Monel K500 vs Inconel 718: comparação de liga de níquel de alta-resistência para fixadores marítimos

O que são Monel K-500 e Inconel 718 e como seus mecanismos de fortalecimento diferem?

Monel K-500 é uma liga de níquel-cobre reforçada pela adição de alumínio e titânio para formar precipitados gama-primos (Ni3(Ti,Al)), enquanto Inconel 718 é uma liga de níquel-ferro-cromo reforçada principalmente por nióbio-gama-duplo-principal (Ni3Nb) - um elemento fundamentalmente diferente química básica (cobre versus cromo como principal parceiro de liga do níquel) que impulsiona a maioria das diferenças práticas abordadas neste artigo.

Fonte: Boletins técnicos da Special Metals Corporation SMC-062 (liga MONEL K-500) e SMC-045 (liga INCONEL 718).

A química à base de cobre-do K-500 é o que lhe confere resistência à água do mar da família Monel-; O conteúdo de cromo 718 é o que lhe confere resistência mais ampla a ácidos e à oxidação em altas{5}}temperaturas, mas o torna quimicamente mais próximo das famílias de-aço inoxidável e superligas do que da família Monel. Ambas as ligas alcançam alta resistência por meio do mesmo princípio geral de endurecimento por idade -, precipitando uma fase intermetálica fina e coerente por meio de recozimento em solução seguido de envelhecimento controlado - mas o precipitado específico, sua cinética e suas consequências práticas para a soldagem e o comportamento do hidrogênio diferem substancialmente, como explicam as seções posteriores.

Como as duas ligas se comparam em resistência para aplicações de fixadores?

O Inconel 718 oferece resistência garantida significativamente maior do que o Monel K-500 no nível de especificação mais relevante para fixadores: AMS 5663 requer uma resistência à tração mínima de 180 ksi (1.241 MPa) e rendimento mínimo de 150 ksi (1.034 MPa) para 718, enquanto ASTM F468 - a especificação de fixador dedicada para K-500 - requer apenas 130 ksi (896 MPa) tração mínima e rendimento mínimo de 90 ksi (620 MPa).

Fonte: Requisitos de fixadores ASTM F468 para UNS N05500; Requisitos SAE AMS 5663 para UNS N07718; Boletim técnico SMC{6}}062 da Special Metals Corporation para a gama mais ampla de propriedades de formas de fresagem da K-500.

Essa vantagem de resistência à tração de aproximadamente 1,4x e resistência ao escoamento de 1,7x para 718 é uma diferença genuína e quantificada, e não marginal -, significa que um fixador 718 de diâmetro menor-pode suportar a mesma carga que um fixador K-500 maior, o que é importante diretamente para hardware marítimo e offshore sensível ao peso-. A faixa de propriedades de forma do próprio moinho-da K-500 (Tabela 6 de seu boletim de Metais Especiais) pode atingir valores mais altos em condições específicas de trefilação a frio e totalmente envelhecidas, mas o mínimo ASTM F468 específico para fixadores é o número que rege a aquisição e o projeto especificamente para parafusos.

Como as duas ligas se comparam na resistência geral à corrosão da água do mar?

A resistência à corrosão do Monel K-500 é, nas próprias palavras da Special Metals, "substancialmente equivalente à da liga 400" - excelente em água do mar corrente, com tendência a corrosão apenas em águas estagnadas ou em movimento lento- - enquanto a própria literatura do fabricante do Inconel 718 afirma claramente que a liga "não é tão resistente à corrosão em frestas como as ligas 625, 625LCF e 725", tornando-o o desempenho comparativamente mais fraco dos dois, especificamente em condições de água do mar estagnada e com fendas estreitas.

Esta é uma distinção genuinamente útil, muitas vezes{0}}esquecida: 718 é frequentemente considerado como sendo resistente à corrosão-superior a todas as ligas-, mas a comparação de corrosão de fendas de água do mar-da própria Special Metals o classifica atrás de vários de seus próprios companheiros estáveis ​​da família Inconel-. Para fixadores marítimos especificamente - que por sua natureza criam fendas na interface da junta, sob as arruelas e nas raízes da rosca - esta distinção de corrosão em fendas-é diretamente relevante, e o desempenho de corrosão de nenhuma das ligas deve ser considerado superior em todos os aspectos sem verificar o modo de falha específico em questão.

Monel K-500 e Inconel 718 são ambos vulneráveis ​​à fragilização por hidrogênio sob proteção catódica?

