Валы насосов из Monel K-500: старение, прямолинейность и схватывание

K-500 даёт валу насоса примерно вдвое больший предел текучести, чем отожжённый Monel 400, но старением, которое это обеспечивает, пруток уводит, а одна твёрдость не спасает трущуюся поверхность от схватывания. Что вносить в чертёж и в каком порядке.

Monel K-500 (UNS N05500) — марка, к которой чаще всего отсылают спецификации насосов, когда вал работает в морской воде или рассоле под реальной нагрузкой на подшипники. Это никель-медная основа Monel с добавками алюминия и титана и двухступенчатой термической обработкой, и весь смысл именно в старении: предел прочности выше 1000 МПа и предел текучести не менее 760 МПа. То, что следует из этой обработки — коробление при старении, прямолинейность после него и поведение трущихся поверхностей, — и определяет, будет ли вал работать.

Что представляет собой эта марка

Начинать нужно с химического состава: именно алюминий и титан делают эту марку. Никель держится на уровне ≥ 63,0 %, медь — 27,0 – 33,0 %, это основа Monel; алюминий 2,30 – 3,15 % и титан 0,35 – 0,85 % — те добавки, которые выделяются при старении. Железо ограничено ≤ 2,00 %, углерод ≤ 0,18 %, марганец ≤ 1,50 %, кремний ≤ 0,50 %, сера ≤ 0,010 %.

Пруток для валов заказывают по ASTM B865 / ASME SB-865, и это стоит указать в заказе: спецификация прутка из Monel 400 — ASTM B165, другой документ с другой таблицей химии. Поковки — по ASTM B564 / ASME SB-564, лист — по ASTM B127, бесшовная труба — по ASTM B165 и DIN 2.4375. Европейское обозначение — 2.4375, китайское — NS3307; плотность 8,47 г/см³, температура плавления 1300 – 1350 °C.

Monel K-500 против Monel 400 по величинам, важным для чертежа вала

Большинство заявок на K-500 — это замена 400, поэтому эти марки стоит поставить рядом.

	Monel K-500	Monel 400
UNS	N05500	N04400
Никель	≥ 63,0 %	≥ 63,0 %
Медь	27,0 – 33,0 %	28,0 – 34,0 %
Алюминий	2,30 – 3,15 %	не нормируется
Титан	0,35 – 0,85 %	не нормируется
Железо	≤ 2,00 %	≤ 2,50 %
Углерод	≤ 0,18 %	≤ 0,30 %
Плотность	8,47 г/см³	8,80 г/см³
Температура плавления	1300 – 1350 °C	1300 – 1350 °C
Упрочнение	выделение (Al + Ti)	твёрдый раствор
Состояние для вала	закалка 1040 °C, затем старение 450 – 550 °C	отожжённый
Твёрдость после старения	до 300 HB	не нормируется

Старение: двухступенчатый процесс, задающий свойства

Обработка — это закалка при 1040 °C с последующим старением при 450 – 550 °C. Закалка переводит алюминий и титан в твёрдый раствор и оставляет мягкую, обрабатываемую структуру; старение выделяет никель-алюминий-титановую фазу, которая несёт прочность. Твёрдость после старения достигает 300 HB, и эта величина определяет последовательность механообработки.

Лучше всего сплав обрабатывается в отожжённом состоянии, и это задаёт маршрут: черновая обработка в отожжённом состоянии, старение, затем чистовая обработка и шлифование. Вал, доведённый до размера до старения, уйдёт в печи и потом его придётся снова резать на полной твёрдости — медленно, дорого и тяжело сказывается на качестве поверхности шейки под подшипник.

Сварка — второе ограничение: K-500 можно сваривать, но требуется предварительный подогрев и послесварочная термическая обработка для восстановления прочности и коррозионной стойкости, и шов с зоной термического влияния не сравняется полностью с состаренным основным металлом, поэтому вал с приварным фланцем — это другое предложение, чем вал из цельного прутка.

