Monel K500 마모 저항: 밸브 스템 및 펌프 마모 링의 재료 선택 - 지식

모넬 K500(UNS N05500)표준 Monel 400의 약 3배에 달하는 항복 강도를 지닌 해수-등급 내식성 조합으로 평가됩니다. 하지만 이러한 강도는 잘{2}}문서화되어 있는 약점 - Monel K500이 특히 그 자체 또는 기타 니켈이 풍부한 합금에 대해 쉽게 부식되는-약점과 함께 제공됩니다.- 이 기사에서는 해당 약점에 대해 게시된 테스트 데이터를 살펴보고, 그 뒤에 숨은 야금학적 이유를 설명하고, 엔지니어가 고착 실패를 유발하지 않고 밸브 스템, 펌프 샤프트 및 마모 링에서 Monel K500을 성공적으로 사용할 수 있도록 하는 재료 -쌍 및 경도- 차별화 전략을 제시합니다.

Monel K500 Galling Resistance

-가 없는 -가공된 자체 결합 상태인 Monel K500은 내마모성이 낮습니다. 공개된 TGS(임계 마모 응력) 값은 Type 304, Type 316, 17-4 PH 및 심지어 Nitronic 50에 대해 2ksi(14MPa)만큼 낮은 하중에서도 마모를 일으키는 것으로 나타났습니다. 이는 동일한 테스트 조건에서 마모 방지 합금보다 대략 5~25배 더 낮습니다.

이는 구체적이고 잘 문서화되어 있으며 다소 직관에 어긋나는 사실입니다. 프로펠러 샤프트와 드릴 칼라에 사용할 만큼 충분히 견고한 니켈 합금은 일반적인 볼트 체결 -조인트 또는 슬라이딩-맞춤 서비스 하중 내에서 접촉 응력으로 견고하게 고정될 수 있습니다. 메커니즘, 숫자 및 실제 수정 사항은 아래에 자세히 설명되어 있습니다.

Monel K500은 단일상, 면-중심의-입방 니켈-구리 고용체이기 때문에 마모가 발생하며, 금속 간의 접착을 방지하는-자연적인 저-마찰 산화층이나 단단한 2차 상이 없습니다. 강도가 높으면 부드러운 마모를 통해 접촉 응력을 분산시키는 대신 접촉 응력을 집중시켜 문제를 더욱 복잡하게 만듭니다.

마손은 접착성 마모 실패입니다. 두 개의 금속 표면이 하중을 받아 서로 미끄러질 때 미세한 높은 지점(돌기)이 순간적으로 냉간 용접될 수 있습니다-. 재료가 연성이고 연성-대-연성 접촉이 깨끗하게 절단되는 것보다 더 빨리{4}}재용접되는 경우, 찢어진 파편이 쌓이고 표면이 더욱 거칠어지며 부품이 고착될 때까지 마찰이 사라집니다. 마손에 저항하는 합금은 일반적으로 두 가지 메커니즘 중 하나를 통해 이를 수행합니다. 즉, 나금속이 나금속과 접촉하는 것을 방지하는 단단하고 연속적인 산화물 또는 부동태 피막(Nitronic 60의 실리콘-풍부 산화막에서와 같이) 또는 차가운-용접 및 인열 공정에 저항하는 단단한 2차 상이 있는 미세 구조입니다.

Monel K500은 일반적인 슬라이딩 접촉에서는 장점이 없습니다. 내식성은 마찰에 의해 쉽게 파괴되는 얇은 불화물- 또는 산화물- 기반 부동태 피막에서 비롯되며, 강도는 기본적으로 합금의 단상,-화학적 자체 유사-유사 특성을 변경하지 않고 경도와 항복 강도를 높이는 미세하게 분산된 Ni3(Al,Ti) 감마-석출물에서 비롯됩니다. 두 개의 Monel K500 표면(또는 다른 니켈-풍부 합금에 대한 Monel K500)은 화학적으로 거의 동일하기 때문에 부동태 피막이 파괴되면 두 표면은 상호 용해성과 접착력이 매우 높습니다. - Monel에 내식성을 부여하는 동일한 화학적 성질로 인해 자체 결합 또는 니켈-니켈 슬라이딩이 -특히 냉간 용접 가능성이- 높아집니다.

표준화된 버튼-및-블록 마모 테스트에서 Monel K500(오래된, ~321 HB)은 Type 304, Type 316, 17-4 PH 및 Nitronic 50 -에 대해 가장 낮은 측정 가능한 테스트 스트레스(2 ksi / 14 MPa)에서 마모되었으며 페어링되었을 때만 의미있게 더 높은 임계값(17 ksi / 117 MPa)에 도달했습니다. Nitronic 60은{14}}마모 방지 스테인리스강으로 제작되었습니다.

