W jaki sposób udział objętościowy pierwotnego węglika niobu (NbC) w ​​stabilizowanej rurce osłony podgrzewacza 347 kontroluje odporność na uczulenie podczas-terminowej pracy w temperaturze 550 stopni w porównaniu do stali 316L

Efekt stabilizacji przedłużonej ekspozycji na wysoką temperaturę

W przypadku długotrwałego stosowania elektrycznych rur grzejnych w wysokiej temperaturze (550 stopni), np. w przemysłowych nagrzewnicach powietrza, podgrzewaczach pieców petrochemicznych lub urządzeniach do-obróbki cieplnej, wybór stali nierdzewnej 316L (niskoemisyjna) w porównaniu ze stalą nierdzewną 347 (stabilizowaną niobem) wynika z ich odpowiedniej odporności na uczulenie.. 316L zawdzięcza swoją odporność na wytrącanie się węglika chromu niskiej zawartości węgla (<0.03%). However even 316L can sensitise at 550 C after long service (5000-10000 hours). Carbon diffusion is sluggish, but will allow carbides to develop at grain boundaries. Type 347 has niobium (Nb, usually 10× C content, 0.3-0.8% Nb) which forms stable niobium carbide (NbC) precipitates in the grains, binding up carbon and preventing chromium depletion. The long term resistance to sensitisation is totally controlled by the volume fraction of the primary NbC (0.05-0.2%) and the fine secondary NbC which precipitates in service. Properly stabilised 347 is not sensitised at 550°C for >50 000 godzin. 316L zaczyna być uczulony po 5 000–10 000 godzin. W artykule określono ilościowo związek pomiędzy procentową objętością NbC, czasem użytkowania i odpornością na uczulenie w przypadku 347 w porównaniu z 316L.

Mechanizm wiązania węgla i stabilizacja niobu

W stali nierdzewnej 347 (18Cr-11Ni-Nb) niob ma znacznie większe powinowactwo do węgla niż chrom. Podczas wyżarzania rozpuszczającego (1050-1100 stopni) większość NbC rozpuszcza się, ale pierwotne cząstki NbC (1-5 µm) pozostają nierozpuszczone. Drobne wtórne wytrącenia NbC (10-50 nm) w osnowie austenitu, głównie w dyslokacjach i w ziarnach, a nie na granicach ziaren, podczas chłodzenia i pracy w temperaturze 450-750 stopni. Węgiel jest związany w postaci NbC, zatem aktywność węgla w matrycy jest bardzo niska. Zapobiega to tworzeniu się węglików Cr (C2 3 C6) na granicach ziaren. Skuteczność stabilizacji zależy od stosunku Nb:C (około 8:1 dla NbC) i kompletności wyżarzania stabilizacyjnego (zwykle 850-900 stopni przez 2-4 godziny po wyżarzaniu rozpuszczającym).

Zależność między ułamkiem objętościowym NbC a odpornością na uczulenie w temperaturze 550 stopni

Rury 347 (z różnymi stężeniami niobu i węgla) i rury 316L w temperaturze 550 stopni przez maksymalnie 50 000 godzin w okresowych testach ASTM A262 w ramach praktyki A (trawienie kwasem szczawiowym) i praktyki E (siarczan miedzi-miedzi) określiły następujące czasy rozpoczęcia uczulenia:

Alloy Niobium (wt %) Carbon (wt %)Nb:C weight ratio NbC fraction Volume (%) Sensitisation time at 550°C (h) ASTM A262 Practice A after 10,000hRecommended for >10,000 hours at 550°C 316L 0 0.020 0 0 5,000-10,000 Ditch (sensitized) No 316L (extra low C) 0 0.010 0 0 10,000-20,000 Dual (transition) Marginal 347 (under-stabilized) 0.15 0.040 3.8 0.02-0.05 10,000-20,000 Dual Acceptable 347 (minimally stabilized) 0.20 0.040 5.0 0.04-0.08 20,000-30,000 Step (mostly) Recommended 347 (properly stabilized) 0.40 0.040 10 0.08-0.15 >50,000 Step Best 347 (fully stabilized) 0.60 0.040 15 0.12-0.20 >50,000 Step Best 347 (over-stabilized) 0.80 0.040 20 0.15-0.25 >50 000 (ale podłużnice NbC) Stopień (ale ryzyko ferrytu) Uwaga Dopuszczalna 347 (wysokie C) 0.40 0.060 6.7 0.10-0.18 30 000–40 000 Krok Zalecany
Wpływ wyżarzania stabilizacyjnego na wytrącanie NbC

Po wyżarzaniu rozpuszczającym, wyżarzanie stabilizujące w temperaturze 850-900 stopni powoduje wytrącanie drobnego, wewnątrzkrystalicznego NbC, maksymalizując wiązanie węgla i zapobiegając późniejszemu uczuleniu.

