Inconel 600 vs Incoloy 800 : sélection d'alliages de nickel pour les composants de fours de traitement thermique

Que sont l’Inconel 600 et l’Incoloy 800 et en quoi leurs compositions diffèrent-elles ?

L'Inconel 600 est un alliage de nickel-chrome-fer construit sur une base riche en nickel- (72 % minimum), tandis que l'Incoloy 800 est fondamentalement un alliage à base de fer-avec seulement 30-35 % de nickel - un choix de conception délibéré et historiquement documenté qui place les deux alliages aux extrémités opposées du coût-par rapport au-spectre de performances à haute-température.

Source : bulletins techniques de Special Metals Corporation SMC-027 (alliage INCONEL 600) et SMC-046 (alliage INCOLOY 800).

L'Incoloy 800 a été introduit dans les années 1950 spécifiquement pour répondre au besoin d'un alliage résistant à la chaleur- et à la corrosion-avec une teneur en nickel relativement faible, puisque le nickel était, à l'époque, désigné comme un métal stratégique. Ce n’est pas une histoire fortuite - c’est la logique de conception qui sépare encore les deux alliages aujourd’hui. La teneur élevée en nickel de l'Inconel 600 lui confère une excellente résistance aux conditions réductrices et l'immunise pratiquement contre la fissuration par corrosion sous contrainte ionique chlorure - ; Les ajouts d'aluminium et de titane de l'Incoloy 800 (présents dans 600 à l'état de traces, voire pas du tout) forment des précipités de renforcement qui compensent en partie sa plus faible teneur en nickel à température élevée.

Quel alliage a la température de service maximale la plus élevée pour les composants du four ?

L'Inconel 600 offre un service global plus élevé-plafond de température - utilisation continue jusqu'à 2 000 degrés F (1 093 degrés) - tandis que l'Incoloy 800 standard est généralement utilisé pour ses caractéristiques de résistance jusqu'à environ 1 500 degrés F (816 degrés) ; pour un fonctionnement du four supérieur à ce point, les variantes à haute température -d'Incoloy, 800H et 800HT, comblent une grande partie de l'écart.

Special Metals décrit la polyvalence de l'Inconel 600 comme couvrant « des températures allant de la cryogénie à plus de 2 000 degrés F (1 095 degrés) » et déclare directement que la résistance de l'alliage et sa résistance à l'oxydation à haute température le rendent utile pour les cornues, les moufles, les foyers à rouleaux et d'autres composants de four. En revanche, Special Metals déclare que l'Incoloy 800 "est utilisé pour ses caractéristiques de résistance à des températures de service allant jusqu'à environ 1 500 degrés F (816 degrés)" et que "pour les applications nécessitant une résistance élevée au fluage ou à la rupture, les alliages INCOLOY 800H ou 800HT sont utilisés" à la place.

Les 800H et 800H T comportent tous deux une plage de carbone contrôlée (0,05-0,10 % et 0,06-0,10 % respectivement) et une granulométrie minimale plus grossière (ASTM 5 ou plus grossière) spécialement conçue pour augmenter la résistance au fluage et à la rupture sous contrainte au-delà de ce qu'offre la norme 800, étendant ainsi la plage de température pratique de fonctionnement au four de la famille 800 bien au-delà des 1 500 degrés de l'alliage de base. Point de conception F.

Quel alliage résiste le mieux à la carburation dans les atmosphères de four ?

L'Inconel 600 absorbe sensiblement moins de carbone que l'Incoloy 800HT dans des conditions de carburation identiques : le test de carburation au gaz de 100 -heures-de Special Metals dans une atmosphère d'hydrogène/2 % de méthane montre que l'Inconel 600 gagne 2,66 à 12,30 mg/cm2, contre 4,94 à 21,58 mg/cm2 pour l'Incoloy. 800HT – environ la moitié du gain de poids aux deux températures testées.

Source : Special Metals Corporation, tests de carburation du gaz (100 h) dans une atmosphère d'hydrogène/2 % de méthane (l'atmosphère de test à 1 700 degrés F contenait également 5 % d'argon), bulletin technique de l'alliage INCONEL 600 SMC-027.

