Monel K500 vs Monel 400: Quanto Custa a Resistência Extra

Monel K500 e Monel 400 compartilham a mesma base: aproximadamente duas partes de níquel para uma parte de cobre, com o mesmo caráter de corrosão e a mesma matriz cúbica de face centrada. Nenhuma das ligas é uma superliga endurecida por precipitação, e nenhuma é escolhida para o topo de uma faixa de temperatura. A diferença entre elas são duas adições de liga e o tratamento térmico que essas adições possibilitam, e quase toda diferença de propriedade neste artigo volta a isso.

Uma consequência vale a pena ser declarada no início, pois é onde a comparação é mais frequentemente mal interpretada. Os valores de resistência publicados para essas duas ligas são dados por forma e por condição de tratamento térmico, e a lacuna entre eles muda enormemente dependendo de quais condições estão sendo comparadas. Uma versão desta comparação que não declara nenhuma condição não pode ser usada para especificar nada, e os números abaixo são, portanto, dados com a condição anexada.

A Liga 400 é uma liga de solução sólida. Níquel e cobre são solúveis um no outro em todas as proporções, então o material é monofásico, e a única maneira de endurecê-lo é por trabalho a frio. A Liga K500 usa a mesma base e adiciona alumínio e titânio, o que permite que a liga seja endurecida por envelhecimento: um ciclo de aquecimento controlado precipita partículas submicroscópicas de Ni₃(Ti, Al) por toda a matriz. A descrição publicada afirma claramente que a K500 combina a resistência à corrosão da 400 com as vantagens adicionais de maior resistência e dureza, e que o aumento vem dessas duas adições e do tratamento de envelhecimento.

As composições diferem exatamente nesses dois elementos, mais pequenas variações nos residuais. Todos os outros valores são próximos, razão pela qual as duas ligas se comportam de forma tão semelhante em serviço.

O limite de enxofre é a linha silenciosa nessa tabela. É aproximadamente duas vezes e meia mais apertado em K500 do que em 400, e a razão é a mesma propriedade que torna a liga forte: uma vez que o precipitado está no lugar, há menos ductilidade disponível para absorver o dano que uma inclusão de enxofre causa ao longo de uma linha de grão.

A comparação publicada afirma que a K500 tem aproximadamente três vezes a resistência ao escoamento e duas vezes a resistência à tração da 400. Esse é um valor real, e descreve um par de condições. A tabela abaixo compara as duas ligas nas condições em que cada uma é realmente fornecida, em barra e vergalhão.

Leia essa tabela e a afirmação se resolve. A K500 na condição recozida é mais forte que a 400 na condição recozida, por cerca de 1,2 vezes na resistência à tração e cerca de 1,4 vezes na resistência ao escoamento, o que é uma margem e não um fator. Laminado a quente, as duas se sobrepõem quase completamente: as faixas de escoamento são de 276 a 690 MPa para a 400 e de 276 a 758 MPa para a K500, então uma barra laminada a quente de 400 pode ser tão forte quanto uma barra laminada a quente de K500.

O que os números publicados de três e dois comparam é a K500 que foi endurecida por envelhecimento contra a 400 na condição recozida. Essa é uma comparação legítima, pois é como as duas ligas são mais frequentemente comparadas, mas é uma comparação entre duas condições em vez de entre duas ligas.

A comparação está apenas meio concluída quando a resistência foi estabelecida. Quatro custos vêm com ela, e cada um é uma linha em uma especificação e não uma nota de rodapé.

A Liga 400 não tem nenhum desses custos. É uma solução sólida monofásica que endurece apenas por trabalho a frio, não tem etapa de envelhecimento para ultrapassar, nenhuma contração a ser considerada e nenhuma perda de soldabilidade na condição em que é fornecida. Onde sua resistência é suficiente, é o material mais simples de especificar.

Duas das diferenças físicas entre essas ligas são contraintuitivas, e uma delas é regularmente declarada incorretamente na literatura do fornecedor.

A linha de temperatura Curie merece o espaço. A Liga 400 tem uma temperatura Curie dentro da faixa ambiente, e a nota publicada que a acompanha é explícita: o valor é afetado por variações na composição química, a faixa mostrada é o que a produção normal pode se esperar dar, e, portanto, alguns lotes serão magnéticos à temperatura ambiente e outros não. A mesma fonte acrescenta que, se houver um forte requisito para características não magnéticas, outras ligas da família devem ser consideradas.

