Prečo percento obsahu kremíka v rúrkach ohrievača z nehrdzavejúcej ocele 316 pod 0,4% znižuje odolnosť proti oxidácii pri 650 stupňoch v leteckej prevádzke

Menší legovací prvok s veľkým vplyvom na adhéziu pri vysokej teplote

Pre elektrické vykurovacie rúrky obalené nehrdzavejúcou oceľou 316 a pracujúce pri vysokej teplote (650 stupňov) vo vzduchu je obsah kremíka (normálne stanovený ako maximum 0,75 % podľa ASTM A240) dôležitým, ale často zanedbávaným faktorom odolnosti voči oxidácii. Hladiny kremíka menšie ako 0,4 % vytvárajú rýchlo sa vyvíjajúce oxidy bohaté na železo-, ktoré sa ľahko odlupujú, čím sa znižuje životnosť plášťa 3-5-krát v porovnaní s materiálom obsahujúcim 0,6 – 1,0 % kremíka. Kremík uľahčuje výrobu tenkého súvislého povlaku amorfného alebo nanokryštalického oxidu kremičitého (SiO2) na kontakte šupina-kov. Táto vrstva oxidu kremičitého funguje ako difúzna bariéra, ktorá spomaľuje vonkajšiu difúziu katiónov železa a chrómu a dnu difúziu aniónov kyslíka. Tento článok predstavuje kvantifikáciu vzťahu medzi koncentráciou kremíka, kinetikou oxidácie a správaním sa pri odlupovaní šupín pre 316 plášťov pri 650 stupňoch. Toto stanovuje rámec špecifikácií pre aplikácie vysokoteplotných ohrievačov vzduchu.

Úloha kremíka pri tvorbe subškály oxidu kremičitého

Počas vysokoteplotnej oxidácie nehrdzavejúcej ocele 316 chróm a železo difundujú smerom von a vytvárajú vonkajšiu vrstvu Cr2O3/Fe2O3 a kyslík difunduje dovnútra. Pri obsahoch kremíka nad ~ 0,4-}0,5 % kremík oxiduje prednostne v kontakte šupina-kov za vzniku tenkej (0,1-1,0 µm) súvislej vrstvy amorfného oxidu kremičitého. Tento povlak oxidu kremičitého má dve obranné vlastnosti. Po prvé, koeficient difúzie chrómu v SiO2 je asi o tri rády nižší ako koeficient v Cr2O3, čo drasticky znižuje rýchlosť oxidácie. 2. Oxid kremičitý zvyšuje mechanickú priľnavosť vonkajšieho vodného kameňa vytvorením „lepiacej“ vrstvy, ktorá absorbuje nesúlad pri tepelnej rozťažnosti. V prípade kremíka pod 0,4 % je vrstva oxidu kremičitého nespojitá alebo chýba a vonkajší povlak rýchlo stúpa priamou difúziou katiónov cez Cr2O3 . Vytvorený povlak je poréznejší, hrubší a tepelným cyklom sa ľahko odlupuje.

Vplyv obsahu Si na oxidačné správanie pri 650 stupňoch: kvantitatívny vzťah

Kontrolované testovanie cyklickej oxidácie (1-hodinové cykly pri 650 stupňoch na vzduchu, nútené ochladzovanie vzduchom na 100 stupňov medzi cyklami) na hadičkách 316 s rôznym obsahom kremíka stanovilo odlišné výkonnostné limity.

Obsah kremíka (hmot. %) Obsah chrómu (hmot. %) Nepretržitá vrstva oxidu kremičitého? Rýchlosť oxidácie (mg/cm²/h) po 500 cykloch Začiatok odlupovania (cykly k prvému viditeľnému odlupovaniu) Strata kovu po 5 000 cykloch (µm) Odporúčané pre 650 stupňovú vzduchovú prevádzku<0.2 >16 Nie (neprítomný) 0,15-0,30<100 150-300 No 0.2-0.3 16-18 No (discontinuous) 0.10-0.20 100-300 100-200 No 0.3-0.4 16-18 Partial (50-70% coverage) 0.08-0.15 200-500 80-150 Marginal 0.4-0.5 17-18 Thin, 50-80% continuous 0.05-0.10 500-1,000 50-100 Acceptable for moderate cycling
0.5-0.6 17-19 Nepretržité (0,2-0,5 µm) 0.03-0.06 1,000-2,500 30-60 Odporúča sa
0.6-0.8 17-19 Nepretržitý, stabilný (0,5 – 1,0 µm) 0.02-0.04 2, 500 – 5,000 20-40Najlepšie pre odolnosť
0.8-1.0 18-20 Continuous, thicker (1-2 µm) 0.01-0.03 5,000-10,000 10-30 Best for continuous 650°C service1.0 18-20 Continuous but may generate low melting silicides 0.01-0.02 >10,000 <20 Acceptable but monitor for hot shortness
Interakcia kremíka a molybdénu pri oxidácii

316 stainless steel has 2.0-2.5% molybdenum which enhances pitting resistance in aqueous service but has a severe effect on high temperature oxidation resistance when silicon is low. Molybdenum tends to create volatile oxides (MoO₃) above about 600°C which can break apart the chromium oxide scale. However, with sufficient molybdenum (>0,5%), kontinuálna vrstva oxidu kremičitého zabraňuje molybdénu dostať sa na vonkajší povrch a potláča prchavosť MoO{sub 3}. Prchavosť molybdénu sa zvyšuje pri hladinách kremíka pod 0,4 %, čo vedie k rýchlejšiemu narušeniu vodného kameňa a rýchlejšej oxidácii. Pre plášte 316 pre prevádzku nad 600 stupňov by mal byť obsah kremíka špecifikovaný na hornej strane rozsahu ASTM (0,6-1,0 %), aby sa kompenzoval nepriaznivý účinok molybdénu.

