• مقاومت به خوردگی مشابه مونل 400 با استحکام و سختی بالاتر
• نفوذپذیری پایین و غیر مغناطیس تا دمای 101 درجه سانتی‌گراد
• رسوب سخت شده

فرآیندهای ساخت و تولید مونل 500 (Monel K500)

ترکیبی از نفوذ پذیری مغناطیسی کم، استحکام بالا و مقاومت در برابر خوردگی خوب در تعدادی از کاربردها، به ویژه تجهیزات چاه نفتی و قطعات الکترونیکی استفاده شده است. یک ویژگی مفید این آلیاژ این است که حتی در دماهای بسیار پایین هم عملا غیر مغناطیسی است. پیرسختی باعث یک انقباض حجم اولیه می شود. یک میله آنیل شده در طی پیرسازی in/in4-10×2.5 منقبض می‌شود. موردی که در ادامه آمده است یک پیرسختی معمولی برای دستیابی به خواص مطلوب است.

به مدت 30 دقیقه در دمای °F1800 آنیل کرده و سپس در آب سریع سرد می شود. برای 16 ساعت در °F1125-1100 نگه داشته و سپس در کوره با نرخ °F 25-15 در ساعت تا °F900 خنک شود. خنک شدن از °F900 تا دمای اتاق بدون توجه به نرخ سرمایش ممکن است در کوره یا هوا باشد یا سریع سرد شود.

شکل‌دهی گرم و سرد

دمای مناسب هنگام تغییر شکل، مهم ترین عامل در دستیابی به چکش خواری گرم است. حداکثر دمای گرمایش توصیه شده برای کار گرم آلیاژ مونل K-500 ، 2100 درجه فارنهایت است. فلز باید در کوره داغ شود و وقتی به طور یکنواخت گرم شد، خارج شود. قرار داشتن طولانی مدت در این دما مضر است. اگر تاخیری رخ دهد، به طوری که ماده باید در معرض غوطه وری طولانی مدت قرار بگیرد، دما باید به 1900 درجه فارنهایت کاهش یابد و تا کمی قبل از آماده شدن برای کار در این دما نگه داشته شود؛ سپس به 2100 درجه فارنهایت رسانده شود. هنگامی که قطعه به طور یکنواخت گرم می شود، باید کنار گذاشته شود. در صورت تاخیر طولانی، قطعه باید از کوره خارج شود و در آب کوئنچ شود.
محدوده دمای کار گرم از 1600 تا 2100 درجه فارنهایت می باشد. کار سنگین بهتر است در دمای بین 1900 تا 2100 درجه فارنهایت انجام شود؛ کار کردن در مای کمتر از 1600 درجه فارنهایت توصیه نمی شود. برای تولید دانه های ریز تر در قطعات فورج شده، دمای گرمایش نهایی باید 2000 درجه فارنهایت باشد و حداقل 30% کاهش مساحت در آخرین عملیات فورج باید در نظر گرفته شود.
هنگامی که کار گرم به پایان رسیده است، یا زمانی که لازم است آلیاژ مونل K-500 قبل از کار گرم اضافی سرد شود، نباید اجازه داد در هوا خنک شود و باید از دمای 1450 درجه فارنهایت یا بالاتر کوئنچ شود. اگر اجازه دهید قطعه به آرامی سرد شود، خودش تا حدودی پیر سخت می شود و تنش ایجاد خواهد شد که ممکن است منجر به ترک حرارتی در حین گرمایش بعدی شود. علاوه بر این، مواد کوئنچ شده پاسخ بهتری به پیر سختی دارند، زیرا اجزای پیر سختی در محلول باقی می مانند.
سطح مواد به مقدار کمتری اکسید می شوند و اگر در آب حاوی 2% حجمی الکل کوئنچ شوند، اسید شویی آسان تر می شود.
شکل دهی سرد.
در شرایط آنیل، آلیاژ مونل K-500 می تواند با روش های استاندارد، کار سرد شود. اگرچه آلیاژ به نیروی قابل توجهی برای شکل دهی نیاز دارد، شکل پذیری بسیار خوبی دارد. افزایش سختی، با افزایش کار سرد در مقایسه با سایر مواد، در شکل 20 نشان داده شده است.
 

شکل 21 تاثیر کار سرد و کار سرد به همراه پیر سختی روی استحکام کششی و سختی را نشان می دهد.

