Incoloy 800 vs. 800H vs. 800HT: Unterschiede in Kohlenstoffgehalt, Korngröße und Zeitstandfestigkeit

Einführung

Incoloy 800, 800H und 800HTgehören zur gleichen Nickel-{0}}Eisen---Chrom-Legierungsfamilie, die von der Special Metals Corporation ab den 1950er Jahren entwickelt wurde, um Hitze- und Korrosionsbeständigkeit zu bieten, ohne auf den hohen Nickelgehalt angewiesen zu sein, der die INCONEL-Legierung 600 damals zu einem strategisch knappen Material machte. Alle drei haben die gleichen nominellen Nickel-, Chrom- und Eisenbereiche. Was sie unterscheidet - und was ein spezifizierender Ingenieur oder Beschaffungsmanager tatsächlich verstehen muss -, ist eine kleine Reihe von Zusammensetzungs- und metallurgischen Kontrollen: Kohlenstoffgehalt, Aluminium-plus-Titangehalt und die durch das abschließende Glühen erreichte Korngröße. Zusammen bestimmen diese Kontrollen, wie viel Kriech- und Spannungs-Bruchfestigkeit das Material über Jahre hinweg im Dauerbetrieb bei hohen Temperaturen liefern kann.

In diesem Artikel werden alle drei Qualitäten direkt verglichen, wobei die limitierenden chemischen Zusammensetzungen und Daten zur Langzeitbruchfestigkeit verwendet werden, die von der Special Metals Corporation in ihren technischen Mitteilungen zu INCOLOY Alloy 800 (SMC-046) und INCOLOY Alloy 800H & 800HT (SMC-047) veröffentlicht wurden, damit Käufer die richtige Qualität der richtigen Betriebstemperatur und Designlebensdauer zuordnen können.

Was ist der grundlegende Unterschied zwischen Alloy 800, 800H und 800HT?

Alle drei Legierungen haben den gleichen Anteil von 30–35 % Nickel / 19–23 % Chrom / 39,5 % min. Eisenbasis, aber 800H und 800HT sind metallurgisch verbesserte Versionen von 800 -, die mit strengeren Kohlenstoff- und Aluminium--plus-Titan-Grenzwerten hergestellt und einem Hochtemperatur-Lösungsglühen unterzogen werden, das eine gröbere Kornstruktur erzeugt, insbesondere um die Kriech- und Spannungsbruchfestigkeit für einen langfristigen Betrieb bei erhöhten{14}}Temperaturen zu erhöhen.

In der Fachliteratur von Special Metals wird in diesem Punkt ausdrücklich darauf hingewiesen: Die Grundelemente aller drei Legierungen sind gleich und die physikalischen und thermischen Eigenschaften der Legierungen (Dichte, Wärmeausdehnung, spezifischer elektrischer Widerstand, Elastizitätsmodul) sind im Wesentlichen identisch, da sich ihre gesamten Zusammensetzungsbereiche überschneiden. Die entscheidenden Unterschiede sind metallurgischer Natur und nicht chemischer Natur im weitesten Sinne - Sie betreffen die strenge Kontrolle von drei spezifischen Parametern: Kohlenstoffgehalt, Aluminium--plus-Titangehalt und endgültige Korngröße.

Aus diesem Grund ist Legierung 800 im Allgemeinen die Wahl mit höherer Festigkeit für kurzfristige Belastungen bei Raumtemperatur oder mäßiger Temperatur, während 800H und 800HT immer dann die richtige Wahl sind, wenn eine Komponente einer zeitabhängigen Verformung (Kriechen) standhalten muss, während sie jahrelang kontinuierlich Temperaturen über etwa 1.000 Grad F (540 Grad) ausgesetzt ist.

Wie unterscheidet sich der Kohlenstoffgehalt zwischen den drei Klassen und warum ist er wichtig?

Bei Alloy 800 ist ein Kohlenstoffgehalt von bis zu 0,10 % zulässig, ohne dass ein Mindestwert festgelegt ist. Legierung 800H erfordert 0,05–0,10 % Kohlenstoff; und die Legierung 800HT verengt diesen Bereich weiter auf 0,06–0,10 % Kohlenstoff - einen zunehmend schmaleren, höheren Boden, der den größten Einzelhebel für die Zeitstandfestigkeit in dieser Legierungsfamilie darstellt.

