Monel K500 vs Monel 400 : Quel est le coût de la résistance supplémentaire

Le Monel K500 et le Monel 400 partagent la même base : environ deux parties de nickel pour une partie de cuivre, avec le même caractère de corrosion et la même matrice cubique à faces centrées. Aucun des deux alliages n'est un superalliage à durcissement par précipitation, et aucun des deux n'est choisi pour le haut d'une plage de température. La différence entre eux réside dans deux additions d'alliage et le traitement thermique que ces additions rendent possible, et presque toutes les différences de propriétés de cet article reviennent à cela.

Une conséquence mérite d'être mentionnée en premier lieu, car c'est là que la comparaison est le plus souvent mal traitée. Les chiffres de résistance publiés pour ces deux alliages sont donnés par forme et par état de traitement thermique, et l'écart entre eux change énormément en fonction des conditions comparées. Une version de cette comparaison qui ne mentionne aucune condition ne peut pas être utilisée pour spécifier quoi que ce soit, et les chiffres ci-dessous sont donc donnés avec la condition jointe.

L'alliage 400 est un alliage à solution solide. Le nickel et le cuivre sont solubles l'un dans l'autre dans toutes les proportions, de sorte que le matériau est monophasé, et la seule façon de le durcir est de le travailler à froid. L'alliage K500 prend la même base et ajoute de l'aluminium et du titane, ce qui permet à l'alliage d'être durci par vieillissement : un cycle de chauffage contrôlé précipite des particules submicroscopiques de Ni₃(Ti, Al) dans toute la matrice. La description publiée le dit clairement, que le K500 combine la résistance à la corrosion du 400 avec les avantages supplémentaires d'une plus grande résistance et dureté, et que l'augmentation provient de ces deux additions et du traitement de vieillissement.

Les compositions diffèrent exactement dans ces deux éléments plus de petits décalages dans les résiduels. Tous les autres chiffres sont proches, c'est pourquoi les deux alliages se comportent de manière si similaire en service.

La limite de soufre est la ligne silencieuse de ce tableau. Elle est environ deux fois et demie plus serrée dans le K500 que dans le 400, et la raison est la même propriété qui rend l'alliage résistant : une fois que le précipité est en place, il y a moins de ductilité disponible pour absorber les dommages qu'une inclusion de soufre cause le long d'une limite de grain.

La comparaison publiée indique que le K500 a environ trois fois la limite d'élasticité et deux fois la résistance à la traction du 400. C'est un chiffre réel, et il décrit un appariement de conditions. Le tableau ci-dessous compare les deux alliages dans les conditions où chacun est réellement fourni, sur tige et barre.

Lisez ce tableau et la revendication se résout. Le K500 en condition recuite est plus résistant que le 400 en condition recuite, d'environ 1,2 fois en résistance à la traction et d'environ 1,4 fois en limite d'élasticité, ce qui est une marge et non un facteur. Fini à chaud, les deux se chevauchent presque complètement : les plages de limite d'élasticité sont de 276 à 690 MPa pour le 400 et de 276 à 758 MPa pour le K500, de sorte qu'une barre finie à chaud de 400 peut être aussi résistante qu'une barre finie à chaud de K500.

Ce que les chiffres publiés de trois et deux comparent réellement, c'est le K500 qui a été durci par vieillissement par rapport au 400 en condition recuite. C'est une comparaison légitime, car c'est ainsi que les deux alliages sont le plus souvent comparés, mais c'est une comparaison entre deux conditions au lieu de deux alliages.

La comparaison n'est terminée qu'à moitié lorsque la résistance a été établie. Quatre coûts y sont associés, et chacun est une ligne dans une spécification et non une note de bas de page.

L'alliage 400 n'a aucun de ces coûts. C'est une solution solide monophasée qui ne durcit que par travail à froid, il n'y a pas d'étape de vieillissement à dépasser, pas de contraction à prévoir et pas de perte de soudabilité dans la condition dans laquelle il est fourni. Lorsque sa résistance est suffisante, c'est le matériau le plus simple à spécifier.

Deux des différences physiques entre ces alliages sont contre-intuitives, et l'une d'elles est régulièrement énoncée à l'envers dans la littérature des fournisseurs.

La ligne de température de Curie mérite l'espace. L'alliage 400 a une température de Curie dans la plage ambiante, et la note publiée qui l'accompagne est explicite : la valeur est affectée par les variations de composition chimique, la plage indiquée est ce que la production normale peut donner, et par conséquent certaines coulées seront magnétiques à température ambiante et d'autres non. La même source ajoute que s'il existe une forte exigence de caractéristiques non magnétiques, d'autres alliages de la famille devraient être considérés.