Published Galling Test

아래 데이터는 버튼-및-블록 갈링 테스트를 사용한 Armco(현 HP Alloys)의 Nitronic 60 제품 데이터 게시판에서 가져온 것입니다. 회전하는 원통형 버튼은 7배 확대율에서 눈에 보이는 마모가 나타날 때까지 증가하는 사하중 응력 하에서 평평한 블록에 대해 눌러집니다.{3}} TGS(Threshold Galling Stress)는 Galling이 발생하지 않은 가장 높은 응력입니다.

커플(대략적인 경도)	임계값 괴로움 스트레스	해석
K-500 모넬(321HB) 대 유형 304(270HB)	2ksi(14MPa)	가장 낮은 테스트 로드에서 갤 - 부적합한 페어링
K-500 모넬(321HB) 대 유형 316(161HB)	2ksi(14MPa)	가장 낮은 테스트 로드에서 갤 - 부적합한 페어링
K-500 모넬(321HB) 대. 17-4 PH(415HB)	2ksi(14MPa)	훨씬 더 단단한 합금에도 불구하고 가장 낮은 테스트 하중에서도 마모가 발생합니다.
K-500 모넬(321HB) 대 니트로닉 50(245HB)	2ksi(14MPa)	가장 낮은 테스트 로드에서 갤 - 부적합한 페어링
K-500 모넬(321HB) 대 니트로닉 60(210HB)	17ksi(117MPa)	8.5배 향상 - Nitronic 60의 산화막은 더 부드러워 보이는- 공칭 경도에도 접착력을 유지합니다.

표 1. 일반 밸브 및 펌프 합금에 대한 Monel K500의 임계 마모 응력, 윤활되지 않은 버튼-및-블록 테스트. 출처: Armco/HP Alloys Nitronic 60 제품 데이터 게시판.

눈에 띄는 발견은 경도만으로는 마모 저항을 예측할 수 없다는 것입니다.. 17-4 415 HB의 PH는 Monel K500보다 훨씬 단단하지만 두 합금 모두 표면 필름이 파괴되면 슬라이딩 접촉 하에서 냉간{4}}용접할 수 있기 때문에 최소 테스트 하중에서 여전히 마모가 발생했습니다.- 순수 경도가 아닌 안정된 산화막과 높은 변형{7}}경화 용량에서 내마모성을 얻는 Nitronic 60과의 결합만으로 의미 있는 개선이 이루어졌습니다.

교차-실린더 마모 테스트에서 자체 결합된 Monel K500은 자체 결합된 Nitronic 60보다 약 10~20배 빠른 속도로 재료를 손실하며, 심지어 Monel K500을 다른 경질 합금과 결합해도 그 격차는 부분적으로만 줄어들었습니다.

임계값 마모 응력은 치명적인 접착 실패의 시작을 식별합니다. 마모율 테스트(Taber Met-Abrader, 90도 실린더 교차, 16lb/71N 하중, 건조, 공기 중)는 슬라이딩이 진행 중인 후 지속적인 재료 손실을 측정합니다. 두 데이터 세트는 일관된 이야기를 전달합니다.

커플(대략적인 경도)	체중 감소 @105RPM(mg/1,000주기)	체중 감소 @415RPM(mg/1,000사이클)
Monel K500(C34) – 자가-결합	30.65	23.87
Nitronic 60(B95) – 자가-결합	2.79	1.58
17-4 PH(C43) – 자체 결합	52.80	12.13
Stellite 6B(C48) – 자가-결합	1.00	1.27
모넬 K500(C34) 대 니트로닉 60(B95)	22.9	-
모넬 K500(C34) 대 Stellite 6B(C48)	18.8	-
Monel K500(C34) 대. 17-4 PH(C43)	34.1	-

표 2. 자체 결합 및 이종 합금 쌍의 마모 호환성. 출처: Armco/HP Alloys Nitronic 60 제품 데이터 게시판, Taber Met-Abrader 교차-실린더 테스트.

자체 결합된-Monel K500은 자체 결합된 Nitronic 60보다 사이클당 약 10배 더 많은 재료를 손실하며 심지어 더 높은 테스트 속도에서는 자체 결합된 17-4 PH보다 성능이 뛰어납니다. Monel K500을 서로 다른 -경질 합금(Nitronic 60 또는 Stellite 6B)과 결합하면 자가 결합에 비해 마모가 줄어들지만, 이 두 합금은 여전히 자체 결합에 비해 상당히 빠르게 마모됩니다. 설계자를 위한 실용적인 결론: Monel K500 또는 다른 니켈이 풍부한 합금에 대해 Monel K500이 미끄러지는 것을 피하십시오. 쌍의 한쪽을 마모가 적은 대안으로 대체할 수 있습니다.