In den Bulletins von Special Metals wird darauf hingewiesen, dass seit langem bekannt ist, dass Legierung 800 mit höherem Kohlenstoffgehalt bessere Kriech- und Brucheigenschaften aufweist als Material mit niedrigem Kohlenstoffgehalt und derselben Nennzusammensetzung. Aus diesem Grund begann das Unternehmen mit dem Schmelzen auf den Bereich von 0,05 bis 0,10 % -, dem oberen Teil des für Standardlegierungen zulässigen Höchstwerts von 0,10 % 800 -, lange bevor dieser Bereich als eigene Güte formalisiert wurde. Kohlenstoff in dieser Legierungsfamilie scheidet sich während der Einwirkung hoher Temperaturen als Chromkarbide an den Korngrenzen aus; Wenn diese Karbide auf das richtige Niveau und die richtige Korngröße eingestellt werden, legen sie die Korngrenzen fest und widerstehen dem Grenzgleiten, das die Kriechverformung vorantreibt.

Quelle: Special Metals Corporation, technisches Bulletin zu INCOLOY-Legierungen 800H und 800HT, Veröffentlichungsnr. SMC-047 (Tabelle 1).

Eine wichtige Nuance für Käufer: Da sich die Kohlenstoffobergrenze von Alloy 800 (maximal 0,10 %) vollständig mit den 800H- und 800HT-Bereichen überschneidet, kann eine Hitze von reinem Alloy 800 allein aufgrund der Chemie bereits in das 800H-Carbonfenster fallen. Der Kohlenstoffgehalt allein macht eine Schmelze 800H-nicht qualifiziert, jedoch - muss auch die unten besprochene Anforderung an die Korngröße erfüllt und überprüft werden.

Warum ist die Korngröße für die Zeitstandfestigkeit wichtig?

Für die Legierung 800 gibt es keine spezifizierten Korngrößenanforderungen, während sowohl 800H als auch 800HT eine durchschnittliche ASTM-Korngröße von Nr. . 5 oder gröber erfordern, die durch Lösungsglühen bei 2.100–2.200 Grad F (1.150–1.200 Grad) - erreicht wird. Eine gröbere Kornstruktur, die die Beständigkeit gegen Kriechen und Spannungsbruch bei erhöhter Temperatur deutlich erhöht, allerdings mit einem gewissen Aufwand Zähigkeit nach-Exposition.

Korngröße und Kriechwiderstand sind in diesem Legierungssystem direkt miteinander verknüpft, da die Kriechverformung bei hohen Temperaturen im Wesentlichen durch das Gleiten entlang der Korngrenzen vorangetrieben wird. Eine gröbere Kornstruktur hat proportional weniger Korngrenzenfläche pro Volumeneinheit, was die für diese Grenzverschiebung verfügbaren Wege verringert und in Kombination mit der Hartmetallfixierung die Spannung erhöht, die eine Komponente aushalten kann, bevor sie sich über eine bestimmte Lebensdauer unzulässig verformt oder bricht.

Im Bulletin von Special Metals geht es genau darum, wie dies in der Produktion erreicht wird: Die Legierungen 800H und 800HT werden als letzter Produktionsschritt bei 2.100–2.200 Grad F (1.150–1.200 Grad) lösungsgeglüht, wobei die Zeit bei der Temperatur an die Abschnittsgröße und die Ofeneigenschaften angepasst wird, um eine minimale durchschnittliche Korngröße von ASTM Nr.. 5. zu erreichen.

Das Bulletin weist auch direkt auf den Punkt sinkender Erträge und den damit verbundenen Kompromiss hin: Temperatur und Zeit sollten kontrolliert werden, um ein übermäßiges Kornwachstum zu begrenzen, da ab einer bestimmten Grobheit nur wenig zusätzliche Kriechfestigkeit erreicht wird, während ein sehr grobes Korn die Zähigkeit nach Einwirkung hoher Temperaturen verringert. Für Anwendungen, bei denen eine Kaltumformung von mehr als etwa 20 % erfolgt oder bei denen eine feine Oberflächengüte erforderlich ist, empfiehlt das gleiche Bulletin stattdessen die Bestellung von Material in einem Zustand mit feiner -Körnung. Dabei wird betont, dass es sich bei der grobkörnigen Behandlung um einen bewussten dienstleistungsspezifischen Kompromiss und nicht um eine universelle Verbesserung handelt.