ماشینکاری مونل K500

ماشین‌کاری سنگین از آلیاژ K-500 زمانی بهترین حالت است که ماده در شرایط آنیل شده یا شرایط کارگرم و سریع سرد کردن پس از آن، قرار گرفته است. با این حال، مواد پیرسختی شده، می توانند با تلورانس کمی(نزدیک به ابعاد نهایی)ماشین‌کاری شود و سطح خوبی بدهند. به همین دلیل توصیه شده که قطعه را کمی بزرگترماشین‌کاری کرده، پیر سختی کرده و سپس به اندازه رساند. در طی پیرسازی، یک انقباض دائمی اندکی (حدود  in/in0.0002) اتفاق می افتد، اما اندکی اعوجاج به دلیل دمای پایین و نرخ خنک شدن آهسته رخ می دهد.

عملیات حرارتی مونل K500

دو روش آنیل بر روی آلیاژ مونل K-500 انجام می شود: تابکاری محلولی و تابکاری فرآیندی. عملیات ها از نظر هدف و رویه آنها متفاوت هستند.

تابکاری محلولی - آلیاژ مونل K-500 با تشکیل ذرات فاز ثانویه Ni3(Ti,Al) غیر قابل مشاهده با میکروسکوپ، سخت می شود. تشکیل ذرات به صورت واکنش حالت جامد هنگام عملیات حرارتی پیر سختی (یا رسوب سختی) انجام می شود. قبل از عملیات پیرسازی، اجزای آلیاژ باید تابکاری محلولی شوند تا هر فازی که ممکن است هنگام فرآیند های قبلی در آلیاژ تشکیل شده باشد، حل شود. تابکاری محلولی به طور معمول با حرارت دادن محصولات گرم تا 1800 درجه فارنهایت و محصولات کار سرد شده تا 1900 درجه فارنهایت انجام می شود. برای جلوگیری از رشد بیش از حد دانه ها، زمان ماندن در دما باید به حداقل برسد (به طور معمول، کمتر از 30 دقیقه). (شیب) حرارت دادن و زمان سرد کردن برای جلوگیری از رسوب فاز های مضر باید به حداقل برسد. سرد کردن بعد از تابکاری محلولی معمولا با کوئنچ در آب انجام می شود.

تابکاری فرآیندی – در حین پردازش مکانیکی در تولید و سپس شکل دهی محصولات آلیاژ مونل K-500 ، ممکن است تابکاری فرآیندی متوسط برای نرم کردن محصول نیاز باشد. این آنیل کردن، باعث تبلور مجدد ساختار می شود و معمولا در دمای بین 1400 تا 1600 درجه فارنهایت انجام می شود.
درحالیکه دماهای بالاتر محصول را بازپخت (آنیل) می کند، دماهای تابکاری فرآیندی متوسط محدود به جلوگیری از رشد بیش از حد دانه است. زمان ماندن در دما باید برای جلوگیری از تشکیل فاز های ثانویه که می توانند سختی محصولات پیرسازی شده آلیاژ مونل K-500 را به خطر بیندازند، محدود شود.
نگه داشتن قطعه به مدت یک ساعت پس از رسیدن به دمای تعیین شده، معمولا برای نرم شدن محصول آلیاژ در حین پردازش کافی است. به کاربر هشدار داده می شود که قرار گرفتن در معرض دما برای زمان های بیشتر از 1.5 ساعت توصیه نمی شود. قرار گرفتن بیش از حد در معرض دما، می تواند منجر به تشکیل کاربید تیتانیوم (TiC) شود. این ترکیب در دماهای پیرسختی استفاده شده برای آلیاژ مونل K-500  پایدار است؛ به طوری که تیتانیوم نمی تواند در واکنش سخت شدن و تشکیل Ni3(Ti,Al) شرکت کند. بنابراین، استحکام و سختی ممکن است به خطر بیفتند.
بدیهی است که بهتر است از تشکیل فاز کاربید تیتانیوم جلوگیری شود. اما اگر فاز در نتیجه ی پردازش نامناسب تشکیل شود، تابکاری محلولی در 2050 درجه فارنهایت به مدت 30 دقیقه برای حل کردن ذرات نیاز است. لازم به ذکر است که این عملیات حرارتی منجر به ایجاد اندازه دانه بزرگ می شود که تا حدی می تواند شکل پذیری را به خطر بیندازد. با این حال؛ اگر جزئی ملزم به ایجاد سختی و استحکام کامل در حین عملیات پیرسازی است، عملیات حرارتی محلولی در دمای بالا ضروری است.
استاندارد فدرال برای آلیاژ مونل K-500  ، QQ-N-286 ، فقط تابکاری محلولی را ذکر کرده است. تابکاری فرآیندی به اختیار فرد انجام دهنده عملیات حرارتی گذاشته می شود. محدوده ی دمایی گفته شده برای تابکاری محلولی، 1600 تا 1900 درجه فارنهایت است. بنابراین، اگر جزئی از آلیاژ مونل K-500 باید در 2050 درجه فارنهایت تابکاری محلولی شود، به دلیل حضور کاربید تیتانیوم مطابق الزامات فنی باید قبل از عملیات حرارتی نهایی (تابکاری محلولی + پیر سختی) از ضخامت بخش کاسته شود. تابکاری محلولی اصلاح شده در دمای حداقلی آنیل (1600 درجه فارنهایت) انجام می شود. بنابر این، ماده ای که در دمای 2050 درجه فارنهایت تابکاری محلولی شده، می تواند بدون کاهش ضخامت بیشتر در آن بخش، پیر سخت شود و در صورت مطابقت با سایر الزامات فنی (مثل خواص مکانیکی و ...) قابل قبول است.
برای رسیدن به پیر سختی بهینه و حداکثر نرمی، کوئنچ کردن در آب از دمای گرمایش بدون تاخیر، مهم است. تاخیر در کوئنچ کردن یا کوئنچ آهسته، می تواند منجر به رسوب بخشی از فاز پیر سخت شده و اختلال بعدی در پیر سختی شود. افزودن حدود 2% حجمی الکل به آب، خوردگی را به حداقل می رساند و اسید شویی را تسهیل می کند.
اثر کوئنچ با آب از دماهای مختلف آنیل روی سختی آلیاژ مونل K-500 در شکل 19 نشان داده شده است.