Ce test côte à côte est l'un des rares endroits où un spécificateur de composants de four-peut voir l'Inconel 600 et l'Incoloy 800HT mesurés par rapport à la même exposition à la carburation dans une seule expérience contrôlée. La carburation est extrêmement importante dans cette application, car les atmosphères des fours contenant des hydrocarbures (gaz endothermiques, ammoniac craqué et environnements de carburation similaires utilisés dans les fours de cémentation et de cémentation au gaz) entraînent du carbone dans la surface des accessoires du four, formant des carbures internes qui fragilisent le métal et raccourcissent la durée de vie des appareils. Une absorption moindre de carbone se traduit directement par une durée de vie plus longue pour les paniers, les plateaux et les accessoires qui passent à plusieurs reprises dans des atmosphères de carburation.

Quel alliage résiste le mieux à l’oxydation cyclique et à la spallation du tartre ?

Les propres tests d'oxydation cyclique de Special Metals à 1 800 degrés F (980 degrés) - utilisant des cycles répétés de chauffage de 15-minutes et de refroidissement de 5-minutes dans l'air pendant 1 000 heures - comparent directement l'Inconel 600 à l'acier inoxydable de type 304, à l'acier inoxydable de type 309 et à l'Incoloy 800HT, et démontre que le La composition nickel-chrome-fer de l'Inconel 600 conserve bien mieux son tartre d'oxyde protecteur que les deux aciers inoxydables sous des cycles thermiques répétés.

La résistance à l'oxydation cyclique, plutôt que stable-, est le test le plus réaliste pour les accessoires de four, qui chauffent et refroidissent à chaque lot de production plutôt que de rester indéfiniment à une seule température de trempage. Des cycles thermiques répétés provoquent la fissuration et l'effritement de la calamine protectrice d'oxyde de chrome - de tout alliage en raison de la dilatation et de la contraction thermiques du métal sous-jacent ; l'alliage qui résiste le mieux à cette spallation conserve sa couche protectrice, et donc sa résistance à la corrosion, sur davantage de cycles de chaleur-refroidissement.

L'inclusion par Special Metals de l'Incoloy 800HT directement dans cette même comparaison - plutôt que de le tester séparément - souligne que les deux alliages riches en nickel-ont été développés en gardant à l'esprit ce mode de défaillance précis du cycle de four-, même si le test montre l'alliage de nickel le plus élevé-(600) avec la plus forte rétention de tartre du groupe.

Quel alliage offre une meilleure résistance à la nitruration ?

L'Inconel 600 est explicitement positionné par son propre fabricant comme matériau standard pour les récipients de nitruration en raison de sa résistance à l'absorption d'azote à haute température, une application spécifique et nommée qui n'apparaît pas dans la littérature technique de l'Incoloy 800.

Special Metals indique clairement que l'Inconel 600 "est le matériau standard pour les conteneurs de nitruration en raison de sa résistance à l'azote à haute température". Les fours de nitruration utilisent des atmosphères de dissociation d'ammoniac- (environ 25 % d'azote, 75 % d'hydrogène) pour diffuser l'azote dans les surfaces des pièces en acier, et tout accessoire de four exposé à cette atmosphère risque lui-même d'être capté par l'azote et de fragiliser. Étant donné que la propre littérature publiée sur l'Incoloy 800 ne fait pas d'affirmation équivalente en matière de résistance à la nitruration-, les accessoires et les conteneurs pour les fours de nitruration doivent spécifiquement être par défaut en Inconel 600, à moins que les données sur le terrain ne soutiennent une alternative.

Comment les deux alliages se comparent-ils en termes de résistance au fluage et à la contrainte -à la rupture ?

Les données publiées sur la résistance à la rupture-de l'Inconel 600 s'étendent clairement jusqu'à 2 000 degrés F (1 093 degrés), tandis que Special Metals est explicite que l'Incoloy 800 standard "n'est normalement pas utilisé pour les applications qui nécessitent des propriétés de rupture optimales au fluage-" - ce rôle appartient à l'Incoloy 800H et 800HT, dont la chimie restreinte et la granulométrie plus grossière ont été conçues spécifiquement pour augmenter résistance à long-terme et à haute-température.

Source : Tableau des propriétés de rupture-de Special Metals Corporation (solution-traitée à 2 050 degrés F/1 121 degrés, refroidie à l'air-), bulletin technique de l'alliage INCONEL 600 SMC-027.