Quelle: Special Metals Corporation, technisches Bulletin zu INCOLOY-Legierungen 800H und 800HT, Veröffentlichungsnr. SMC-047 (Tabelle 1 und Abschnitt „Glühen – Grundlegende Praxis“).

Spezielle (feinere oder gröbere) Korngrößenbereiche - ASTM 1–5 für Bleche und Rohre/Rohre und ASTM 2–5 für Bleche - können ebenfalls für spezifische Aufträge vereinbart werden. Käufer mit einer ungewöhnlichen Kombination von Formungs- und Serviceanforderungen sollten daher die Korngröße explizit in der Bestellung angeben, anstatt von der standardmäßigen ASTM 5-oder gröberen Standardvorgabe auszugehen.

Wie unterscheiden sich die Gehalte an Aluminium-Plus-Titan zwischen 800H und 800HT?

Alloy 800 und 800H erlauben beide 0,30–1,20 % kombiniertes Aluminium plus Titan, aber Alloy 800HT beschränkt diesen kombinierten Bereich auf einen engeren, höheren 0,85–1,20 % - die dritte Kontrolle neben Kohlenstoff und Korngröße, die Special Metals verwendet, um die Zeitstandfestigkeit von 800HT auf über 800H zu steigern.

In den Bulletins von Special Metals wird dies direkt als bewusste Strategie beschrieben: Das Unternehmen hielt die Aluminium- und Titangehalte für seine eigene 800H-Produktion im oberen Bereich des angegebenen Bereichs, insbesondere weil dadurch höhere Kriech- und Spannungsbrucheigenschaften erzielt wurden als bei den 800H-Materialien der Wettbewerber, die nur die Mindestanforderungen erfüllten. Anstatt diese Praxis im oberen -Bereich als interne Präferenz zu belassen, hat Special Metals sie in eine eindeutige, eingeschränkte -Chemiequalität - 800HT - mit einem obligatorischen 0,85–1,20 % Al+Ti-Boden und -Obergrenze sowie dem oben beschriebenen 0,06–0,10 % Kohlenstoffbereich und einer minimalen Lösungsglühtemperatur von 2.100 Grad F (1.149 Grad) formalisiert.

Da das 800HT-Chemiefenster vollständig innerhalb des 800H-Fensters liegt, erfüllt jede gemäß den 800HT-Anforderungen erzeugte Wärme automatisch auch die 800H-Anforderungen -, weshalb 800HT-Material routinemäßig sowohl nach UNS N08811 als auch nach UNS N08810 doppelt-zertifiziert ist. Das Gegenteil ist nicht der Fall: Gewöhnliches 800H-Material kann nicht als 800HT zertifiziert werden, es sei denn, es erfüllt unabhängig die strengeren Anforderungen an Kohlenstoff, Al+Ti und Korngröße.

Vollständiger Zusammensetzungsvergleich: Alloy 800 vs. 800H vs. 800HT

Die drei Qualitäten unterscheiden sich nur in Kohlenstoff, Aluminium, Titan und Korngröße -. Jedes andere begrenzende Zusammensetzungselement (Nickel, Chrom, Eisen, Mangan, Schwefel, Silizium, Kupfer) ist für alle drei gleich spezifiziert.

Quelle: Special Metals Corporation, technisches Bulletin zu INCOLOY-Legierungen 800H und 800HT, Veröffentlichungsnr. SMC-047, Tabelle 1 - Begrenzende chemische Zusammensetzungen für INCOLOY-Legierungen 800, 800H und 800HT.

Welche Legierung hat die höchste Kriech--Bruchfestigkeit?

Alloy 800HT bietet die höchste Langzeit-Kriechfestigkeit-von den drei Sorten, gefolgt von 800H; Die reine Legierung 800 wird von Special Metals nicht für Anwendungen empfohlen, die optimale Kriechbrucheigenschaften erfordern, insbesondere über 1.500 Grad F (816 Grad).

