Description détaillée des avantages uniques et des domaines d'application de l'alliage Monel

Monel est le nom commercial d'une famille d'alliages nickel-cuivre et non le nom d'un seul matériau, et les données publiées pour cette famille montrent à quel point cette distinction vaut. Les qualités généralement fournies partagent une chimie de base et atteignent leur résistance par trois voies différentes, et le choix entre elles déplace la résistance à la traction de plus de moitié, décide si une pièce est fiable ou non magnétique à température ambiante et définit le nombre d'étapes thermiques qu'un fabricant doit programmer.

Les membres sont l'alliage MONEL 400, l'alliage K-500 et l'alliage R-405. L'alliage 400 est publié comme un alliage en solution solide qui ne peut être durci que par écrouissage. Le K-500 est publié comme combinant la résistance à la corrosion de l'alliage 400 avec une résistance et une dureté supérieures, obtenues en ajoutant de l'aluminium et du titane à la base de nickel-cuivre et en chauffant le matériau dans des conditions contrôlées afin que les particules submicroscopiques de Ni3(Ti, Al) précipitent dans toute la matrice, un traitement que le producteur appelle durcissement par vieillissement. Le R-405 est la version d'usinage libre de l'alliage 400, et les constantes physiques publiées pour l'alliage 400 s'appliquent également à celui-ci.

Ce qui suit est la famille telle qu'elle est rencontrée par l'acheteur : les désignations, la chimie qui sépare les qualités, la résistance qui peut être achetée sous chaque forme, les six avantages qui accompagnent les numéros publiés, les industries qui achètent chaque qualité et les tâches pour lesquelles un alliage nickel-cuivre n'est pas la bonne réponse.

Les désignations sont la première chose à régler. Monel est une marque commerciale du groupe de producteurs qui a développé les alliages, et un dessin ou une demande portant uniquement le nom commercial laisse la spécification ouverte. Le numéro UNS est l'identifiant qui accompagne un bon de commande et, dans cette famille, il porte également le parcours de trempe, car les trois qualités sont trois matériaux différents et non trois états d'une seule.

Deux conséquences découlent de ce tableau avant qu’une propriété ne soit comparée. L'exigence de résistance maximale dans cette famille ne peut pas du tout être satisfaite par l'alliage 400, car le mécanisme qui la fournirait est absent de l'alliage. L'alliage 400 répond plus facilement à l'exigence d'un trajet simple depuis le stock jusqu'à la pièce finie, car il s'agit de l'élément sans étape thermique après le formage.

L'alliage 400 est un alliage binaire en solution solide. Le nickel et le cuivre sont mutuellement solubles dans toutes proportions, de sorte que la structure est monophasée avec un réseau cubique à faces centrées et un paramètre de réseau de 3,534 angström, et il n'y a pas de seconde phase à précipiter. Le K-500 conserve cette matrice et ajoute deux éléments qui précipitent, ce qui représente toute la différence métallurgique entre les deux nuances principales. Les limites ci-dessous sont les limites de spécification et les deux lignes en bas du tableau n'existent qu'en K-500.

Une exigence de fabrication découle de la chimie et non d’un dessin d’atelier. Le soufre endommage cette famille à haute température, et la pratique de recuit publiée pour l'alliage 400 nécessite donc une atmosphère réductrice sans soufre. Les crayons de marquage et les graisses, ainsi que certains matériaux réfractaires, doivent être tenus à l'écart d'une pièce entrant dans un four, ce qui est une règle qui découle directement d'une limite de composition.

Les gammes publiées sont des composites destinés à différentes tailles de produits et, selon les propres mots du producteur, elles ne conviennent pas à des fins de spécification. Ils sont utiles dans le but opposé, qui est de montrer à un acheteur ce qui est réalisable sous une forme donnée et dans quelle mesure la force de la famille provient de la forme et non de la qualité.

Lisez les quatre dernières lignes et la famille arrive à une forme. L'alliage 400 atteint une température maximale de l'ordre de 965 MPa lors de l'état du ressort en bande, et le K-500 continue au-delà de 1 500 MPa sous la même forme après vieillissement, soit plus de la moitié. L'extrémité la plus éloignée n'est accessible que par la réaction de précipitation, et l'extrémité la plus proche est accessible sans four.