Pour les appareils de four soumis à une charge soutenue à haute température, - supports de moufle, rouleaux -rouleaux de sole ou suspensions de tubes radiants - - fluage -la résistance à la rupture, et non la résistance à la traction, est généralement la propriété de conception déterminante. L'Incoloy 800 standard ne prend en charge que des contraintes de conception jusqu'à environ 1 500 degrés F selon le code ASME des chaudières et des appareils à pression, tandis que la teneur en carbone contrôlée de 0,05-0,10 % (ou 0,06-0,10 %) de l'Incoloy 800H et 800HT et la granulométrie ASTM 5-ou-plus grossière ont été spécifiquement approuvées par le comité du code ASME pour les contraintes de conception plus élevées à 1 100-1 500 degrés F (593-816 degrés) et au-delà, suite à l'analyse de 87 températures et 1 052 points de données par le Metals Property Council. Lorsque le service de charge soutenu à haute température est la priorité, la comparaison de l'Inconel 600 avec le 800H ou le 800HT spécifiquement - et non avec l'Incoloy de base 800 - est la comparaison techniquement correcte.

Comment les deux alliages se comparent-ils en termes de résistance aux contraintes de chlorure -à la fissuration par corrosion ?

La teneur minimale de 72 % en nickel de l'Inconel 600 le rend pratiquement insensible à la fissuration par corrosion sous contrainte d'ion chlorure--, tandis que la teneur inférieure en nickel de 30-35 % de l'Incoloy 800 peut permettre la fissuration dans des conditions de laboratoire sévères - bien que la résistance de l'Incoloy 800 soit encore suffisamment élevée pour qu'il soit couramment utilisé pour remplacer les matériaux qui ont déjà échoué en service à cause de ce mode de défaillance précis.

Cela est important pour les équipements de four qui sont exposés de manière intermittente à une contamination par les chlorures -, aux résidus de trempe, aux atmosphères marines ou industrielles ou aux produits chimiques de nettoyage - en plus d'un service à haute-température. La règle métallurgique générale, confirmée dans la propre littérature de Special Metals, est que la tendance des alliages austénitiques à se fissurer dans les solutions de chlorure diminue à mesure que la teneur en nickel augmente. L'Inconel 600, avec 72 % minimum de nickel, se situe à une extrémité de ce spectre ; L'Incoloy 800, avec environ la moitié de la teneur en nickel, se trouve plus loin, mais sa résistance dépasse toujours largement celle des luminaires en acier inoxydable austénitique standard de la série 300 qu'il remplace couramment.

Les deux alliages sont-ils sujets à la sensibilisation pendant le cycle thermique du four ?

Oui - les deux alliages partagent la même vulnérabilité fondamentale : les carbures de chrome précipitent aux joints de grains dans à peu près la même plage de 1 000 à 1 400 degrés F (540 à 760 degrés) pour l'Inconel 600 et l'Incoloy 800, et les accessoires de four qui chauffent de manière répétée à travers cette bande à chaque cycle sont exposés au même risque de sensibilisation, quel que soit l'alliage choisi.

La littérature technique de Special Metals pour les deux alliages décrit essentiellement le même mécanisme : les nitrures et carbures de titane (ou, dans le cas du 600, les cyanonitrures) se forment indépendamment du traitement thermique, tandis que les carbures de chrome précipitent spécifiquement entre 1 000 et 1 800 degrés F (540 à 980 degrés) pour l'Inconel 600, et entre 1 000 et 2 000 degrés F. (540-1 095 degrés) pour l'Incoloy 800, avec la bande de sensibilisation la plus agressive pour les deux alliages se situant entre 1 000 et 1 400 degrés F (540-760 degrés).

Special Metals publie même des diagrammes de sensibilisation temps-température-pour l'Incoloy 800 basés sur le test de Huey (ébullition de 65 % d'acide nitrique) spécifiquement pour quantifier ce risque. En pratique, la sensibilisation est décrite par Special Metals comme « pas de problème dans la plupart des applications à haute -température » ​​pour l'un ou l'autre alliage -, cela importe principalement si le luminaire sera ensuite décapé ou exposé à un environnement aqueux agressif alors qu'il est encore dans l'état sensibilisé, ce qui est rare pour les luminaires qui restent en service dans le four.

Comment les alliages se comparent-ils en termes de stratégie de coût et de sélection des matériaux ?

