Monel: Hợp kim đáng tin cậy cho môi trường biển và nước mặn

Nước biển không phải là một môi trường. Nó là một tập hợp các biến số di chuyển cùng nhau, và cùng một hợp kim có thể nằm trong hệ thống biển mười lăm năm mà không bị ăn mòn hoặc hỏng trong mười tám tháng ở cùng độ mặn. Tốc độ, hình dạng của đường gioăng, các chất rắn lơ lửng, kim loại được bắt bu lông vào mặt bích, và nhiệt độ bề mặt đều làm thay đổi kết quả, và không có yếu tố nào trong số đó xuất hiện trong cụm từ môi trường biển.

Hợp kim Monel 400 xử lý nước biển tốt trong các điều kiện phù hợp với nó, và bản tin của nhà sản xuất nêu rõ các điều kiện đó: tốc độ ăn mòn rất thấp trong nước biển chảy, và ăn mòn kẽ hở và ăn mòn rỗ khi nước tù đọng. Câu đơn lẻ đó mang nhiều giá trị lựa chọn hơn mọi tính từ viết về hợp kim, bởi vì nó cho người thiết kế biết nên đặt cống thoát nước ở đâu và sắp xếp dòng chảy như thế nào. Trang này trình bày hai loại được sử dụng trong dịch vụ hàng hải, sáu biến số quyết định kết quả, và các dạng và thông số kỹ thuật mà người mua thực sự đặt hàng.

Các yêu cầu về hàng hải thường nêu tên Monel mà không có loại, và hai loại phổ biến không thể thay thế cho nhau. Hợp kim 400 là hợp kim niken-đồng dung dịch rắn chỉ cứng lại bằng gia công nguội. Hợp kim K500 bổ sung nhôm và titan vào cùng một nền, và xử lý lão hóa kết tủa các hạt Ni3(Ti,Al) dưới kính hiển vi trong ma trận. Sự khác biệt thể hiện ở giới hạn chảy, độ cứng và quy trình hàn.

Hai dòng cuối cùng quyết định nhiều giao dịch mua hàng hải hơn các dòng về độ bền. Hợp kim 400 không đáng tin cậy là không có từ tính ở nhiệt độ phòng, vì nhiệt độ Curie của nó nằm trong phạm vi môi trường xung quanh và thay đổi theo thành phần. Hợp kim K500 là loại được chỉ định khi độ từ thẩm thấp là một phần của chức năng, và ngay cả khi đó bề mặt có thể phát triển một lớp màng từ tính trong quá trình gia nhiệt nếu nhôm và đồng oxy hóa chọn lọc và để lại một lớp giàu niken, một hiệu ứng dễ nhận thấy nhất trên dây và dải mỏng và có thể được loại bỏ bằng cách ngâm axit hoặc đánh bóng sáng.

Bản tin của nhà sản xuất cho hợp kim 400 nêu vị trí hàng hải trong một câu, và đáng đọc hai lần. Sản phẩm hợp kim 400 thể hiện tốc độ ăn mòn rất thấp trong nước biển chảy, và các điều kiện tù đọng đã được chứng minh là gây ra ăn mòn kẽ hở và ăn mòn rỗ. Hợp kim cũng được mô tả là chống nứt do ăn mòn ứng suất và ăn mòn rỗ trong hầu hết các loại nước ngọt và công nghiệp, đây là một tuyên bố khác về một môi trường khác.

Điều đó có nghĩa là trên bản vẽ, cống thoát nước, độ dốc và quy trình tắt máy là một phần của việc lựa chọn vật liệu. Một đường nước biển chạy liên tục là một vấn đề thiết kế khác với một đường đứng đầy trong mười một tháng và được xả một lần mỗi năm. Đường thứ hai sẽ bị ăn mòn rỗ ở nơi đường thứ nhất không bị, với cùng chi phí hợp kim, và sự khác biệt không nhìn thấy được trên đơn đặt hàng trừ khi ai đó ghi hồ sơ vận hành vào yêu cầu.