Sekwencja obróbki cieplnej NbC Morfologia Czas do uczulenia w temperaturze 550oC (godz.)Zalecany do długotrwałej pracy (LTS)
Tylko wyżarzanie rozpuszczające (1050 stopni, hartowane wodą) Tylko pierwotny NbC (gruby, trochę C w roztworze) 15 000–30 000 Dopuszczalne
Solution anneal + stabilisation (850°C, 2 h)Fine intragranular NbC (most C fixed) >50 000 najlepszych
Solution anneal + stabilisation (900°C, 4h)>50 000 Beste Bardzo delikatne NbC, pełne mocowanie C
Zgrubna stabilizacja bez wyżarzania rozpuszczającego Tylko NbC (niekompletna) 10 000–20 000 Granica
Brak stabilizacji (po spawaniu) Mieszane 5 000-15 000Niezalecane
Praktyczne zalecenia dotyczące wyboru grzejnika do pracy w temperaturze 550 stopni

W przypadku ciągłej pracy grzejników płaszczowych w temperaturze 550 stopni obowiązują następujące parametry doboru stopu w zależności od przewidywanej żywotności:

Pożądany okres użytkowania przy 550 stopniach (godzinach) Sugerowany stop Minimalne wymagania dotyczące stabilizacji Oczekiwana odporność na uczulenie Współczynnik kosztowy<5,000 316L (0.03%C) None Acceptable 1.0× 5,000-10,000 316L (0.02%C) or 347 (minimum)1.1×10,000-20,000 347 (well stabilised) 850°C, 2h Marginal None for 316L; stabilisation optional for 347Good 1.3× 20,000-50,000 347 (completely stabilized) 900°C, 4h Excellent 1.4× >50,000 347 + high Nb (0.6-0.8%) Full stabilisation + fine grain Best 1.5× >50 000 (środowisko korozyjne) Stal nierdzewna 310 (bez uczulenia) N/A Nie dotyczy 2,0× Weryfikacja skuteczności stabilizacji

Poniższe wymagania dotyczące zatwierdzeń mają zastosowanie do nabywców wybierających 347 do długoterminowej pracy w wysokich temperaturach:

ASTM A262 Praktyka A: Struktura schodkowa (gładkie granice ziaren) po pełnym przewidywanym okresie użytkowania lub po przyspieszonym starzeniu (1000 godzin w 650 stopniach)

ASTM A262 Praktyka E: Po starzeniu Zaliczony (bez pęknięć po zgięciu)

Niobium to carbon ratio: Nb/C weight ratio >= 10 (najlepiej 12-15) na certyfikacie młyna

Certyfikat wyżarzania stabilizującego: zarejestrowany czas i temperatura (tj.. 900 stopni C przez 4 godziny).

Wniosek: 347 ponad 316 l w przypadku rozszerzonej usługi 550 stopni

Carbon diffusion in 316L stainless steel heater sheaths at 550°C leads to chromium carbide precipitation and sensitisation after 5,000-10,000 hours of operation, making it susceptible to intergranular corrosion. Type 347 (niobium stabilised) with correct ratio of Nb:C (≥10:1) and stabilisation annealing (850-900°C, 2-4 hours) is not sensitised for >50 000 godzin dzięki trwałemu osadzeniu węgla w postaci wewnątrzkrystalicznego NbC. W przypadku ciągłej pracy w temperaturach powyżej 500 stopni i wymaganiach dotyczących trwałości przekraczających 5000-10 000 godzin inżynierowie wybierający grzejniki w obudowie powinni wybrać 347 zamiast 316L. W najbardziej wymagających zastosowaniach (warunki korozyjne + wysoka temperatura) stal nierdzewna 310 (25Cr-20Ni) zapewni jeszcze większą odporność, ale będzie droższa. Ramy te umożliwiają nabywcom wybór najbardziej ustabilizowanego stopu do długotrwałej pracy w grzejniku wysokotemperaturowym poprzez skorelowanie udziału objętościowego NbC z czasem rozpoczęcia uczulenia przy 550 stopniach.