Zašto dubina sloja za dekarbonizaciju površine na omotaču grijača od nehrđajućeg čelika od 316 od žarenja u otopini kontrolira visoku-temperaturu puzanja, vijek trajanja

Zona iscrpljivanja ugljenika kao defekt koji ograničava čvrstoću u cijevi sa tankim{0}}stinama

U otopini žarenja električnih grijaćih cijevi umotanih od nehrđajućeg čelika 316, koje se obično izvodi u peći s kontroliranim okruženjem, na temperaturi od 1040-1100 stupnjeva, kontakt površine vrućeg metala sa atmosferom peći može uzrokovati stvaranje sloja dekarbonizacije. Ovaj sloj je dubok između 10 i 150 µm i sadrži nižu koncentraciju ugljika od osnovnog metala (obično manje od 0,02 % C za razliku od nominalnih 0,03-0,08 % C). Dekarbonizacija je dobro-poznat problem u komponentama debelog-odjeljka, ali je njegov efekat nesrazmjerno ozbiljan u omotaču grijača s tankim stijenkama (1,0-2,0 mm debljine zida). Deugljenični sloj ima manju snagu puzanja na visokoj temperaturi (preko 550 stepeni) i postaje preferencijalno mjesto za stvaranje i naknadno pucanje puzajućih šupljina. Dubina dekarbonizacije je direktna determinanta preostalog veka trajanja puzanja za grejače koji se koriste u visokotemperaturnom vazduhu ili gasu sa temperaturama omotača iznad 600 stepeni. Ovaj članak procjenjuje vezu između dubine dekarbonizacije, frakcije debljine stijenke i smanjenja vijeka puzanja i daje ograničenja specifikacije za žarenje u kontroliranoj atmosferi.

Mehanizam dekarbonizacije u procesu žarenja rastvora

Glavna svrha žarenja otopinom nehrđajućeg čelika 316 je otapanje svih hrom karbida prikupljenih tokom prethodne obrade i rekristalizacija strukture zrna. To uključuje zagrevanje na 1040-1100 stepeni tokom dovoljnog vremenskog perioda (često 5-30 minuta u zavisnosti od debljine preseka). Na takvim temperaturama ugljenik je vrlo pokretljiv u austenitnoj rešetki (koeficijent difuzije reda 10-10 m2/s). Ako okolina peći sadrži kisik, vodenu paru ili ugljični dioksid, ove oksidirajuće vrste će reagirati s ugljikom na površini metala i stvoriti ugljični monoksid ili ugljični dioksid koji će napustiti površinu. Gradijent koncentracije ugljika uzrokuje difuziju ugljika iznutra prema površini i proces dekarbonizacije se nastavlja. U potpuno oksidirajućoj atmosferi (vazduh) dubina dekarbonizacije može dostići 100-200 µm nakon 20 minuta na 1050 stepeni. Dekarbonizacija je svedena na minimum, ali ne iskorijenjena u vodikovoj atmosferi (tipično za žarenje žarenja) jer će male količine vlage ili kisika i dalje reagirati. Dekarbonizacija u inertnoj sredini kao što je argon ili azot (pod pretpostavkom da je gas visoke čistoće, tj. sadržaj kiseonika < 10 ppm) je minimalna. Dubina dekarbonizacije je važna za omote grijača zbog tanke stijenke cijevi. 100 µm razugljičeni sloj zida od 1,5 mm bio bi 6,7 % debljine, ali pad čvrstoće puzanja je znatno veći od odgovarajuće debljine zbog činjenice da razugljičena zona ima manje ugljika dostupnog za ojačanje padavinama. Posljedični vijek trajanja puzanja na 650 stepeni može se smanjiti za 50-80% u poređenju sa potpuno naugljeničnim ili karburiziranim neutralnim omotačem.