Sim - e este é o fato mais importante nesta comparação. Documentos de pesquisa-revisados por pares da NACE e do Departamento de Energia dos EUA (OSTI) mostram que a operação normal de sistemas de proteção catódica causou falhas de fragilização por hidrogênio em parafusos submarinos feitos de Monel K-500, e que testes de taxa de-deformação-lenta-de acompanhamento mostraram a mesma fragilização induzida por-proteção- catódica afetando o Inconel 718, Inconel X-750, Ferralium 255, aço de alta resistência e ligas com 13% de cromo.

Os materiais confirmados como NÃO fragilizados sob as mesmas condições de teste de{0}proteção catódica foram cobre-berílio, aço A-286, titânio Beta-C e aço mantido com uma resistência ao escoamento comparativamente baixa de 115 ksi (793 MPa) - uma lista notavelmente curta que não inclui nenhuma das ligas abordadas neste artigo. Esta é uma correção crítica para uma suposição comum na engenharia naval e offshore: mudar um fixador de Monel K-500 para Inconel 718 não elimina, por si só, o risco de fragilização por hidrogênio da-proteção catódica. Ambas as ligas desenvolvem sua resistência ao grau de-parafusamento por meio do endurecimento por envelhecimento até uma condição comparativamente dura e de alta-resistência, e é essa combinação de alta resistência/dureza com absorção de hidrogênio sob polarização catódica (e não a família específica da liga) que impulsiona esse modo de falha.

As falhas documentadas de K-500 parafusos submarinos foram atribuídas a rachaduras intergranulares consistentes com fragilização por hidrogênio causada por polarização catódica, particularmente quando acopladas a ânodos de sacrifício de alumínio; testes de taxa de{2}}deformação-lenta no material de um parafuso com falha real reproduziram superfícies de fratura que correspondiam de perto às falhas em campo. Uma investigação separada também identificou fissuras assistidas pelo ambiente de hidrogénio em K-500 envelhecidos expostos à água do mar e acoplados ao zinco, mesmo sem um sistema de protecção catódica impressionado externamente, quando os níveis de hidrogénio dissolvido se acumularam durante a exposição prolongada.

Qual limite de dureza os fixadores marítimos nessas ligas devem respeitar?

Para Monel K-500, as práticas da indústria e as orientações de padrões convergiram para limitar a dureza envelhecida a aproximadamente 34-35 HRC máximo para parafusos de serviço catodicamente protegidos ou ácidos- - NACE MR0175/ISO 15156 lista K-500 igual ou inferior a 35 HRC - uma vez que falhas documentadas ocorreram mesmo em níveis de dureza tão baixos quanto 25 HRC sob carga sustentada e catódica polarização, o que significa que um teto de dureza reduz, mas não elimina o risco.

Essa nuance é importante: um histórico de caso-revisado por pares descreve parafusos-rosqueados K-500, recozidos e envelhecidos até um comparativamente modesto 25 HRC - abaixo do limite comumente citado de 35 HRC - que ainda falhou sob carga sustentada e polarização catódica após aproximadamente um ano em serviço com cerca de 60% do limite de escoamento. Isto não significa que os limites de dureza sejam inúteis; maior dureza está fortemente associada ao aumento da suscetibilidade e ao crescimento mais rápido de fissuras, e permanecer abaixo de 34-35 HRC continua sendo a prática padrão de redução de risco.

Isso significa que um certificado de dureza por si só nunca deve ser tratado como prova de que um fixador K-500 (ou 718) é imune à fragilização por hidrogênio em serviços protegidos catodicamente - o próprio potencial catódico, o nível de carga e a duração da exposição são importantes junto com a dureza.

Qual liga é mais fácil de soldar e reparar?

Inconel 718 é uma das ligas de níquel endurecíveis por envelhecimento-mais soldáveis porque sua fase de reforço gama-duplo-principal se forma lentamente, mas as soldagens Monel K-500 feitas com o próprio enchimento recomendado da liga (Monel Filler Metal 60) são explicitamente não endurecíveis por envelhecimento-e, portanto, não podem igualar a resistência do metal base K-500 endurecido - alcançar a resistência correspondente requer um metal de adição diferente e de composição correspondente que a própria Special Metals não fornece.

