W jaki sposób średni odstęp między węglikami na granicy ziaren po uczuleniu Obróbka cieplna rur osłonowych grzejnika 316 kontroluje szybkość korozji międzykrystalicznej w praktyce E Test ASTM A262

Parametr mikrostrukturalny określający nasilenie uczulenia

W przypadku elektrycznych rur grzejnych w osłonie ze stali nierdzewnej 316, które na pewnym etapie produkcji lub obsługi zostały wystawione na działanie temperatur z zakresu uczulania (450-850 stopni), nasilenie podatności na korozję międzykrystaliczną (IGC) nie jest prostą funkcją obecności lub braku węglików na granicy ziaren. Kluczowym parametrem mikrostrukturalnym jest średni odstęp cząstek węglika chromu na granicach-ziarn. Kiedy cząstki węglika znajdują się wystarczająco blisko siebie (odległość mniejsza niż około 0,5-1,0 µm), strefy zubożone w chrom wokół sąsiednich cząstek nakładają się, tworząc ciągłą ścieżkę o niskiej zawartości chromu, która jest szybko atakowana przez kwasy utleniające (ASTM A262 Praktyka E, test miedzi, siarczanu miedzi i kwasu siarkowego). Jeżeli cząstki węglika są szeroko rozsiane (odległość > 1-2 m), strefy zubożenia nie nakładają się na siebie, a granice ziaren są odporne na atak międzykrystaliczny. W artykule tym określono ilościowo związek pomiędzy średnim odstępem między węglikami, stopniem uczulenia i szybkością IGC w konwencjonalnym 24-godzinnym teście praktycznym E.

Mechanizm nakładania się wyczerpanych stref

Wytrącanie węglika chromu na granicach ziaren stali nierdzewnej 316 powoduje powstanie strefy zubożonej w chrom o wielkości ~50-200 nm po każdej stronie cząstki. W zależności od temperatury i czasu opadów bada się stopień zubożenia chromu (często minimalne stężenie chromu 8-12% w porównaniu do 17-19% w masie). Korozja międzykrystaliczna ma krytyczne znaczenie, jeśli odległość między dwoma sąsiednimi węglikami jest mniejsza niż suma szerokości dwóch sąsiednich stref zubożenia. W takich okolicznościach strefy zubożenia nakładają się na siebie, a wzdłuż granicy ziaren tworzy się ciągła smuga materiału o niskiej zawartości chromu. W strefie intensywnie utleniającej i z niedoborem-chromu-selektywnie wrzącego roztworu miedzi, siarczanu miedzi i kwasu siarkowego (Praktyka E) strefy zubożone nakładają się na siebie i ulegają szybkiej korozji, powodując opadanie ziaren i ostateczne uszkodzenie próbki przy zginaniu. W przypadku odstępów węglików większych niż około 1-2 μm strefy zubożone są izolowane i nie ma ciągłej drogi o niskiej zawartości chromu.

Ilościowy związek między odstępami węglików a wynikami praktyki E

Poniższe progi zostały ustalone poprzez kontrolowane uczulenie rurki 316 (ścianka 1,5 mm, 0,06% C) w temperaturze 650 stopni (najszybsza temperatura wytrącania węglika) przez różne okresy czasu, a następnie pomiar średniego odstępu węglików za pomocą transmisyjnej mikroskopii elektronowej i testu ASTM A262 Practice E.

Czas uczulenia w 650 stopniach (godz.) Granica ziaren Średni odstęp węglików (µm) Szacowany udział nakładania się strefy zubożonej (%) Wynik praktyki E (24-godziny wrzenia Cu-CuSO4-H2SO4) Głębokość ataku międzykrystalicznego, µm Zalecane do pracy w kwasach utleniających
0 (wyżarzany, bez węglików N/A Spełnia wymagania (bez pęknięć na zgięciu)<5 Yes 0.1 5-10 0% Pass <10 Yes 0.5 2-4 0-20% Pass (slight etching) 10-20 Acceptable
1 1-2 20-50% Marginalny (pęknięcia na zgięciu) 20-40Niezalecane
2 0.8-1.2 50-80% Niepowodzenie (poważne pęknięcia) 80-150 Brak Niepowodzenie (wyraźne pęknięcia) 40-80 Nie 5 0.4-0.8 80-100%
10 0.2-0.5 100% (continuous) Fail (grain dropping) 150-250 No 24 0.1-0.3 100% (continuous) Fail (severe grain dropping) >250 Nie
Wpływ zawartości węgla na krytyczny odstęp węglików

Ilość węgla w 316 określa całkowitą ilość węglików, która może się wytrącić, a tym samym najniższy odstęp między węglikami, jaki można osiągnąć dla konkretnego procesu uczulania.

