Slitina 405, výkovky Monel 405, UNS N04405

Slitina 405, drát Monel 405, UNS N04405

Úvod do slitiny 405 (drát Monel 405, UNS N04405)

Slitina 405, komerčně známá jako Monel 405 a klasifikovaná jako UNS N04405, je nízkouhlíková superslitina niklu a mědi odvozená od klasického Monelu 400 (UNS N04400) - navržená tak, aby si zachovala výjimečnou odolnost proti korozi a zároveň řešila klíčové omezení svého předchůdce: svařitelnost. Snížením obsahu uhlíku na ≤0,05 hm% Monel 405 minimalizuje srážení karbidu na hranicích zrn během svařování a vysokoteplotního provozu, čímž eliminuje riziko mezikrystalové koroze (IGC), která může ohrozit svarové spoje v drsném prostředí. Tato slitina spolehlivě funguje v kryogenních podmínkách (-253 °C/-423 °F) až do 480 °C/900 °F, využívá austenitickou mikrostrukturu posílenou pevným roztokem k zajištění konzistentní tažnosti, houževnatosti a odolnosti vůči mořské vodě, solankám, organickým kyselinám a redukčním chemikáliím. Drát Monel 405, specializovaná forma této slitiny, je široce používán v aplikacích náročných na svařování v námořním inženýrství, chemickém zpracování a ropném a plynárenském průmyslu - vyniká v komponentách, jako je svařované drátěné pletivo, dříky ventilů a kabely senzorů ve hlubinných vrtech, které vyžadují odolnost proti korozi a robustní svařované spoje.

1. Chemické složení (typické, hm%)

Chemické složení UNS N04405 dodržuje přísné průmyslové normy včetně ASTM B865 (pro drát ze slitiny niklu a mědi), ASTM B164 (pro plech/desku ze slitiny niklu a mědi) a ASME SB865, přičemž jeho definujícím rysem je nízkouhlíkový design. Typické složení je následující:

Element

Rozsah obsahu (hm%)

Funkce

Nikl (Ni)

63.0 - 67.0

Slouží jako primární prvek matrice, stabilizující austenitickou strukturu; zvyšuje odolnost vůči redukčnímu prostředí (např. H₂S, kyselina sírová) a udržuje tažnost při kryogenních teplotách.

Měď (Cu)

28.0 - 34.0

Základní legující prvek, který zvyšuje odolnost proti korozi v mořské vodě, solankách a organických kyselinách (např. Kyselina octová); Zlepšuje zpracovatelnost při tažení drátu a svařování.

Uhlík (C)

≤ 0,05

Definující nízkouhlíková vlastnost – minimalizovaná, aby se zabránilo srážení chrómu nebo karbidu niklu na hranicích zrn, čímž se eliminuje mezikrystalová koroze (IGC) ve svařovaných spojích nebo při vysokých teplotách.

Železo (Fe)

≤ 2.5

Zlepšuje zpracovatelnost za tepla (kritické pro výrobu válcovaného drátu) a kontroluje náklady na slitinu; omezeno, aby se zabránilo ohrožení odolnosti proti korozi v mořském nebo chemickém prostředí.

Mangan (Mn)

≤ 1.5

Pomáhá při dezoxidaci během tavení a zlepšuje zpracovatelnost za studena pro jemné tažení drátu; Řízeno, aby se zabránilo křehkosti při nízkých teplotách.

Křemík (Si)

≤ 0,5

Snižuje tvorbu oxidu během zpracování za tepla a zlepšuje tekutost roztavené slitiny pro odlitek; omezeno, aby se zabránilo nadměrným inkluzím, které snižují únavovou životnost.

Síra (S)

≤ 0,010

Přísně omezeno, aby se zabránilo praskání za tepla během tažení drátu a svařování; snižuje riziko důlkové koroze v prostředích bohatých na síru (např. vrty na kyselý plyn).

Fosfor (P)

≤ 0,015

Reguluje se, aby se zabránilo křehnutí hranic zrn, zejména u svařovaných součástí vystavených cyklickému zatěžování nebo kryogenním teplotám.

Kobalt (Co)

≤ 1.0

Stopový prvek, který mírně zvyšuje pevnost při vysokých teplotách, aniž by narušoval odolnost proti korozi; omezeno, aby se zabránilo zvýšení nákladů na slitinu.