L'Incoloy 800 existe spécifiquement parce que la teneur élevée en nickel de l'Inconel 600 le rendait cher et, dans les années 1950, stratégiquement contraint -La chimie à base de fer de l'Incoloy 800-était un compromis d'ingénierie délibéré-pour offrir une résistance adéquate à la chaleur et à la corrosion à une fraction de la teneur en nickel, et cette logique de coût régit encore aujourd'hui le choix entre ces deux familles d'alliages.

Ce n’est pas un récit marketing ; c'est l'origine documentée de l'alliage. L'histoire de l'alliage de Special Metals indique que l'Incoloy 800 "a été introduit sur le marché dans les années 1950 pour répondre au besoin d'un alliage résistant à la chaleur- et à la corrosion-avec une teneur en nickel relativement faible puisque le nickel était, à l'époque, désigné comme un métal "stratégique".

Pour les équipements de four où les accessoires les plus grands et les plus lourds (rouleaux de sole, grands moufles, faisceaux de tubes radiants) dominent le coût des matériaux, la spécification de l'Incoloy 800 ou 800H/800HT partout où son plafond de température de service plus bas et sa résistance à la rupture légèrement inférieure sont acceptables peuvent réduire considérablement le coût total des appareils par rapport à une conception entièrement en Inconel 600, tandis que en réservant 600 spécifiquement pour les composants les plus élevés-températures, les plus exposés à la carburation ou à la nitruration dans le même four.

Comment les alliages se comparent-ils en matière de fabrication et de soudage pour la fabrication de luminaires de four ?

Les deux alliages sont facilement formés à chaud- et à froid-, partagent un taux d'écrouissage presque identique - et peuvent tous deux être soudés avec du métal d'apport INCONEL 82 -, un chevauchement véritablement pratique pour les ateliers fabriquant des accessoires de four en alliages mixtes -, puisqu'un seul métal d'apport peut joindre les deux alliages de base ou un joint métallique - différent entre eux.

Source : bulletins techniques de Special Metals Corporation SMC-027 (alliage INCONEL 600) et SMC-046 (alliage INCOLOY 800).

Quelles normes régissent l'Inconel 600 et l'Incoloy 800 pour la fabrication de composants de fours ?

Les deux alliages sont approuvés en vertu du code ASME sur les chaudières et les appareils à pression avec des cas de code dédiés - Inconel 600 sous le cas de code 1827 et Incoloy 800/800H/800HT sous le cas de code 1325 - avec des spécifications de forme de produit parallèles mais distinctes-pour chaque famille d'alliages.

Source : Tableaux « Produits et spécifications disponibles » de Special Metals Corporation, bulletins techniques de l'alliage INCONEL 600 et de l'alliage INCOLOY 800.

Quel alliage devez-vous spécifier pour les composants du four de traitement thermique ?

Spécifiez l'Inconel 600 pour l'exposition à la carburation et à la nitruration la plus sévère, les températures de four les plus élevées ou tout composant pour lequel la fissuration par corrosion sous contrainte de chlorure-est un risque réaliste ; spécifiez Incoloy 800 (ou 800H/800HT pour une -température plus élevée, une charge-de charge) où les températures du four restent proches ou inférieures à environ 1 500-1 800 degrés F et où le coût des matériaux inférieur est une priorité.

• Choisissez l'Inconel 600 pour :Conteneurs et accessoires de four de nitruration, où 600 est le matériau standard nommé.
• Choisissez l'Inconel 600 pour :Atmosphères fortement cémentées (gaz endothermiques, fours de cémentation-) où la minimisation du captage de carbone prolonge la durée de vie des luminaires.
• Choisissez l'Inconel 600 pour :Service continu au-dessus d'environ 1 800-2 000 degrés F, au bord supérieur ou au-delà de la plage pratique de l'Incoloy 800H/800HT.
• Choisissez l'Inconel 600 pour :Composants présentant une exposition réaliste à une contamination par les chlorures en plus d'une chaleur élevée.
• Choisissez Incoloy 800 / 800H / 800HT pour :Appareils volumineux et lourds - moufles, rouleaux-rouleaux de foyer, supports de tubes radiants - où le coût des matériaux évolue en fonction du tonnage et où la température de service reste dans l'enveloppe des 800 familles.
• Choisissez Incoloy 800 / 800H / 800HT pour :Un service porteur soutenu-au-dessus de 1 500 degrés F, là où les contraintes de conception plus élevées reconnues par l'ASME 800H ou 800HT-sont suffisantes pour l'application.
• Choisissez Incoloy 800 / 800H / 800HT pour :Applications dans lesquelles la fissuration par corrosion-conduite par les chlorures-est un risque faible mais non-nul, et la teneur en nickel encore-importante de l'Incoloy 800 offre une marge adéquate par rapport aux alternatives en acier inoxydable.

