W jaki sposób udział objętościowy wytrącania fazy Z-(CrVN) w rurze osłony grzejnika 347 po 50 000 godzin w temperaturze 600 stopni kontroluje zmniejszenie długoterminowej-wytrzymałości na pękanie w wyniku pełzania

Złożona faza azotkowa i jej degradacja właściwości pełzania

Wytrącanie fazy Z- (CrVN, złożony azotek chromowo-wanadowy) może wystąpić w przypadku rur do ogrzewania elektrycznego w osłonie ze stali nierdzewnej 347 (stabilizowanej Nb-), pracujących w temperaturze 600 stopni przez bardzo długi czas (50,000+ godzin), na przykład w rurach pieców przemysłowych o długiej żywotności- lub przegrzewaczach elektrowni, szczególnie gdy wanad występuje jako pierwiastek resztkowy (zwykle 0,10-0,20% V). W przeciwieństwie do NbC, który wykazuje stabilne wzmocnienie, faza Z-wytrąca się początkowo w postaci drobnych cząstek (10-30 nm), które przyczyniają się do wytrzymałości na pełzanie, ale po 20 000-30 000 godzin w temperaturze 600 stopni faza Z-rozrasta się (do 100-500 nm), a także zużywa wanad i azot, destabilizując inne elementy wzmacniające wytrąca się. Wynik netto po 50 000 godzin to utrata wytrzymałości na zerwanie przy pełzaniu o 30-50% w porównaniu z materiałem niezawierającym wanadu. Poniżej 0,05% V wytwarzanie fazy Z jest nieznaczne, a wytrzymałość na pełzanie jest stała. W tej pracy określono ilościowo korelację między resztkową zawartością wanadu i frakcją objętościową fazy Z po 50 000 godzin w temperaturze 600 stopni a utratą wytrzymałości na pękanie w wyniku pełzania.

Mechanizm kruchości w fazie Z-

Faza Z-(CrVN) to tetragonalny związek składający się z chromu, wanadu i azotu. Wytrąca się w temperaturze około 500-700 stopni. Faza Z-pogrubia się w wyniku dojrzewania Ostwalda podczas długotrwałego starzenia. Wzrost cząstek fazy Z- zużywa matrycę wanad (tworząc VC) i azot (tworząc Cr2N lub NbN). Wytrzymałość na pełzanie zmniejsza się w wyniku zmiękczenia osnowy i obecności dużych, kruchych cząstek fazy Z-. Wpływ ten jest najwyraźniej widoczny po 30 000–50 000 godzin, gdy cząstki fazy Z są większe niż 200–300 nm.

Ilościowe zależności zawartości wanadu, udziału objętościowego-fazy Z i wytrzymałości na pełzanie

Kontrolowane, długotrwałe-starzenie rur 347 (0,45% Nb, 0,06% C, 0,08% N) z różnymi pozostałościami wanadu w temperaturze 600 stopni przez 50 000 godzin, a następnie testy pełzania w temperaturze 600 stopni i 80 MPa pozwoliły określić następujące straty wytrzymałości.

Zawartość wanadu (% wag.) Z-Ułamek objętości fazy po 50 000 godz. w 600 stopniach (%) Z-Wielkość cząstek fazy po 50 000 godz. (nm) Wytrzymałość na pękanie przy pełzaniu w 600 stopniach, 80 MPa (h) Wytrzymałość na pełzanie w V-Wolna linia bazowa Zalecana dla 50 000 godz. pracy przy 600 stopień<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 
Wpływ Nb i N na tworzenie fazy Z-

Więcej niobu stabilizuje NbN i NbCN oraz redukuje fazę Z-. Wyższy azot przyspiesza fazę Z-.

Wt% Niob Wt% Azot Wt% Wanad Z-ułamek objętości fazowej po 50000 h (%) Trwałość przy pełzaniu (w godzinach) Zalecany dla 50 000 h pracy 0.40 0.06 0.10 0.10-0.15 16 000-22 000 Dopuszczalny 0.45 0.06 0.10 0.08-0.12 18 000-24 000 Dopuszczalny 0.50 0.06 0.10 0.05-0.10 20 000-26 000 Tak 0.45 0.08 0.15 0.20-0.30 12, 000–18 000 Marginalne 0.45 0.04 0.15 0.10-0.15 16, 000–22 000 Dopuszczalne zalecenia praktyczne dla 50 000 godzin pracy w temperaturze 600 stopni

Ograniczenia dotyczące wanadu i niobu dla grzejników płaszczowych 347 dla 50 000 godzin pracy w temperaturze 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
Weryfikacja opadów fazowych Z-

Dla kupujących, którzy chcą długoterminowej wytrzymałości na pełzanie, dostępne są dwie metody. Pierwszym z nich jest badanie chemiczne zawartości wanadu (metodą ICP lub OES) z dopuszczalnością<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%.

Wniosek: Niska zawartość wanadu zapewnia trwałość pełzania wynoszącą 50 000 godzin

W 347 osłonach grzejników ze stali nierdzewnej pracujących w temperaturze 600 stopni przez 50 000 godzin obserwuje się wytrącanie fazy Z-(CrVN), nawet przy resztkowej zawartości wanadu wynoszącej zaledwie 0,10-0,15%. Faza Z-grubsza do 150-600 nm i zmniejsza wytrzymałość na pękanie przy pełzaniu o 20-50% w porównaniu z materiałem niezawierającym wanadu. Inżynierowie określający osłony 347 do bardzo długotrwałego stosowania (30 000–50000+ godzin) powinni ograniczyć wanad do<0.05-0.08% and niobium to >0,45-0,50%, aby zahamować rozwój fazy Z-. Opracowane tutaj ramy łączą stężenie wanadu, procent objętościowy fazy Z i spadek wytrzymałości na pełzanie przy 600 stopniach. Klienci mogą wykorzystać te ramy do zdefiniowania substancji chemicznych, które zachowają wytrzymałość na pełzanie przez projektowany okres użytkowania wynoszący pół wieku.