Ba vị trí trong hệ thống biển giữ nước sau khi tắt máy mà không ai nhận thấy. Thứ nhất là một đoạn ngang có điểm thấp và không có cống thoát nước. Thứ hai là khoảng trống dưới gioăng hoặc mối nối chồng, nơi hình dạng tạo ra kẽ hở riêng bất kể dòng chảy khối làm gì. Thứ ba là mặt vỏ của bộ trao đổi nhiệt bị cô lập trong khi mặt ống vẫn chạy. Mỗi vị trí chuyển đổi một thành phần nước biển chảy thành một thành phần nước biển tù đọng trong một phần cuộc đời của nó, và mỗi vị trí rẻ hơn để sửa chữa ở giai đoạn vẽ hơn là ở giai đoạn kiểm tra.

Bảng chuyển đổi cảnh báo chung ở trên thành sáu mục mà yêu cầu nên nêu. Mỗi hàng đặt tên cho cơ chế và dòng chảy thuộc về bản vẽ hoặc đơn đặt hàng.

Dòng cuối cùng xứng đáng có một câu riêng vì nó thường bị bỏ qua. Một mặt bích Monel được bắt bu lông vào mặt bích thép carbon trong nước biển làm cho thép trở thành cực dương, và sự tấn công vào thép tập trung gần mối nối. Tỷ lệ quan trọng hơn sự khác biệt về điện thế: một bu lông thép carbon nhỏ trong một mặt bích Monel lớn là một cực dương nhỏ so với một cực âm lớn, đây là cách sắp xếp tồi tệ nhất có thể. Một bộ gioăng cách điện và thay đổi vật liệu bu lông có chi phí thấp hơn lần kiểm tra đầu tiên.

Bản tin của nhà sản xuất liệt kê trục bơm và trục chân vịt trong số các ứng dụng cho hợp kim 400, và trục bơm và cánh quạt trong số các ứng dụng cho K500. Nó không liệt kê cánh chân vịt, và sự khác biệt quan trọng đối với bất kỳ ai mua cho tàu. Cánh chân vịt được đúc bằng đồng nhôm niken hoặc đồng mangan, và trục mang chúng là nơi hợp kim niken-đồng xuất hiện.

Lý do là cơ học. Cánh cần khả năng đúc, tiết diện dày và quy trình sửa chữa hoạt động trong xưởng đóng tàu. Trục cần giới hạn chảy cao trong tiết diện có thể gia công và mài, chống ăn mòn trong bộ làm kín, và trên một số tàu có chữ ký từ tính thấp. K500 được lão hóa đến giới hạn chảy 690 đến 1.034 MPa là vật liệu trục. Hợp kim 400 ở mức 172 đến 345 MPa ở trạng thái ủ là trục chịu tải thấp hơn, trục van hoặc bu lông.

Hợp kim 400 thường được mô tả là không có từ tính, và bản tin của nhà sản xuất cẩn thận hơn. Nhiệt độ Curie nằm trong phạm vi môi trường xung quanh và bị ảnh hưởng bởi sự thay đổi thành phần hóa học, vì vậy một số mẻ có từ tính ở nhiệt độ phòng và một số thì không. Nếu có yêu cầu mạnh mẽ về đặc tính không có từ tính, bản tin sẽ hướng người mua đến các hợp kim Monel khác.

Đó là một ràng buộc thiết kế chứ không phải là lỗi. Một bộ phận có chức năng phụ thuộc vào chữ ký từ tính thấp không thể được phát hành dựa trên một loại có trạng thái từ tính thay đổi từ mẻ này sang mẻ khác, bởi vì chứng nhận không cho người mua biết mẻ đó ở trạng thái nào. K500 là loại có phạm vi độ từ thẩm được công bố là 1.0010 đến 1.0019 ở 200 oersted, đo trên bốn điều kiện, và nhà sản xuất lưu ý rằng nó vẫn gần như không có từ tính ở nhiệt độ thấp.

Cảnh báo xử lý dễ bị bỏ qua. Gia nhiệt có thể oxy hóa nhôm và đồng một cách chọn lọc và để lại một lớp màng giàu niken có từ tính trên bề mặt, với hiệu ứng dễ thấy nhất trên dây và dải mỏng nơi tỷ lệ bề mặt trên trọng lượng cao. Ngâm axit hoặc đánh bóng sáng loại bỏ lớp màng và khôi phục đặc tính không có từ tính, vì vậy việc đọc từ tính trên một bộ phận mỏng đã hoàn thành là một câu hỏi về quy trình trước khi nó là một câu hỏi về vật liệu.