Definícia obsahu kremíka pre aplikácie vysokoteplotných ohrievačov

Na základe odhadovanej životnosti a frekvencie tepelných cyklov sa odporúčajú nasledujúce požiadavky na kremík pre 316 plášťových ohrievačov pracujúcich pri 650 stupňoch vo vzduchu alebo oxidačných spaľovacích plynoch:

Podmienky prevádzky Teplota plášťa (stupeň) Tepelné cykly za deň Minimálny obsah kremíka (hmot. %) Odporúčaný rozsah kremíka (hmot. %) Alternatívna zliatina, ak nie je možné uspokojiť potreby kremíka
Bežte nepretržite, občas cyklujte 600-650<1 0.50 0.60-0.80 310 stainless steel
Prerušované mierne cyklovanie 600-650 1-10 0.60 0.70-1.00 310 ss alebo Inconel 600
Frequent cycling (>10/day) 550-600 >10 0.60 0.70-1.00 Inconel 600
Nepretržitý servis 650-700<1 >0,70 (316 sa neodporúča) 0.80-1.00 310 alebo je potrebný Inconel
550-650 Akýkoľvek 0.70 0.80-1.00 Odporúča sa Inconel 600 Akýkoľvek servis, pri ktorom sa v atmosfére vyskytuje síra Overenie obsahu kremíka a oxidačného výkonu

There are three techniques for verifying acceptable silicon content for buyers who specify 316 sheaths for high temperature use. The first is the mill certificate which must report silicon analysis with an acceptable range (say 0.60-0.80%). The second is a simplified oxidation screening test, in which a sample of the tube is heated in air at 650 °C for 100 hours and then cooled to ambient temperature. The sample is weighed before and after. Weight gain < 2 mg/cm² is good silicon oxidation resistance, > 5 mg/cm² is inadequate silicon. The third way is to metallographically cross-section the oxidised sample and assess the thickness and continuity of the silica layer. The continuous silica layer >0,2 µm demonštruje, že kremík je dostatočný. Najvyššia spoľahlivosť, keď sa vyžadujú všetky tri overenia. Pre dôležité aplikácie.

Terénna diagnostika rozpadu s nízkou oxidáciou kremíka

For 316 sheaths that have failed in 600-650°C air service, suspect low silicon content if the scale is thick (>200 µm), nepriľnavý-(na dotyk sa odlupuje) a červenkastý-hnedý (Fe2O3) namiesto zeleno{5}}čierne (Cr2O3). Ak bol základný kov neadekvátny, elektrónová mikroskopia alebo EDS skúmanie-kovového rozhrania neukáže obsah kremíka alebo kremíka pod 0,2 %. Chybný plášť bude vykazovať stratu kovu 200 až 500 µm (silné zdrsnenie a stenčenie) v porovnaní s 20 až 50 µm pre materiál s vhodným kremíkom. Spôsobom poruchy je rastúce stenčenie steny odlupovaním a prípadným pozdĺžnym rozštiepením, keď zvyšná stena už neodolá vnútornému tlaku.

Záver: Kritický parameter vysokej teploty pre kremík

Odolnosť proti oxidácii ohrievačov z nehrdzavejúcej ocele 316 vo vzduchovej prevádzke pri 650 stupňoch je priamo riadená obsahom kremíka v parametri legovania. Pri obsahu kremíka pod 0,4 % je oxidácia rýchla a nechráni -a vodný kameň sa odlupuje, takže životnosť ohrievača sa skracuje z 20 000 h na 3 000 – 5 000 h. 0.6-1.0 % kremíka sa pridáva, aby sa vytvorila súvislá vrstva kremíka, ktorá spomaľuje oxidáciu o dva rády a bráni odlupovaniu. Akákoľvek aplikácia, kde teplota plášťa presahuje 550 stupňov, bude vyžadovať minimálnu koncentráciu kremíka 0,50 % a pre maximálny výkon odporúča 0,60 – 0,80 %. Pre nepretržitú prevádzku pri 650 stupňoch alebo vyšších je pri akejkoľvek prevádzke nad 700 stupňov lepšie upgradovať na nehrdzavejúcu oceľ 310 alebo Inconel 600, ako sa spoliehať na 316 dokonca aj s vysokým obsahom kremíka. Koreláciou percenta kremíka s merateľnými rýchlosťami oxidácie a iniciáciou odlupovania tu navrhovaný prístup umožňuje kupujúcim špecifikovať 316 plášťov, ktoré zachovávajú integritu ochrannej stupnice pri zvýšených teplotách.