Incoloy 800 vs 800H vs 800HT: diferencias en contenido de carbono, tamaño de grano y resistencia a la fluencia

Introducción

Incoloy 800, 800H y 800HTpertenecen a la misma familia de aleaciones de níquel-hierro-cromo, desarrollada por Special Metals Corporation a partir de la década de 1950 para brindar resistencia al calor y a la corrosión sin depender del gran contenido de níquel que hizo de la aleación INCONEL 600 un material estratégicamente escaso en ese momento. Los tres comparten los mismos rangos nominales de níquel, cromo y hierro. Lo que los separa - y lo que un ingeniero especificador o gerente de adquisiciones realmente necesita comprender - es un pequeño conjunto de controles metalúrgicos y de composición: contenido de carbono, contenido de aluminio-más-titanio y el tamaño de grano logrado por el recocido final. Juntos, estos controles determinan cuánta resistencia a la fluencia y a la tensión-ruptura puede ofrecer el material durante años de servicio continuo a alta-temperatura.

Este artículo compara los tres grados directamente, utilizando las composiciones químicas limitantes y los datos de -resistencia a la rotura- a largo plazo publicados por Special Metals Corporation en sus boletines técnicos de aleación INCOLOY 800 (SMC-046) e INCOLOY 800H y 800HT (SMC-047), para que los compradores puedan hacer coincidir el grado correcto con la temperatura de servicio y la vida de diseño correctas.

¿Cuál es la diferencia fundamental entre la aleación 800, 800H y 800HT?

Las tres aleaciones comparten el mismo 30–35 % de níquel/19–23 % de cromo/39,5 % mín. base de hierro, pero 800H y 800HT son versiones metalúrgicamente mejoradas de 800 - producidas con límites más estrictos de carbono y aluminio-más-titanio y con una solución de recocido a alta-temperatura que genera una estructura de grano más gruesa, específicamente para aumentar la fluencia y la tensión-la resistencia a la rotura para un servicio-a temperatura elevada- a largo plazo.

La propia literatura técnica de Special Metals es explícita en este punto: los elementos base en las tres aleaciones son los mismos, y las propiedades físicas y térmicas de las aleaciones (densidad, expansión térmica, resistividad eléctrica, módulo de elasticidad) son esencialmente idénticas porque sus rangos de composición generales se superponen. Las diferencias importantes son metalúrgicas, no químicas en el sentido amplio - y se refieren a cuán estrictamente se controlan tres parámetros específicos: contenido de carbono, contenido de aluminio-más-titanio y tamaño de grano final.

Debido a esto, la aleación 800 es generalmente la opción de mayor-resistencia para cargas-a corto plazo a temperatura ambiente o temperatura moderada, mientras que 800H y 800HT son la opción correcta siempre que un componente deba resistir una deformación (fluencia) dependiente del tiempo-durante años de exposición continua por encima de aproximadamente 1000 grados F (540 grados).

¿En qué se diferencia el contenido de carbono entre los tres grados y por qué es importante?

La aleación 800 permite hasta un 0,10% de carbono sin un mínimo especificado; la aleación 800H requiere entre 0,05 y 0,10 % de carbono; y la aleación 800HT aprieta ese rango hasta 0,06–0,10% de carbono - un piso cada vez más estrecho y más alto que es el factor más importante para la resistencia a la rotura por fluencia-en esta familia de aleaciones.

Los boletines de Special Metals señalan que se había reconocido desde hacía mucho tiempo que la aleación 800 con mayor-carbono tenía mayores propiedades de fluencia y ruptura que el material con bajo-carbono de la misma composición nominal, razón por la cual la compañía comenzó a fundir en el rango de 0,05 a 0,10% - la porción superior del máximo de 0,10% permitido para la aleación estándar 800 - mucho antes de que ese rango se formalizara como su propio grado. El carbono de esta familia de aleaciones precipita como carburos de cromo en los límites de los granos durante la exposición a altas-temperaturas; Controlados al nivel y tamaño de grano correctos, estos carburos fijan los límites de los granos y resisten el deslizamiento de los límites que genera la deformación por fluencia.

