Prečo je hĺbka povrchovej oduhličovacej vrstvy na 316 plášťoch ohrievačov z nehrdzavejúcej ocele z riadeného žíhania pri vysokej-tete, životnosť pri tečení

Zóna vyčerpania uhlíka ako chyba obmedzujúca pevnosť v tenkostennej trubici-

Pri rozpúšťacom žíhaní 316 elektrických ohrievacích rúrok obalených z nehrdzavejúcej ocele, ktoré sa zvyčajne vykonáva v peci s riadeným prostredím, pri teplote 1040-1100 stupňov, môže kontakt horúceho kovového povrchu s atmosférou pece spôsobiť vytvorenie dekarbonizačnej vrstvy. Táto vrstva je hlboká 10 až 150 µm a obsahuje nižšiu koncentráciu uhlíka ako základný kov (zvyčajne menej ako 0,02 % C v porovnaní s nominálnymi 0,03-0,08 % C). Dekarbonizácia je dobre -známy problém v hrubých{17}}častiach, ale jej účinok je neúmerne závažný v tenkostenných plášťoch ohrievačov (hrúbka steny 1,0 – 2,0 mm). Dekarbonizovaná vrstva má nižšiu creepovú pevnosť pri vysokej teplote (nad 550 stupňov) a stáva sa preferovaným miestom pre tvorbu a následné pretrhnutie creepových dutín. Hĺbka oduhličenia je priamym určujúcim faktorom zostávajúcej životnosti pri tečení pre ohrievače používané vo vysokoteplotnom vzduchu alebo plyne s teplotami plášťa nad 600 stupňov. Tento článok hodnotí súvislosť medzi hĺbkou oduhličenia, hrúbkou steny a znížením životnosti pri dotvarovaní a poskytuje špecifikačné limity pre žíhanie v riadenej atmosfére.

Dekarbonizačný mechanizmus v procese rozpúšťacieho žíhania

Hlavným účelom rozpúšťacieho žíhania nehrdzavejúcej ocele 316 je rozpustenie všetkých karbidov chrómu zozbieraných počas predchádzajúceho spracovania a rekryštalizácia štruktúry zŕn. To zahŕňa zahrievanie na 1040-1100 stupňov na dostatočne dlhú dobu (často 5-30 minút v závislosti od hrúbky rezu). Pri takýchto teplotách je uhlík v austenitickej mriežke vysoko mobilný (koeficient difúzie rádovo 10-10 m2/s). Ak prostredie pece obsahuje kyslík, vodnú paru alebo oxid uhličitý, tieto oxidujúce látky budú reagovať s uhlíkom na kovovom povrchu za vzniku oxidu uhoľnatého alebo oxidu uhličitého, ktorý opustí povrch. Koncentračný gradient uhlíka spôsobuje difúziu uhlíka zvnútra na povrch a proces oduhličenia pokračuje. V plne oxidačnej atmosfére (vzduchu) môže hĺbka oduhličenia dosiahnuť 100-200 µm po 20 minútach pri 1050 stupňoch. Dekarbonizácia je minimalizovaná, ale nie je eradikovaná vo vodíkovej atmosfére (typické pre lesklé žíhanie), pretože malé množstvá vlhkosti alebo kyslíka budú stále reagovať. Oduhličenie v inertnom prostredí ako je argón alebo dusík (za predpokladu vysokej čistoty plynu, tj obsah kyslíka < 10 ppm) je minimálne. Hĺbka oduhličenia je dôležitá pre plášte ohrievačov kvôli tenkej stene rúrky. 100 um oduhličená vrstva 1,5 mm steny by mala 6,7 ​​% hrúbky, ale pokles pevnosti pri tečení je podstatne väčší ako zodpovedajúca hrúbka v dôsledku skutočnosti, že dekarbonizovaná zóna má menej uhlíka dostupného na precipitačné spevnenie. Následná životnosť pri pretrhnutí pri tečení pri 650 stupňoch sa môže znížiť o 50-80 % v porovnaní s úplne nauhličeným alebo nauhličeným neutrálnym plášťom.

