Зашто дубина слоја за декарбонизацију површине на омотачу грејача од нерђајућег челика од 316 услед регулације жарења раствора Висока-Температура Пузање Пузања Руптуре Живот

Зона исцрпљивања угљеника као дефект који ограничава чврстоћу у цеви са танким{0}}зинама

У жарењу раствором цеви за електрично грејање умотаних од нерђајућег челика 316, које се обично изводи у пећи са контролисаним окружењем, на температури од 1040-1100 степени, контакт површине врућег метала са атмосфером пећи може изазвати стварање слоја за разугљичење. Овај слој је дубок између 10 и 150 µм и садржи нижу концентрацију угљеника од основног метала (обично мање од 0,02 % Ц за разлику од номиналних 0,03-0,08 % Ц). Декарбонизација је добро-познат проблем у компонентама дебелог-пресека, али је његов ефекат несразмерно озбиљан у омотачима грејача са танким зидовима (1,0-2,0 мм дебљине зида). Деугљенични слој има мању снагу пузања на високој температури (преко 550 степени) и постаје преференцијално место за стварање и накнадно пуцање пузајућих шупљина. Дубина декарбонизације је директна детерминанта преосталог века трајања пузања за грејаче који се користе у високотемпературном ваздуху или гасу са температурама омотача изнад 600 степени. Овај чланак процењује везу између дубине декарбонизације, фракције дебљине зида и смањења века трајања пузања и даје ограничења спецификације за жарење у контролисаној атмосфери.

Механизам декарбонизације у процесу жарења раствора

Главна сврха жарења раствором нерђајућег челика 316 је да раствори све карбиде хрома прикупљене током претходне обраде и да рекристалише зрнасту структуру. Ово подразумева загревање на 1040-1100 степени током довољног временског периода (често 5-30 минута у зависности од дебљине пресека). На таквим температурама угљеник је веома покретљив у аустенитној решетки (коефицијент дифузије реда 10-10 м2/с). Ако околина пећи садржи кисеоник, водену пару или угљен-диоксид, ове оксидирајуће врсте ће реаговати са угљеником на површини метала и створити угљен-моноксид или угљен-диоксид који ће отићи са површине. Градијент концентрације угљеника изазива дифузију угљеника изнутра на површину и процес декарбонизације се наставља. У потпуно оксидирајућој атмосфери (ваздух) дубина декарбонизације може достићи 100-200 µм након 20 минута на 1050 степени. Декарбонизација је сведена на минимум, али се не искорењује у атмосфери водоника (типично за светло жарење) пошто ће мале количине влаге или кисеоника и даље реаговати. Декарбонизација у инертној средини као што је аргон или азот (под претпоставком да је гас високе чистоће, тј. садржај кисеоника < 10 ппм) је минимална. Дубина декарбонизације је важна за омоте грејача због танког зида цеви. 100 µм разугљенични слој зида од 1,5 мм био би 6,7 % дебљине, али је пад снаге пузања знатно већи од одговарајуће дебљине због чињенице да разугљенична зона има мање угљеника доступног за ојачање падавинама. Животни век пузања које следи на 650 степени може се смањити за 50-80% у поређењу са потпуно угљенисаним или карбуризованим неутралним омотачем.

Квантитативни утицај дубине декарбонизације на својства пуцања при пузању

Испитивање пузања нерђајућег челика 316 на 650 степени и 700 степени са контролисаним површинским садржајем угљеника показало је високу везу између дубине без угљеника и времена до пуцања при датом напрезању. За наметнути обруч од 50 МПа (унутрашњи притисак услед топлотног ширења у ограниченим грејачима), век ломљења цеви дебљине зида од 1,5 мм и направљене од потпуно угљенисаног материјала (0,06 % Ц до краја) је око 10.000-15.000 степени х на 65.000 степени. Ако на унутрашњој и спољашњој површини постоји разугљенични слој од 50 µм (карбид смањен на 0,01-0,02 %) (захваћено укупно 100 µм), век трајања руптуре се смањује на 5.000-8.000 сати – смањење од 40-50%. Када разугљенични слој достигне 100 µм по површини (200 µм укупно, 13 % дебљине зида), век трајања руптуре се смањује на 2 000-4 000 х. До драматичног смањења долази због тога што пузајуће шупљине настају по могућству у декарбозираном слоју без ситних талога карбида да закаче границе зрна и ометају клизање граница зрна. Када достигну критичну величину, спајају се у пукотину која се шири у преосталом зиду, што доводи до прераног пуцања, иако највећи део дебљине зида још увек има довољно угљеника. Веза између дубине разугљиковања, фракције дебљине зида и преосталог века трајања пузања за типичан сервис грејача 316 на екстремним температурама приказана је у табели испод.