2. Fyzikální vlastnosti

Drát Monel 405 vykazuje stabilní fyzikální vlastnosti v celém rozsahu provozních teplot, přičemž výkon je poháněn zesílením pevného roztoku (není nutné vytvrzování stárnutím – zjednodušuje výrobu). Klíčové vlastnosti (měřeno při pokojové teplotě, pokud není uvedeno jinak) jsou:

Vlastnost

Hodnota

Zkušební podmínky

Hustota

8,80 g/cm³

Pokojová teplota (25°C)

Rozsah bodu tání

1300 - 1350°C

-

Koeficient tepelné roztažnosti

13.3 × 10⁻⁶/°C

20 - 100°C; 16.0 × 10⁻⁶/°C (20 - 400°C)

Tepelná vodivost

22.7 W/(m·K)

100°C; 29.1 W/(m·K) (400°C)

Elektrický odpor

0.54 × 10⁻⁶ Ω·m

Pokojová teplota (25 °C); 0.62 × 10⁻⁶ Ω·m (400°C)

Modul pružnosti

180 GPa

Pokojová teplota (tahová); 155 GPa (400°C)

Poissonův poměr

0.32

Pokojová teplota

Curieova teplota

≈ -196°C

Pod touto teplotou slabě feromagnetické (irelevantní pro většinu teplot aplikace).

Pevnost

≥ 650 MPa

Pokojová teplota; ≥ 400 MPa (400 °C)

Mez kluzu (0,2% offset)

≥ 275 MPa

Pokojová teplota; ≥ 200 MPa (400 °C)

Prodloužení

≥ 40%

Pokojová teplota; ≥ 45 % (-196 °C, kapalný dusík)

Tvrdost (žíhaná)

≤ 180 HB

Pokojová teplota

Rázová houževnatost (Charpyho V-zářez)

≥ 120 J

Pokojová teplota; ≥ 80 J (-196°C)

Odolnost proti korozi

Prošel 2000hodinovým testem v solné mlze (ASTM B117); Žádná mezikrystalová koroze (ASTM A262 Practice E)

5% roztok NaCl, 35°C (solná mlha); Vroucí kyselina dusičná (晶间腐蚀测试)

3. Výrobní proces drátu Monel 405

Výroba drátu Monel 405 se zaměřuje na přísnou kontrolu uhlíku (≤0,05 hm%) a optimalizované zpracování, aby byla zachována jeho odolnost proti korozi a svařitelnost. Na rozdíl od slitin vytvrzovaných precipitačně není nutné žádné kalení stárnutím, což zjednodušuje pracovní postup. Mezi klíčové kroky patří:

3.1 Tavení a odlévání surovin (nízkouhlíkové zaměření)

Tavení: Vysoce čisté suroviny (nikl, měď, železo atd.) se taví vakuovým indukčním tavením (VIM) a následným oduhličením argonem a kyslíkem (AOD). Tento duální proces zajišťuje přesnou kontrolu uhlíku (≤0,05 hm.), eliminuje plynné nečistoty (O₂ < 20 ppm, N₂ < 30 ppm), and ensures uniform distribution of nickel and copper—critical for consistent corrosion performance.

Odlévání: Roztavená slitina se odlévá do ingotů (500 - 2500 kg) nebo výkvětů, které procházejí homogenizačním žíháním při teplotě 1050 - 1100°C po dobu 8 - 10 hodin. Tento krok eliminuje chemickou segregaci (zejména mědi a niklu) a rozpouští veškeré zbytkové mikrokarbidy, čímž připravuje materiál pro tváření za tepla při zachování nízkouhlíkové mikrostruktury.

3.2 Tváření za tepla a výroba válcovaného drátu

Válcování za tepla: Ingoty / výkvěty se válcují za tepla při 950 - 1050 °C do válcovaných drátů (průměr: 8 - 20 mm). Válcování za tepla se provádí v kontrolovaném teplotním rozsahu, aby se zabránilo hrubnutí zrna; Tyče jsou chlazeny vzduchem na pokojovou teplotu rychlostí 50 - 80 °C/hod, aby se udržela austenitická fáze a zabránilo se nechtěné tvorbě karbidů.

Odstraňování vodního kamene: Tyče válcované za tepla procházejí tryskáním (k odstranění uvolněného oxidového vodního kamene) a následným mořením kyselinou (roztok kyseliny dusičné-fluorovodíkové), aby se odstranily zbytkové vrstvy oxidu niklu a mědi. Tento krok zabraňuje povrchovým vadám při tažení za studena a zajišťuje čisté povrchy pro svařování (kritické pro zabránění znečištění svarem).

