Зашто проценат садржаја силицијума у ​​омотачу цеви од нерђајућег челика 316 испод 0,4% смањује отпорност на оксидацију на 650 степени у ваздушном саобраћају

Мањи легирајући елемент са великим утицајем на адхезију на високим температурама

За електричне цеви за грејање умотане у нерђајући челик 316 и које раде на високој температури (650 степени) у ваздушном саобраћају, садржај силицијума (обично прописан као максимум од 0,75% према АСТМ А240) је важан, али често занемарен фактор отпорности на оксидацију. Нивои силицијума мањи од 0,4% стварају брзо развијајући каменац оксида-богатог гвожђем који се лако распада, смањујући век трајања омотача 3-5 пута у поређењу са материјалом који садржи 0,6-1,0% силицијума. Силицијум олакшава производњу танког континуираног премаза од аморфног или нанокристалног силицијум диоксида (СиО2) на контакту каменца и метала. Овај слој силицијум-диоксида функционише као дифузиона баријера, успоравајући дифузију гвожђа и хромових катјона напоље и унутрашњу дифузију ањона кисеоника. Овај рад представља квантификацију односа између концентрације силицијума, кинетике оксидације и понашања распадања каменца за 316 омотача на 650 степени. Ово поставља оквир спецификације за примене високотемпературних грејача ваздуха.

Улога силицијума у ​​формирању субскале силицијум-диоксида

Током високотемпературне оксидације нерђајућег челика 316, хром и гвожђе дифундују напоље да би створили спољашњу Цр2О3/Фе2О3 скалу, а кисеоник дифундује унутра. При садржају силицијума преко ~ 0,4-0,5% силицијум оксидира првенствено на контакту каменца и метала да би се створио танак (0,1-1,0 µм) континуирани слој аморфног силицијум диоксида. Овај премаз од силицијум диоксида има два одбрамбена својства. Прво, коефицијент дифузије хрома у СиО2 је око три реда величине мањи од оног у Цр2О3, што драстично смањује брзину оксидације. 2. Силицијум диоксид повећава механичку адхезију спољашњег каменца стварањем слоја „лепка“ који апсорбује неусклађеност термичког ширења. У случају силицијума испод 0,4% слој силицијум-диоксида је дисконтинуиран или недостаје, а спољна скала се брзо диже директном дифузијом катјона кроз Цр2О3 . Настала скала је порознија, дебља и лако се љушти услед термичког циклуса.

Ефекат садржаја Си на оксидационо понашање на 650 степени: квантитативни однос

Контролисано тестирање цикличне оксидације (циклуси од 1 сата на 650 степени у ваздуху, принудно хлађење на 100 степени између циклуса) на цевима 316 са различитим садржајем силицијума поставило је јасне границе перформанси.

Садржај силицијума (теж.%) Садржај хрома (теж.%) Непрекидни слој силицијум-диоксида? Стопа оксидације (мг/цм²/сат) након 500 циклуса. Почетак љуштења (циклуси до првог видљивог мрља) Губитак метала након 5.000 циклуса (µм) Препоручује се за ваздушни саобраћај од 650 степени<0.2 >16 Не (одсутан) 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 Континуирано (0,2-0,5 µм) 0.03-0.06 1,000-2,500 30-60 Препоручено
0.6-0.8 17-19 Континуирано, постојано (0,5-1,0 µм) 0.02-0.04 2,500-5,000 20-40Најбоље за издржљивост
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
Интеракција силицијума и молибдена у оксидацији

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%), континуирана подскала силицијум диоксида спречава да молибден доспе до спољашње површине и потискује испаривање МоО{суб 3}. Испарљивост молибдена је појачана на нивоима силицијума испод 0,4%, што резултира бржим поремећајем каменца и бржом оксидацијом. За 316 омотача за рад изнад 600 степени садржај силицијума треба да буде специфициран на високој страни АСТМ опсега (0,6-1,0%) да би се компензовао нежељени ефекат молибдена.

Дефиниција садржаја силицијума за апликације грејача на високим температурама

На основу процењеног радног века и фреквенције термичког циклуса, препоручују се следећи захтеви за силицијумом за 316 грејача са плаштом који раде на 650 степени у ваздуху или оксидирајућим гасовима сагоревања:

Сервисни услови Температура омотача (степен) Термички циклуси по дану Минимални садржај силицијума (теж.%) Препоручени опсег силицијума (теж.%) Алтернативна легура ако се потребе за силицијумом не могу задовољити
Трчите непрекидно, циклус повремено 600-650<1 0.50 0.60-0.80 310 stainless steel
Повремени благи циклуси 600-650 1-10 0.60 0.70-1.00 310 сс или Инцонел 600
Frequent cycling (>10/day) 550-600 >10 0.60 0.70-1.00 Инцонел 600
Континуирани сервис 650-700<1 >0,70 (316 се не препоручује) 0.80-1.00 310 или Инцонел је потребан
550-650 Било који 0.70 0.80-1.00 Инцонел 600 препоручен Било који сервис где је сумпор присутан у атмосфери Верификација садржаја силицијума и перформанси оксидације

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 µм показује да је силицијум довољан. Највеће поверење када су потребне све три верификације. За важне апликације.

Теренска дијагностика распада ниске оксидације силицијума

For 316 sheaths that have failed in 600-650°C air service, suspect low silicon content if the scale is thick (>200 µм), не-пријањајући (прљања на додир) и црвенкасто-браон (Фе2О3) уместо зеленкасто-црне (Цр2О3). Ако је основни метал неадекватан, електронска микроскопија или ЕДС испитивање металног интерфејса скале-ће показати да нема силицијума или нивоа силицијума испод 0,2%. Покварени омотач ће показати губитак метала од 200 до 500 µм (озбиљно храпавост и стањивање) у поређењу са 20 до 50 µм за материјал са одговарајућим силицијумом. Режим квара је повећање стањивања зида због ломљења и евентуалног уздужног цепања када преостали зид више не може да издржи унутрашњи притисак.

Закључак: критични параметар високе температуре за силицијум

Отпорност на оксидацију 316 грејача умотаних од нерђајућег челика у ваздушном саобраћају на 650 степени је директно контролисана параметром легуре садржајем силицијума. Са садржајем силицијума испод 0,4% оксидација је брза и не{4}}није заштитна, а каменац се љушти тако да се животни век грејача смањује са 20.000 х на 3.000-5.000 х. 0.6-1.0% силицијума се додаје да би се створила континуирана подскала силицијум диоксида која успорава оксидацију од два бита. Свака примена где температура омотача прелази 550 степени захтеваће минималну концентрацију силицијума од 0,50 % и препоручује се 0,60-0,80 % за максималне перформансе. За континуирани рад на 650 степени или изнад било које услуге преко 700 степени боље је надоградити на 310 нерђајући челик или Инцонел 600 уместо да зависите од 316 чак и са високим садржајем силицијума. Корелацијом процента силицијума са мерљивим стопама оксидације и иницијацијом распадања, овде предложени приступ омогућава купцима да специфицирају 316 омотача који чувају интегритет заштитне скале на повишеним температурама.