Прямолинейность после старения

Старение — это выдержка при температуре в течение часов, и никакая правка не оставляет пруток свободным от остаточных напряжений. Когда такой пруток проходит старение, напряжения снимаются, и пруток уводит. Величину нельзя прочитать в сертификате: она зависит от отношения диаметра к длине, от того, как пруток правили, и от того, насколько равномерно черновая обработка снимала материал.

Практический контроль — это последовательность, а не допуск. Либо покупать пруток, поставленный состаренным и правленым, и обрабатывать его лёгкими проходами, либо покупать после закалки, вести черновую обработку, старить в черновом размере, править и затем шлифовать начисто. Правка после старения оставляет собственные остаточные напряжения, а тонкий вал, выправленный в холодном состоянии после старения, может снова уйти в эксплуатации, поэтому правка относится к этапу до окончательного шлифования, а не после него.

В чертеже задайте прямолинейность как полное биение по индикатору на определённой длине с указанием точек опирания и укажите, проверяется ли она до или после окончательной обработки. Требование без базы будет посчитано так, как написано, а обсуждаться будет потом.

Схватывание на резьбах и посадочных поверхностях

Схватывание застаёт на K-500 врасплох, потому что после старения материал твёрдый, а твёрдость легко принять за стойкость к скольжению. Это не так: схватывание — свойство пары, и две поверхности одного и того же сплава, высокое контактное давление, отсутствие смазочной плёнки и относительное перемещение вместе дают холодную сварку и вырыв. На валу насоса это проявляется на посадке рабочего колеса, под напрессованной втулкой и на резьбах, которые завинчивают многократно.

• Разорвите пару. Разнородный материал на гайке, втулке или кольце устраняет условие, с которого начинается повреждение.
• Сохраняйте плёнку между поверхностями. Сборочный состав на прессовых посадках и смазка на резьбе дешевле замены вала.
• Задайте профиль и чистоту резьбы. Накатанные резьбы ведут себя лучше, чем черновая нарезанная резьба при многократной сборке.
• Не используйте повторно повреждённый крепёж. Схваченная резьба уже потеряла посадку, и повторная затяжка переносит повреждение дальше.

Всё это не довод против K-500 для вала — это довод за то, чтобы продумать сопряжения так же тщательно, как сам вал.

Коррозионные условия работы вала

Марка рассчитана на работу от криогенных температур примерно до 482 °C, а её коррозионная стойкость охватывает морскую воду, рассолы, серную кислоту и щелочные растворы, включая стойкость к питтингу, щелевой коррозии и коррозионному растрескиванию под напряжением. Это наследство 400, и именно поэтому марку задают для гребных валов, рабочих колёс насосов и элементов устьевого оборудования.

Одно предостережение по пределу: рабочий предел около 482 °C лежит внутри диапазона старения 450 – 550 °C, поэтому длительная выдержка у этой границы — не то же самое, что короткий заброс. Для вала, который работает горячим, состояние после старения стоит обсудить до размещения заказа, а не после первой приёмки.

Что пришло нам прислать

Пришлите габариты вала — диаметры шеек, общую длину, длину между подшипниками — и требуемую шероховатость шеек. Укажите среду с содержанием хлоридов и температурой и скажите, несёт ли вал только кручение или также изгиб. Сообщите, в каком состоянии вы хотите получить материал: после закалки для собственной обработки или состаренным и правленым под чистовое шлифование. Укажите, есть ли сварные элементы. И наконец, назовите документ: сертификат 3.1 с химией и механическими результатами по плавке или 3.2 с испытаниями в присутствии инспектора, и должны ли в нём фиксироваться твёрдость и прямолинейность. С этими данными мы посчитаем пруток или готовый вал по ASTM B865 / ASME SB-865 — напишите на vicky@hangboalloy.com или отправьте заявку через hangbonickel.com.

Приведённые значения соответствуют редакции ASTM / EN, указанной в каждом разделе. Для конкретной плавки определяющими являются данные в сертификате EN 10204, который идёт с металлом. Материал подготовлен техническим отделом Shanghai Hangbo Alloy Group.