Hợp kim 400 được hàn bằng vật liệu hàn niken-đồng tương ứng. Đối với hàn hồ quang kim loại che chắn, nhà sản xuất nêu tên Điện cực hàn MONEL 190, thuộc lớp AWS A5.11 ENiCu-7, và đối với hàn hồ quang vonfram khí và hàn hồ quang kim loại khí, nhà sản xuất nêu tên Kim loại hàn MONEL 60, thuộc lớp AWS A5.14 ERNiCu-7. Kim loại hàn niken 61 và Kim loại hàn INCONEL 625 được liệt kê là các lựa chọn thay thế cho một số ứng dụng, đây là quyết định về môi trường chứ không phải về sự tiện lợi.

K500 đảo ngược hai thói quen hoạt động trên các hợp kim khác. Lão hóa sau khi hàn là chấp nhận được khi vật liệu nền được hàn ở trạng thái ủ, và các mối hàn có thể đạt được độ bền của kim loại nền đã lão hóa mà không làm giảm đáng kể độ dẻo. Nên tránh hàn vật liệu đã được làm cứng lão hóa, vì độ dẻo giảm đáng kể. Trình tự thực tế là hàn, sau đó lão hóa, và bản vẽ phải ghi rõ điều đó hoặc nhà chế tạo sẽ làm ngược lại.

Lão hóa cũng làm co lại bộ phận. Một thanh ủ co lại 2.5 x 10^-4 inch/inch trong quá trình lão hóa, điều này nhỏ trong vỏ bơm và đáng kể trong trục được mài theo dung sai trước khi xử lý lão hóa. Đặc tính tương tự mang lại cho hợp kim sự ổn định kích thước trong thời gian phơi nhiễm dài, đó là lý do tại sao nó xuất hiện trong các thiết bị chính xác, nhưng trình tự gia công và lão hóa thuộc về đơn đặt hàng.

So sánh quan trọng trong hệ thống biển thường là với thép không gỉ, đồng-niken hoặc đồng thau, và câu trả lời phụ thuộc vào biến số nào là giới hạn. Bảng trình bày bốn môi trường mà hợp kim niken-đồng có lợi thế được ghi nhận và hai môi trường mà nó không có.

Đọc thực tế là hợp kim 400 là hợp kim môi trường khử và nước biển với phạm vi bao phủ rộng bất thường, và phạm vi đó có cạnh ở phía oxy hóa. Người mua coi hợp kim là chống ăn mòn phổ quát sẽ cuối cùng đặt nó vào đường axit nitric hoặc dịch vụ axit hydrochloric có sục khí và làm hỏng bộ phận.

Tên thương mại không đi kèm với kim loại. Mỗi dạng được đặt hàng theo thông số kỹ thuật sản phẩm, và thông số kỹ thuật là những gì nhà máy chứng nhận.

Hai mục trong bảng đó đáng để kiểm tra với yêu cầu hiện tại. ASTM B865 bao gồm loại hóa cứng kết tủa N05500, vì vậy thanh K500 được đặt hàng theo B865 chứ không phải theo B164, và ống N04400 không phải là sản phẩm B865 bất kể nhãn nhà máy nói gì. Thông số kỹ thuật quân sự QQ-N-281 bao gồm nhiều dạng của cả hai loại, và nó vẫn được trích dẫn trong công việc hải quân ngay cả khi thông số kỹ thuật ASTM có thể phục vụ.

Một yêu cầu hàng hải nêu tám mục sau đây có thể được báo giá mà không cần hỏi lại, và báo giá nhận được có thể được so sánh với một báo giá khác.

DLX sản xuất hợp kim Monel 400 và K500 tại Thường Châu, Giang Tô, dưới các dạng mà gói hàng hải cần: dây từ 0,025 mm, thanh tròn đến 50 mm, dải từ 0,50 mm đến 2,5 mm độ dày, và ống và tấm theo kích thước nhà máy tiêu chuẩn. Cả hai loại đều được cung cấp theo thông số kỹ thuật ASTM quy định dạng, với chứng nhận EN 10204 3.1 theo yêu cầu và số mẻ có thể truy xuất nguồn gốc đến kết quả thử nghiệm.

