deve ser declarada com o número.

A K-500 é publicada como tendo estabilidade dimensional excepcionalmente boa, em testes de longa duração e em testes cíclicos, e essa propriedade é a razão declarada para seu uso em dispositivos de alta precisão, como giroscópios. O número que um projetista precisa com ela é o que descreve o que acontece durante o tratamento térmico: o endurecimento por envelhecimento causa uma contração volumétrica inicial, e uma barra recozida contraiu 2,5 × 10⁻⁴ polegadas por polegada durante o envelhecimento. Uma peça acabada usinada que é envelhecida depois, portanto, chega subdimensionada, razão pela qual a orientação de fabricação publicada para trabalho de precisão é usinar superdimensionado, envelhecer e depois acabar para o tamanho.

As constantes abaixo são publicadas para as duas classes principais e são as que entram em um cálculo de projeto. Duas linhas na tabela têm mais peso que as outras. Densidade e faixa de fusão mal separam as classes, enquanto a linha magnética as separa completamente à temperatura ambiente, e a temperatura Curie é a linha que é mais frequentemente omitida em uma comparação.

Os dois boletins publicam suas próprias listas de aplicações, e as listas são o caminho mais curto para saber qual classe uma determinada indústria realmente compra. As razões na coluna da direita são as que o produtor dá, não uma inferência das peças.

Uma página de família que lista apenas vantagens não é útil para um projetista, portanto, os limites pertencem à mesma página que as resistências. Cada linha abaixo é uma condição que os dados publicados excluem ou qualificam, e não uma reserva geral sobre o material.

K-500, e a razão é a temperatura Curie publicada e não a palavra não magnética. A liga 400 tem uma temperatura Curie entre 21 °C e 49 °C, que abrange a temperatura ambiente comum, e o produtor afirma que algumas ligas serão magnéticas à temperatura ambiente e outras não, e direciona um forte requisito não magnético para outra liga MONEL. A K-500 é publicada com permeabilidade de 1,0019 ou inferior, com a temperatura Curie para uma permeabilidade de 1,01 entre -134 °C e -90 °C. Uma película magnética superficial ainda pode se formar em fios finos e tiras durante o aquecimento, e a decapagem ou imersão brilhante a remove.

Não. A liga é publicada como uma liga de solução sólida que só pode ser endurecida por trabalho a frio, e não há tratamento de envelhecimento na família para ela. Os tratamentos térmicos que existem fazem o trabalho oposto: o recozimento amolece o material trabalhado a frio, e o alívio de tensões ou equalização de tensões reduz as tensões residuais. Um desenho que pede liga 400 em uma condição envelhecida está pedindo um tratamento que não existe, e a classe que tem um é a K-500.

Não, e a declaração aparece em descrições circuladas da liga, então vale a pena corrigir precisamente. O mecanismo de fortalecimento publicado para a K-500 é a precipitação de partículas submicroscópicas de Ni3(Ti, Al) em toda a matriz quando a liga é aquecida sob condições controladas. Essa é uma reação de endurecimento por precipitação, e suas consequências são maior resistência e dureza, menor permeabilidade magnética e uma pequena contração durante o envelhecimento. Memória de forma, que é a capacidade de um material retornar a uma forma previamente definida com uma mudança de temperatura, é uma propriedade de ligas de níquel-titânio quase equiatômicas e não de uma classe de níquel-cobre com adições de alumínio e titânio. Uma especificação escrita na expectativa de um efeito de memória é escrita na propriedade errada.

A liga 400 é o caso mais simples, pois não tem tratamento térmico para proteger e seus consumíveis de soldagem são da mesma família de enchimentos de níquel-cobre. A K-500 precisa de uma sequência. A soldagem é melhor feita pelo processo de arco de tungstênio a gás, o metal de enchimento MONEL 60 é o consumível usual, e a qualificação publicada importante é que as soldas feitas dessa forma não são endurecíveis por envelhecimento e, portanto, não têm resistência correspondente ao metal base endurecido. Onde uma junta deve corresponder ao metal base envelhecido, um metal de enchimento de composição correspondente depositado, com o tratamento de envelhecimento realizado após a soldagem de material recozido, é a rota publicada. Soldas de material recozido podem ser levadas à resistência do metal base envelhecido sem perda significativa de ductilidade.

Quase nada, com uma qualificação que se aplica à condição envelhecida. O produtor publica a resistência à corrosão da K-500 como substancialmente equivalente à da liga 400, exceto que na condição envelhecida a liga tem uma maior tendência à corrosão por fadiga sob tensão em alguns ambientes. Essa qualificação foi testada contra gás ácido: espécimes em U de chapa envelhecida não mostraram rachaduras após seis dias de imersão contínua em soluções saturadas de sulfeto de hidrogênio a 3.500 ppm, em valores de pH de 1,0 a 11,0, em durezas de 28 a 40 na escala Rockwell C. A regra prática é que uma substituição de K-500 é verificada contra o meio específico e o estado de tensão específico, e não contra o nome da família.

Não pelo nome da família, e as três classes falham por três razões diferentes. A liga 400 não pode atingir a resistência da K-500 em nenhuma condição, então uma substituição nessa direção é limitada pelo mecanismo e não pela usina. A K-500 na condição envelhecida é um caso de corrosão diferente em alguns ambientes, e também traz um passo térmico e uma contração para uma sequência de fabricação que pode não ter espaço para nenhum deles. A R-405 difere novamente, pois sua usinabilidade vem de um maior teor de enxofre. Os dados publicados suportam uma substituição e é uma estreita: onde o dever é um cloreto ou um ácido redutor e nenhum passo térmico é desejado, a liga 400 faz o trabalho para o qual a K-500 foi especificada, e o inverso não é verdadeiro.

A família Monel é composta por três classes de níquel-cobre com uma matriz e três rotas de fortalecimento. A liga 400 é UNS N04400, uma solução sólida monofásica com um parâmetro de rede de 3,534 angstroms que endurece apenas por trabalho a frio, útil até 1.000 °F em atmosferas oxidantes, excepcional contra ácido fluorídrico em todas as concentrações até o ponto de ebulição