ИНКОНЕЛЬ 601 (США N06601, W.NR. 2.4851)

Сплав никель-хром-железо с добавкой алюминия | Трубы, Трубка, ФИТИНГИ & Фланцы для устойчивости к экстремально высокотемпературной коррозии

Суперсплав, устойчивый к окислению при температуре до 2200°F., азотирующая атмосфера, и требовательные приложения термической обработки

ИНКОНЕЛЬ 601 (США N06601, W.NR. 2.4851) — это не просто вариант сплава 600 — это особый суперсплав, предназначенный для сред, в которых окисление, азотирование, и термоциклирование разрушит меньшие материалы. Инженеры по закупкам, определяющие этот сплав, должны понимать не только цифры в таблице данных., но металлургическое обоснование его исключительных характеристик. Состав сплава обычно варьируется в пределах 58-63% никель, 21-25% хром, с железом в качестве баланса, и критически, 1.0-1.7% Алюминий. Этот алюминий является ключевым. При воздействии высокотемпературных окислительных атмосфер, алюминий диффундирует к поверхности и образует сплошную, прочный слой Al₂O₃, дополняющий пленку оксида хрома, создание двойного оксидного барьера, который остается защитным даже при температурах, приближающихся к 1200°C. (2200° F). Это определяющая характеристика сплава — стойкость к окислению, которая превосходит практически любой другой коммерчески доступный сплав на основе никеля на воздухе или в атмосфере горения.. Однако полезность этого сплава выходит далеко за рамки простой стойкости к окислению.. Обладает исключительной устойчивостью к науглероживанию., азотирование, и хлорсодержащие среды. В оставшейся части этой статьи будет рассмотрен состав сплава., механическое поведение в диапазоне температур, производственные требования, и качество документация, которую специалисты по закупкам должны требовать при выборе Inconel 601 Трубы, Трубка, ФИТИНГИ, и фланцы.

Что делает Инконель 601 особенно ценным для промышленного применения является сочетание жаропрочности и технологичности изготовления.. В отличие от многих суперсплавов, которые становятся хрупкими после сварки или требуют сложной послесварочной термообработки., Сплав 601 остается пластичным и свариваемым в отожженном на раствор состоянии. Микроструктура сплава аустенитная., с гранецентрированной кубической кристаллической структурой, стабилизированной никелем. Эта структура обеспечивает превосходную ударную вязкость от криогенных температур до максимальной рабочей температуры сплава.. однако, реакция сплава на термическое воздействие не лишена нюансов. Длительная эксплуатация в диапазоне температур 600–800°С может привести к выделению вторичных фаз – в первую очередь карбидов. (М₂₃C₆) и небольшое количество интерметаллических фаз, что может вызвать некоторую потерю пластичности при комнатной температуре.. Это редко является проблемой для статических структурных приложений., но это становится актуальным, когда компоненты подвергаются термоциклированию или механической вибрации.. Я вспоминаю случай, когда компания Inconel 601 термогильзы в нефтехимической печи растрескались после нескольких лет циклической работы. Анализ показал, что растрескивание началось на твердосплавных стрингерах, которые образовались при медленном охлаждении от рабочей температуры.. Решение? Простое решение после сервисного обслуживания, отжигаемое во время планового технического обслуживания., что восстановило пластичность материала. Для инженеров по снабжению, это подчеркивает важность понимания методов термообработки производителя, в частности, этот сплав 601 должны поставляться в отожженном на раствор состоянии (обычно 1100-1180°C, с последующим быстрым охлаждением) для обеспечения оптимальной микроструктурной стабильности и стабильных механических свойств..