Special Metals gibt klar und deutlich an, dass die Legierungen 800H und 800HT eine deutlich höhere Kriech- und Bruchfestigkeit aufweisen als die Legierung 800 und dass die Legierung 800 normalerweise nicht verwendet wird, wenn optimale Kriech-{4}}Brucheigenschaften erforderlich sind - 800H oder 800HT sollte stattdessen angegeben werden. Diese Rangfolge gilt insbesondere für Langzeitbelastungen bei erhöhter{9}}Temperatur; Bei Raumtemperatur und kurzzeitiger Einwirkung kann die Legierung 800 tatsächlich eine höhere Zugfestigkeit aufweisen als 800H oder 800HT, da der grobe{14}}körnige Hochtemperatur-{{16}Glühzustand von 800H/800HT eine gewisse kurzfristige Festigkeit gegen langfristige Kriechfestigkeit eintauscht.

Die folgende Tabelle gibt die repräsentativen 10.000--, 30.000--, 50.000-- und 100.000-Stunden-Bruchfestigkeitswerte von Special Metals für die Legierungen 800H und 800HT wieder, die im Bulletin des Herstellers als ein einziger Datensatz behandelt werden, da beide Qualitäten das gleiche Lösungsglüh-Korngrößenziel haben; Die engere Kohlenstoff- und Al+Ti-Chemie von 800HT erhöht seine Position innerhalb dieses Spannungsbereichs und spiegelt sich separat in den zulässigen Entwurfsspannungen von ASME wider (wird im nächsten Abschnitt besprochen).

Quelle: Special Metals Corporation, technisches Bulletin zu INCOLOY-Legierungen 800H und 800HT, Veröffentlichungsnr. SMC-047, Tabelle 7 - Repräsentative Bruchfestigkeitswerte für INCOLOY-Legierungen 800H/800HT.

Praktisch gesehen: Die Bruchfestigkeit nimmt sowohl mit steigender Temperatur als auch mit zunehmender Lebensdauer stark ab, was genau das ist, was ein Kriechbruchmechanismus vorhersagt. Eine Komponente, die für eine Lebensdauer von 100.000-Stunden (ungefähr 11,4-Jahren) bei 1.600 Grad F (870 Grad) ausgelegt ist, kann nur etwa 2,5 ksi (17 MPa) - tragen, im Vergleich zu 3,5 ksi bei der gleichen Temperatur für eine Auslegungslebensdauer von 10.000-Stunden. Aus diesem Grund ist es von entscheidender Bedeutung, die richtige Güteklasse und den richtigen Lebensdauerspannungswert mit der tatsächlichen Betriebstemperatur in Einklang zu bringen, um ein sicheres, den Vorschriften entsprechendes Gerätedesign in dieser Legierungsfamilie zu gewährleisten. Außerdem ist das bloße Ablesen einer einzigen „Maximaltemperatur“-Zahl aus einem Datenblatt keine ausreichende Konstruktionsgrundlage für den Einsatz bei Kriechbeschränkung.

Wie vergleichen sich die Designbelastungen im ASME-Code?

Alloy 800HT (ASME Code Case 1987) weist über den Einsatzbereich von 1.100–1.650 Grad F höhere maximal zulässige Konstruktionsspannungen auf als Alloy 800H (ASME Code Case 1325). Dies ist die direkte, vom Code -anerkannte Folge der engeren Kohlenstoff- und Al+Ti-Chemie von 800HT und der praktische Grund, warum viele Käufer 800HT wählen, selbst wenn 800H es sonst tun würde Mindestanforderungen erfüllen.

Gemäß dem ASME Boiler and Pressure Vessel Code sind die Auslegungsspannungen der Legierung 800 für die Konstruktion in Abschnitt I und Abschnitt VIII, Division 1 direkt in Abschnitt II, Teil D aufgeführt und decken den Betrieb bis zu 1.500 Grad F (816 Grad) ab. Die Auslegungsbelastungen von Alloy 800H sind auch in Abschnitt II, Teil D aufgeführt und werden im Code Case 1325 (bis 1.500 Grad F/816 Grad) und Code Case 1983 für Abschnitt VIII, Division 1-Betrieb bis zu 1.800 Grad F (982 Grad) weiter behandelt.