Fuente: Special Metals Corporation, boletín técnico de aleaciones INCOLOY 800H y 800HT, publicación n.° SMC-047 (Tabla 1).

Un matiz importante para los compradores: debido a que el techo de carbono de la aleación 800 (0,10% máx.) se superpone completamente con las gamas 800H y 800HT, una parte superior de la aleación 800 simple puede, solo por química, ya caer dentro de la ventana de carbono 800H. El contenido de carbono por sí solo no califica un calor 800H-; sin embargo, - también se debe cumplir y verificar el requisito de tamaño de grano que se analiza a continuación.

¿Por qué el tamaño del grano es importante para la resistencia a la fluencia?

La aleación 800 no tiene ningún requisito de tamaño de grano específico, mientras que tanto 800H como 800HT requieren un tamaño de grano promedio ASTM de No. 5 o más grueso, logrado mediante recocido en solución a 2100–2200 grados F (1150–1200 grados) - una estructura de grano más gruesa que aumenta significativamente la resistencia a la fluencia y la ruptura por tensión a temperaturas elevadas, con algún costo para resistencia post-exposición.

El tamaño del grano y la resistencia a la fluencia están directamente relacionados en este sistema de aleación porque la deformación por fluencia a alta temperatura se debe sustancialmente al deslizamiento a lo largo de los límites del grano. Una estructura de grano más grueso tiene proporcionalmente menos área límite de grano-por unidad de volumen, lo que reduce las vías disponibles para ese deslizamiento de límites y, en combinación con la fijación de carburo, aumenta la tensión que un componente puede soportar antes de que se deforme inaceptablemente o se rompa durante una vida de diseño determinada.

El boletín de Special Metals es específico sobre cómo se logra esto en la producción: las aleaciones 800H y 800HT se recocen en solución como paso final de producción a 2100-2200 grados F (1150-1200 grados), con el tiempo a temperatura ajustado según el tamaño de la sección y las características del horno para alcanzar un tamaño de grano promedio mínimo de ASTM No. 5.

El boletín también señala el punto de los rendimientos decrecientes y la compensación asociada-directamente: la temperatura y el tiempo deben controlarse para limitar el crecimiento excesivo del grano, ya que se gana poca resistencia a la fluencia adicional más allá de cierta aspereza, mientras que el grano muy grueso reduce la dureza después de una exposición a altas-temperaturas. Para aplicaciones en las que seguirá más de un 20 % de conformado en frío, o en las que se requiere un acabado superficial fino, el mismo boletín recomienda pedir material en una condición de grano fino-, subrayando que el tratamiento de grano-grueso es una compensación deliberada-específica-de servicio, no una actualización universal.

Fuente: Special Metals Corporation, boletín técnico de aleaciones INCOLOY 800H y 800HT, publicación n.° SMC-047 (Tabla 1 y sección Recocido - Práctica básica).

También se pueden acordar rangos de tamaño de grano especial (más fino o más grueso)-- ASTM 1–5 para placas y tubos/tuberías, y ASTM 2–5 para láminas - para pedidos específicos, por lo que los compradores con una combinación inusual de requisitos de conformado y servicio deben especificar el tamaño de grano explícitamente en la orden de compra en lugar de asumir el estándar ASTM 5-o más grueso predeterminado.

¿En qué se diferencian los niveles de aluminio-más-titanio entre 800H y 800HT?

Tanto la aleación 800 como la 800H permiten una combinación de 0,30 a 1,20 % de aluminio más titanio, pero la aleación 800HT restringe ese rango combinado a un rango más estrecho y superior de 0,85 a 1,20 % - el tercer control, junto con el carbono y el tamaño de grano, que Special Metals utiliza para impulsar la resistencia a la rotura por fluencia- de 800HT por encima de la de 800H.