1.1 Химический состав: Роль алюминия и хрома в устойчивости к окислению

Предельные значения химического состава Инконеля 601 строго контролируются для достижения характерных свойств сплава. никель (58-63%) обеспечивает аустенитную матрицу и придает исключительную стойкость к коррозионному растрескиванию под напряжением, вызванному хлоридами.. хром (21-25%) является основным элементом устойчивости к окислению и науглероживанию.; При повышенных температурах, хром образует защитную окалину Cr₂O₃, которая замедляет диффузию кислорода в основной металл.. Алюминий (1.0-1.7%) является отличительным элементом, который возвышает Inconel 601 выше сплава 600. При высокотемпературном воздействии, алюминий образует тонкий, сплошной слой Al₂O₃ под окалиной Cr₂O₃, создание сложного оксида, который остается липким даже при термоциклировании. Этот слой оксида алюминия особенно эффективен в средах, содержащих серу или хлор., где можно разрушить только оксид хрома. Железо составляет баланс состава., обычно варьируется в пределах 14-20%, что способствует структурной стабильности сплава и снижает стоимость сырья без ущерба для коррозионной стойкости.. Углерод ограничен 0.10% максимум, который контролирует выделение карбидов во время сварки и обслуживания. кремний (≤0,50%) и марганец (≤1,0%) присутствуют в качестве раскислителей и вносят умеренный вклад в стойкость к окислению.. Сера поддерживается на строгом максимуме 0.015% для сохранения обрабатываемости в горячем состоянии и предотвращения охрупчивания. Медь ограничена 1.0% максимум, хотя типичный уровень производства значительно ниже. Сочетание этих элементов приводит к созданию материала, который сохраняет свою механическую целостность и стабильность поверхности в средах, которые быстро разрушают стандартные нержавеющие стали или даже многие другие никелевые сплавы.. Для инженеров по закупкам, проверяющих сертификаты заводских испытаний, содержание алюминия заслуживает особого внимания — его значения постоянно находятся в верхней части диапазона. (1.4-1.7%) обычно коррелируют с превосходными долгосрочными характеристиками окисления, особенно при циклическом обслуживании.

1.2 Физические свойства: плотность, Теплопроводность, и поведение расширения

физические свойства uncelel 601 отражают его никель-хромовую основу и его пригодность для высокотемпературных применений, где важны стабильность размеров и характеристики теплопередачи.. Плотность 8.11 G/CM³ (0.293 фунт/дюйм³) При комнатной температуре, что немного выше, чем у нержавеющей стали, но типично для сплавов на основе никеля. Диапазон плавления составляет 1360-1411°C. (2480-2572° F), обеспечивая существенный запас по сравнению с типичными температурами эксплуатации. Теплопроводность составляет примерно 11.2 Вт/м·К при 20°C, немного уменьшается с температурой, а затем снова увеличивается при более высоких температурах - поведение, типичное для никелевых сплавов, где рассеяние фононов доминирует при промежуточных температурах.. Более критично, коэффициент теплового расширения (КТР) линеен и предсказуем: 12.8 × 10⁻⁶ /°С (20-100° C), поднимается примерно до 16.2 × 10⁻⁶/°C при 1000°C. Такое поведение расширения важно для проектировщиков, присоединяющихся к Inconel. 601 к другим материалам; КТР ближе к нержавеющей стали, чем к углеродистой стали, который служит основой для разработки технологии сварки и проектирования соединений.. Электрическое сопротивление 1.18 мкОм·м при комнатной температуре, сделать сплав пригодным для применения в электрических нагревательных элементах, где желателен резистивный нагрев.. Модуль упругости сплава равен 206 ГПа (29.9 × 10⁶ psi) При комнатной температуре, постепенно снижается примерно до 150 ГПа при 800°C. Для инженеров по закупкам, определяющих трубы и фитинги, эти физические свойства влияют на все: от расчета тепловых напряжений до требований к толщине изоляции..