Phần hữu ích của cuộc trò chuyện thường là hồ sơ vận hành chứ không phải tên loại. Một đường ống đứng đầy, một mặt bích ghép với thép carbon, và một trục được mài trước khi lão hóa là ba vấn đề khác nhau, và mỗi vấn đề rẻ hơn để giải quyết trong yêu cầu hơn là trong một yêu cầu bồi thường.

Bản tin của nhà sản xuất báo cáo ăn mòn kẽ hở và ăn mòn rỗ trong điều kiện tù đọng, vì vậy câu trả lời là hợp kim chỉ được sử dụng ở đó với thiết kế loại bỏ sự tù đọng. Điều đó có nghĩa là cống thoát nước ở điểm thấp, độ dốc trên các đoạn ngang, quy trình xả khi tắt máy và chi tiết mối nối không làm kẹt nước. Hợp kim không phải là vấn đề trong trường hợp đó và hình dạng mới là vấn đề.

K500 khi trục chịu tải trọng xoắn và uốn ở mức ứng suất mà 400 ủ không thể chịu được. Nhà sản xuất liệt kê trục bơm và cánh quạt trong số các ứng dụng K500, và trạng thái lão hóa đạt giới hạn chảy 690 đến 1.034 MPa so với 172 đến 345 MPa đối với thanh 400 ủ. Hợp kim 400 vẫn là lựa chọn cho trục chịu tải thấp hơn, trục van và bu lông nơi không cần thêm độ bền và tuyến hàn đơn giản hơn đáng để có.

Không đáng tin cậy ở nhiệt độ phòng. Nhiệt độ Curie là 21 đến 49 °C và phụ thuộc vào thành phần, vì vậy một số mẻ có từ tính và một số thì không ở nhiệt độ môi trường. Khi độ từ thẩm thấp là yêu cầu chức năng, K500 là loại có phạm vi độ từ thẩm được công bố, và nhà sản xuất hướng người mua cần đảm bảo hành vi không có từ tính đến các hợp kim Monel khác.

Bản tin của nhà sản xuất liệt kê trục bơm và trục chân vịt, không phải cánh. Cánh được đúc bằng đồng nhôm niken hoặc đồng mangan, và hợp kim niken-đồng xuất hiện trong trục, bu lông và các bộ phận bơm xung quanh chúng. Một thông số kỹ thuật yêu cầu cánh Monel là yêu cầu một vật đúc mà hợp kim không được sử dụng để chế tạo.

Điện cực hàn MONEL 190 cho hàn hồ quang kim loại che chắn, thuộc lớp AWS A5.11 ENiCu-7, và Kim loại hàn MONEL 60 cho hàn hồ quang vonfram khí và hàn hồ quang kim loại khí, thuộc lớp AWS A5.14 ERNiCu-7. Kim loại hàn niken 61 và Kim loại hàn INCONEL 625 được liệt kê là các lựa chọn thay thế cho một số ứng dụng, và việc lựa chọn theo môi trường chứ không phải theo sự tiện lợi của xưởng.

Bởi vì hàn một bộ phận đã được làm cứng lão hóa làm giảm đáng kể độ dẻo của nó, trong khi hàn ở trạng thái ủ và lão hóa sau đó cho phép mối hàn đạt được độ bền của kim loại nền đã lão hóa. Nhà sản xuất nêu cả hai phần của quy tắc đó, và đơn đặt hàng phải ghi rõ trình tự, bao gồm cả sự co lại 2.5 x 10^-4 inch/inch mà quá trình lão hóa tạo ra.

Hợp kim Monel 400 là hợp kim dung dịch rắn niken-đồng hoạt động tốt trong nước biển chảy và bị tấn công trong điều kiện tù đọng, và sự khác biệt giữa hai trạng thái đó là quyết định thiết kế. Hợp kim K500 bổ sung nhôm và titan và xử lý lão hóa, làm tăng giới hạn chảy lên phạm vi mà trục bơm cần và làm cho hành vi từ tính có thể dự đoán được, với chi phí là trình tự hàn phải được ghi lại.

Sáu biến số quyết định một ứng dụng hàng hải: nước di chuyển nhanh như thế nào, nó có đứng yên không, mối nối được định hình như thế nào, thứ gì lắng đọng trên bề mặt, thứ gì được mang theo trong huyền phù, và mặt bích được bắt bu lông vào cái gì. Nêu chúng trong yêu cầu, nêu tên loại và số UNS, đặt hàng theo thông số kỹ thuật sản phẩm cho dạng, và báo giá nhận được sẽ mô tả một bộ phận chứ không phải một họ hợp kim.

