Zakaj je globina sloja površinskega razogljičenja na grelnih plaščih iz nerjavečega jekla 316 iz nadzora žarjenja raztopine visoka-temperaturna življenjska doba lezenja

Območje osiromašenega ogljika kot napaka, ki omejuje trdnost v cevi s tankimi stenami

Pri žarjenju v raztopini 316 električnih grelnih cevi, ovitih iz nerjavečega jekla, ki se običajno izvaja v peči z nadzorovanim okoljem, pri temperaturi 1040-1100 stopinj, lahko stik vroče kovinske površine z atmosfero peči povzroči nastanek plasti za razogljičenje. Ta plast je globoka med 10 in 150 µm in vsebuje nižjo koncentracijo ogljika kot navadna kovina (običajno manj kot 0,02 % C v nasprotju z nominalnimi 0,03-0,08 % C). Razogljičenje je dobro{10}}znana težava pri-komponentah z debelim presekom, vendar je njen učinek nesorazmerno hud pri tankostenskih grelnih plaščih (1,0–2,0 mm debeline stene). Razogljičena plast ima nižjo trdnost lezenja pri visoki temperaturi (nad 550 stopinj) in postane prednostno mesto za ustvarjanje in kasnejše zlom votlin zaradi lezenja. Globina razogljičenja je neposredna determinanta preostale življenjske dobe proti lezenju za grelnike, ki se uporabljajo pri visokotemperaturnem zraku ali plinu s temperaturami plašča nad 600 stopinj. Ta članek ocenjuje povezavo med globino razogljičenja, deležem debeline stene in zmanjšanjem življenjske dobe pri lezenju ter podaja mejne vrednosti specifikacij za žarjenje v kontrolirani atmosferi.

Mehanizem razogljičenja v postopku žarjenja raztopine

Glavni namen raztopinskega žarjenja nerjavečega jekla 316 je raztapljanje vseh kromovih karbidov, zbranih med predhodno obdelavo, in rekristalizacija zrnate strukture. To vključuje segrevanje na 1040-1100 stopinj za zadosten čas (pogosto 5-30 minut, odvisno od debeline odseka). Pri takšnih temperaturah je ogljik zelo mobilen v mreži avstenita (difuzijski koeficient reda 10-10 m2/s). Če okolje peči vsebuje kisik, vodno paro ali ogljikov dioksid, bodo te oksidativne vrste reagirale z ogljikom na kovinski površini in ustvarile ogljikov monoksid ali ogljikov dioksid, ki bo zapustil površino. Koncentracijski gradient ogljika povzroči difuzijo ogljika od znotraj na površino in proces razogljičenja se nadaljuje. V popolnoma oksidativni atmosferi (zrak) lahko globina razogljičenja doseže 100-200 µm po 20 minutah pri 1050 stopinjah. Razogljičenje je zmanjšano, vendar ne izkoreninjeno v atmosferi vodika (značilno za svetlo žarjenje), saj bodo majhne količine vlage ali kisika še vedno reagirale. Razogljičenje v inertnem okolju, kot sta argon ali dušik (ob predpostavki, da je plin visoke čistosti, tj. vsebnost kisika < 10 ppm), je minimalno. Globina razogljičenja je pomembna za plašče grelnikov zaradi tanke stene cevi. 100 µm razogljičena plast stene debeline 1,5 mm bi predstavljala 6,7 ​​% debeline, vendar je padec trdnosti pri lezenju bistveno večji od ustrezne debeline zaradi dejstva, da ima razogljičeno območje manj ogljika, ki je na voljo za padavinsko utrjevanje. Posledično življenjsko dobo proti lezenju pri 650 stopinjah je mogoče znižati za 50-80 % v primerjavi s popolnoma naogljičenim ali naogljičenim nevtralnim plaščem.

Kvantitativni vpliv globine razogljičenja na lastnosti zloma zaradi lezenja

Preskus lezenja nerjavečega jekla 316 pri 650 stopinjah in 700 stopinjah z nadzorovano površinsko vsebnostjo ogljika je pokazal visoko povezavo med globino razogljičenja in časom do porušitve pri določeni obremenitvi. Za vsiljeno obročno napetost 50 MPa (notranji tlak zaradi toplotnega raztezanja v omejenih grelnikih) je življenjska doba cevi z debelino stene 1,5 mm in izdelane iz popolnoma naogljičenega materiala (0,06 % C vseskozi) približno 10.000-15.000 h pri 650 stopinjah. Če na notranji in zunanji površini obstaja razogljičena plast 50 µm (karbid zmanjšan na 0,01-0,02 %) (skupaj prizadetih 100 µm), se življenjska doba porušitve zniža na 5000–8000 ur – 40–50 % zmanjšanje. Ko razogljičena plast doseže 100 µm na vsaki površini (200 µm skupno, 13 % debeline stene), se življenjska doba pretrganja zmanjša na 2 000-4 000 h. Do dramatičnega zmanjšanja pride, ker se votline zaradi plazenja po možnosti nukleirajo v razogljičenem sloju brez drobnih karbidnih oborin, ki bi pritrdile meje zrn in preprečile drsenje meja zrn. Ko dosežejo kritično velikost, se združijo v razpoko, ki se širi v preostali steni, kar vodi do prezgodnjega zloma, čeprav ima večji del debeline stene še vedno dovolj ogljika. Povezava med globino razogljičenja, deležem debeline stene in preostalo življenjsko dobo proti lezenju za tipično delovanje grelnika 316 pri ekstremnih temperaturah je prikazana v spodnji 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