Carbon Content (wt%) Minimum Carbide Spacing after Complete Sensitisation (µm) Practice E Result at Minimum SpacingMaximum Allowable Service Temperature To Avoid Sensitisation >0,020 (niski)2-3 Zaliczony 450 stopni 0,020-0,030 (316L) 1,5-2,5 Zaliczony (marginalny) 425 stopnia 0.030-0.040 1.0-1.8 Marginalny 400 stopni 0.040-0.050 0.8-1.2 Niezaliczony 375 stopni 0.050-0.060 0.5-0.8 Zaliczony 350 stopni 0,060-0,080 (standard 316) 0,3-0,6 Niepowodzenie 325 stopni
Praktyczne unikanie uczulenia przy produkcji grzejników

Aby uniknąć odstępów między węglikami poniżej istotnej granicy 1-2 µm w grzejnikach osłonowych 316, które będą spawane lub mogą być narażone na działanie temperatur uczulających podczas pracy, zaleca się spełnienie następujących kryteriów:

Warunki produkcji lub usługi Maksymalna ekspozycja na temperaturę (stopnie) Maksymalny czas przebywania w temperaturze Sugerowana zawartość węgla Wymóg badania po ekspozycji
Spawanie (jedno przejście, bez wypełniacza) szybkie chłodzenie, maks. 1200-1400 sekund (HAZ szybko się ochładza) Dowolne (HAZ, jeśli cienkie, nie uczulone) Żadne do cienkich ścian (<2mm)
Spawanie (gruby przekrój,-wielościegowe) 450-850 (łącznie)316L Min. (C<0.03%)Practice E Weld coupon
Obróbka cieplna po-spawaniu (łagodzenie naprężeń) 400–450 stopni 1–2 godz. 316 l (wszystkie) Brak (poniżej granicy wykrywalności)
Service temperature excursion 450-550°C >Potrzebne łącznie 10 godzin 316L. Praktyka E po 5 latach
Lutowanie twarde lub lutowane 500-700 stopni Minuty do godzin 316L lub stabilizowane (321/347) Wymagana praktyka E
ASTM A262 Praktyka E Test jakości do akceptacji

Testy ASTM A262 Practice E zapewniają ostateczną pewność odporności IGC dla nabywców, którzy określą osłony 316, które mogą być uczulone podczas produkcji. Procedura testowa obejmuje:

gotowanie przez 24 godziny w roztworze kwasu-siarczanu miedzi-miedzi (ASTM A262, procedura E)

Próbkę zagina się o 180 stopni na trzpieniu o średnicy równej grubości próbki

Oglądanie pęknięć w zagiętej powierzchni przy 10-krotnym powiększeniu

Kryteria akceptacji: Jeśli po zgięciu nie zostaną zaobserwowane żadne pęknięcia, jest to „pozytywne” (nieuczulone). Jeżeli widoczne są jakiekolwiek pęknięcia (o dowolnej długości), rejestruje się „niepowodzenie” (uczulenie). Test jest czuły na odstępy między węglikami < ~1-2 µm.

Identyfikacja terenowa IGC wywołanych uczuleniem

W grzejniku 316, który nie radzi sobie z kwasem utleniającym (np. kwasem azotowym, roztworami trawiącymi) lub w środowisku chlorkowym ze składnikiem utleniającym, korozja międzykrystaliczna spowodowana uczuleniem objawia się siecią pęknięć wzdłuż granic ziaren, które można zobaczyć pod małym powiększeniem (50-100×) na wypolerowanym i wytrawionym przekroju. Szczeliny mogą mieć wzór „szkieletowy”, wskazujący na poprzednie ziarna austenitu. Uczulenie zostanie potwierdzone zgodnie z praktyką E ASTM A262 na próbce pobranej z uszkodzonego grzejnika. Odstępy określone metalograficznie za pomocą skaningowej mikroskopii elektronowej będą mniejsze niż 0,5-1,0 µm. Odpowiedzią na takie awarie jest zastosowanie stali 316L lub wymaganie wyżarzania po spawaniu.

Wniosek: Kontrola specyfikacji odstępu węglików poprzez uczulenie

Szybkość korozji międzykrystalicznej w oparciu o praktykę E ASTM A262 dla grzejników płaszczowych ze stali nierdzewnej 316 opiera się na średnim odstępie między węglikami na granicy ziaren po temperaturach uczulania. Gdy odstęp węglików jest mniejszy niż 1-2 µm, strefy zubożone w chrom-nakładają się na siebie, tworząc ciągłą ścieżkę o niskiej zawartości chromu, która szybko koroduje i nie przechodzi testu Praktyki E. W przypadku zastosowań, w których temperatury spawania lub obsługi mieszczą się w zakresie 450–850 stopni, inżynierowie określający osłony 316 muszą zapewnić osłony 316L (węglowe<0.03%) to ensure that the carbide spacing will be above the critical threshold. After minimum sensitisation (1-2 hours at 650°C) carbide spacing for standard 316 (0.06-0.08% C) is less than 1 µm which results in sensitisation and IGC susceptibility. The framework offered herein, which correlates the average carbide spacing with quantitative Practice E results, allows purchasers to define combinations of material and heat treatment that will not allow overlapping depletion zones, and will retain intergranular corrosion resistance.