3.3 Tažení za studena (tvorba drátu)

Víceprůchodové tažení za studena: Válcované dráty jsou taženy za studena diamantovými matricemi v 6 - 10 průchodech, aby se dosáhlo požadovaného průměru (obvykle 0,1 mm - 10 mm). Každý průchod zmenšuje průměr o 12 - 20 %, s mezilehlým žíháním (950 - 1000 °C po dobu 30 - 45 minut, kalené vodou) mezi průchody. Tento krok žíhání zmírňuje mechanické zpevnění, obnovuje tažnost a zajišťuje, aby nedocházelo k vysrážení karbidů (díky nízkému obsahu uhlíku), což je zásadní pro zachování svařitelnosti.

Rozměrová kontrola: Napětí, vyrovnání matrice a rychlost tažení jsou přesně regulovány tak, aby byla zachována úzká tolerance průměru (±0,015 mm pro přesný drát) a kulatost (≤0,008 mm). U svařovacích aplikací (např. drátěné pletivo, přídavný drát) zajišťuje monitorování průměru laseru konzistenci – nerovnoměrný průměr drátu může způsobit vady svarové housenky.

3.4 Konečné tepelné zpracování (svařitelnost a stabilita)

Drát Monel 405 prochází žíháním pro snížení pnutí, aby se optimalizoval jeho výkon, zejména pro svařované aplikace:

Úleva od stresu: Zahřátí drátu na 850 - 900 °C po dobu 1 - 2 hodin, následované ochlazením vzduchem. Tento krok snižuje zbytková napětí způsobená tažením za studena, stabilizuje austenitickou mikrostrukturu a nepotvrzuje, že se netvoří karbid – což zajišťuje, že drát si zachovává odolnost proti korozi a svařitelnost i po svařování.

Předběžná úprava svaru (volitelně): U drátu používaného jako svařovací plnivo nebo ve svařovaných sestavách se provádí dodatečné nízkoteplotní žíhání (600 - 650 °C po dobu 1 hodiny). Tento krok dále zjemňuje mikrostrukturu a zajišťuje, aby tepelně ovlivněná zóna (HAZ) během svařování netvořila karbidy.

3.5 Povrchová úprava a kontrola kvality

Povrchová úprava:

Moření: Moření po žíhání v kyselině dusičné, aby se odstranily oxidové usazeniny a posílil přirozený nikl-měděný korozivzdorný film – kritický pro mořské nebo chemické prostředí.

Pasivace: Volitelná chromátová úprava pro další zpevnění povrchového filmu, ideální pro aplikace vystavené působení chloridových iontů (např. svařování mořskou vodou).

Leštění: Pro vysoce přesné svařování nebo potravinářské aplikace je drát leštěn na hladkou povrchovou úpravu (Ra ≤ 0,2 μm), aby se zabránilo kontaminaci svaru a zajistilo se dodržování hygienických předpisů.

Kontrola kvality:

Chemická analýza: Optická emisní spektroskopie (OES) k ověření obsahu uhlíku (≤0,05 hm%) a poměru niklu a mědi – rozhodující pro odolnost proti korozi a svařitelnost.

Mechanické zkoušení: Zkoušení tahem (pevnost/prodloužení), zkoušení tvrdosti (HB) a zkoušení ohybem (pro potvrzení tažnosti pro svařování).

Korozní testování: Testování solnou mlhou (ASTM B117), testování mezikrystalové koroze (ASTM A262 Practice E) a testování koroze svarů (ASTM G36) – pro ověření, že ve svarových spojích není IGC.

Nedestruktivní testování: Zkoušení vířivými proudy (pro povrchové vady, jako jsou trhliny) a ultrazvukové zkoušení (pro vnitřní vady) – nezbytné pro svařovací přídavný drát, kde se vady mohou šířit do svarů.

Ověření svařitelnosti: Zkušební svary TIG/MIG pomocí drátu, následované metalografickou analýzou HAZ, aby se potvrdilo, že nedochází k vysrážení karbidů.

4. Aplikace produktů

Jedinečná kombinace svařitelnosti s nízkým obsahem uhlíku, výjimečné odolnosti proti korozi a tažnosti drátu Monel 405 jej činí nepostradatelným v prostředí náročných na svařování, korozivním prostředí:

4.1 Námořní inženýrství (aplikace zaměřené na svařování)

Podmořské svařované sestavy: Drát (0,5 - 2,0 mm) pro výrobu svařovaných drátěných sít, podmořských potrubních konektorů a svařovaných součástí ROV (Remote Operated Vehicle) - odolává korozi mořské vody a zajišťuje, že svarové spoje netrpí IGC.