Los boletines de Special Metals describen esto directamente como una estrategia deliberada: la compañía mantuvo los contenidos de aluminio y titanio en la parte superior del rango especificado para su propia producción de 800H específicamente porque al hacerlo produjo mayores propiedades de fluencia y tensión-ruptura que el material 800H de la competencia que cumplía solo los requisitos mínimos. En lugar de dejar esa práctica de rango superior-como una preferencia interna, Special Metals la formalizó en un grado químico- distinto y restringido - 800HT - con un piso y techo obligatorio de Al+Ti de 0,85 a 1,20 %, más el rango de carbono de 0,06 a 0,10 % y una temperatura mínima de recocido de solución- de 2100 grados F (1149 grados) descrita anteriormente.

Debido a que la ventana química del 800HT se encuentra completamente dentro de la ventana del 800H, cualquier calor producido según los requisitos del 800HT también satisface automáticamente los requisitos del 800H -, por lo que el material 800HT habitualmente cuenta con doble certificación-para UNS N08811 y UNS N08810. Lo contrario no es cierto: el material 800H ordinario no puede certificarse como 800HT a menos que cumpla de forma independiente con los requisitos más estrictos de carbono, Al+Ti y tamaño de grano.

Comparación completa de la composición: aleación 800 frente a 800H frente a 800HT

Los tres grados solo difieren en el carbono, el aluminio, el titanio y el tamaño del grano. - todos los demás elementos limitantes de la composición (níquel, cromo, hierro, manganeso, azufre, silicio, cobre) se especifican de manera idéntica en los tres.

Fuente: Special Metals Corporation, boletín técnico de aleaciones INCOLOY 800H y 800HT, publicación n.° SMC-047, tabla 1 - Composiciones químicas limitantes para las aleaciones INCOLOY 800, 800H y 800HT.

¿Qué aleación tiene la mayor resistencia a la rotura por fluencia-?

La aleación 800HT ofrece la mayor resistencia a la rotura-fluencia a largo plazo-de los tres grados, seguida por la 800H; Special Metals no recomienda la aleación simple 800 para aplicaciones que requieren propiedades óptimas de rotura por fluencia-, particularmente por encima de 1,500 grados F (816 grados).

Special Metals establece claramente que las aleaciones 800H y 800HT tienen una resistencia a la fluencia y a la rotura significativamente mayor que la aleación 800, y que la aleación 800 normalmente no se utiliza cuando se requieren propiedades óptimas de fluencia-ruptura. En su lugar, se debe especificar - 800H o 800HT. Esta clasificación es válida específicamente para cargas de larga-duración y elevada-temperatura; a temperatura ambiente y durante un período de exposición breve-, la aleación 800 en realidad puede mostrar una mayor resistencia a la tracción que 800H o 800HT, ya que la condición de recocido-de grano grueso y alta-temperatura-de 800H/800HT intercambia cierta resistencia a corto-plazo por resistencia a la fluencia-a largo plazo.

La siguiente tabla reproduce los valores de resistencia a la rotura representativos de Special Metals de 10 000-, 30 000-, 50 000- y 100 000 horas para las aleaciones 800H y 800HT, que se tratan como un único conjunto de datos en el boletín del fabricante porque ambos grados comparten el mismo objetivo de tamaño de grano de recocido en solución; La química más estricta de carbono y Al+Ti del 800HT eleva su posición dentro de este rango de tensiones y se refleja por separado en las tensiones de diseño permitidas de ASME (que se analizan en la siguiente sección).

Fuente: Special Metals Corporation, boletín técnico de aleaciones INCOLOY 800H y 800HT, publicación n.° SMC-047, tabla 7 - Valores representativos de resistencia a la rotura para aleaciones INCOLOY 800H/800HT.

Léalo de manera práctica: la resistencia a la ruptura disminuye drásticamente con el aumento de la temperatura y el aumento de la vida útil del diseño, que es exactamente lo que predice un mecanismo de ruptura por fluencia-. Un componente diseñado para una vida útil de 100.000-horas (aproximadamente 11,4-años) a 1.600 grados F (870 grados) puede transportar sólo alrededor de 2,5 ksi (17 MPa) - frente a 3,5 ksi a la misma temperatura para una vida útil de diseño de 10.000-horas. Esta es la razón por la que hacer coincidir el grado correcto y el valor correcto de tensión de vida útil de diseño con la temperatura de funcionamiento real es fundamental para un diseño de equipo seguro y que cumpla con los códigos en esta familia de aleaciones, y por qué simplemente leer un único número de "temperatura máxima" en una hoja de datos no es una base de diseño adecuada para un servicio con fluencia limitada.

