インコロイ合金棒の材料と性質の詳細な分析

ロッドの注文は3つの決定事項からなり、ほとんどのカタログページは最初の1つにしか対応していません。グレードは1つの決定事項です。供給条件は2番目です。証明書が記載される仕様は3番目です。グレードを決定し、残りの2つをミルに任せた購入者は材料を購入したことにならず、請求書がそれを証明します。

最も明確な実証は、ロッド形状の合金800です。同じ化学組成で、室温で試験した場合、980℃で焼きなましすると降伏強度は250 MPa、熱間圧延すると445 MPa、冷間引抜すると690 MPaになります。引張強度は、同じ3つの条件で590から665、771 MPaに移動し、硬度は最初の2つの間で138から198 HBに移動します。組成に変更はありませんでした。加工が変更されました。

その広がりがあるため、「インコロイ合金ロッドの材料と特性」と題されたページは、その主題に関する警告から始めなければなりません。グレードのロッドには単一の特性セットはありません。特定の条件で特定の試験温度でのグレードの特性セットがあり、それ以外は平均化されるべきでないものの平均です。

このページでは、ロッドとして供給される3つのインコロイファミリー、各ファミリーが購入される条件、各ファミリーが適切な答えでなくなる温度、および証明書が意味を持つ前に購入注文に記載されなければならない4つの項目について説明します。

インコロイは、ニッケル-鉄-クロム合金ファミリーをカバーするスペシャルメタルズグループの商標です。グレードではありません。そのファミリーの3つのメンバーが一般的にロッドおよびバーの形状で供給され、3つの異なる用途に使用されています。

800シリーズは、約32％のニッケルと21％のクロムを含むオーステナイト系ニッケル-鉄-クロム合金であり、グループの耐熱メンバーです。合金825は、ニッケルを38〜46％の範囲に増やし、モリブデンと銅を追加して、硫酸、リン酸、海水用の水性腐食合金にします。合金925は825ベースを維持し、チタンとアルミニウムを増やして、析出硬化可能にし、2段階の熱処理後に降伏強度を271 MPaから832 MPaに引き上げます。

その表から、特性について議論する前に2つのことがわかります。1つ目は、インコロイロッドの問い合わせはファミリーを指定しただけであり、それ以外は何も指定していないため、最初の返信はどのグレードかという質問でなければならないということです。2つ目は、800行には化学組成がほぼ同じ3つのUNS番号が含まれており、それらの違いは炭素範囲、アルミニウムとチタンの合計、および結晶粒度であるということです。これらは化粧的な違いではなく、化学組成のみを報告する証明書では見えません。

以下の表は、6つのロッドおよびバー製品を室温で並べて示しています。6つのうち5つは、すでに説明した同じ3つのファミリーです。6番目は、3番目の条件での同じ800の化学組成であり、演習のポイントです。

その表の降伏強度の範囲は250から832 MPaまであり、3.3倍ですが、その範囲の一部は合金の変更によるものです。800の列だけでも、化学組成を一定に保ったまま250から690 MPaをカバーしています。購入者が2つのデータシートから800の降伏強度と925の降伏強度を比較する場合、焼きなましされたロッドと時効処理されたバーを比較しており、ほとんどの違いは炉のスケジュールであるにもかかわらず、925がより強い合金であると結論付けるでしょう。

実用的な読み取りは簡単です。設計で800から700 MPaが必要な場合は、冷間引抜ロッドが答えであり、同じ購入で伸び17％と、その条件で公開されていない硬度がもたらされます。形成または溶接された部品の延性が設計で必要な場合は、250 MPaで焼きなましされたロッドが答えであり、硬度は138 HBであり、図面は低い強度を受け入れる必要があります。両者は同じグレードであり、交換可能ではありません。

同じ論理が825の行を説明しています。焼きなましされたバーは324 MPaの降伏強度で、腐食合金としては低く、パンフレットは合金が冷間加工によって大幅に強化できると述べています。同じグレードの冷間引抜チューブは、伸び15％で889 MPaの降伏強度に達します。焼きなまし強度以上のバー注文は、冷間引抜条件を要求し、チューブデータが示すのと同じ延性低下を受け入れる必要があります。

