Dlaczego głębokość warstwy odwęglenia powierzchniowego w osłonach grzejnika ze stali nierdzewnej 316 w wyniku wyżarzania rozpuszczającego kontroluje wysoką-trwałość przy pełzaniu w temperaturze

Strefa zubożenia węgla jako wada ograniczająca wytrzymałość cienkościennej-rury

Podczas wyżarzania rozpuszczającego elektrycznych rur grzejnych owiniętych stalą nierdzewną 316, które zwykle przeprowadza się w piecu o kontrolowanym środowisku, w temperaturze 1040-1100 stopni, kontakt powierzchni gorącego metalu z atmosferą pieca może spowodować utworzenie warstwy odwęglenia. Warstwa ta ma głębokość od 10 do 150 µm i zawiera niższe stężenie węgla niż metal nieszlachetny (zwykle poniżej 0,02% C w porównaniu z nominalnym 0,03-0,08% C). Odwęglenie jest-znanym problemem w przypadku elementów-o grubych przekrojach, ale jego skutki są nieproporcjonalnie poważne w przypadku cienkościennych osłon grzejników (grubość ścianki 1,0–2,0 mm). Warstwa odwęglona ma niższą wytrzymałość na pełzanie w wysokiej temperaturze (powyżej 550 stopni) i staje się preferowanym miejscem tworzenia, a następnie pękania wnęk pełzających. Głębokość odwęglenia jest bezpośrednim wyznacznikiem pozostałej trwałości przy pełzaniu w przypadku grzejników stosowanych w środowisku powietrza lub gazu o wysokiej temperaturze, przy temperaturach powłoki powyżej 600 stopni. W artykule tym oceniono związek pomiędzy głębokością odwęglenia, frakcją grubości ścianki i skróceniem czasu pełzania oraz podano granice specyfikacji dla wyżarzania w kontrolowanej atmosferze.

Mechanizm odwęglenia w procesie wyżarzania rozpuszczającego

Głównym celem wyżarzania rozpuszczającego stali nierdzewnej 316 jest rozpuszczenie wszelkich węglików chromu zebranych podczas poprzedniej obróbki i rekrystalizacja struktury ziaren. Obejmuje to ogrzewanie do 1040-1100 stopni przez wystarczający okres czasu (często 5-30 minut w zależności od grubości skrawku). W takich temperaturach węgiel jest wysoce mobilny w sieci austenitu (współczynnik dyfuzji rzędu 10-10 m2/s). Jeśli środowisko pieca zawiera tlen, parę wodną lub dwutlenek węgla, te utleniacze będą reagować z węglem na powierzchni metalu, tworząc tlenek lub dwutlenek węgla, który opuści powierzchnię. Gradient stężeń węgla powoduje dyfuzję węgla z wnętrza na powierzchnię i proces odwęglenia trwa. W atmosferze całkowicie utleniającej (powietrze) głębokość odwęglenia może osiągnąć 100-200 µm po 20 minutach w temperaturze 1050 stopni. W atmosferze wodoru odwęglenie jest zminimalizowane, ale nie wyeliminowane (typowe dla wyżarzania jasnego), ponieważ niewielkie ilości wilgoci lub tlenu nadal będą reagować. Odwęglanie w obojętnym środowisku, takim jak argon lub azot (przy założeniu wysokiej czystości gazu, tj. zawartości tlenu < 10 ppm) jest minimalne. Głębokość odwęglenia jest istotna dla osłon grzejników ze względu na cienką ściankę rury. Odwęglona warstwa o grubości 100 µm o ściance o grubości 1,5 mm stanowiłaby 6,7% grubości, ale spadek wytrzymałości na pełzanie jest znacznie większy niż odpowiednia grubość ze względu na fakt, że w strefie odwęglonej jest mniej węgla dostępnego do wzmacniania wydzieleniowego. Wynikająca z tego trwałość pełzania w temperaturze 650 stopni może zostać obniżona o 50-80% w porównaniu z całkowicie nawęgloną lub nawęgloną powłoką neutralną.