Bản tin kỹ thuật của Special Metals cho hợp kim niken-đồng MONEL 400, ấn phẩm SMC-053. Nguồn cho số UNS N04400 và số Werkstoff 2.4360 và 2.4361, giới hạn thành phần 63.0 % niken cộng coban tối thiểu và 28.0 đến 34.0 % đồng, khối lượng riêng 8.80 g/cm3, khoảng nóng chảy 1.300 đến 1.350 °C, nhiệt độ Curie 21 đến 49 °C và tuyên bố rằng một số mẻ có từ tính ở nhiệt độ phòng, phạm vi độ bền kéo và giới hạn chảy theo dạng và điều kiện, giới hạn sử dụng 538 °C trong môi trường oxy hóa, tuyên bố rằng tốc độ ăn mòn rất thấp xảy ra trong nước biển chảy trong khi điều kiện tù đọng gây ra ăn mòn kẽ hở và ăn mòn rỗ, khả năng chống axit hydrofluoric ở mọi nồng độ lên đến điểm sôi, khả năng chống axit sulfuric và hydrochloric trong điều kiện khử, kim loại hàn cho hàn hồ quang và thông số kỹ thuật sản phẩm theo dạng.

Bản tin kỹ thuật của Special Metals cho hợp kim Monel K-500, ấn phẩm SMC-062. Nguồn cho số UNS N05500 và số Werkstoff 2.4375, phạm vi nhôm 2.30 đến 3.15 % và phạm vi titan 0.35 đến 0.85 %, cơ chế kết tủa Ni3(Ti,Al), khối lượng riêng 8.44 g/cm3, khoảng nóng chảy 1.315 đến 1.350 °C, phạm vi độ từ thẩm 1.0010 đến 1.0019 ở 200 oersted, màng bề mặt từ tính hình thành trong quá trình gia nhiệt, sự co lại 2.5 x 10^-4 inch/inch trong quá trình lão hóa, phạm vi độ bền kéo và giới hạn chảy theo dạng và điều kiện, và quy tắc rằng vật liệu đã được làm cứng lão hóa không nên được hàn.

ASTM B127, tiêu chuẩn đặc tả cho tấm, lá kim loại và dải hợp kim niken-đồng.

ASTM B164, tiêu chuẩn đặc tả cho thanh, que và dây hợp kim niken-đồng.

ASTM B163, B165, B725 và B730, tiêu chuẩn đặc tả cho ống và ống hợp kim niken-đồng ở dạng liền mạch và hàn.

ASTM B865, tiêu chuẩn đặc tả cho thanh, que, dây và vật rèn hợp kim niken-đồng-nhôm hóa cứng kết tủa, bao gồm UNS N05500.

QQ-N-281, tiêu chuẩn liên bang cho tấm, lá kim loại, dải, thanh, que, dây và vật rèn hợp kim niken-đồng.

EN 10204, tài liệu kiểm tra, để định nghĩa chứng nhận 3.1 là tài liệu mang kết quả thử nghiệm thực tế và được xác nhận bởi đại diện kiểm tra độc lập của nhà sản xuất.

Các thành phần và phạm vi cơ học trên là giới hạn đặc tả và giá trị điển hình cho các loại được đặt tên, và chúng không phải là giới hạn chấp nhận cho một lô hàng được giao. Hành vi ăn mòn phụ thuộc vào nồng độ, nhiệt độ, sục khí, dòng chảy và hình dạng, vì vậy một bộ phận hoạt động trong một hệ thống nước biển có thể hỏng trong một hệ thống khác với cùng một hợp kim danh nghĩa và cùng độ mặn, và hồ sơ vận hành phải được mô tả để câu trả lời có ý nghĩa. Độ từ thẩm thay đổi theo thành phần và lịch sử nhiệt, và một kết quả đọc trên bộ phận đã hoàn thành phản ánh quy trình cũng như mẻ. Thông số kỹ thuật sản phẩm được sửa đổi, và phiên bản được đặt tên trên đơn đặt hàng sẽ được áp dụng. Không có gì trong trang này thay thế cho việc phát hành kỹ thuật hoặc kiểm tra đủ điều kiện đã thỏa thuận giữa người mua và nhà cung cấp.