La famille est choisie d'abord pour ce qu'elle fait pas en chlorures et en acides réducteurs. L'alliage 400 présente des taux de corrosion très faibles dans l'eau de mer courante, offre une résistance exceptionnelle à l'acide fluorhydrique dans toutes les concentrations jusqu'au point d'ébullition, que le producteur décrit comme peut-être le plus résistant de tous les alliages techniques couramment utilisés, et résiste à de nombreuses formes d'acide sulfurique et chlorhydrique dans des conditions réductrices. La limite est publiée dans le même document : l'alliage est utile à des températures allant jusqu'à 1 000 °F inclus dans des atmosphères oxydantes, avec des températures plus élevées disponibles dans un environnement réducteur. Un acide fortement oxydant est une sélection différente et appartient à une qualité contenant du chrome.

Deux détails séparent les notes à l'intérieur de cette enveloppe. L'alliage 400 résiste aux attaques de crevasses dans la plupart des eaux douces et industrielles, mais il a été démontré que l'eau de mer stagnante provoque une corrosion par crevasses et par piqûres, de sorte que les faibles taux indiqués pour l'eau de mer sont les taux pour l'eau en mouvement. Le K-500 est publié comme étant sensiblement équivalent à l'alliage 400 en termes de résistance à la corrosion, avec une réserve : à l'état durci par vieillissement, il a une plus grande tendance à la fissuration par corrosion sous contrainte dans certains environnements. La qualification est testable et a été testée. Des échantillons pliés en U de tôles durcies par vieillissement ont survécu six jours d'immersion continue dans des solutions saturées de sulfure d'hydrogène à 3 500 ppm sur des valeurs de pH de 1,0 à 11,0 sans se fissurer, à des duretés de 28 à 40 sur l'échelle Rockwell C.

Les deux mécanismes ne sont pas interchangeables et ne s’additionnent pas comme un acheteur pourrait l’espérer. Dans l'alliage 400, la seule voie est le travail à froid, de sorte que la résistance obtenue est définie par l'état spécifié et par l'ampleur de la déformation appliquée par le broyeur. Dans le K-500, la réaction de précipitation fournit la plus grande partie de la résistance et l'écrouissage fournit le reste, c'est pourquoi la condition la plus résistante publiée est l'étirage à froid puis le vieillissement, une combinaison des deux traitements.

Le vieillissement présente également un mode de défaillance qu’il convient de connaître avant de passer la commande. Le matériau chauffé pendant une période appréciable entre 1 100 °F et 1 400 °F est trop vieilli à un degré qui dépend du temps et de la température, et le matériau trop vieilli a des propriétés mécaniques inférieures à celles du métal correctement vieilli. Ces propriétés ne peuvent pas être récupérées en vieillissant à nouveau. La seule voie de retour est un recuit de mise en solution à 1 800 à 1 900 °F pour redissoudre les constituants durcissants par le vieillissement, suivi d'un nouveau traitement de vieillissement, et tous les avantages de tout écrouissage à froid sont perdus dans ce recuit.

C’est l’avantage qui distingue le plus clairement la famille des aciers, et il se comporte dans la direction à laquelle la plupart des ingénieurs ne s’attendent pas. L'alliage forgé 400 testé à 70 °F atteint une résistance à la traction de 92,00 ksi avec un allongement de 31,0 % ; le même matériau à −297 °F atteint 128,25 ksi avec un allongement de 44,5 % ; et à −423 °F, il atteint 142,00 ksi avec un allongement de 38,5 pour cent. La force augmente et la ductilité reste. Les valeurs d'encoche en V Charpy sur une plaque finie à chaud à -423 °F sont publiées dans une plage de 141 à 219 pi·lb longitudinales, et aucun spécimen du programme d'impact n'a montré de fracture fragile.

K-500 est publié dans les mêmes termes : les limites de traction et d'élasticité augmentent à mesure que la température baisse tandis que la ductilité et la ténacité sont pratiquement intactes, et aucune transformation ductile en fragile ne se produit même à la température de l'hydrogène liquide. La tôle soudée testée à −423 °F a donné une traction de 200 ksi, un rendement de 136 ksi et un allongement de 28 pour cent avec une efficacité de joint de 95 pour cent par rapport à la feuille mère.

L'alliage 400 est souvent décrit comme non magnétique, et les constantes publiées ne soutiennent pas cela comme une déclaration inconditionnelle. Sa température de Curie est comprise entre 70 et 120 °F, soit entre 21 et 49 °C, et le bulletin indique que cette plage se situe dans la plage ambiante et est affectée par les variations de composition chimique. Certaines chaleurs sont donc magnétiques à température ambiante et d'autres ne le sont pas, et la directive publiée est explicite : lorsqu'il existe une forte exigence de caractéristiques non magnétiques, d'autres alliages MONEL doivent être envisagés.