Kvantitatívny vplyv hĺbky oduhličenia na vlastnosti pri tečení

Skúšky tečenia nehrdzavejúcej ocele 316 pri 650 stupňoch a 700 stupňoch s kontrolovaným povrchovým obsahom uhlíka ukázali vysokú súvislosť medzi dekarbonizovanou hĺbkou a časom do pretrhnutia pri danom namáhaní. Pri zaťaženom obvodovom napätí 50 MPa (vnútorný tlak v dôsledku tepelnej rozťažnosti v obmedzených ohrievačoch) je životnosť rúrky s hrúbkou steny 1,5 mm a vyrobenej z úplne nauhličeného materiálu (celkovo 0,06 % C) približne 10 000-15 000 h pri 650 stupňoch . Ak sa na vnútornom a vonkajšom povrchu nachádza oduhličená vrstva s hrúbkou 50 µm (karbid znížený na 0,01-0,02 %) (celkovo ovplyvnených 100 µm), životnosť pri pretrhnutí sa zníži na 5 000 – 8 000 hodín – zníženie o 40 – 50 %. Keď dekarbonizovaná vrstva dosiahne 100 µm každého povrchu (200 µm celkovo, 13 % hrúbky steny), životnosť pri pretrhnutí sa zníži na 2 000-4 000 h. K dramatickému zníženiu dochádza preto, že creepové dutiny sa nukleujú prednostne v oduhličovanej vrstve bez drobných zrazenín karbidu, ktoré vytvárajú okraje zŕn a bránia posúvaniu hraníc zŕn. Keď dosiahnu kritickú veľkosť, zlúčia sa do trhliny, ktorá sa šíri v zostávajúcej stene, čo vedie k predčasnému prasknutiu, hoci väčšina hrúbky steny má stále dostatok uhlíka. Vzťah medzi hĺbkou oduhličenia, hrúbkou steny a zvyškovou životnosťou pri tečení pre typickú prevádzku ohrievača 316 pri extrémnych teplotách je uvedený v tabuľke nižšie.

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

Najlepšou technikou, ako sa vyhnúť škodlivému oduhličeniu, je rozpúšťacie žíhanie v kontrolovanej atmosfére, buď mierne nauhličovanie (potenciál uhlíka sa rovná obsahu uhlíka v oceli alebo mierne prevyšuje jeho obsah) alebo úplne inertné s pohlcovaním kyslíka. Jasné žíhacie pece využívajúce disociovaný amoniak (75 % H2, 25 % N2) alebo čistý vodík poskytujú silne redukčné podmienky a chránia povrch pred oxidáciou a oduhličením. Ale aj vodíkové atmosféry môžu spôsobiť oduhličenie, ak je rosný bod dostatočne vysoký (nad -40 stupňov), pretože vodná para reaguje s uhlíkom. V prípade kritických aplikácií ohrievača špecifikácia, že žíhanie sa musí vykonávať v suchom vodíku (rosný bod < -50 stupňov) alebo vo vákuu (tlak pod 10⁻³ torr), zaručuje, že hĺbka oduhličenia sa udrží pod 10 µm. Pre výrobcov vzduchových pecí (najrozšírenejší typ lacnejšieho ohrievača) je hĺbka oduhličenia bežne 100-200 µm, čo znamená, že plášť nie je prijateľný pre žiadnu prevádzku nad 550 stupňov. Kupujúci by mali požiadať o dôkaz o type žíhacieho prostredia a rosnom bode a požiadať o deštruktívnu metalografickú analýzu vzorky z každej výrobnej šarže na meranie hĺbky oduhličenia podľa ASTM E1077.