Le K500 n'a pas une telle ambiguïté. Sa température de Curie se situe entre environ -90 et -134 °C selon la condition, ce qui place la température ambiante bien au-dessus, et la description publiée est que l'alliage est pratiquement non magnétique même à des températures assez basses. Donc, pour une exigence non magnétique, le grade durcissable par vieillissement est le plus sûr des deux. C'est le contraire de l'hypothèse avec laquelle la plupart des acheteurs arrivent, puisque le K500 est l'alliage le plus résistant et que la résistance est généralement supposée coûter quelque chose.

Une mise en garde sur le traitement appartient à cette lecture. La source publiée note que le chauffage peut laisser un film magnétique à l'extérieur de la pièce, car l'aluminium et le cuivre peuvent s'oxyder sélectivement, et que le film peut être retiré à l'acide. Une exigence magnétique devrait donc nommer la condition de surface sur le bon de commande à côté de l'alliage.

La position publiée est que la résistance à la corrosion du K500 est substantiellement équivalente à celle du 400, avec une exception. En condition durcie par vieillissement, le K500 a une plus grande tendance à la fissuration par corrosion sous contrainte dans certains environnements. Le mot substantiellement fait un travail réel dans cette phrase, et l'exception est la seule chose qu'un acheteur doit vérifier avant de choisir la condition vieillie pour un service humide.

Là où les deux sont ensemble, ils sont ensemble dans les milieux qui comptent. Les deux sont largement utilisés dans les services marins, et les deux montrent de très faibles taux de corrosion dans l'eau de mer en écoulement. Les deux sont soumis à la même limitation dans ce milieu : l'eau de mer stagnante ou à faible mouvement induit une attaque par crevasse et par piqûres, et la description publiée du K500 note que l'encrassement peut se produire suivi de piqûres, ce qui ralentit après une attaque initiale assez rapide. L'alliage 400 est également résistant à la fissuration par corrosion sous contrainte et aux piqûres dans la plupart des eaux douces et industrielles, et offre une résistance exceptionnelle à l'acide fluorhydrique dans toutes les concentrations jusqu'au point d'ébullition, ce que la même source décrit comme peut-être le comportement le plus résistant de tous les alliages d'ingénierie couramment utilisés. Il est également résistant à un certain nombre de travaux avec acide sulfurique et chlorhydrique dans des conditions réductrices.

Le K500 porte une donnée de corrosion qui vaut la peine d'être connue, car elle s'applique à un service où la résistance est la raison du choix. Il est décrit comme résistant à un environnement de gaz acide : après six jours d'immersion continue dans des solutions saturées de sulfure d'hydrogène à 3 500 ppm, à des valeurs de pH acides et basiques de 1,0 à 11,0, des éprouvettes en U de tôle durcie par vieillissement n'ont montré aucune fissuration. Une fine couche noire s'est formée et les éprouvettes mesuraient 28 à 40 HRC. C'est la qualification derrière l'alliage dans les services pétroliers et acides, et c'est une qualification pour la condition vieillie.

Seulement pour un appariement de conditions, et cet appariement doit être indiqué. Le K500 qui a été durci par vieillissement a environ trois fois la limite d'élasticité et environ deux fois la résistance à la traction du 400 en condition recuite, ce qui est la comparaison que décrivent les chiffres publiés. La comparaison de conditions similaires donne un écart beaucoup plus faible : recuit contre recuit est environ 1,2 fois en résistance à la traction, et en condition finie à chaud, les deux plages se chevauchent.

Deux additions d'alliage et le traitement thermique qu'elles permettent. L'alliage 400 est une solution solide de nickel et de cuivre qui est monophasée et ne peut être durcie que par travail à froid. L'alliage K500 ajoute entre 2,30 % et 3,15 % d'aluminium et entre 0,35 % et 0,85 % de titane, ce qui permet à un traitement de vieillissement contrôlé de précipiter des particules submicroscopiques de Ni₃(Ti, Al) dans la matrice. Tout le reste en découle.

Substantiellement, avec une exception que les données publiées indiquent clairement. En condition durcie par vieillissement, le K500 a une plus grande tendance à la fissuration par corrosion sous contrainte dans certains environnements. Lorsque le milieu présente ce risque, le 400 est le choix le plus sûr, sauf si la résistance est essentielle, et dans tous les cas, le milieu doit être vérifié par rapport aux données publiées avant que la condition ne soit fixée.

Le K500, et pour une raison facile à inverser. La température de Curie du 400 se situe entre 21 et 49 °C, ce qui chevauche l'ambiante, et la note publiée est que certaines coulées seront magnétiques à température ambiante et d'autres non. Le K500 a une température de Curie entre environ -90 et -134 °C, bien en dessous de l'ambiante, et est décrit comme pratiquement non magnétique même à des températures assez basses.

Pas en condition durcie par vieillissement, et les directives publiées indiquent explicitement que le soudage de matériau durci par vieillissement doit être évité en raison de la ductilité considérablement réduite. Lorsqu'une jointure doit atteindre la résistance vieillie, la séquence consiste à souder du matériau recuit, puis à effectuer le traitement de vieillissement. L'alliage 400 peut être assemblé par les procédés conventionnels dans la condition dans laquelle il est fourni.