1.3 Механические свойства: Прочность, пластичность, и сопротивление ползучести

ИНКОНЕЛЬ 601 демонстрирует механические свойства, которые впечатляют при комнатной температуре и удивительно стабильны при повышенных температурах.. В состоянии отжига в растворе, минимальная прочность на растяжение составляет 550 MPA (80 Ksi), с типичными значениями в диапазоне 620-700 МПа в зависимости от холодной работы. Предел текучести (0.2% офсет) имеет минимум 205 MPA (30 Ksi), с типичными значениями отжига около 275-350 MPA. Удлинение составляет минимум 40%, часто достигая 50-55% в правильно отожженном материале, указывает на исключительную пластичность, которая облегчает операции формовки и гибки.. Твердость обычно колеблется 60-80 по шкале Роквелла B, который достаточно мягок для холодной обработки, но достаточно тверд, чтобы противостоять истиранию во время нарезания резьбы. где uncel 601 действительно отличается своими механическими свойствами при повышенных температурах.. При 600°С, сплав сохраняет примерно 75% его предела текучести при комнатной температуре; при 800 ° C., оно все еще сохраняется 50%. Прочность на разрыв при ползучести такая же высокая.: срок службы до разрыва 1000 часов при температуре 900°C, стрессоустойчивость составляет приблизительно 25 MPA. Параметр Ларсона-Миллера (ЛМП) подход обычно используется для моделирования поведения ползучести.: ЛМП = Т(20 + \войти t_r), где T — температура в Кельвинах, а t_r — время разрушения в часах.. Для Инконеля 601, материальная константа приблизительно равна 23,000. Эта возможность прогнозирования важна для проектировщиков, определяющих компоненты для долгосрочной эксплуатации при высоких температурах.. Для инженеров по снабжению, эти свойства означают, что Inconel 601 может быть указан для применений, где должны сосуществовать прочность ползучести и стойкость к окислению, например, радиационные трубы, перегородки теплообменника, и печное оборудование.

Фигура 1: Предел прочности против. температура (ИНКОНЕЛЬ 601, отожженный)

  Прочность (MPA)
     700|    * (RT)
        |     *
     600|      *   (200° C)
        |        *
     500|          *   (400° C)
        |            *
     400|              *   (600° C)
        |                *
     300|                  *   (800° C)
        |                    *
     200|                      *   (1000° C)
        |
     100|
        +-------------------------------------------------- температура (° C)
        0    200   400   600   800   1000   1200
    
    Предел текучести (0.2%): 290 МПа при РТ → 210 МПа и 600°С → 110 МПа и 1000°С.
    Прочность на растяжение: 680 МПа при РТ → 450 МПа и 800°С.
    Данные получены в результате испытаний на растяжение при повышенной температуре по стандарту ASTM E21..
        

▲ Инконель 601 сохраняет значительную прочность до 900°C, возможность создания тонкостенных конструкций в высокотемпературном технологическом оборудовании.

1.4 Производство, термическая обработка, и формы продукта

ИНКОНЕЛЬ 601 производится методом вакуумной индукционной плавки (Вим) с последующим электрошлаковым рафинированием (ЭСР) или вакуумно-дуговой переплав (НАШ) для критически важных приложений, где контроль включения имеет первостепенное значение. Сплав подвергается горячей обработке. (Кованый, свернутый, или экструдированный) в диапазоне температур 1050-1200°С, с последующим отжигом на раствор при 1100–1180 ° C с быстрым охлаждением - обычно закалкой в ​​воде или принудительным воздушным охлаждением.. Эта термообработка растворяет карбиды и обеспечивает оптимальный размер зерна. (ASTM 5-7) для сбалансированной прочности и пластичности. В отличие от многих дисперсионно-твердеющих сплавов, ИНКОНЕЛЬ 601 не реагирует на возрастное закаливание; его прочность достигается в первую очередь за счет упрочнения твердым раствором и контроля размера зерен.. Для производства труб и трубок, сплав выпускается как бесшовным (АСТМ Б167) и сваренный (АСТМ Б775) формы. Бесшовные трубы производятся методом экструзии или прошивки с последующей холодной вытяжкой и промежуточным отжигом.. Сварная труба изготавливается из полосы, прокатанной и сваренной методом GTAW или плазменной сваркой., без добавления присадочного металла, с последующим полным отжигом сварного шва и зоны термического влияния. ФИТИНГИ (под приварку, раструбный сварной шов, Пьяный) производятся по ASTM B366, с материалом, поставляемым из сертифицированного проката. Фланцы кованые по ASTM B564.. Для инженеров по снабжению, критическая документация включает EN 10204 3.1 или 3.2 Сертификация, с полной отслеживаемостью от расплава до готового продукта. Дополнительное тестирование часто включает PMI. (Положительная идентификация материала) за каждую штуку, ультразвуковое исследование, и для сварных изделий, радиографический контроль сварного шва. В следующем разделе представлен репрезентативный сертификат заводских испытаний для Inconel. 601 Бесшовные трубы.