K-500 est le membre de la famille qui répond à cette exigence. Les valeurs de perméabilité publiées vont de 1,0011 pour les matériaux recuits et trempés à 1,0019 pour les matériaux étirés à froid et durcis par vieillissement à 200 oersted, avec des températures de Curie pour une perméabilité de 1,01 entre -210 °F et -130 °F, soit 50 à 80 degrés en dessous de zéro sur l'échelle Celsius. L'alliage est décrit comme pratiquement non magnétique, même à des températures assez basses. Une précaution de traitement accompagne cette propriété : l'aluminium et le cuivre peuvent être oxydés sélectivement pendant le chauffage, laissant un film magnétique riche en nickel sur la surface, un effet plus visible sur les fils et bandes minces où le rapport surface/poids est élevé. Le film est retiré par décapage ou trempage brillant et les propriétés non magnétiques sont restaurées.

La résistivité électrique à 21 °C est publiée sous la forme de 0,511 micro-ohmmètre pour l'alliage 400 et de 0,615 pour le K-500, sur un matériau dans un état équivalent à un recuit avec un léger durcissement par vieillissement. La conductivité thermique à la même température est de 22,0 W/m·K pour l'alliage 400 et de 17,2 W/m·K pour le K-500. Aucun des deux chiffres ne remplace le cuivre, et l'utilisation correcte de la famille dans les travaux électriques est là où la résistance à la corrosion et une résistance stable importent plus que l'efficacité de conduction, dans les composants électriques et électroniques et les capteurs que les deux bulletins répertorient parmi leurs applications. Une mise en garde s'applique au chiffre K-500 : sa résistivité est nettement influencée par l'histoire thermique, qui est une conséquence directe des caractéristiques de durcissement par vieillissement de l'alliage, la condition doit donc être indiquée avec le numéro.

Le K-500 est publié comme ayant une stabilité dimensionnelle exceptionnellement bonne, dans les tests d'exposition de longue durée et dans les tests cycliques, et cette propriété est la raison invoquée pour son utilisation dans des dispositifs de haute précision tels que les gyroscopes. Le numéro dont un concepteur a besoin est celui qui décrit ce qui se passe pendant le traitement thermique : le durcissement par vieillissement provoque une contraction initiale du volume et une tige recuite se contracte de 2,5 × 10⁻⁴ pouces par pouce pendant le vieillissement. Une pièce usinée en finition qui est vieillie par la suite arrive donc sous-dimensionnée, c'est pourquoi les directives de fabrication publiées pour le travail de précision consistent à usiner une pièce surdimensionnée, à vieillir, puis à finir sur mesure.

Les constantes ci-dessous sont publiées pour les deux nuances principales et ce sont elles qui entrent dans un calcul de conception. Deux lignes du tableau ont plus de poids que les autres. La densité et l'intervalle de fusion séparent à peine les qualités, tandis que la rangée magnétique les sépare complètement à température ambiante, et la température de Curie est la rangée qui est le plus souvent laissée de côté dans une comparaison.

Les deux bulletins publient leurs propres listes d'applications, et ces listes constituent le chemin le plus court pour savoir quelle qualité une industrie donnée achète réellement. Les raisons indiquées dans la colonne de droite sont celles données par le producteur et non une déduction tirée des pièces.

Une page familiale qui répertorie uniquement les avantages n'est d'aucune utilité pour un concepteur, les limites appartiennent donc à la même page que les points forts. Chaque ligne ci-dessous est une condition que les données publiées excluent ou qualifient, et non une réserve générale sur le matériel.

K-500, et la raison est la température de Curie publiée et non le mot non magnétique. L'alliage 400 a une température de Curie comprise entre 21 °C et 49 °C, qui chevauche la température ambiante ordinaire, et le producteur déclare que certaines chaleurs seront magnétiques à température ambiante et d'autres non et orientent une forte exigence non magnétique vers un autre alliage MONEL. Le K-500 est publié avec une perméabilité de 1,0019 ou moins, avec la température de Curie pour une perméabilité de 1,01 entre −134 °C et −90 °C. Un film de surface magnétique peut encore se former sur un fil et une bande minces pendant le chauffage, et le décapage ou le trempage brillant l'enlève.