¿Cómo se comparan las tensiones de diseño de casos del código ASME?

La aleación 800HT (Código ASME Caso 1987) soporta tensiones de diseño máximas permitidas más altas que la aleación 800H (Código ASME Caso 1325) en todo el rango de servicio de 1100 a 1650 grados F, que es la consecuencia directa reconocida por el código- de la química más estricta de carbono y Al+Ti del 800HT y es la razón práctica por la que muchos compradores especifican el 800HT incluso cuando el 800H lo haría. de lo contrario cumplir con los requisitos mínimos.

Según el Código ASME para calderas y recipientes a presión, las tensiones de diseño de aleación 800 para la construcción de la Sección I y la Sección VIII, División 1 se enumeran directamente en la Sección II, Parte D y cubren el servicio hasta 1,500 grados F (816 grados). Las tensiones de diseño de la aleación 800H también se enumeran en la Sección II, Parte D y se abordan con más detalle en el Caso de Código 1325 (a 1,500 grados F/816 grados) y el Caso de Código 1983 para la Sección VIII, División 1, servicio hasta 1,800 grados F (982 grados).

Las tensiones máximas permitidas de la aleación 800HT, cubiertas por Code Case 1987, son explícitamente superiores a las de 800H en el rango de 1100 a 1650 grados F, y el material certificado como 800HT cumple automáticamente con todos los requisitos de 800H -, por lo que 800HT comúnmente tiene doble-estampado según UNS N08811 y UNS N08810 en el molino. certificados.

• Aleación 800 (N08800) - Sección I / Sección VIII, Div. 1 y 2 tensiones de diseño según ASME II Parte D; servicio a 1,500 grados F (816 grados).
• Aleación 800H (N08810) - Código ASME Caso 1325 (a 1500 grados F/816 grados) y Código Caso 1983 para la Sección VIII, Div. 1 servicio a 1800 grados F (982 grados).
• Aleación 800HT (N08811) - Código ASME Caso 1987 (última revisión); tensiones permitidas más altas que 800H entre 1100 y 1650 grados F; también cubierto hasta 1.800 grados F (982 grados) mediante los valores de Code Case 1983.

Una nota de adquisiciones que vale la pena señalar honestamente: el registro histórico muestra que estas tensiones permitidas se han movido antes y pueden volver a moverse. Según el propio relato de Special Metals, cuando el ASME Metals Property Council volvió a analizar los datos agrupados de rotura por fluencia-de 800H de 87 calores y 1052 puntos de datos de múltiples productores - incluido material más débil que los propios calores de Special Metals -, las tensiones de diseño permitidas de 800H del Código se revisaron a la baja para los 1100-1500 grados F. (593–816 grados). Ese episodio es precisamente la razón por la que 800HT existe como un grado químico separado-más estricto: permitió que Special Metals continuara ofreciendo las mayores tensiones de diseño que su propio material podría soportar, respaldado por sus propios datos, independientemente de la revisión conjunta de 800H.

¿Cuándo debería especificar Alloy 800 frente a 800H frente a 800HT?

Especifique la aleación simple 800 para servicio general resistente a la corrosión- y al calor-por debajo de aproximadamente 1500 grados F (816 grados) donde la fluencia no es la condición de diseño que rige; especifique 800H como grado de referencia siempre que la resistencia a la rotura por fluencia- gobierne la vida útil del diseño por encima de ese rango; y especifique 800HT cuando la aplicación justifique su mayor esfuerzo de diseño permitido y su doble certificación UNS - normalmente los componentes con límite de temperatura más alta-y mayor-diseño-presión de vida-.

Cestas, bandejas y accesorios de hornos de aleación 800 -; intercambiadores de calor y tuberías en medios que contienen ácido-nítrico o cloruro-donde la resistencia al agrietamiento por corrosión-estresante es más importante que la vida útil; revestimiento de elemento calefactor-eléctrico.