合金800は1950年代に比較的低いニッケル含有量の耐熱合金としてリリースされました。その最後の詳細の理由は、当時のニッケルの戦略的指定でした。1963年に圧力容器の承認を受け、その承認により、シリーズを支配する区別が導入されました。グレード1は約980℃で焼きなましされ、グレード2は約1,150℃で焼きなましされます。2番目のグレードが800Hになりました。

2番目のグレードの理由はクリープです。合金800は最大約816℃までのサービスを意図しており、これらの温度では設計は通常引張特性に基づいています。それ以上の温度では、設計は破断とクリープによって支配され、両方とも結晶粒度と炭素含有量に反応します。粗い結晶粒構造は、細かいものよりも結晶粒界滑りをより良く運び、より高い炭素レベルは、粒界を固定する炭化物ネットワークをサポートします。合金800Hは両方を必要とするように作成され、その仕様は0.05〜0.10％の炭素範囲とASTM 5以上の平均結晶粒度を要求します。

合金800HTは、同じ範囲内のさらなる制限であり、クリープおよび破断特性が高い範囲の上部にあるアルミニウムとチタンを保持するために導入されました。その化学組成は800Hの制限内であり、アルミニウムとチタンの合計は800Hの0.30〜1.20％に対して0.85〜1.20％であり、その熱処理は最低2,100°F（1,149℃）です。

最後の列は商業的な問題を引き起こすものです。合金800HTは、N08811とN08810の両方の要件を満たしており、いずれか一方または両方に証明できます。逆は当てはまりません。N08810用に製造された材料は、追加のアルミニウム、チタン、および熱処理要件を満たさない限り、N08811として証明できず、800HTの代替として800Hを提供するサプライヤーは異なる設計応力を提供しています。

結晶粒度は、特性が議論される前に購入注文に記載されるべきです。これは最終的な焼きなましと、その前の熱間加工の量の結果であり、化学組成証明書からは回復できません。組成のみで800Hを注文する購入者は、化学組成のすべての要素を満たし、設計が想定したクリープ寿命を提供しない、微細結晶粒のバーを受け取る可能性があります。

825グレードは異なる提案です。モリブデン、銅、チタンを含むニッケル-鉄-クロム合金であり、添加物は水性腐食を対象としています。クロムは硝酸や硝酸塩などの酸化性媒体をカバーします。モリブデンと銅は、硫酸やリン酸などの還元性媒体をカバーします。モリブデンは、ピッティングおよび隙間腐食に対する耐性も向上させます。チタンは、適切な熱処理により、合金を粒界腐食への感作から安定化させます。

温度制限は、カタログページが省略している部分です。合金パンフレットは、約1,000°F（540℃）を超える暴露は、延性と衝撃強度を著しく低下させる微細構造の変化や相形成を引き起こす可能性があり、この理由から、合金は通常、クリープ破断特性が設計要因となる温度では使用されないと述べています。これは特定の製品形状の定格低下ではありません。合金に関する声明です。

ロッド購入者にとっての結果は、825がプラントの腐食側に属し、高温側には属さないということです。硫酸サービスでの熱交換器チューブ、バルブボディ、またはポンプシャフトがその用途です。700℃で稼働するサポートはそうではなく、分析中のニッケル量が増えてもそれは変わりません。

熱処理もここでも重要です。ミル製品は、安定化、耐食性、機械的特性、および成形性の組み合わせを開発するために処理されます。後続の焼きなましは、1,700〜1,800°F（930〜980℃）の間で行われ、その後、空気冷却または水焼き入れが行われます。重いセクションは、熱間加工温度からの冷却中に感作される可能性があり、特定の媒体で粒界腐食を受ける可能性があります。その場合、安定化焼きなましにより耐性が回復します。加工工場で再加工され、空冷されたバーは、購入した特性を失ったバーである可能性があります。

合金925は825ベースであり、チタンは0.6〜1.2％から1.9〜2.4％の範囲に増やされ、アルミニウムが0.1〜0.5％で追加されています。これらの2つの要素は強化添加物であり、腐食添加物ではありません。熱処理はガンマプライム、Ni3(Al, Ti)を析出させ、この析出物が、固溶焼きなまし状態の降伏強度を271 MPaから時効後に832 MPaに引き上げます。