Kvantitativni utjecaj dubine dekarbonizacije na svojstva pucanja pri puzanju

Ispitivanje puzanja nerđajućeg čelika 316 na 650 stepeni i 700 stepeni sa kontrolisanim površinskim sadržajem ugljenika pokazalo je visoku vezu između dubine razugljičenja i vremena do pucanja pri datom naprezanju. Za nametnuto naprezanje obruča od 50 MPa (unutarnji pritisak zbog termičke ekspanzije u ograničenim grijačima), vijek lomljenja cijevi debljine zida od 1,5 mm i napravljene od potpuno ugljenisanog materijala (0,06 % C u cijelosti) je oko 10.000-15.000 stepeni h na 65. Ako na unutrašnjoj i vanjskoj površini postoji razugljičeni sloj od 50 µm (karbid smanjen na 0,01-0,02 %) (zahvaćeno ukupno 100 µm), vijek trajanja rupture se smanjuje na 5.000-8.000 sati - smanjenje od 40-50%. Kada razugljenični sloj dostigne 100 µm po površini (200 µm ukupno, 13 % debljine zida), vijek trajanja rupture se smanjuje na 2 000-4 000 h. Do dramatičnog smanjenja dolazi zbog toga što puzajuće šupljine nastaju poželjno u dekarboziranom sloju bez sićušnih taloga karbida da zakače granice zrna i ometaju klizanje granica zrna. Kada dosegnu kritičnu veličinu, spajaju se u pukotinu koja se širi u preostalom zidu, što dovodi do preranog pucanja iako najveći dio debljine zida još uvijek ima dovoljno ugljika. Veza između dubine razugljičenja, frakcije debljine stijenke i preostalog vijeka trajanja puzanja za tipičan rad grijača 316 na ekstremnim temperaturama prikazana je u donjoj tabeli.

Maximum Decarburisation Depth per Surface (µm) Wall Thickness (mm) Decarburized Fraction of Wall (%) Creep Rupture Life at 650 °C, 50 MPa (hours, relative to fully carburized) Recommended Maximum Service Temperature (°C) for 10,000-hour Life 0-10 None detectable 1.5 0-1.3 100 % (10,000-15,000) 650 10-25 1.5 1.3-3.3 80-95 % (8,000-12,000) 645 25-50 1.5 3.3-6.7 60-80 % (6,000-10,000) 635 50-75 1.5 6.7-10.0 45-60 % (4,500-7,500) 625 75-100 1.5 10.0-13.3 30-45 % (3,000-5,500) 610 100-150 1.5 13.3-20.0 15-30 % (1,500-3,500) 590 >150 1.5 >20.0 <15 % (<1,500) Not recommended above 550 Atmosphere Control During Annealing As The Primary Preventive Measure

Najbolja tehnika da se izbjegne štetna dekarbonizacija je žarenje otopinom u kontroliranoj atmosferi, ili blago naugljičenje (potencijal ugljika jednak ili neznatno veći od sadržaja ugljika u čeliku) ili potpuno inertan sa uklanjanjem kisika. Svijetle peći za žarenje koje koriste disocirani amonijak (75 % H2, 25 % N2) ili čisti vodonik osiguravaju jake redukcijske uvjete i štite površinu od oksidacije i dekarbonizacije. Ali čak i atmosfere vodika mogu proizvesti dekarbonizaciju ako je tačka rose dovoljno visoka (iznad -40 stepeni), jer vodena para reaguje sa ugljenikom. U slučaju kritičnih primjena grijača, specifikacija da žarenje mora biti izvedeno u suhom vodiku (tačka rosišta < -50 stepeni) ili u vakuumu (pritisak ispod 10⁻³ torr) garantuje da će dubina razugljičenja biti ispod 10 µm. Za proizvođače vazdušnih peći (najčešća vrsta jeftinijeg grejača), dubina razugljičenja je normalno 100-200 µm, što znači da plašt nije prihvatljiv za bilo koju uslugu iznad 550 stepeni. Kupci bi trebali zatražiti dokaz o vrsti žarenja i tački rose, te zatražiti destruktivnu metalografsku analizu uzorka iz svake proizvodne serije kako bi se izmjerila dubina dekarbonizacije prema ASTM E1077.