مراحل پیر سختی زیر برای حصول خواص بهتر توصیه می شود:

1. مواد نرم (با سختی 140-180 Brinell, 75-90 Rockwell B).

به مدت 16 ساعت در درمای 1100 تا 1125 درجه فارنهایت نگه دارید و سپس در کوره با نرخ دمایی 15 تا 25 درجه فارنهایت در هر ساعت تا دمای 900 درجه فارنهایت خنک کنید. خنک کردن از 900 درجه فارنهایت تا دمای اتاق می تواند در محیط کوره یا در هوا و یا بدون توجه به نرخ سرد شدن، انجام شود. این روند برای قطعات پتک کاری و کوئنچ شده یا آنیل شده یا میله های نورد گرم شده یا میله های بزرگ کشیده شده در حالت سرد (با قطر بیش از 12 1 اینچ) مناسب است.

2. مواد نسبتا کار سرد شده (با سختی 175-250 Brinell, 8-25 Rockwell C).

3. مواد کاملا کار سرد شده (با سختی 260-325 Brinell, 25-35 Rockwell C).

به مدت 6 ساعت یا بیشتر در دمای 980 تا 1000 درجه فارنهایت نگه دارید و سپس تا 900 درجه فارنهایت با نرخ کمتر از 15 تا 25 درجه فارنهایت در هر ساعت سرد کنید. در برخی موارد، سختی های کمی بالاتر با نگه داشتن در دما به مدت 8 تا 10 ساعت ممکن است بدست آید (به ویژه با مواد نزدیک به انتهای پایین محدوده سختی).
این روش برای سیم فنر یا قطعات شدیدا کار سرد شده مثل توپ های کوچک شکل دهی شده سرد مناسب است.
توجه: سرد کردن ممکن است در مراحل 100 درجه فارنهایت با نگه داشتن کوره به مدت 4 تا 6 ساعت در هر مرحله انجام شود. برای مثال، مرحله 1 می تواند 16 ساعت در دمای 1100 درجه فارنهایت + 4 تا 6 ساعت در دمای 900 درجه فارنهایت باشد. با این حال، روش های شرح داده شده در مراحل 1 و 2 و 3 خواص بهتری می دهند. تاثیر خنک کردن در کوره و خنک کردن مرحله ای بر استحکام تسلیم میله ی سرد کشیده شده در جدول 27 مقایسه شده اند.

 

 

در برخی موارد ممکن است بخواهیم زمان عملیات حرارتی را برای صرفه جویی در هزینه یا برای حصول خواص متوسط کاهش دهیم. ارائه توصیه های مخصوص که طیف وسیعی از احتمالات را پوشش دهد، دشوار است. بهترین روش، انجام آزمون نیمه صنعتی روی نمونه هایی است که سطح مقطع ماده را تکرار می کنند تا سخت شود.