Фигура 2: Сравнение стойкости к окислению – Инконель 601 против. Сплав 600 и 310 нержавеющий

  Увеличение веса (мг/см²) через 500 часов на воздухе при 1100°C
      20|
         |                                  * 310 нержавеющий (массовое масштабирование)
      15|                             *
         |                        *
      10|                   *
         |              *  Сплав 600
       5|         *
         |    *  ИНКОНЕЛЬ 601 (незначительный)
       0+--------------------------------------------------
        0    100   200   300   400   500   время (часы)
    
    ИНКОНЕЛЬ 601 образует защитный слой Al₂O₃, который остается липким даже после термоциклирования.
    Сплав 600 и 310 нержавеющая сталь показывает отрывное окисление после 200-300 часы.
        

▲ Данные лабораторных испытаний на окисление в исследовательском центре Aber Steel.. ИНКОНЕЛЬ 601 превосходит альтернативные сплавы в разы 10-20 в высокотемпературном воздухе.

1.5 Эквивалентные стандарты, Формы продукта, и рекомендации по применению

ИНКОНЕЛЬ 601 признан в соответствии с многочисленными международными спецификациями. Обозначение UNS: N06601.; номер материала 2.4851; Европейский стандарт EN 2.4851; и различные национальные стандарты, включая ГОСТ. (Россия) и ДЖИС (Япония) эквиваленты. Сплав доступен в широком диапазоне форм продукции.: бесшовные и сварные трубы (½ ” 24″), бесшовные и сварные трубы (до 6 мм наружного диаметра), BUTTWELD ШТУЦЕРЫ (локти, тройники, редукторы, колпачки, Сто Концы) согласно ASTM B366, Кованые фланцы (АНСИ, ДИН, Таблица E/D/H) согласно ASTM B564, приборная арматура, крепеж (Болты, Орехи, резьбовые стержни), и формы стержней/плит. Для инженеров по снабжению, определение правильной формы и стандарта продукта имеет решающее значение. для труб, регулирующими стандартами являются ASTM B167. (Бесшовные) и АСТМ Б775 (Сварные), с дополнительными требованиями, часто взятыми из раздела II ASME для нормированных приложений.. Для трубок, Применяются ASTM B167 и B829.. Для фитингов, ASTM B366 охватывает фитинги, приваренные встык.; Фитинги с раструбной сваркой и резьбовые фитинги обычно изготавливаются по стандарту ASME B16.11, а материал соответствует стандарту ASTM B366.. Фланцы штампуются в соответствии с размерами ASTM B564 и ASME B16.5 или B16.47.. При заказе, следующий пример спецификации обеспечивает всесторонний охват: “Бесшовные трубы, 4″ Перекайся 40 -х годов, ASTM B167 UNS N06601, отжиг в растворе и закалку в воде, с EN 10204 3.1 Сертификация, 100% PMI, и дополнительное UT согласно ASTM E213.” Для приложений, требующих соответствия NACE MR0175. (среда с кислым газом), ИНКОНЕЛЬ 601 в целом приемлем, поскольку он по своей природе устойчив к сульфидному растрескиванию под напряжением., но рекомендуется свериться с производителем.

Фигура 3: Предел ползучести – параметр Ларсона-Миллера (ИНКОНЕЛЬ 601)

  стресс (MPA)
     150|
        |                               
     125|                         *
        |                      *
     100|                   *   (ЛМП = 23,000)
        |                *
      75|             *
        |          *
      50|       *
        |    *
      25| *
        |
        +-------------------------------------------------- Параметр Ларсона-Миллера (Т(20+войти t_r))
        18,000   20,000   22,000   24,000   26,000
    
    ЛМП = Т(20+войти t_r) где Т в Кельвинах, t_r время разрушения в часах.
    На основе этой основной кривой можно вывести расчетные кривые для срока службы 1000 часов и 10 000 часов..
        

▲ Данные о ползучести собраны на основе испытаний ASTM E139.. ИНКОНЕЛЬ 601 демонстрирует предсказуемое долговременное поведение ползучести, обеспечение безопасного проектирования компонентов печи.