Dokaz na terenu o kvaru puzanja zbog dekarbonizacije

Za neispravne visoko{0}}uslužne grijače, dekarbonizacija se može provjeriti metalografijom poprečnog-osjeka na mjestu kvara. Kada se pregleda optičkom mikroskopijom nakon jetkanja gliceregijom ili elektrolitičkom oksalnom kiselinom, razugljičena zona se pojavljuje kao bijeli sloj bez osobina na površini, bez taloga karbida koji postoje u mikrostrukturi jezgra. Ispitivanje mikrotvrdoće je pokazalo da je zona bez ugljenika mekša. Tvrdoća po Vickersu od 120-140 HV u zoni bez ugljenika i tvrdoća po Vickersu od 160-200 HV u jezgri koja nije pogođena. Površina loma kod puzanja izazvanog dekarbonizacijom-otkriva međugranularne pukotine sa malo plastične deformacije, tj. izgleda krhko dok je materijal duktilan u ispitivanju zatezanja na sobnoj temperaturi. Pukotine obično počinju na vanjskoj površini (gdje su sile puzanja zbog toplinskog širenja najveće) i šire se unutra. Jednostavan test za terensku dijagnostiku je brušenje male površine na oštećenom omotaču, zatim poliranje i nagrizanje 10% otopinom oksalne kiseline na 6 V DC u trajanju od 60 sekundi. Ako se na površini vidi svijetla traka, tada je bila prisutna dekarbonizacija. Periodična mjerenja prečnika omotača mogu se koristiti za praćenje bubrenja u radu grijača - povećanje od 2-3 % u prečniku ukazuje na napredno oštećenje puzanja i grijač treba zamijeniti bez obzira na preostalo vrijeme.

Strategije ublažavanja kada je dekarbonizacija neizbježna

Za slučajeve proizvodnje u kojima se ne koristi žarenje u kontrolisanoj sredini, postoje tri pristupa za smanjenje štetnog efekta dekarbonizacije na životni vek puzanja. Prvi je da navedete težu zidnu cijev, npr. . 2.5 mm zid umjesto 1,5 mm, tako da je dekarbonizirano kućište manji dio debljine zida. Na primjer, 100 µm razugljičenog sloja na zidu od 2,5 mm je 4 % debljine, što je 30 µm na zidu od 1,5 mm, prihvatljiv nivo. Druga opcija je da se izvrši operacija uklanjanja površine nakon{11}}žarenja, kao što je brušenje bez centra ili elektropoliranje kojim se uklanja 50-100 µm materijala sa vanjske površine, čime se potpuno uklanja razugljenična zona. Ovo povećava troškove, ali vraća svojstva puzanja. Treća metoda je ublažavanje specifikacije maksimalne radne temperature. Stope puzanja eksponencijalno zavise od temperature, tako da grijač sa 100 µm razugljičenog sloja koji će puknuti za 3.000 sati na 650 stepeni može trajati 15.000 sati na 580 stepeni. Za primjene u kojima se radna temperatura ne može sniziti, najrobusnija alternativa je prelazak na legure veće-puzajuće čvrstoće kao što je nehrđajući čelik 310 ili Inconel 600, od kojih oba imaju različita svojstva dekarbonizacije.

Zaključci: Specifikacija kontrole atmosfere žarenja za visokotemperaturnu uslugu

The depth of surface decarburisation during solution annealing is a significant quality criterion for 316 stainless steel encased heaters for continuous service above 550 °C in air or gas environments, and directly influences the remaining creep rupture life. For decarburisation depths >50 µm po površini, vijek puzanja na 650 stupnjeva je smanjen za više od pola, što bi smanjilo vijek trajanja grijača sa 10.000 sati na manje od 4.000 sati. Inženjeri koji specificiraju grijače za primjenu na visokim temperaturama moraju zahtijevati potvrdu atmosfere žarenja (poželjno suvi vodonik ili vakuum), maksimalnu dubinu razugljičenja od 25 µm potvrđenu metalografijom, a za kritične usluge sertifikaciju poboljšanog testa puzanja temperature. Predložena arhitektura povezuje dubinu dekarbonizacije sa dostupnim smanjenjem vijeka trajanja puzanja, tako da kupci mogu specificirati 316 grijača u kućištu koji neće prerano otkazati zbog mehanizma uklanjanja ugljika s površine koji se može u potpunosti spriječiti, ali će zadržati svoju čvrstoću na visokim temperaturama.