Ilościowy wpływ głębokości odwęglania na właściwości pełzania

Badania pełzania stali nierdzewnej 316 w temperaturach 650 i 700 stopni przy kontrolowanej zawartości węgla na powierzchni wykazały wysoki związek pomiędzy głębokością odwęglenia a czasem do pęknięcia przy danym naprężeniu. Dla przyłożonego naprężenia obwodowego wynoszącego 50 MPa (ciśnienie wewnętrzne spowodowane rozszerzalnością cieplną w grzejnikach z usztywnieniem) trwałość rury o grubości ścianki 1,5 mm i wykonanej z materiału całkowicie nawęglonego (0,06% C na całej powierzchni) wynosi około 10 000-15 000 godzin w temperaturze 650 stopni. Jeżeli na powierzchni wewnętrznej i zewnętrznej występuje odwęglona warstwa o grubości 50 µm (zawartość węglika zmniejszona do 0,01-0,02 %) (w sumie dotyczy to 100 µm), trwałość na zerwanie zmniejsza się do 5 000–8 000 godzin, co oznacza redukcję o 40–50%. Gdy odwęglona warstwa osiągnie grubość 100 µm na każdej powierzchni (ogółem 200 µm, 13% grubości ścianki), trwałość na zerwanie zmniejsza się do 2 000-4 000 godz. Radykalna redukcja następuje, ponieważ wgłębienia po pełzaniu zarodkują się, najlepiej w warstwie odwęglonej, bez wytrącania się drobnych węglików, które unieruchamiają granice ziaren i utrudniają przesuwanie się granic ziaren. Kiedy osiągną rozmiar krytyczny, łączą się w szczelinę, która rozprzestrzenia się w pozostałej ścianie, co prowadzi do przedwczesnego pęknięcia, chociaż większość grubości ściany nadal zawiera wystarczającą ilość węgla. Zależność pomiędzy głębokością odwęglenia, frakcją grubości ścianki i resztkową trwałością na pękanie przy typowej pracy grzejnika 316 w ekstremalnych temperaturach pokazano w poniższej tabeli.

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

Najlepszą techniką pozwalającą uniknąć szkodliwego odwęglenia jest wyżarzanie rozpuszczające w kontrolowanej atmosferze, albo łagodne nawęglanie (potencjał węgla równy lub nieco większy od zawartości węgla w stali) albo całkowicie obojętne z wychwytywaniem tlenu. Piece do wyżarzania jasnego wykorzystujące zdysocjowany amoniak (75% H2, 25% N2) lub czysty wodór zapewniają warunki silnie redukujące i chronią powierzchnię przed utlenianiem i odwęgleniem. Ale nawet atmosfera wodorowa może spowodować odwęglenie, jeśli punkt rosy jest wystarczająco wysoki (powyżej -40 stopni), ponieważ para wodna reaguje z węglem. W przypadku krytycznych zastosowań grzejników, specyfikacja mówiąca, że ​​wyżarzanie musi być przeprowadzane w suchym wodorze (punkt rosy < -50 stopni) lub w próżni (ciśnienie poniżej 10⁻³ torr) gwarantuje, że głębokość odwęglenia będzie utrzymana poniżej 10 µm. W przypadku producentów pieców powietrznych (najbardziej rozpowszechniony rodzaj tańszej nagrzewnicy) głębokość odwęglania wynosi zwykle 100-200 µm, co oznacza, że ​​osłona nie jest dopuszczalna do żadnej pracy powyżej 550 stopni. Kupujący powinni poprosić o dowód potwierdzający rodzaj środowiska wyżarzania i punkt rosy oraz zażądać niszczącej analizy metalograficznej próbki z każdej partii produkcyjnej w celu pomiaru głębokości odwęglenia zgodnie z normą ASTM E1077.