K500 não tem tal ambiguidade. Sua temperatura Curie fica entre cerca de −90 e −134 °C, dependendo da condição, o que coloca a temperatura ambiente bem acima dela, e a descrição publicada é que a liga é virtualmente não magnética mesmo em temperaturas bastante baixas. Portanto, em um requisito não magnético, a classe endurecível por envelhecimento é a mais segura das duas. Isso é o oposto da suposição com que a maioria dos compradores chega, já que K500 é a liga mais forte e a força é geralmente assumida como tendo um custo.

Uma ressalva de processamento pertence a essa leitura. A fonte publicada observa que o aquecimento pode deixar uma película magnética na parte externa da peça, pois alumínio e cobre podem oxidar seletivamente, e que a película pode ser removida em ácido. Um requisito magnético deve, portanto, nomear a condição da superfície na ordem de compra ao lado da liga.

A posição publicada é que a resistência à corrosão da K500 é substancialmente equivalente à da 400, com uma exceção. Na condição endurecida por envelhecimento, a K500 tem uma maior tendência à corrosão sob tensão em alguns ambientes. A palavra substancialmente está fazendo um trabalho real nessa frase, e a exceção é a única coisa que um comprador precisa verificar antes de escolher a condição envelhecida para um serviço úmido.

Onde as duas estão juntas, elas estão juntas nos meios que importam. Ambas são amplamente utilizadas em serviço marinho, e ambas mostram taxas de corrosão muito baixas em água do mar corrente. Ambas estão sujeitas à mesma limitação nesse meio: água do mar estagnada ou de movimento lento induz ataque por frestas e pites, e a descrição publicada da K500 observa que pode ocorrer incrustação seguida de pites, que diminui após um ataque inicial bastante rápido. A Liga 400 também é resistente à corrosão sob tensão e pites na maioria das águas doces e industriais, e oferece resistência excepcional ao ácido fluorídrico em todas as concentrações até o ponto de ebulição, o que a mesma fonte descreve como talvez o comportamento mais resistente de qualquer liga de engenharia comumente usada. Também é resistente a uma série de aplicações de ácido sulfúrico e clorídrico sob condições redutoras.

K500 carrega um dado de corrosão próprio que vale a pena saber, pois se aplica a um serviço onde a resistência é a razão da escolha. É descrita como resistente a um ambiente de gás ácido: após seis dias de imersão contínua em soluções saturadas de sulfeto de hidrogênio a 3.500 ppm, em valores de pH ácido e básico de 1,0 a 11,0, espécimes em U de chapa endurecida por envelhecimento não apresentaram trincas. Uma crosta preta apertada se formou e os espécimes mediram 28 a 40 HRC. Essa é a qualificação por trás da liga em serviço de petróleo e gás ácido, e é uma qualificação para a condição envelhecida.

Apenas para um par de condições, e esse par tem que ser declarado. K500 que foi endurecida por envelhecimento tem cerca de três vezes a resistência ao escoamento e cerca de duas vezes a resistência à tração da 400 na condição recozida, que é a comparação que os números publicados descrevem. Comparar condições semelhantes dá uma lacuna muito menor: recozido contra recozido é cerca de 1,2 vezes na resistência à tração, e na condição laminada a quente as duas faixas se sobrepõem.

Duas adições de liga e o tratamento térmico que elas permitem. A Liga 400 é uma solução sólida de níquel e cobre que é monofásica e só pode ser endurecida por trabalho a frio. A Liga K500 adiciona entre 2,30 % e 3,15 % de alumínio e entre 0,35 % e 0,85 % de titânio, o que faz com que um tratamento de envelhecimento controlado precipite partículas submicroscópicas de Ni₃(Ti, Al) através da matriz. Todo o resto decorre disso.

Substancialmente, com uma exceção que os dados publicados declaram claramente. Na condição endurecida por envelhecimento, K500 tem uma maior tendência à corrosão sob tensão em alguns ambientes. Onde o meio carrega esse risco, 400 é a escolha mais segura, a menos que a resistência seja essencial, e de qualquer forma o meio deve ser verificado contra dados publicados antes que a condição seja fixada.

K500, e por uma razão que é fácil de inverter. A temperatura Curie da 400 fica entre 21 e 49 °C, que abrange o ambiente, e a nota publicada é que alguns lotes serão magnéticos à temperatura ambiente e outros não. K500 tem uma temperatura Curie entre cerca de −90 e −134 °C, bem abaixo do ambiente, e é descrita como virtualmente não magnética mesmo em temperaturas bastante baixas.

Não na condição endurecida por envelhecimento, e a orientação publicada é explícita que a soldagem de material endurecido por envelhecimento deve ser evitada devido à ductilidade muito reduzida. Onde uma junta precisa atingir a resistência envelhecida, a sequência é soldar material recozido e depois realizar o tratamento de envelhecimento. A Liga 400 pode ser unida pelos processos convencionais na condição em que é fornecida.