この区別は一般的な説明を修正します。925グレードは、腐食およびピッティング耐性のための追加合金としてしばしば提示されます。モリブデンと銅は腐食添加物であり、825と同じです。チタンとアルミニウムは強度のためです。両グレードの耐食性は近く、合金パンフレットのサワーサービスデータが示しています。遊離硫黄を含むサワーオートクレーブ試験では、925は2つの溶液で1.1および1.2 mpy、825は1.1および1.6 mpyで腐食し、タイプ316ステンレス鋼は3.9および4.5 mpyでした。

熱処理には2つの段階があり、両方ともロッド注文に影響する許容範囲があります。固溶焼きなましは、1,800〜1,900°F（980〜1,040℃）で最低30分、最長4時間行われ、1インチ（25 mm）以下のセクションでは空気冷却と同等以上の冷却、1インチを超えるすべてのサイズでは水焼き入れが行われます。その後、1,350〜1,380°F（732〜749℃）で6〜9時間時効処理され、炉冷で1,150°F（621℃）まで冷却され、その後621℃±8℃で保持され、合計時効時間は18時間です。

直径列は購入者を驚かせる部分です。特性限界は製品形状とサイズごとに記載されており、熱間加工ルートは冷間加工ルートよりも高い最小降伏強度に維持されています。これは、試験片がプロセスの異なる部分から来るためです。直径範囲なしで最小降伏強度を引用する購入注文は、切断されるバーに適用されない可能性のある数値を引用しています。

機械加工シーケンスは2番目の実用的な結果です。粗加工は時効硬化前に行われ、仕上げは後に行われます。これは、合金が固溶焼きなまし状態および時効処理状態でよく機械加工され、その中間ではうまく機械加工されないためです。パンフレットは歪みについてさらに詳しく述べています。約25 mm以下の壁厚のバーをトレビニングした後、旋削により最大0.010インチ（0.25 mm）の歪みが発生し、材料を数週間放置するか、1,150°F（621℃）で2時間再加熱してから旋削することで、ランアウトが排除または大幅に削減されました。1回のセットアップでトレビニングと仕上げを行うショップは、材料が保持できない公差を保持します。

溶接には独自の制限があります。マッチング725NDURフィラーを使用したガスタングステンアーク溶接およびガスメタルアーク溶接が推奨されるルートであり、サブマージアーク溶接およびシールドメタルアーク溶接はこのグレードには推奨されません。溶接アセンブリになるロッドは、それを中心に設計する必要があります。

グループの一般的な主張は、これらのロッドがグレードに応じて1,000℃を超える温度でも強度を維持することです。この文は、3つの合金パンフレットとの接触に耐えられません。合金825は最大約540℃に制限されています。合金925は最大約650℃まで強度を維持します。合金800は816℃まで設計されており、それ以上では、同じファミリー内の異なる熱処理が答えであり、同じロッドをより高い温度で使用するわけではありません。

1,000℃という数字は、800Hおよび800HTグレードのクリープおよび破断試験から来ており、設計範囲をはるかに超える温度で報告されています。試験温度はサービス温度ではありません。1,000℃の負荷がかかったロッドは、このファミリーのすべてのグレードの設計基準を超えており、そのような数値を引用する仕様は、研究所と炉を混同しています。

5つの項目が、証明書が部品と一致するかどうかを決定します。1つ目は、グレードとそのUNS番号です。商標名だけでは化学組成を特定できないためです。2つ目は供給条件で、焼きなまし、熱間圧延、冷間引抜、または固溶焼きなましおよび時効処理と記載され、最後のものが該当する場合は時効処理も記載されます。3つ目は結晶粒度で、800Hおよび800HTのみです。これは最終的な焼きなまし結果であり、化学組成には含まれていないためです。4つ目は特性基準、つまり試験温度と値が最小値か代表値かです。5つ目は検査書類です。

925行は注目に値します。合金パンフレットは製品に3つの書類を記載しており、個別のASTMロッドおよびバー仕様を記載していません。そのため、それを発明する購入注文は書類を発明したことになります。グレードの特性限界は、製造業者仕様HA 46から来ており、圧力容器の基準はコードケース2218から来ています。925のASTM参照が必要な購入者は、サプライヤーにどちらを証明しているかを明記してもらう必要があります。