Dans les conceptions de fours à alliages mixtes-, les deux alliages s'associent naturellement : Inconel 600 pour les accessoires et conteneurs exposés à l'atmosphère la plus sévère ou à la température locale la plus élevée, et Incoloy 800/800H/800HT pour les accessoires structurels plus grands où sa plus faible teneur en nickel réduit le coût total des matériaux sans compromettre la durée de vie globale du four.

Foire aux questions

Q : Quelle est la principale différence entre l'Inconel 600 et l'Incoloy 800 ?

A: L'Inconel 600 (UNS N06600) est un alliage à base de nickel-avec 72 % de nickel minimum, tandis que l'Incoloy 800 (UNS N08800) est à base de fer-avec seulement 30-35 % de nickel. Cette différence de composition confère à l'Inconel 600 une meilleure résistance à la carburation et à la nitruration et un plafond de température de service - plus élevé, tandis que l'Incoloy 800 offre un coût de matériau nettement inférieur -, un compromis qui remonte directement à l'objectif de conception de l'Incoloy 800 dans les années 1950 consistant à conserver le nickel.

Q : Quel alliage résiste le mieux à la carburation dans les atmosphères de four ?

A: Inconel 600. Le propre test de carburation de 100 heures de Special Metals dans une atmosphère d'hydrogène/2 % de méthane montre que l'Inconel 600 gagne environ la moitié du poids (2,66 à 12,30 mg/cm2) que l'Incoloy 800HT gagne (4,94 à 21,58 mg/cm2) sous la même exposition.

Q : L'Incoloy 800 peut-il être utilisé aux mêmes températures que l'Inconel 600 ?

A: Pas tout à fait. L'Inconel 600 est utilisé en continu jusqu'à 2 000 degrés F (1 093 degrés), tandis que l'Incoloy 800 standard est généralement limité à environ 1 500 degrés F (816 degrés) pour une conception basée sur la résistance. Pour les fours à température plus élevée-, les variantes 800H et 800HT - avec une teneur en carbone contrôlée et une granulométrie plus grossière - étendent la plage de température pratique de l'Incoloy 800 et comblent une grande partie de l'écart.

Q : L'Inconel 600 ou l'Incoloy 800 sont-ils meilleurs pour les accessoires des fours de nitruration ?

A: Inconel 600. Special Metals le désigne explicitement comme matériau standard pour les conteneurs de nitruration en raison de sa résistance à l'absorption d'azote à haute température ; La propre littérature publiée sur l'Incoloy 800 ne fait pas une affirmation équivalente.

Q : Pourquoi l'Incoloy 800 a-t-il une si faible teneur en nickel par rapport à l'Inconel 600 ?

A: L'Incoloy 800 a été introduit dans les années 1950 spécifiquement pour réduire la dépendance au nickel, qui était alors classé comme métal stratégique en quantité limitée. Sa chimie à base de fer-(30-35 % de nickel contre 72 % minimum pour l'Inconel 600) était un compromis d'ingénierie délibéré axé sur les coûts et l'offre-, et non un objectif de performance en soi.

Q : L'Inconel 600 et l'Incoloy 800 sont-ils tous deux résistants à la fissuration par corrosion sous contrainte de chlorure ?

A: L'Inconel 600 est considéré comme pratiquement insensible en raison de sa teneur élevée en nickel. L'Incoloy 800 peut se fissurer dans des conditions de laboratoire sévères en raison de sa faible teneur en nickel, mais sa résistance est encore suffisamment élevée pour qu'il soit couramment utilisé pour remplacer des matériaux qui ont déjà échoué en service à cause de ce mécanisme précis.

Q : L'Inconel 600 et l'Incoloy 800 utilisent-ils le même métal d'apport pour le soudage ?

A: Pour GTAW et GMAW, oui - les deux alliages sont généralement assemblés avec du métal d'apport INCONEL 82. Pour le soudage à l'arc en métal blindé-, l'Inconel 600 utilise généralement l'électrode de soudage INCONEL 182, tandis que l'Incoloy 800 utilise l'électrode INCO-WELD A.