예. API 610은 회전 마모 표면과 고정 마모 표면 사이에 최소 50 Brinell 경도(BHN) 차이를 요구하며(둘 다 400 BHN을 초과하지 않는 한) Sulzer의 내부 지침에서는 더 나아가 100 BHN-을 모두 Monel K500에 직접 적용할 것을 권장합니다. 이는 시효 경화 반응으로 인해 매우 다른 두 경도 수준에서 지정하기가 매우 쉽습니다-.

API 610 Hardness-Differential Rule Apply to Monel K500 Component

Monel K500의 알루미늄-티타늄 연대-경화 메커니즘은 설계자에게 합금 계열을 변경하지 않고도 이러한 차이를 만들 수 있는 내장된{3}}방법을 제공합니다. 어닐링된 조건에서 Monel K500은 일반적으로 150~200HB 범위에서 실행됩니다. 완전 시효 경화 후 일반적으로 250~330HB(대략 Rockwell C24~C35)에 도달하며, 이는 위의 마손 테스트에 사용된 321HB/Rockwell C34 노화 조건과 일치합니다. 이는 동일한 합금의 어닐링된 상태와 시효된 상태 사이의 100HB를 훨씬 넘는 변동입니다-. 결합 구성 요소 중 하나가 어닐링된 상태로 남아 있고 다른 하나가 완전히 시효된 경우 Sulzer의 보다 엄격한 100BHN 권장 사항도 충족하기에 충분합니다.

규칙	요구 사항
API 610(11판, §6.10) 최소 경도 차이	두 표면 모두 400BHN을 초과하지 않는 한, 회전식 및 고정식 마모-링 재료 간 최소 50BHN 차이
Sulzer 내부 신뢰성 지침	원심 펌프 마모 부품의 안정적인 마모 방지를 위해 최소 100 BHN 차이 권장
Monel K500 단련된 조건(일반)	≒ 150~200HB
Monel K500 완전 시효-경화 상태(일반)	≒ 250~330HB(≒ Rockwell C24–C35)

표 3. Monel K500 제품 라인 내에서 달성할 수 있는 일반적인 경도 범위와 비교한 API 610 및 Sulzer 경도-차이 요구사항.

가장 신뢰할 수 있는 전략은 (1) 노화된 Monel K500을 어닐링된 Monel 400 또는 다른 이종 저{3}}니켈 합금과 결합하여 진정한 경도 및 화학적 차이를 생성하고, (2) 결합 마모 표면을 Nitronic 60과 같은 특수 목적으로 -내마모성{6}} 저항 합금으로 대체하고, (3) 고착 방지 화합물 또는 건식{10}}필름을 사용하는 것입니다. Monel K500 나사형 또는 슬라이딩 핏의 PTFE 코팅은 선택적 예방 조치가 아닌 필수 조립 단계입니다.

애플리케이션	권장 실습
청동 또는 스테인리스 부싱의 밸브 스템	니켈-구리 부싱보다 서로 다른{0}}합금 부싱(알루미늄 청동, Nitronic 60 또는 17-4 PH)을 선호합니다. 일반적인 스템 이동 시 금속-끼리 마찰이 발생하는 것을 방지할 수 있을 만큼 넉넉한 간격을 지정하십시오.
펌프 마모 링(임펠러 링 대 케이싱 링)	안정성이 중요한 경우 최소한 API 610 50 BHN 규칙, Sulzer의 100 BHN을 적용합니다. 한 링을 노화시키고 다른 링은 어닐링한 상태로 두거나 Monel K500을 알루미늄 청동 또는 Nitronic 60과 같은 완전히 다른 합금과 결합하여 이를 달성합니다.
나사형 패스너(K500 스터드/너트)	Monel K500을 건조하고 자체 결합하여 조립하지 마세요.- 경도 차이를 위해 Monel K500 스터드에 Monel 400 너트를 사용하고 선택한 경도 쌍에 관계없이 항상 고착 방지 화합물을 도포합니다.-
펌프 샤프트 슬리브 및 임펠러 허브	샤프트가 강도를 위해 Monel K500인 경우, 특히 유지보수를 위해 샤프트 제거가 자주 발생하지 않는 해상 및 사워{3}}서비스 펌프의 경우 Monel-on-Monel 핏 대신 접촉 영역에 서로 다른 슬리브 또는 마모 표면 재료를 지정하십시오.
모든 Monel K500 슬라이딩 또는 회전 핏	완전히 다른 합금 쌍이 부식이나 자기 투과성 이유로 실용적이지 않은 경우 커플의 한 면에 PTFE{0}}함침, 망간-인산염 또는 경질{2}}크롬 표면 처리를 고려하세요.