As propriedades são perdidas e não podem ser recuperadas por envelhecimento novamente. Material envelhecido em excesso tem propriedades mecânicas inferiores ao material devidamente envelhecido, e para fortalecê-lo a peça deve ser recozida em solução a 1.800 a 1.900 °F para redissolver o precipitado e depois reenvelhecida. Todo o benefício de qualquer trabalho a frio é perdido nesse recozimento, então o melhor resultado disponível depois é o valor recozido e envelhecido.

Monel K500 é Monel 400 com alumínio e titânio adicionados e um tratamento de envelhecimento aplicado. Isso lhe confere cerca de três vezes a resistência ao escoamento e o dobro da resistência à tração da 400 recozida, e retira quatro coisas: ductilidade, alguma resistência à corrosão sob tensão na condição envelhecida, soldabilidade nessa condição e a simplicidade de um material sem etapa de processo irreversível. Entre essas duas posições, as diferenças físicas são pequenas, exceto em dois lugares: 400 conduz calor melhor em cerca de 28 %, e K500 é mais confiavelmente não magnético à temperatura ambiente porque sua temperatura Curie fica bem abaixo do ambiente, enquanto a da 400 fica dentro dele.

Ambas as ligas são fornecidas de Changzhou, Jiangsu, em barra, fio, tira, chapa e tubo, nas formas e condições que as faixas publicadas acima descrevem. A fábrica possui certificação ISO 9001 e é auditada pela SGS. Envie o meio de serviço, a resistência necessária e a sequência de fabricação, e a escolha entre os dois decorre dessas três respostas.

1. Boletim técnico da Special Metals SMC-053, MONEL liga de níquel-cobre 400. Fonte para os limites de composição, a densidade e faixa de fusão, o módulo e a razão de Poisson, a temperatura Curie e a nota de que abrange o ambiente, de modo que alguns lotes são magnéticos à temperatura ambiente, as faixas de propriedades mecânicas por forma e condição, a afirmação de que a liga é uma solução sólida monofásica endurecível apenas por trabalho a frio, o limite de 1.000 °F em atmosferas oxidantes e o comportamento de corrosão em água do mar, água doce e ácido fluorídrico.
2. Boletim técnico da Special Metals SMC-062, liga MONEL K-500. Fonte para as faixas de alumínio e titânio, os limites residuais mais apertados, a descrição da liga como combinando a resistência à corrosão da 400 com maior resistência e dureza através da precipitação de Ni₃(Ti, Al), as faixas de propriedades mecânicas por forma e condição, a densidade, as características magnéticas e temperaturas Curie por condição, a película superficial magnética e sua remoção, a equivalência de corrosão e a exceção de corrosão sob tensão na condição envelhecida, os dados de gás ácido, a nota de velocidade da água do mar e a contração de envelhecimento.
3. O mesmo boletim, sobre junção. Fonte para a afirmação de que a soldagem de material endurecido por envelhecimento deve ser evitada devido à ductilidade muito reduzida, e que os tratamentos de envelhecimento são realizados após a soldagem de material recozido onde a junta precisa atingir a resistência envelhecida.
4. O mesmo boletim, sobre tratamento térmico e usinagem. Fonte para o comportamento de envelhecimento excessivo, a necessidade de recozimento em solução a 1.800 a 1.900 °F e reenvelhecimento, a perda de todo o benefício do trabalho a frio nesse recozimento, o valor recozido e envelhecido sendo o mais alto disponível depois, e a prática de usinar superdimensionado, endurecer por envelhecimento e finalizar para o tamanho.
5. O mesmo boletim, sobre as faixas nominais de propriedades publicadas. Fonte para a cautela de que as faixas são compostas para vários tamanhos de produto e não são adequadas para fins de especificação.
6. UNS N04400 e N05500 conforme publicado para essas duas ligas. Fonte para os identificadores usados na tabela de composição.
7. Registros de entrega mantidos para DLX Alloy cobrindo ambas as classes. Fonte para as formas de produto e as condições em que são oferecidas.

Cada valor acima é um valor publicado para o produto padrão, e vários deles são compostos que abrangem uma variedade de tamanhos e temperamentos. Eles não são adequados para fins de especificação. A condição é parte da especificação em ambas as ligas, portanto, uma ordem de compra que nomeia a liga sem nomear o temperamento não descreve o material que está sendo comprado. A aceitação depende do certificado de teste de laminação para o lote fornecido.