Tubos catalizadores de reformador de vapor/hidrocarburos de aleación 800H -, tubos de convección, pigtails y colectores de salida; tubos de convección y craqueo de etileno; tubos radiantes, muflas y retortas en hornos de tratamiento térmico-; generador de vapor-y tubería del sobrecalentador.

La aleación 800HT - tiene las mismas aplicaciones de horno y reformador críticas para la fluencia- que 800H, especificada en lugar de 800H cuando el cálculo del diseño necesita la tensión permitida más alta del Código Caso 1987, o cuando el comprador desea una certificación dual N08810/N08811 para mayor flexibilidad en múltiples especificaciones de proyectos.

En la práctica, la mayoría de las fábricas hoy en día producen material de aleación 800H con una química y un tamaño de grano lo suficientemente ajustados como para calificar también como 800HT, y lo certifican dualmente-con ambos números UNS en el informe de prueba de la fábrica -, por lo que los compradores siempre deben verificar la química MTR real y el resultado del tamaño-de grano con la Tabla 1 anterior en lugar de asumir que un pedido nominal "800H" conlleva automáticamente tensiones de diseño de nivel 800HT-.

Preguntas frecuentes

Q: ¿Incoloy 800HT es simplemente un grado superior al 800H?

A: No es exactamente una familia de aleaciones separada. - 800La composición de HT es un subconjunto restringido de 800H, que siempre se encuentra dentro de los límites de 800H. La distinción es que 800HT requiere un contenido más estrecho de carbono (0,06–0,10 % frente a . 0.05–0,10 %) y mayor contenido de aluminio-más-titanio (0,85–1,20 % frente a . 0.30–1,20 %), además de un recocido de solución mínimo de 2100 grados F (1149 grados) y conlleva tensiones de diseño más altas permitidas por ASME según el Código. Caso 1987.

Q: ¿Se puede sustituir la aleación 800H por 800HT en un proyecto que especifica 800HT?

A: No, no automáticamente. El material de aleación 800HT siempre cumple con los requisitos de 800H, por lo que puede tener una certificación dual-, pero no se garantiza lo contrario. - El material 800H ordinario solo califica como 800HT si su química real y tamaño de grano cumplen de forma independiente los límites más estrictos de 800HT. Se debe comprobar el informe de prueba del molino.

Q: ¿Un tamaño de grano más grueso hace que el 800H y el 800HT sean más débiles en general?

A: No -, es una compensación deliberada-en la dirección opuesta a lo que suele implicar "más débil". El grano más grueso (ASTM No. 5 o más grueso) mejora la resistencia a la rotura-y al estrés-a temperatura elevada, que es la propiedad para la que están diseñados estos grados. La compensación-es una menor tenacidad después de una exposición a altas-temperaturas y una menor resistencia-a temperatura ambiente-a corto plazo en comparación con la aleación-de grano fino 800, no una debilidad general.

Q: ¿Cuál es la temperatura máxima de servicio para cada grado?

A: Según ASME Sección I y Sección VIII, División 1, se permite la aleación 800 a 1500 grados F (816 grados). La aleación 800H también figura en la lista a 1,500 grados F (816 grados) según el caso del código 1325, con la Sección VIII, División 1, servicio extendido a 1,800 grados F (982 grados) según el caso del código 1983. Las tensiones del caso del código 1987 de la aleación 800HT cubren el mismo rango de 1,100 a 1,650 grados F que el 800H, en valores permitidos más altos, con El servicio de 1.800 grados F (982 grados) también se aborda a través del Caso Código 1983.

Q: ¿Por qué las tres aleaciones tienen esencialmente la misma resistencia a la corrosión?

A: Porque el níquel, el cromo y el hierro - los elementos que gobiernan la resistencia a la oxidación, la resistencia a la carburación y la resistencia a la tensión por cloruros-el agrietamiento por corrosión - se especifican de manera idéntica en los tres grados. Las diferencias de composición entre 800, 800H y 800HT se limitan al carbono, el aluminio y el titanio, que afectan las propiedades mecánicas y de fluencia más que el comportamiento general de corrosión.

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