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

Најбоља техника да се избегне штетна декарбонизација је жарење раствора у контролисаној атмосфери, било благим угљеником (потенцијал угљеника једнак или мало већи од садржаја угљеника у челику) или потпуно инертан са уклањањем кисеоника. Светле пећи за жарење које користе дисоциран амонијак (75 % Х2, 25 % Н2) или чисти водоник обезбеђују јаке редукционе услове и штите површину од оксидације и декарбонизације. Али чак и атмосфере водоника могу произвести декарбонизацију ако је тачка росе довољно висока (изнад -40 степени), пошто водена пара реагује са угљеником. У случају критичних примена грејача, спецификација да се жарење мора обавити у сувом водонику (тачка росе < -50 степени) или у вакууму (притисак испод 10⁻³ торр) гарантује да ће дубина декарбонизације бити испод 10 µм. За произвођаче ваздушних пећи (најзаступљенији тип јефтинијих грејача), дубина декарбонизације је нормално 100-200 µм, што значи да плашт није прихватљив за било коју услугу изнад 550 степени. Купци треба да затраже доказ о типу средине жарења и тачки росе, и да затраже деструктивну металографску анализу узорка из сваке производне серије како би се измерила дубина декарбонизације према АСТМ Е1077.

Доказ на терену о отказивању пузања услед декарбонизације

За неисправне -сервисне грејаче на високим температурама, декарбонизација се може потврдити металографијом попречног-пресека на месту квара. Када се прегледа оптичком микроскопијом након нагризања глицерегијом или електролитичком оксалном киселином, разугљенична зона се појављује као бели слој без карактеристика на површини, без талога карбида који постоје у микроструктури језгра. Тестирање микротврдоће је открило да је зона без угљеника мекша. Тврдоћа по Викерсу од 120-140 ХВ у зони без угљеника и тврдоћа по Викерсу од 160-200 ХВ у језгру без утицаја. Површина лома услед пузања изазваног декарбонизацијом-открива међугрануларне пукотине са мало пластичне деформације, тј. делује крто док је материјал дуктилан у испитивању затезања на собној температури. Пукотине обично почињу на спољашњој површини (где су силе пузања услед термичког ширења највеће) и шире се унутра. Једноставан тест за теренску дијагностику је да се избруси мала плоча на оштећеном омотачу, а затим полира и нагриза са 10% раствором оксалне киселине на 6 В ДЦ током 60 секунди. Ако се на површини види светла трака, онда је присутна декарбонизација. Периодична мерења пречника омотача могу се користити за надгледање грејача током употребе због пузања - повећање од 2-3 % у пречнику указује на напредно оштећење пузања и грејач треба заменити без обзира на преостало време.

Стратегије ублажавања када је декарбонизација неизбежна

За случајеве производње у којима се не користи жарење у контролисаној средини, постоје три приступа за смањење штетног ефекта декарбонизације на животни век пузања. Први је да наведете тежу зидну цев, нпр. . 2.5 мм зид уместо 1,5 мм, тако да је декарбонизовано кућиште мањи део дебљине зида. На пример, 100 µм разугљиченог слоја на зиду од 2,5 мм је 4 % дебљине, што је 30 µм на зиду од 1,5 мм, прихватљив ниво. Друга опција је да извршите операцију уклањања површине након{11}}жарења, као што је брушење без центра или електрополирање које уклања 50-100 µм материјала са спољне површине, чиме се потпуно уклања разугљенична зона. Ово повећава трошкове, али враћа особине пузања. Трећи метод је ублажавање спецификације максималне радне температуре. Стопе пузања експоненцијално зависе од температуре, тако да грејач са 100 µм разугљиченог слоја који ће пукнути за 3.000 сати на 650 степени може трајати 15.000 сати на 580 степени. За апликације у којима се радна температура не може снизити, најснажнија алтернатива је прелазак на легуру веће{25}}пузајуће чврстоће, као што је нерђајући челик 310 или Инцонел 600, од ​​којих оба имају различита својства декарбонизације.

Закључци: Спецификација контроле атмосфере жарења за високотемпературну услугу

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 µм по површини, век пузања на 650 степени је смањен за више од половине, што би смањило век трајања грејача са 10.000 сати на мање од 4.000 сати. Инжењери који специфицирају грејаче за примену на високим температурама морају захтевати потврду атмосфере жарења (пожељно суви водоник или вакуум), максималну дубину разугљиковања од 25 µм потврђену металографијом, а за критичне услуге сертификацију побољшаног теста пузања температуре. Предложена архитектура повезује дубину декарбонизације са доступним смањењем животног века пузања, тако да купци могу специфицирати 316 грејача у кућишту који неће прерано отказати због механизма за уклањање угљеника на површини који се може у потпуности спречити, али ће задржати своју чврстоћу на високим температурама.