証明書自体はEN 10204 3.1文書であるべきです。これは、ロットの実際の試験結果を記載し、製造業者の独立した検査担当者によって承認されています。2.2証明書は、非特定の検査の結果を報告するものであり、同じ文書ではありません。部品が圧力境界に入る場合は、その違いが重要になります。

DLXは、江蘇省常州市からインコロイグレードをロッドおよびバーで供給しています。また、ワイヤーは0.025 mmから、ストリップは0.50 mmから2.5 mmまで、用途が異なる形状に移行する場合にも供給しています。注文は購入注文に記載された標準に基づいて製造され、要求に応じてEN 10204 3.1証明書が添付され、熱番号は試験結果に追跡可能です。

ほとんどの見積もりは2つの質問で決まります。1つ目は条件です。焼きなましされた800の価格は、冷間引抜された800の価格ではないためです。2つ目は、グレードに結晶粒度要件が必要かどうかです。800Hと800HTは、それなしでは見積もりできないためです。

答えは商標名ではなく、環境によって異なります。600℃を超える炉部品または熱交換器の場合、800シリーズが候補となり、816℃を超える場合は800Hまたは800HTです。約540℃未満の硫酸、リン酸、または海水の場合、825が候補となります。724 MPa以上の最小降伏強度とサワーサービス耐性が必要なダウンホールまたはウェルヘッド部品の場合、925が候補となります。

クリープと破断は結晶粒界と炭化物に依存するため、800Hは0.05〜0.10％の炭素範囲とASTM 5以上の平均結晶粒度を必要とします。粗い結晶粒は粒界滑りを減らし、炭素は粒界を固定する炭化物ネットワークをサポートします。合金800にはどちらの要件もないため、816℃を超える設計基準は同じではありません。

いいえ。合金パンフレットはそれを約540℃に制限しており、それを超えると相形成により延性と衝撃強度が著しく低下し、合金は通常、クリープ破断特性が設計要因となる場所では使用されないと述べています。この制限は合金の特性であり、ロッド、バー、チューブ、シートすべてに適用されます。

時効処理はガンマプライム、Ni3(Al, Ti)を析出させ、固溶焼きなまし状態の降伏強度を271 MPaから832 MPaに引き上げます。これは、980〜1,040℃での固溶焼きなまし後、732〜749℃で6〜9時間行われ、その後炉冷で621℃まで冷却され、合計時効時間18時間保持されます。粗加工は時効処理前に行われ、仕上げは後に行われます。

より強い825であり、両者の耐食性は近いです。925のチタンとアルミニウムの添加は、ガンマプライム反応のためです。還元性酸に対する耐性を持つモリブデンと銅は、両グレードで同じです。遊離硫黄を含むサワーオートクレーブ試験では、両合金は同様の速度を記録し、両方ともタイプ316ステンレス鋼よりもはるかに低かったです。

条件と試験温度が一致する場合のみです。同じ800の化学組成は、焼きなましで250 MPa、熱間圧延で445 MPa、冷間引抜で690 MPaの降伏強度をもたらします。焼きなましされた800シートの値と冷間引抜された800ロッドの値の比較は、2つのプロセスの比較であり、合金は比較から消えます。

インコロイロッドファミリーは3つの用途をカバーしています。800シリーズは耐熱メンバーであり、その3つのUNS番号は炭素、アルミニウムとチタン、および結晶粒度によって異なります。結晶粒度は816℃を超えるクリープ設計応力を担います。合金825は水性腐食メンバーであり、上限は約540℃で、カタログページは省略しがちです。合金925は時効硬化メンバーであり、2段階処理後の降伏強度は832 MPaで、特性表は製品形状と直径によって作成されます。

それらを結びつける特性は、これらのグレードのいずれも条件なしの強度を持っていないということです。ファミリー全体で250〜832 MPa、1つのグレード内で250〜690 MPaの広がりは、ほとんどのグレード間の差よりも大きいです。グレード、条件、該当する場合は結晶粒度、および証明書を記載した購入注文は、材料を指定したことになります。商標名を記載したものは、ファミリーを指定したことになります。