Les propriétés sont perdues et ne peuvent pas être récupérées par un nouveau vieillissement. Le matériau sur-vieilli a des propriétés mécaniques inférieures à celles du matériau correctement vieilli, et pour le renforcer, la pièce doit être recuite en solution à 1 800 à 1 900 °F pour redissoudre le précipité, puis re-vieillie. Tout le bénéfice de tout travail à froid est perdu dans ce recuit, de sorte que le meilleur résultat disponible par la suite est la figure recuite et vieillie.

Le Monel K500 est le Monel 400 avec ajout d'aluminium et de titane et application d'un traitement de vieillissement. Cela lui confère environ trois fois la limite d'élasticité et deux fois la résistance à la traction du 400 recuit, et cela retire quatre choses : la ductilité, une certaine résistance à la fissuration par corrosion sous contrainte en condition vieillie, la soudabilité dans cette condition, et la simplicité d'un matériau sans étape de processus irréversible. Entre ces deux positions, les différences physiques sont faibles, sauf à deux endroits : le 400 conduit mieux la chaleur d'environ 28 %, et le K500 est le plus fiablement non magnétique à température ambiante car sa température de Curie se situe bien en dessous de l'ambiante tandis que celle du 400 se situe à l'intérieur.

Les deux alliages sont fournis depuis Changzhou, Jiangsu, en barres, fils, bandes, plaques et tubes, dans les formes et conditions que décrivent les plages publiées ci-dessus. L'usine détient la certification ISO 9001 et est auditée par SGS. Envoyez le milieu de service, la résistance requise et la séquence de fabrication, et le choix entre les deux découle de ces trois réponses.

1. Bulletin technique Special Metals SMC-053, alliage nickel-cuivre MONEL 400. Source des limites de composition, de la densité et de la plage de fusion, du module et du coefficient de Poisson, de la température de Curie et de la note indiquant qu'elle chevauche l'ambiante de sorte que certaines coulées sont magnétiques à température ambiante, des plages de propriétés mécaniques par forme et condition, de l'affirmation que l'alliage est une solution solide monophasée durcissable uniquement par travail à froid, de la limite de 1 000 °F dans les atmosphères oxydantes, et du comportement à la corrosion dans l'eau de mer, l'eau douce et l'acide fluorhydrique.
2. Bulletin technique Special Metals SMC-062, alliage MONEL K-500. Source des plages d'aluminium et de titane, des limites résiduelles plus serrées, de la description de l'alliage comme combinant la résistance à la corrosion du 400 avec une plus grande résistance et dureté par précipitation de Ni₃(Ti, Al), des plages de propriétés mécaniques par forme et condition, de la densité, des caractéristiques magnétiques et des températures de Curie par condition, du film magnétique de surface et de son élimination, de l'équivalence de corrosion et de l'exception de corrosion sous contrainte en condition vieillie, des données sur le gaz acide, de la note sur la vitesse de l'eau de mer, et de la contraction de vieillissement.
3. Le même bulletin, sur l'assemblage. Source de l'affirmation que le soudage de matériau durci par vieillissement doit être évité en raison de la ductilité considérablement réduite, et que les traitements de vieillissement sont effectués après le soudage de matériau recuit lorsque la jointure doit atteindre la résistance vieillie.
4. Le même bulletin, sur le traitement thermique et l'usinage. Source du comportement de sur-vieillissement, de l'exigence de recuit en solution à 1 800 à 1 900 °F et de re-vieillissement, de la perte de tout bénéfice de travail à froid dans ce recuit, de la figure recuite et vieillie étant la plus élevée disponible par la suite, et de la pratique d'usinage surdimensionné, de durcissement par vieillissement et de finition à la taille.
5. Le même bulletin, sur les plages de propriétés nominales publiées. Source de la mise en garde selon laquelle les plages sont des composites pour diverses tailles de produits et ne conviennent pas à des fins de spécification.
6. UNS N04400 et N05500 tels que publiés pour ces deux alliages. Source des identifiants utilisés dans le tableau de composition.
7. Enregistrements de livraison détenus pour DLX Alloy couvrant les deux grades. Source des formes de produits et des conditions dans lesquelles ils sont proposés.

Chaque chiffre ci-dessus est une valeur publiée pour le produit standard, et plusieurs d'entre eux sont des composites qui couvrent une gamme de tailles et de trempes. Ils ne conviennent pas à des fins de spécification. La condition fait partie de la spécification des deux alliages, de sorte qu'un bon de commande qui nomme l'alliage sans nommer la trempe ne décrit pas le matériau acheté. L'acceptation repose sur le certificat d'essai de l'aciérie pour la coulée fournie.