A Special Metals afirma isso diretamente: "as soldagens não são endurecíveis pelo envelhecimento e, portanto, não possuem resistência correspondente à do metal base endurecido. As soldagens que requerem resistência semelhante à do metal base envelhecido devem ser depositadas com metal de adição de composição correspondente que está disponível em outros fornecedores." Esta é uma distinção prática significativa para reparo de fixadores, retroajuste ou hardware{2}}construído: um reparo de solda K-500 usando o metal de adição padrão deixará uma zona mecanicamente mais fraca, a menos que um enchimento especial correspondente e um ciclo completo de-solução de soldagem-recozimento-e envelhecimento sejam deliberadamente planejados, enquanto a soldabilidade mais convencional do 718 (abordada com mais detalhes em um artigo complementar sobre 718 forjamento e tratamento térmico) geralmente permite um caminho mais direto de volta à força total.

Para qual faixa de temperatura cada liga é adequada?

O teto de serviço prático do Monel K-500 é de cerca de 500 graus F (260 graus) - a temperatura na qual os dados de relaxamento da primavera indicam perda de propriedade inaceitável ao longo do tempo - enquanto o Inconel 718 permanece útil continuamente até cerca de 1.300 graus F (704 graus) antes de sua própria fase gama-dupla-primária começar a se transformar em fase delta sem{13}}reforço, proporcionando ao 718 uma janela de serviço em alta temperatura muito mais ampla.

Ambas as ligas apresentam desempenho excepcionalmente bom em temperaturas criogênicas, mantendo a ductilidade e a tenacidade sem nenhuma transição dúctil-para-frágil, mesmo perto de temperaturas de hidrogênio líquido para K-500, que é um dos motivos pelos quais ambas as ligas são usadas em hardware criogênico e de baixa-temperatura naval e aeroespacial. Mas para qualquer aplicação de fixação marítima com um motor de-exposição a temperatura elevada-,{8}}hardware adjacente, acessórios adjacentes de exaustão-ou equipamentos de processo funcionando a quente, o teto de temperatura muito mais alto do - 718 torna-o a única escolha confiável dos dois; K-500 acima de aproximadamente 500 graus F perde progressivamente as propriedades que seu endurecimento por envelhecimento foi projetado para oferecer.

A propriedade não magnética do Monel K-500 é uma vantagem para determinados fixadores marítimos?

Sim, o - Monel K-500 é praticamente não{4}}magnético mesmo em baixas temperaturas (permeabilidade relativa em torno de 1,001-1,002), uma propriedade que a Special Metals destaca especificamente para equipamentos de levantamento de poços de petróleo e componentes eletrônicos, e isso continua sendo uma vantagem genuína e distintiva sobre materiais de fixação de alta resistência mais convencionais para equipamentos marítimos magneticamente sensíveis, como caixas de bússolas, varredura de minas e hardware de contramedidas para minas e gabinetes de instrumentação sensíveis.

A Special Metals também observa uma advertência prática: um filme de superfície fino, magnético e rico em níquel- pode se desenvolver durante o processamento se o alumínio e o cobre forem oxidados seletivamente na superfície, especialmente em fios ou tiras finas, mas esse filme pode ser removido por decapagem ou imersão brilhante para restaurar as propriedades não{1}}magnéticas do material a granel. Esse é um detalhe de especificação que vale a pena confirmar no recebimento de qualquer aplicação em que o desempenho não{3}}magnético seja um requisito difícil, já que um artefato de superfície proveniente do processamento poderia ser confundido com um problema de material a granel.

Quais padrões regem cada liga para aquisição de fixadores marítimos?

Os fixadores Monel K-500 são mais comumente especificados sob ASTM B865 (haste e barra) e ASTM F468 (requisitos específicos-de fixadores), com QQ-N-286 Revisão G adicionando requisitos de teste de taxa de deformação lenta especificamente para serviços marítimos; Os fixadores Inconel 718 são especificados sob AMS 5662/5663 e ASTM B637, com ambas as ligas referenciando adicionalmente NACE MR0175/ISO 15156 para serviço protegido contra corrosão e catodicamente.

Fonte: Requisitos ASTM B865, ASTM F468 e QQ-N-286 para UNS N05500; SAE AMS 5662/5663 e ASTM B637 para UNS N07718; Listagens de dureza NACE MR0175/ISO 15156; Boletins técnicos da Special Metals Corporation SMC-062 e SMC-045.

Qual liga você deve especificar para fixadores marítimos?

Especifique Inconel 718 onde for necessária maior resistência, um fixador menor/mais leve para uma determinada carga ou serviço de{1}temperatura elevada, desde que a interação de proteção catódica do projeto seja totalmente projetada; especifique Monel K-500 onde seu histórico marítimo estabelecido, propriedade não{5}}magnética e resistência adequada atendem à aplicação, com dureza mantida no teto aceito de 34-35 HRC para qualquer uso com proteção catódica ou serviço ácido.