جدول 28 تاثیر پیر سختی کوتاه مدت در دمای 1100 و 1000 درجه فارنهایت را نشان می دهد و می تواند به عنوان راهنما استفاده شود. اطلاعات بیشتر در بخش شکل دهی سرد ارائه شده است.

 

موادی که برای مدت زمان قابل ملاحظه ای در محدوده دمایی 1100 تا 1400 درجه فارنهایت حرارت داده شده اند، تا حدودی بسته به زمان و دمای تماس، فرا پیر سخت می شوند. مواد فرا پیر سخت شده خواص مکانیکی پایین تری نسبت به مواد پیر سخت شده به اندازه کافی، دارند و نمی توان خواص را توسط عملیات پیر سختی بعدی افزایش داد. به منظور سخت کردن مواد فرا پیر سخت شده، باید برای حل کردن مجدد اجزای پیر سختی، تابکاری محلولی انجام شود (1800 تا 1900 درجه فارنهایت) و سپس دوباره پیر سخت شود. تمام مزایای کار سرد، در آنیل از بین می رود. بالاترین استحکام قابل حصول، مربوط به شرایط آنیل و پیر سختی می باشد.
موادی که برای تولید حداکثر سختی، پیر سخت شده اند؛ اگر دوباره حرارت داده شوند یا در هر درجه حرارتی بالاتر از دمایی که عملیات حرارتی اولیه انجام شده نگه داشته شوند، تغییر قابل ملاحظه ای در خواص نشان نمی هند. اگر نرخ سرد کردن در عملیات حرارتی اولیه بسیار سریع (بین 1050 تا 800 درجه فارنهایت) باشد، ممکن است خواص کمی افزایش یابند. اگر ماده ی سخت شده متعاقبا تا بالای 1100 درجه فارنهایت حرارت داده شود، و سپس سرد شود، خواص کاهش می یابند.
آلیاژ مونل K-500 سخت شده تحت حرارت دادن طولانی مدت و پیوسته در دمای 800 درجه فارنهایت قرار گرفته است. پیر سختی آهسته تری در طول اولین ماه قرار گرفتن در معرض رخ داد، اما حرارت دادن پیوسته هیچ تغییر قابل توجهی در خواص ایجاد نکرد. میانگین داده ها برای سه نمونه گرمایش در جدول 29 نشان داده شده اند.

 
جوش پذیری مونل K500

برای جوش آلیاژ مونل K-500 بهترین روش انجام شده جوشکاری قوسی با گاز تنگستن (GTAW) است. مونل فلز پر کننده 60 به طور معمول استفاده می‌شود. با این حال، قطعات جوش کاری شده قابلیت پیرسختی ندارند و به همین ترتیب، استحکام متناظر با فلز پایه سخت شده را ندارند. قطعات جوش کاری شده که نیاز به استحکام مشابه با فلز پایه پیرسازی شده دارند باید ترکیب شیمیایی  منطبق با فلز پرکننده داشته باشد که از سایر تامین کنندگان موجود است.

آلیاژهای جایگزین برای مونل K500

تاریخچه تولید آلیاژهای مونل 400 و 500

در ژانویه سال 1906 مدیر شرکت ملی نیکل کانادا (  International Nickel Company of Canada ) آمبروزی مونل با کمک رابرت استنلی اولین آلیاژ مس – نیکل را به نام مونل 400 (Monel 400 ) تولید و روانه بازار نمودند. این آلیاژ به مدت بیش از یک قرن در طیف وسیعی ازتجهیزات از قبیل صنایع هوایی ، دریایی ، نفت ، گاز، پتروشیمی و ... مورد استفاده واقع میشود. این شرکت در سال 1916 تحت مالکیت شرکت امریکایی درآمد و در سال 1919 نام تجاری اینکو را برای خود انتخاب نمود و خانواده آلیاژهای معروف اینکونل نیز از محصولات مشهور این شرکت هستند.

شرکت اینکو در سال 1902	برگه سهام شرکت بین المللی نیکل - اینکو

از اولین مصارف گسترده آلیاژ مونل ، ساخت سقف ایستگاه مرکزی قطار شهر نیویورک به نام ایستگاه پنسیلوانیا از این آلیاژ بود. این  ایستگاه در سال 1910ساخته شد. پس از ساخت سقف پن استیشن ، ساختمان های بیشتری نظیرپنتاگون و ... هم از این آلیاژ برای ساخت سقف ، سازه های دکوراتیو داخلی و دیگر تجهیزات استفاده کردند.
 