표 4. Monel K500 밸브, 펌프 및 패스너 응용 분야를 위한 실제 재료-선택 및 조립 지침.

이러한 조치 중 어느 것도 Monel K500의 부식 및 강도 이점을 포기할 필요가 없습니다. - 설계 단계에서 내마모성은 내식성과 별도로 조인트 또는 마모 쌍에 설계되어야 한다는 점만 인식하면 됩니다. 고의적인 경도 차이, 표면 처리 또는 윤활제 없이 자체적으로 자체 결합되는 Monel K500은-위의 데이터에서 슬라이딩 또는 나사산 맞춤에 대해 본질적으로 지정해서는 안 되는 구성입니다.

Monel K500은 부품이 해수, 사워 가스 또는 염화물에 대한 Monel{1}}등급 내식성을 필요로 할 때마다 올바른 선택으로 남아 있습니다.-Monel의 약 3배에 달하는 항복 강도와 결합된 화학 서비스-. 단, 위의 페어링 전략을 무시하지 않고 위의 페어링 전략을 통해 위험을 관리한다면 Monel{3}}이 필요합니다.

Monel K500 Component

Monel K500의 가치 제안은 구체적입니다. 고속 해수에서 매우 낮은 부식률, 산성 가스(H2S/CO2) 환경에 대한 저항성, 비자성 거동이 모두 Monel 400의 약 3배와 인장 강도의 2배와 결합되어 있습니다. 이러한 조합이 바로 이 제품이 원심 펌프 샤프트, 프로펠러 샤프트 커플링, 밸브 스템 및 밸브 스템에 대한 표준 선택으로 남아 있는 이유입니다. 고-고예압 해양용 패스너는 엄청난 민감도에도 불구하고 - 더 낮은 비용의 대안은 해당 환경에서 -강도 대 -부식-비율과 일치하지 않습니다. 엔지니어링 작업은 Monel K500을 피하는 것이 아니라 고의적인 대책 없이 미끄러지거나 나사산이 발생하지 않도록 하는 것입니다.

Monel K500의 임계점 골링 스트레스는 얼마입니까?

표준화된 버튼 및 블록 테스트(2 ksi / 14 MPa)에서 가장 낮은 테스트 응력에서 Type 304, Type 316, 17-4 PH 및 Nitronic 50, 노화된 Monel K500 갤과 같은 일반적인 합금에 대해 자가 결합 또는 자가 결합-합니다. Nitronic 60과 페어링하면 임계값이 약 17ksi(117MPa)로 높아집니다.

Monel K500은 밸브 스템이나 부싱에서 자체적으로 작동해야 합니까?

아니요. 자체 결합된-Monel K500은 윤활되지 않은 슬라이딩 접촉에서 본질적으로 마모 마진이 없습니다. 서로 다른-합금 부싱, 결합 부품 간의 경도 차이 또는 -고착 방지/표면 처리를 항상 지정해야 합니다.

경도만으로도 Monel K500이 마멸되는 것을 방지할 수 있습니까?

안정적이지 않습니다. 테스트 데이터에 따르면 Monel K500은 17-4 PH에 대한 최소 테스트 부하에서도 마모가 발생하며 이는 훨씬 더 어렵습니다. 내마모성은 경도 자체보다는 표면 필름의 안정성과 미세구조에 더 많이 좌우되지만, 실제 경도 차이(API 610에 따라)가 여전히 도움이 됩니다.

API 610은 펌프 마모 링에 어떤 경도 차이를 요구합니까?

둘 다 400 BHN을 초과하지 않는 한 회전 마모 표면과 고정 마모 표면 사이의 최소 50 브리넬 경도(BHN)입니다. Sulzer의 내부 신뢰성 지침에서는 100 BHN을 권장합니다. Monel K500은 -노화된 경도 범위(약 150~330HB)로 어닐링되어 단일 합금 계열 내에서 두 규칙 중 하나를 충족할 수 있습니다.

Monel K500 마모를 방지하기 위해 일반적으로 대체되는 합금은 무엇입니까?

Nitronic 60(UNS S21800)은 안정적인 산화 피막과 높은 변형{2}}경화 능력 덕분에 결합 마모 표면을 대체하는 가장 일반적인 재료입니다. 알루미늄 청동과 17-4 PH도 사용되며, 숙성된 Monel K500과 어닐링된 Monel 400을 간단하게 결합합니다.