Die maximal zulässigen Spannungen von Alloy 800HT, die im Code Case 1987 abgedeckt sind, liegen im Bereich von 1.100–1.650 Grad F explizit über den 800H-Werten, und als 800HT zertifiziertes Material erfüllt automatisch alle 800H-Anforderungen -, weshalb 800HT im Werk üblicherweise doppelt mit UNS N08811 und UNS N08810 versehen ist Zertifikate.

• Alloy 800 (N08800) - Abschnitt I / Abschnitt VIII, Div. 1 & 2 Auslegungsspannungen gemäß ASME II Teil D; Betrieb bis 1.500 Grad F (816 Grad).
• Alloy 800H (N08810) - ASME Code Case 1325 (bis 1.500 Grad F/816 Grad) und Code Case 1983 für Abschnitt VIII, Div. 1 Einsatz bis 1.800 Grad F (982 Grad).
• Legierung 800HT (N08811) - ASME Code Case 1987 (letzte Überarbeitung); höhere zulässige Spannungen als 800H von 1.100–1.650 Grad F; Über Code Case 1983-Werte auch bis 1.800 Grad F (982 Grad) abgedeckt.

Eine Beschaffungsnotiz, die es wert ist, ehrlich hervorgehoben zu werden: Die historischen Aufzeichnungen zeigen, dass sich diese zulässigen Belastungen schon einmal verändert haben und sich erneut verändern können. Nach eigenen Angaben von Special Metals wurden die zulässigen 800H-Bemessungsspannungen des Codes für 1.100–1.500 Grad F nach unten korrigiert, als der ASME Metals Property Council gepoolte 800H-Kriechbruchdaten von 87 Schmelzen und 1.052 Datenpunkten mehrerer Hersteller erneut analysierte -, einschließlich Material, das schwächer als die eigenen Schmelzen von Special Metals war - (593–816 Grad) Bereich. Diese Episode ist genau der Grund, warum 800HT als separater, strengerer chemischer Typ existiert: Dadurch konnte Special Metals weiterhin die höheren Designbelastungen anbieten, die sein eigenes Material unterstützen konnte, gestützt durch seine eigenen Daten, unabhängig von der gepoolten 800H-Revision.

Wann sollten Sie Alloy 800 vs. 800H vs. 800HT angeben?

Geben Sie die Legierung 800 für allgemeine Korrosions- und Hitzebeständigkeit unter etwa 816 Grad (1.500 Grad F) an, wenn Kriechen nicht die maßgebliche Konstruktionsbedingung ist. Geben Sie 800H als Basisklasse an, wenn die Kriech--Bruchfestigkeit oberhalb dieses Bereichs die Lebensdauer bestimmt. und spezifizieren Sie 800HT, wenn die Anwendung die höhere zulässige Designbeanspruchung und die doppelte UNS-Zertifizierung rechtfertigt - typischerweise die höchste-Temperatur, längste-Design--Lebensdauerdruck-Grenzkomponenten.

Ofenkörbe, Tabletts und Vorrichtungen aus Legierung 800 -; Wärmetauscher und Rohrleitungen in salpetersäure- oder chloridhaltigen Medien, bei denen die Widerstandsfähigkeit gegen Spannungsrisse-Korrosion und Rissbildung wichtiger ist als die Kriechlebensdauer; elektrische Heizung-Elementummantelung.

Alloy 800H - Katalysatorrohre, Konvektionsrohre, Pigtails und Auslassverteiler für Dampf-/Kohlenwasserstoffreformer; Ethylen-Crack- und Konvektionsrohre; Strahlungsrohre, Muffeln und Retorten in Wärmebehandlungsöfen; Dampferzeuger und Überhitzerrohre.

Legierung 800HT - die gleichen Kriech--kritischen Ofen- und Reformeranwendungen wie 800H, spezifiziert anstelle von 800H, wenn die Konstruktionsberechnung die höhere zulässige Spannung nach Code Case 1987 erfordert oder wenn der Käufer eine doppelte N08810/N08811-Zertifizierung für Flexibilität über mehrere Projektspezifikationen hinweg wünscht.