Non. L'alliage est publié comme un alliage en solution solide qui ne peut être durci que par écrouissage, et il n'existe aucun traitement de vieillissement dans la famille pour lui. Les traitements thermiques existants font le travail inverse : le recuit ramollit le matériau écroui, et le soulagement ou l'égalisation des contraintes réduit les contraintes résiduelles. Un dessin qui demande l'alliage 400 dans un état vieilli demande un traitement qui n'existe pas, et la nuance qui en a un est le K-500.

Non, et cette déclaration apparaît dans les descriptions diffusées de l'alliage, elle mérite donc d'être corrigée avec précision. Le mécanisme de renforcement publié pour le K-500 est la précipitation de particules submicroscopiques de Ni3(Ti, Al) dans toute la matrice lorsque l'alliage est chauffé dans des conditions contrôlées. Il s'agit d'une réaction de durcissement par précipitation, dont les conséquences sont une résistance et une dureté plus élevées, une perméabilité magnétique plus faible et une légère contraction au cours du vieillissement. La mémoire de forme, qui est la capacité d'un matériau à reprendre une forme précédemment définie lors d'un changement de température, est une propriété des alliages nickel-titane quasi-équiatomiques et non d'une qualité nickel-cuivre avec des ajouts d'aluminium et de titane. Une spécification écrite dans l’attente d’un effet mémoire est écrite sur la mauvaise propriété.

L'alliage 400 est le cas le plus simple, car il n'a aucun traitement thermique à protéger et ses consommables de soudage sont de la même famille de charges nickel-cuivre. K-500 a besoin d'une séquence. Le soudage est mieux réalisé par le procédé à l'arc gaz-tungstène, le métal d'apport MONEL 60 est le consommable habituel, et la qualification publiée importante est que les soudures réalisées de cette manière ne sont pas durcissables par vieillissement et n'ont donc pas une résistance correspondant au métal de base durci. Lorsqu'un joint doit correspondre au métal de base vieilli, un métal d'apport de composition correspondante déposé, avec le traitement de vieillissement effectué après le soudage du matériau recuit, est la voie publiée. Les soudures de matériaux recuits peuvent être amenées à la résistance d'un métal de base durci par vieillissement sans perte sérieuse de ductilité.

Presque rien, avec une réserve qui s’applique à la condition de personnes âgées. Le producteur publie la résistance à la corrosion du K-500 comme étant sensiblement équivalente à celle de l'alliage 400, sauf que dans l'état durci par vieillissement, l'alliage a une plus grande tendance à la fissuration par corrosion sous contrainte dans certains environnements. Cette qualification a été testée contre des gaz corrosifs : des échantillons pliés en U de tôles durcies par vieillissement n'ont montré aucune fissure après six jours d'immersion continue dans des solutions saturées de sulfure d'hydrogène à 3 500 ppm, sur des valeurs de pH de 1,0 à 11,0, à des duretés de 28 à 40 sur l'échelle Rockwell C. La règle pratique est qu'une substitution K-500 est vérifiée par rapport au support spécifique et à l'état de stress spécifique, et non par rapport au nom de famille.

Pas sur le nom de famille, et les trois notes échouent pour trois raisons différentes. L'alliage 400 ne peut atteindre la résistance du K-500 dans aucune condition, donc une substitution dans cette direction est limitée par le mécanisme et non par le broyeur. Le K-500 à l'état durci par vieillissement est un cas de corrosion différent dans certains environnements, et il introduit également une étape thermique et une contraction dans une séquence de fabrication qui n'a peut-être pas de place pour l'une ou l'autre. Le R-405 diffère encore une fois, car son usinabilité provient d'une teneur en soufre plus élevée. Les données publiées soutiennent une substitution et elle est étroite : lorsque le devoir est un chlorure ou un acide réducteur et qu'aucune étape thermique n'est souhaitée, l'alliage 400 fait le travail pour lequel le K-500 a été spécifié, et l'inverse n'est pas vrai.

La famille Monel comprend trois nuances de nickel-cuivre avec une matrice et trois voies de renforcement. L'alliage 400 est UNS N04400, une solution solide monophasée avec un paramètre de réseau de 3,534 angström qui durcit uniquement par travail à froid, utile jusqu'à 1 000 °F dans des atmosphères oxydantes, exceptionnelle contre l'acide fluorhydrique à toutes les concentrations jusqu'à l'ébullition.