Kako volumski delež izločanja Z-faze (CrVN) v cevi grelnega plašča 347 po 50.000 urah pri 600 stopinjah nadzoruje zmanjšanje dolgotrajne-trdnosti proti lezenju

Kompleksna nitridna faza in njena degradacija lastnosti lezenja

Izločanje Z-faze (CrVN, kompleksen kromov vanadijev nitrid) se lahko pojavi v primeru električnih grelnih cevi iz nerjavečega jekla 347 (stabiliziranih z Nb-), ki delujejo pri 600 stopinjah zelo dolgo (50,000+ ur), kot na primer v-industrijskih pečeh z dolgo življenjsko dobo ali pregrevalnikih elektrarn, zlasti ko vanadij je prisoten kot preostali element (običajno 0,10-0,20% V). Za razliko od NbC, ki kaže stabilno ojačitev, se Z-faza najprej izloča kot fini delci (10-30 nm), ki prispevajo k trdnosti lezenja, vendar po 20.000-30.000 urah pri 600 stopinjah Z-faza postane groba (na 100–500 nm) in tudi porablja vanadij in dušik, kar destabilizira druge utrjevalne oborine. Končni rezultat po 50.000 urah je izguba protilomne trdnosti pri lezenju za 30-50 % glede na material brez vanadija. Pod 0,05 % V je nastajanje Z-faze nepomembno in trdnost pri lezenju je stabilna. V tem delu je količinsko opredeljena korelacija med vsebnostjo preostalega vanadija in volumskim deležem Z-faze po 50.000 urah pri 600 stopinjah in izgubo pretrgalne trdnosti pri lezenju.

Mehanizem krhkosti Z-faze

Z-faza (CrVN) je tetragonalna spojina, sestavljena iz kroma, vanadija in dušika. Pada okoli 500-700 stopinj. Z-faza se zgosti z Ostwaldovim zorenjem med dolgotrajnim staranjem. Rast delcev faze Z- porabi matrični vanadij (tvori VC) in dušik (tvori Cr 2 N ali NbN). Trdnost proti lezenju se zmanjša zaradi mehčanja matrice in prisotnosti velikih, krhkih delcev Z-faze. Ta vpliv je najbolj jasno viden po 30.000-50.000 urah, ko so delci Z-faze večji od 200-300 nm.

Kvantitativne odvisnosti vsebnosti vanadija, volumskega deleža Z-faze in lezeče trdnosti

Nadzorovano dolgo{0}}trajno staranje cevi 347 (0,45 % Nb, 0,06 % C, 0,08 % N) z različnimi ostanki vanadija pri 600 stopinjah za 50.000 ur in kasnejši preskusi porušitve zaradi lezenja pri 600 stopinjah in 80 MPa so ugotovili naslednje izgube trdnosti.

Vsebnost vanadija (masni %) Z-Volumski delež faze po 50.000 urah pri 600 stopinjah (%)Z-Velikost delcev faze po 50.000 urah (nm) Trdnost proti lezenju pri 600 stopinjah, 80 MPa (h) Trdnost pri lezenju v V-prosti osnovni liniji Priporočeno za 50.000 h storitev pri 600 stopinjah<0.02 (V-free) 0 N/A 25,000-30,000 1.00x Yes
0.02-0.05 <0.05 50-80 22,000-28,000 0.90-0.95× Yes 0.05-0.10 0.05-0.10 80-150 18,000-24,000 0.80-0.90× Acceptable 0.10-0.15 0.10-0.20 150-300 14,000-18,000 0.60-0.80× Marginal 0.15-0.20 0.20-0.35 300-600 10,000-14,000 0.45-0.60× Not recommended 0.20-0.25 0.35-0.50 500-800 8,000-12,000 0.35-0.45× No >0.25 >0.50 >800 <8,000 <0.35× No 
Vpliv Nb in N na tvorbo Z-faze

Več niobija stabilizira NbN in NbCN ter zmanjša Z-fazo. Več dušika pospeši Z-fazo.

Masni % Niobija Masni % Dušik Masni % Volumski delež vanadijaZ-faze po 50000 h (%) Življenjska doba pretrganja pri lezenju (ure) Priporočeno za 50.000 ur delovanja 0.40 0.06 0.10 0.10-0.15 16,000–22.000 Sprejemljivo 0.45 0.06 0.10 0.08-0.12 18,000–24.000 Sprejemljivo 0.50 0.06 0.10 0.05-0.10 20,000–26.000 Da 0.45 0.08 0.15 0.20-0.30 12,000–18.000 Mejno 0.45 0.04 0.15 0.10-0.15 16,000–22.000 Sprejemljiva praktična priporočila za 50.000-urno storitev pri 600 stopinjah

Omejitve vanadija in niobija za 347 oplaščenih grelnikov za 50.000 ur delovanja pri 1100 F.

Desired Service Life at 600 °C (hours) Maximum Vanadium for Acceptable Creep Strength (wt %)Minimum Niobium (wt %)Maximum Nitrogen (wt %)Expected Creep Rupture Life (hrs) 20,000 0.15 0.40 0.08 15,000-20,000 30,000 0.10 0.45 0.07 18,000-25,000 40,000 0.08 0.45 0.06 20,000-28,000 50,000 0.05 0.50 0.06 22,000-30,000 >50,000 <0.02 0.50+ 0.05 25,000-35,000
Z-faza preverjanja padavin

Za kupce, ki želijo dolgoročno odpornost proti lezenju, sta na voljo dve metodi. Prvi je kemični pregled vsebnosti vanadija (z ICP ali OES) s sprejemljivostjo<0.05-0.10% for 50,000-hour service. Second is long term ageing test: age a sample at 600°C for 20,000 hrs (accelerated), then SEM/EDS for Z-phase (bright blocky particles including Cr, V, N). Acceptance: Z-phase volume fraction of 0.1-0.2%.

Zaključek: Specifikacije z nizko vsebnostjo vanadija za 50.000 ur lezenja

V grelnih plaščih iz nerjavečega jekla 347, ki delujejo pri 600 stopinjah 50.000 ur, opazimo obarjanje Z-faze (CrVN), tudi s preostalim vanadijem tako nizko kot 0,10-0,15%. Z-faza se zgosti na 150-600 nm in zmanjša odpornost proti lezenju za 20-50 % v primerjavi z materialom brez vanadija. Inženirji, ki določajo ovoje 347 za ultra dolgotrajno uporabo (30.000–50, 000+ ur), bi morali omejiti vanadij na<0.05-0.08% and niobium to >0,45-0,50 % za zaviranje razvoja Z-faze. Tukaj razvit okvir povezuje koncentracijo vanadija, volumski odstotek Z-faze in upad lezeče trdnosti pri 600 stopinjah. To ogrodje lahko stranke uporabijo za definiranje 347 kemije, ki bo obdržala trdnost lezenja za življenjsko dobo načrtovanja pol stoletja.