Pole dôkaz zlyhania tečenia v dôsledku oduhličenia

V prípade zlyhaných vysokoteplotných prevádzkových ohrievačov je možné oduhličenie overiť metalografiou prierezu- v mieste poruchy. Pri skúmaní optickou mikroskopiou po leptaní glycerégiou alebo elektrolytickou kyselinou šťaveľovou sa dekarbonizovaná zóna javí ako bezfarebná biela vrstva na povrchu, bez karbidových precipitátov, ktoré existujú v mikroštruktúre jadra. Testovanie mikrotvrdosti odhalilo, že dekarbonizovaná zóna je mäkšia. Tvrdosť podľa Vickersa 120-140 HV v dekarbonizovanej zóne a tvrdosť podľa Vickersa 160-200 HV v neovplyvnenom jadre. Lomový povrch oduhličovacieho-poruchy vyvolaného tečením odhaľuje medzikryštalické praskanie s malou plastickou deformáciou, tj zdá sa krehký, kým je materiál ťažný pri testovaní ťahom pri izbovej teplote. Trhliny zvyčajne začínajú na vonkajšom povrchu (kde sú sily tečenia spôsobené tepelnou rozťažnosťou najväčšie) a šíria sa vo vnútri. Jednoduchým testom pre diagnostiku v teréne je obrúsiť malú plôšku na chybnom plášti, potom leštiť a leptať 10 % roztokom kyseliny šťaveľovej pri 6 V DC počas 60 sekúnd. Ak je na povrchu viditeľný jasný pás, došlo k oduhličeniu. Pravidelné merania priemeru plášťa je možné použiť na monitorovanie prevádzkových ohrievačov z hľadiska napučiavania – zvýšenie priemeru o 2 – 3 % indikuje pokročilé poškodenie pri tečení a ohrievač by sa mal vymeniť bez ohľadu na zostávajúci čas.

Stratégie zmierňovania, keď je dekarbonizácia nevyhnutná

Pre prípady výroby, kde sa nepoužíva žíhanie v riadenom prostredí, existujú tri prístupy na zníženie škodlivého účinku oduhličenia na životnosť pri tečení. Prvým je špecifikovať hrubšiu stenu rúrky, napr. . 2.5 mm stena namiesto 1,5 mm, aby oduhličené puzdro predstavovalo menšiu časť hrúbky steny. Napríklad 100 μm oduhličenej vrstvy na 2,5 mm stene predstavuje 4 % hrúbky, čo je 30 μm na 1,5 mm stene, čo je prijateľná úroveň. Druhou možnosťou je vykonať operáciu odstraňovania povrchu po{11}}žíhaní, ako je bezhroté brúsenie alebo elektrolytické leštenie, ktoré odstráni 50-100 µm materiálu z vonkajšieho povrchu, čím sa úplne odstráni oduhličená zóna. To zvyšuje náklady, ale obnovuje vlastnosti tečenia. Treťou metódou je uvoľnenie špecifikácie maximálnej prevádzkovej teploty. Rýchlosti tečenia sú exponenciálne závislé od teploty, takže ohrievač so 100 µm oduhličenou vrstvou, ktorá sa pretrhne za 3 000 hodín pri 650 stupňoch, môže vydržať 15 000 hodín pri 580 stupňoch. Pri aplikáciách, kde nie je možné znížiť prevádzkovú teplotu, je najrobustnejšou alternatívou prechod na zliatinu s vyššou-pevnosťou pri tečení, ako je nehrdzavejúca oceľ 310 alebo Inconel 600, pričom obe majú odlišné správanie pri oduhličení.

Závery: Špecifikácia riadenia atmosféry žíhania pre vysokoteplotnú prevádzku

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 na povrch, životnosť pri tečení pri 650 stupňoch je znížená o viac ako polovicu, čo by skrátilo životnosť ohrievača z 10 000 hodín na menej ako 4 000 hodín. Inžinieri, ktorí špecifikujú ohrievače pre vysokoteplotné aplikácie, si musia vyžiadať potvrdenie žíhacej atmosféry (výhodne suchý vodík alebo vákuum), maximálnu hĺbku oduhličenia 25 µm overenú metalografiou a pre kritické služby certifikáciu vylepšenej skúšky tečenia pri teplote. Navrhovaná architektúra spája hĺbku oduhličenia s dostupným znížením životnosti pri tečení, takže kupujúci môžu špecifikovať 316 zapuzdrených ohrievačov, ktoré predčasne nezlyhajú vďaka mechanizmu odstraňovania povrchového uhlíka, ktorému sa dá úplne predísť, ale udržia si svoju pevnosť pri vysokej teplote.