In der Praxis produzieren die meisten Mühlen heute legiertes 800H-Material, dessen chemische Zusammensetzung und Korngröße genau genug sind, um auch als 800HT zu gelten, und sie doppelt -zertifizieren, um beide UNS-Nummern im Mühlentestbericht zu erhalten -. Daher sollten Käufer immer die tatsächlichen MTR-Chemie- und Korngrößenergebnisse anhand der obigen Tabelle 1 überprüfen, anstatt davon auszugehen, dass eine nominale „800H“-Bestellung automatisch Konstruktionsspannungen auf 800HT-Niveau mit sich bringt.

Häufig gestellte Fragen

Q: Ist Incoloy 800HT einfach eine höhere Qualität von 800H?

A: Nicht gerade eine separate Legierungsfamilie - 800Die Zusammensetzung von HT ist eine begrenzte Teilmenge der 800H-Legierungen und liegt immer innerhalb der 800H-Grenzwerte. Der Unterschied besteht darin, dass 800HT einen engeren Kohlenstoffgehalt (0,06–0,10 % gegenüber . 0.05–0,10 %) und einen höheren Gehalt an Aluminium-plus -Titan (0,85–1,20 % gegenüber . 0.30–1,20 %) sowie ein Lösungsglühen bei mindestens 2.100 Grad F (1.149 Grad) erfordert und laut Code höhere zulässige ASME-Designspannungen aufweist Fall 1987.

Q: Kann 800HT durch die Legierung 800H bei einem Projekt ersetzt werden, das 800HT spezifiziert?

A: Nein, nicht automatisch. Das legierte 800HT-Material erfüllt immer die 800H-Anforderungen und kann daher doppelt-zertifiziert werden, das Gegenteil ist jedoch nicht garantiert. - Gewöhnliches 800H-Material gilt nur dann als 800HT, wenn seine tatsächliche Chemie und Korngröße unabhängig voneinander die strengeren 800HT-Grenzwerte erfüllen. Der Mühlenprüfbericht ist zu prüfen.

Q: Macht eine gröbere Körnung 800H und 800HT insgesamt schwächer?

A: Nein, - es ist ein bewusster Kompromiss-in die entgegengesetzte Richtung dessen, was „schwächer“ normalerweise bedeutet. Eine gröbere Körnung (ASTM Nr.. 5 oder gröber) verbessert die langfristige Kriech- und Spannungsbruchfestigkeit bei erhöhter Temperatur, für die diese Sorten entwickelt wurden. Der Nachteil ist eine verringerte Zähigkeit nach Einwirkung hoher Temperaturen und eine geringere kurzfristige Festigkeit bei Raumtemperatur im Vergleich zur Feinkornlegierung 800, was jedoch keine allgemeine Schwäche darstellt.

Q: Was ist die maximale Betriebstemperatur für jede Sorte?

A: Gemäß ASME Abschnitt I und Abschnitt VIII, Division 1 ist die Legierung 800 bis 1.500 Grad F (816 Grad) zulässig. Alloy 800H ist gemäß Code Case 1325 auch bis 1.500 Grad F (816 Grad) aufgeführt, wobei der Einsatz in Abschnitt VIII, Division 1 gemäß Code Case 1983 auf 1.800 Grad F (982 Grad) erweitert wurde. Die Spannungen von Alloy 800HT im Code Case 1987 decken den gleichen Bereich von 1.100–1.650 Grad F ab wie 800H, bei höheren zulässigen Werten 1.800 Grad F (982 Grad)-Dienst, der auch über Code Case 1983 behandelt wird.

Q: Warum haben alle drei Legierungen im Wesentlichen die gleiche Korrosionsbeständigkeit?

A: Da Nickel, Chrom und Eisen - die Elemente, die die Oxidationsbeständigkeit, die Aufkohlungsbeständigkeit und die Beständigkeit gegen Chloridstress-Korrosionsrissbildung - bestimmen, für alle drei Qualitäten identisch spezifiziert sind. Die Zusammensetzungsunterschiede zwischen 800, 800H und 800HT beschränken sich auf Kohlenstoff, Aluminium und Titan, die sich eher auf die mechanischen Eigenschaften und Kriecheigenschaften als auf das allgemeine Korrosionsverhalten auswirken.

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