Najboljša tehnika, da se izognete škodljivemu razogljičenju, je žarjenje v raztopini v kontrolirani atmosferi, bodisi z blagim naogljičenjem (potencial ogljika je enak ali rahlo večji od vsebnosti ogljika v jeklu) ali popolnoma inertno z odvzemom kisika. Peči za svetlo žarjenje, ki uporabljajo disociiran amoniak (75 % H2, 25 % N2) ali čisti vodik, zagotavljajo močno redukcijske pogoje in ščitijo površino pred oksidacijo in razogljičenjem. Toda tudi vodikove atmosfere lahko povzročijo razogljičenje, če je rosišče dovolj visoko (nad -40 stopinj), saj vodna para reagira z ogljikom. V primeru uporabe kritičnih grelnikov specifikacija, da je treba žarjenje izvesti v suhem vodiku (rosišče < -50 stopinj) ali vakuumu (tlak pod 10⁻³ torr), zagotavlja, da bo globina razogljičenja pod 10 µm. Za proizvajalce zračnih peči (najpogostejša vrsta cenejšega grelnika) je globina razogljičenja običajno 100-200 µm, kar pomeni, da plašč ni sprejemljiv za nobeno storitev nad 550 stopinj. Kupci morajo zahtevati dokaz o vrsti žarilnega okolja in rosišču ter zahtevati destruktivno metalografsko analizo vzorca iz vsake proizvodne serije za merjenje globine razogljičenja po ASTM E1077.

Terenski dokaz o motnji pri lezenju zaradi razogljičenja

Pri okvarjenih visokotemperaturnih grelnikih je mogoče razogljičenje preveriti z metalografijo prečnega-prereza na mestu okvare. Pri pregledu z optično mikroskopijo po jedkanju z gliceregijem ali elektrolitsko oksalno kislino je razogljičeno območje videti kot brezbarvna bela plast na površini, brez karbidnih oborin, ki obstajajo v mikrostrukturi jedra. Test mikrotrdote je pokazal, da je razogljičeno območje mehkejše. Vickersova trdota 120-140 HV v razogljičenem območju in Vickersova trdota 160-200 HV v nespremenjenem jedru. Lomna površina razogljičevanja-povzročenega lezenja razkrije medzrnske razpoke z malo plastične deformacije, tj. zdi se krhka, medtem ko je material pri nateznem testiranju pri sobni temperaturi duktilen. Razpoke se običajno začnejo na zunanji površini (kjer so sile lezenja zaradi toplotnega raztezanja največje) in se razširijo v notranjost. Preprost test za diagnostiko na terenu je brušenje majhne plošče na pokvarjenem plašču, nato poliranje in jedkanje z 10 % raztopino oksalne kisline pri 6 V DC za 60 sekund. Če je na površini viden svetel trak, je prišlo do razogljičenja. Periodične meritve premera plašča se lahko uporabljajo za spremljanje grelnikov med delovanjem glede nabrekanja zaradi lezenja – povečanje premera za 2-3 % kaže na napredovalo poškodbo zaradi lezenja in grelnik je treba zamenjati ne glede na preostali čas.

Strategije ublažitve, ko je dekarbonizacija neizogibna

Za primere proizvodnje, kjer se žarjenje v nadzorovanem okolju ne uporablja, obstajajo trije pristopi za zmanjšanje škodljivega učinka razogljičenja na življenjsko dobo pri lezenju. Prvi je določiti cev s težjo steno, npr. . 2.5 mm stene namesto 1,5 mm, tako da je razogljičeno ohišje nižji del debeline stene. Na primer, 100 µm razogljičene plasti na 2,5 mm steni je 4 % debeline, kar je 30 µm na 1,5 mm steni, kar je sprejemljiva raven. Druga možnost je postopek odstranjevanja površine po-žarjenju, kot je brezcentrično brušenje ali elektropoliranje, ki odstrani 50-100 µm materiala z zunanje površine in tako v celoti odstrani razogljičeno območje. To poveča stroške, vendar povrne lastnosti lezenja. Tretja metoda je omilitev specifikacije najvišje delovne temperature. Hitrosti lezenja so eksponentno odvisne od temperature, tako da lahko grelec s 100 µm razogljičene plasti, ki poči v 3000 urah pri 650 stopinjah, zdrži 15.000 ur pri 580 stopinjah. Za aplikacije, pri katerih delovne temperature ni mogoče znižati, je najbolj robustna alternativa prehod na zlitino z večjo-trdnostjo proti lezenju, kot je nerjaveče jeklo 310 ali Inconel 600, ki imata različno vedenje pri razogljičenju.

Sklepi: Specifikacije nadzora atmosfere žarjenja za uporabo pri visokih temperaturah

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 površino, se življenjska doba lezenja pri 650 stopinjah zmanjša za več kot polovico, kar bi znižalo življenjsko dobo grelnika z 10.000 ur na manj kot 4.000 ur. Inženirji, ki določajo grelnike za visokotemperaturne aplikacije, morajo zahtevati potrditev atmosfere žarjenja (zaželeno je suh vodik ali vakuum), največjo globino razogljičenja 25 µm, potrjeno z metalografijo, in za kritične storitve potrdilo o izboljšanem temperaturnem testu lezenja. Predlagana arhitektura povezuje globino razogljičenja z razpoložljivim zmanjšanjem življenjske dobe lezenja, tako da lahko kupci določijo 316 zaprtih grelnikov, ki ne bodo odpovedali predčasno zaradi mehanizma za površinsko odstranjevanje ogljika, ki ga je mogoče popolnoma preprečiti, vendar bodo ohranili svojo trdnost pri visokih temperaturah.