• Escolha Inconel 718 para:Aplicações que necessitam da maior relação resistência-por{1}}peso ou fixadores próximos a equipamentos com-temperaturas elevadas além do teto prático de 500 graus F do K-500.
• Escolha Inconel 718 para:Projetos em que a qualificação completa de engenharia (controle de dureza, monitoramento de potencial catódico e/ou testes de taxa de-deformação-lenta) pode ser aplicada para gerenciar o risco documentado de fragilização por hidrogênio de-proteção catódica compartilhado com o K-500.
• Escolha Monel K-500 para:Fixadores que exigem uma propriedade não{0}}magnética para sensores, bússola ou equipamentos adjacentes de varredura de minas-.
• Escolha Monel K-500 para:Aplicações onde as décadas de história de serviços marítimos da K-500, a especificação de fixadores ASTM F468 estabelecida e o protocolo de testes marítimos QQ-N-286 Revisão G fornecem um caminho de qualificação bem documentado.

Para ambas as ligas:Para AMBAS as ligas em serviço protegido catodicamente ou submarino: mantenha a dureza envelhecida no teto aceito (menor ou igual a 34-35 HRC para K-500 de acordo com NACE MR0175), monitore e limite o potencial de proteção catódica de acordo com a orientação aplicável (por exemplo, NORSOK) e considere testes de taxa de-deformação-lenta ou um método comprovado alternativa imune à-fragilização-por hidrogênio (como titânio A-286 ou Beta-C) para os fixadores mais críticos e de maiores consequências.

Perguntas frequentes

P: O Inconel 718 é imune aos problemas de fragilização por hidrogênio que afetaram o Monel K-500?

A: Não. Peer-revisou documentos de pesquisa da NACE e do Departamento de Energia dos EUA de que a proteção catódica causou fragilização por hidrogênio no Inconel 718, bem como no Monel K-500, no Inconel X-750, no Ferralium 255 e no aço de alta-resistência sob testes de taxa de deformação lenta. A troca de ligas por si só não elimina esse risco; deve ser projetado.

P: Qual limite de dureza é recomendado para fixadores marítimos Monel K-500?

A: A prática da indústria e a NACE MR0175/ISO 15156 geralmente limitam K-500 a 35 HRC no máximo para serviços protegidos catodicamente ou ácidos, embora falhas documentadas tenham ocorrido mesmo com dureza tão baixa quanto 25 HRC sob carga sustentada, portanto, um limite de dureza reduz, mas não elimina o risco.

P: O Inconel 718 é mais forte que o Monel K-500?

A: Sim. AMS 5663 requer uma resistência à tração mínima de 180 ksi (1.241 MPa) para 718 versus 130 ksi (896 MPa) mínimo da ASTM F468 para fixadores K-500, e a resistência ao escoamento mínima de 718 (150 ksi/1.034 MPa) é aproximadamente 1,7 vezes o mínimo da especificação do fixador K-500 (90 ksi/620 MPa).

P: Qual liga tem melhor resistência à corrosão da água do mar, Monel K-500 ou Inconel 718?

A: Depende do modo de falha. O K-500 possui excelente resistência geral à água do mar em condições de fluxo (com risco de corrosão em águas estagnadas). A própria literatura da Special Metals afirma que o Inconel 718 é menos resistente à corrosão em frestas do que o Inconel 625, 625LCF, e 725 - uma fraqueza relevante, dado que as juntas de fixação criam fendas inerentemente.

P: Os reparos de solda Monel K-500 podem corresponder à resistência do metal base endurecido original?

A: Não com o metal de adição padrão recomendado. A Special Metals declara que as soldagens feitas com Monel Filler Metal 60 não são endurecíveis pelo envelhecimento-e não corresponderão à resistência do metal base endurecido; alcançar a resistência correspondente requer um metal de adição de composição de{3}}correspondência especial de outro fornecedor, além de um ciclo completo de-recozimento-e{6}}de idade da solução.

P: Qual é a temperatura máxima de serviço para fixadores Monel K-500?

A: Aproximadamente 500 graus F (260 graus), com base em dados de relaxamento da mola que mostram perda de propriedade inaceitável acima desse ponto. O Inconel 718 permanece útil continuamente até aproximadamente 1.300 graus F (704 graus), tornando-o a escolha apropriada para qualquer aplicação de fixação marítima em-temperatura elevada.