Dowody terenowe uszkodzenia pełzania w wyniku odwęglenia

W przypadku uszkodzonych grzejników wysokotemperaturowych-odwęglenie można zweryfikować za pomocą metalografii-przekroju poprzecznego w miejscu awarii. Przy badaniu pod mikroskopem optycznym po trawieniu gliceregią lub elektrolitycznym kwasem szczawiowym strefa odwęglona pojawia się na powierzchni jako pozbawiona cech charakterystycznych biała warstwa, wolna od wydzieleń węglików występujących w mikrostrukturze rdzenia. Badania mikrotwardości wykazały, że strefa odwęglona jest bardziej miękka. Twardość Vickersa 120-140 HV w strefie odwęglonej i twardość Vickersa 160-200 HV w rdzeniu nienaruszonym. Powierzchnia pęknięcia w wyniku pełzania spowodowanego odwęgleniem- ujawnia pękanie międzykrystaliczne z niewielkim odkształceniem plastycznym, tj. wydaje się krucha, podczas gdy materiał jest plastyczny w badaniu rozciągania w temperaturze pokojowej. Pęknięcia zwykle zaczynają się na powierzchni zewnętrznej (gdzie siły pełzania wynikające z rozszerzalności cieplnej są największe) i rozprzestrzeniają się wewnątrz. Prosty test do diagnostyki terenowej polega na zeszlifowaniu małego płaskownika na uszkodzonej osłonie, a następnie wypolerowaniu i wytrawieniu 10% roztworem kwasu szczawiowego pod napięciem 6 V DC przez 60 sekund. Jeżeli na powierzchni widoczne jest jasne pasmo, oznacza to, że nastąpiło odwęglenie. Okresowe pomiary średnicy płaszcza można wykorzystać do monitorowania eksploatowanych grzejników pod kątem pęcznienia spowodowanego pełzaniem - wzrost średnicy o 2-3% wskazuje na zaawansowane uszkodzenie przez pełzanie i grzejnik należy wymienić niezależnie od pozostałego czasu.

Strategie łagodzące, gdy dekarbonizacja jest nieunikniona

W przypadku produkcji, w której nie stosuje się wyżarzania w kontrolowanym środowisku, istnieją trzy podejścia do ograniczania szkodliwego wpływu odwęglenia na trwałość pełzania. Pierwszym z nich jest określenie cięższej rury ściennej, np. ścianka o grubości . 2.5 mm zamiast 1,5 mm, tak aby odwęglona obudowa stanowiła mniejszą część grubości ścianki. Na przykład 100 µm warstwy odwęglonej na ściance o grubości 2,5 mm to 4% grubości, co stanowi akceptowalny poziom 30 µm na ściance o grubości 1,5 mm. Drugą opcją jest wykonanie operacji usuwania powierzchni-po wyżarzaniu, takiej jak szlifowanie bezkłowe lub elektropolerowanie, która usuwa 50-100 µm materiału z powierzchni zewnętrznej, usuwając w ten sposób całkowicie strefę odwęgloną. Zwiększa to koszty, ale przywraca właściwości pełzania. Trzecia metoda polega na rozluźnieniu specyfikacji maksymalnej temperatury roboczej. Szybkość pełzania zależy wykładniczo od temperatury, więc grzejnik ze 100 µm odwęglonej warstwy, która pęknie po 3000 godzin w temperaturze 650 stopni, może wytrzymać 15 000 godzin w temperaturze 580 stopni. W przypadku zastosowań, w których nie można obniżyć temperatury roboczej, najpewniejszą alternatywą jest przejście na stop-o wyższej wytrzymałości na pełzanie, taki jak stal nierdzewna 310 lub Inconel 600, które różnią się właściwościami odwęglania.

Wnioski: Specyfikacja kontroli atmosfery wyżarzania dla pracy w wysokich temperaturach

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 µm na powierzchnię, żywotność pełzania w temperaturze 650 stopni jest zmniejszona o ponad połowę, co skróci żywotność grzejnika z 10 000 godzin do mniej niż 4000 godzin. Inżynierowie wybierający grzejniki do zastosowań wysokotemperaturowych muszą zażądać potwierdzenia atmosfery wyżarzania (najlepiej suchy wodór lub próżnia), maksymalnej głębokości odwęglenia wynoszącej 25 µm potwierdzonej metalografią, a w przypadku zastosowań krytycznych – certyfikatu testu pełzania w podwyższonej temperaturze. Proponowana architektura łączy głębokość odwęglenia z dostępną redukcją trwałości pełzania, dzięki czemu nabywcy mogą wybrać 316 grzejników w obudowie, które nie ulegną przedwczesnej awarii dzięki mechanizmowi powierzchniowego usuwania węgla, któremu można całkowicie zapobiec, ale zachowują swoją wytrzymałość w wysokich temperaturach.