وزارت دفاع امریکا ( پنتاگون ) با سقف از جنس مونل	ایستگاه مرکزی قطار نیویورک ( پن استیشن ) با سقف از جنس مونل	ایستگاه مرکزی قطار نیویورک ( پن استیشن ) با سقف از جنس مونل

خانواده آلیاژهای مونل :
 
مونل 400 : صنایع دریایی ، شیمیایی ، آلکالی ، فرآیندهای هیدروکربن ، پمپها ، شیرها ، آرت دکو ، معماری و ساختمان
مونل 401  : صنایع الکتریکی و الکترونیکی
مونل 404  : صنایع الکتریکی و الکترونیکی
مونل 405 : ماشین ابزارهای اتومات
مونل 450 : کندانسورهای آب دریا ، لوله های تقطیر، دستگاه های بخار و مبدل های حرارتی ، تجهیزات آب شور
مونل 500K-  : ایمپلر و شفت پمپ ها ، مته ها و تجهیزات دندانپزشکی، تجهیزات حفاری ودرون چاهی نفت ، ابزاردقیق
 

در سال 1922 شرکت اینکو تصمیم به سرمایه گذاری بیشتر روی تولید مونل و دیگر آلیاژها به صورت ورق نمود و با بیش از 3 میلیون دلار سرمایه گذاری در شهر هانتینگتون کارخانه ورق هانتینگتون را تاسیس نمود و کماکان از بهترین تولید کنندگان ورق های سوپرآلیاژدر دنیاست.اولین محموله ورقهای مونل تولید شده در شرکت هانتینگتون در سال 1922 به کارخانه تولید ماشین های لباسشویی با آبگرمکن الکتریکی در سین سیناتی به نام کمپانی لباسشویی امریکا ارسال گردید. پس از آن ، مصرف مونل در لوازم خانه و آشپزخانه ، تجهیزات صنعتی ، دارویی ، غذایی و ... طی دهه های بیست و سی میلادی رشدی فزاینده گرفت و کماکان نیز این آلیاژ جایگاه ویژه ای در انتخاب آلیاژ مقاوم به خوردگی دارد.
 

فراگیر شدن استفاده از آلیاژهای مونل در تجهیزات خانگی و صنعتی از دهه بیست میلادی

شرکت اینکو در سال 1924 تحقیقات برای استحکام دادن به مونل 400 را آغاز و پس از دو سال ، آلیاژ مونل 500  (Monel K-500) را به صنعت معرفی نمود . این آلیاژ برای نیروی دریایی امریکا تولید شده بود ولی بعدها در صنایع دیگرنظیر هوایی ، نفت ، گاز، پتروشیمی و ... نیز مورد استفاده واقع شد.
در سال 1926 گام مهمی در توسعه خانواده آلیاژهای مونل برداشته شد. متالورژ ارشد شرکت اینکو مهندس پاول مریکا ، با افزودن آلومینیوم به مونل و عملیات حرارتی استحکام آنرا ارتقا داد و مونل k500 به صنعت معرفی شد.وی در سالهای آخرکاری خود مدیرعامل اینکو شد.
 

توصیه ( آگهی صنعتی ) مدیران صنعتی برای استفاده از مونل در محصولات خود	Paul Dyer Merica مدیرعامل وقت اینکو و مخترع مونل K-500	توصیه ( آگهی صنعتی ) مدیران صنعتی برای استفاده از مونل در محصولات خود

در دوران جنگ دوم جهانی پلاک های شناسایی سربازان از جنس مونل ساخته شد تا در گل و لای و شرایط خوردگی زیاد دوام بیاورند. سربازان به شوخی نام Dog Tags  را روی این پلاکها گذاشتند . در طول سالهای جنگ دوم جهانی ساخت تجهیزات از جنس مونل امکان تولید آلکالی های هیدروفلووریک رابرای تولید سوخت هواپیماها فراهم کرد. همچنین از دیگر کاربردهای این واکنش در شیمی درمانی و به منظور درمان سرطان از طریق آسیب رساندن به دی ان ای سلول‌های سرطانی است. پس از جنگ دوم جهانی استفاده از آلیاژهای مونل در تمامی صنایع رشدی فزاینده داشت . عملکرد عالی آلیاژهای مونل منجر به استفاده گسترده از آنها در شرایط دریایی شد . یکی از این موارد زیردریایی های تهاجمی هسته ای کلاس ویرجین در ارتش ایالات متحده است که از سال 2000 تولید و یازده فروند آن مشغول به فعالیت است.