Námořní plavidla: Drát pro svařované upevňovací prvky trupu, trubky výměníku tepla a svařovaná pouzdra hřídele lodního šroubu – překonává uhlíkovou ocel ve slané vodě, se svařovanými spoji zachovávajícími odolnost proti korozi.

Pobřežní infrastruktura: Drát pro svařovanou výztuž v konstrukcích pro příjem mořské vody a přístavních zařízeních – svařované spoje odolávají přílivové korozi a solné mlze.

4.2 Chemický a petrochemický průmysl

Svařované procesní zařízení: Drát pro svařované filtry z drátěného pletiva, dříky ventilů ve svařovaných ventilech a kabely senzorů ve svařovaných reaktorech – odolává organickým kyselinám (např. kyselině octové) a redukčním chemikáliím, přičemž svarové spoje zůstávají bez koroze.

Farmaceutický a potravinářský průmysl: Drát pro svařované sanitární vybavení (např. směšovací nože, filtrační síta) – nízký obsah uhlíku zabraňuje kontaminaci a svařované spoje vyhovují standardům FDA (21 CFR část 177) pro styk s potravinami a léky.

4.3 Ropný a plynárenský průmysl

Nástroje svařované hlubinnými otvory: Drát pro svařované kabely snímačů hlubinných vrtů, pohony ventilů a svařované součásti ústí vrtu – odolává korozi kyselým plynem (H₂S) a solance, se svařovanými spoji odolávajícími vysokému tlaku (až 15 000 psi) a mírným teplotám (až 400 °C).

Pobřežní plošiny: Drát pro svařované konstrukční podpěry, objímky pro opravy potrubí a svařované součásti systému požární vody – svařované spoje udržují integritu při korozi v mořské atmosféře.

4.4 Letectví a kryogenní aplikace

Kryogenní svařované systémy: Drát pro svařované součásti nádrže na kapalný kyslík (LOX) nebo kapalný vodík (LH₂) – udržuje tažnost při -196 °C až -253 °C a svary netrpí IGC ani křehkým lomem.

Svařované spojovací prvky pro letecký průmysl: Drát pro svařované spojovací prvky s malým průměrem v palivových systémech letadel – odolává korozi leteckého paliva a zajišťuje těsnost svarových spojů.

4.5 Průmyslové svařování a výroba

Svařovací plnicí drát: Drát Monel 405 (1,0 - 4,0 mm) se používá jako výplňový drát pro svařování součástí Monel 400/405 - odpovídá odolnosti základního kovu proti korozi a zajišťuje, že v HAZ není IGC.

Svařované elektrické součásti: Drát pro svařované elektrické konektory v korozivním prostředí (např. řídicí systémy chemických závodů) – udržuje vodivost a odolává chemicky vyvolané korozi.

Závěr

Slitina 405 (Monel 405 Wire, UNS N04405) je specializovaný nízkouhlíkový nikl-měděný superslitinový drát, který se vyznačuje schopností kombinovat legendární odolnost Monel proti korozi se zvýšenou svařitelností – eliminuje mezikrystalovou korozi ve svařovaných spojích. Jeho nízkouhlíková konstrukce, zpevnění pevným roztokem a konzistentní výkon při kryogenních až středně vysokých teplotách z něj činí kritický materiál pro aplikace náročné na svařování v námořním, chemickém a ropném a plynárenském průmyslu. Ať už se používá jako svařované drátěné pletivo, výplňový drát nebo kabely senzorů hlubinných otvorů, drát Monel 405 poskytuje spolehlivou odolnost proti korozi a robustní svařované spoje. Pro zakázkové požadavky, jako je ultrapřesný svařovací drát (až do průměru 0,05 mm), povrchové úpravy pro potravinářský průmysl nebo drát s velkým průměrem (do 12 mm) pro konstrukční svařování, nabízejí výrobci řešení na míru, která splňují nejnáročnější problémy v oblasti koroze při svařování.

Balení Standardní balení:

Typické hromadné balení zahrnuje paletizovaný plast o objemu 5 galonů/25 kg. kbelíky, vláknité a ocelové sudy až po 1 tunové super pytle v plném kontejneru (FCL) nebo nákladním nákladu (T/L). Výzkumná množství a množství vzorků a hygroskopické, oxidační nebo jiné materiály citlivé na vzduch mohou být baleny v argonu nebo ve vakuu. Roztoky jsou baleny v polypropylenových, plastových nebo skleněných nádobách až do paletizovaných 681 galonových tekutých přepravek. Speciální balení je k dispozici na vyžádání.