Kako prethodno nazubljenost granica zrna austenita nakon žarenja otopinom 316 grijaće cijevi plašta kontrolira otpor puzanja kavitacije na 600 stupnjeva za 10 000 sati rada

Metodologija otpornosti-na visoke temperature za inženjering sučelja

Oblik prethodnih granica zrna austenita ima veliki utjecaj na otpor kavitacije puzanja električnih cijevi za grijanje omotanih od nehrđajućeg čelika 316 koje se koriste na 600 stupnjeva, što je gornja granica za kontinuirani rad ove legure u primjenama grijanja zraka ili plina. Standardno žarenje u otopini (1040 stupnjeva nakon čega slijedi brzo hlađenje) dovodi do ravnih ili blago savijenih granica zrna. Modificirana toplinska obrada korištenjem odgođenog hlađenja od 1100 stupnjeva i dvostupanjskog tretmana starenjem (prvo na 950 stupnjeva, a zatim na 850 stupnjeva) rezultira nazubljenim ili "cik-cak" granicama zrna gdje granična ravnina nije -ravna za 5-25 µm. Valovitost u nazubljenim granicama zrna povećava naprezanje potrebno za klizanje granica zrna i nukleaciju šupljina i tako se suprotstavlja nukleaciji kavitacije puzanjem. Pri primijenjenom naprezanju od 600 stupnjeva i 80 MPa (što predstavlja uobičajene razine obručnog naprezanja za plašteve grijača), nazubljene granice zrna povećavaju vijek trajanja puzanja za faktor 2,5-4,0 preko ravnih granica. Ovaj članak kvantificira vezu između amplitude nazubljenosti granica zrna, vremena do nukleacije kavitacije i vijeka puzanja na 600 o C.

Mehanizam nazubljivanja-Poboljšana otpornost na puzanje

Puzanje austenitnih nehrđajućih čelika na 600 stupnjeva uključuje deformaciju putem klizanja dislokacija unutar zrna i klizanja granica zrna. Šupljine nukleiraju na trostrukim točkama granica zrna i na česticama druge faze (karbidima) na granicama kada klizanje stvara lokalne koncentracije naprezanja. Nazubljene (također poznate kao "migrirane" ili "vrckave") granice zrna otporne su na kavitaciju na tri načina. Prvo, geometrijske valovitosti djeluju kao mehaničke brave, sprječavajući relativne pomake susjednih zrna dok se ne primijene veće sile smicanja. Drugo, nukleirane šupljine moraju se širiti duž neplanarne staze, što je energetski skuplje od širenja duž ravne granice. Treće, proces nazubljivanja često ko-taloži fine intragranularne karbide koji ojačavaju unutrašnjost zrna i smanjuju brzinu puzanja.

Kvantitativni odnos između amplitude nazubljenosti i vijeka puzanja na 600 stupnjeva

316 cijevi kako bi se dobili različiti stupnjevi nazubljenosti granica zrna (mjereno amplitudom od vrha do udoline) nakon čega su uslijedila ispitivanja puzanja na 600 stupnjeva i 80 MPa omogućila je uspostavljanje sljedećih odnosa.

Amplituda nazubljenja na granici zrna (μm) Toplinska obrada za postizanje vremena nazubljivanja do 1% Kavitacija puzanja (sati, 600 stupnjeva, 80 MPa) Životni vijek puzanja (sati, 600 stupnjeva, 80 MPa) Relativni vijek puzanja (ravno=1.0) Preporučeno za 600 stupnjeva usluge 0 (ravno) Standardno žarenje 1040 stupnjeva, gašenje vodom 800-1,200 2,500-3,500 1.0× Marginalno 2-5 žarenje 1050 stupnjeva, sporo hlađenje do 950 stupnjeva, zadržavanje 1h, gašenje vodom 1200-1,800 3,500-5,000 1.4× prihvatljivo 5-10 žarenja 1080 stupnjeva, hlađenje do 950 stupnjeva držanje 2h, 850 stupnjeva držanje 2h, sporo hlađenje 1800-3,000 5,000-8,000 2.0× Preporučeno 10-15 žarenje 1100 stupnjeva, postupno hlađenje 1000 stupnjeva →900 stupnjeva →800 stupnjeva (2h svaki), hlađenje zrakom 3,000-5,000 8,000-12,000 3.0× Najbolje za dug život
15-20 Specijalni toplinski ciklus (3 koraka sa srednjom deformacijom) 5,000-7,000 10,000-15,000 4.0× Najbolje (posebna narudžba)20 Kao gore plus produženo starenje 6,000-8,000 12,000-18,000 4.5× Samo posebna primjena
Utjecaj ugljika i dušika na nastanak nazubljenosti

Tijekom hlađenja, granice zrna postaju nazubljene migracijom granica, potpomognute taloženjem karbida i nitrida na pokretnoj granici. Nazubljenost se povećava koncentracijom ugljika i dušika.

Sadržaj ugljika (težinski%) Sadržaj dušika (težinski%) Amplituda nazubljenosti koja se može postići (µm) sa standardnim korakom-Hlađenje Preporučeno vrijeme toplinske obrade na 950 stupnjeva (sati)<0.020 <0.05 2-5 1 0.020-0.030 0.05-0.07 5-10 2 0.030-0.040 0.07-0.10 10-15 4 0.040-0.050 0.10-0.12 15-20 6 >0.050 >0.12 >20 8 (rizik od senzibilizacije)
Praktični Crept-Specifikacije toplinske obrade s ograničenom uslugom

Predloženi kriteriji toplinske obrade za 316 obložene grijače za rad na 600 C, projektirani životni vijek od 10 000 sati su sljedeći.

Creep Life at 600°C Required (hours) Minimum Serration Amplitude (µm) Heat Treatment RecommendedCooling After TreatmentSensitisation Risk 3,000-5,000 3 1,050°C 1h + 950°C 1h Air cool Low (use 316L) 5,000-8,000 6 1,080°C 1h + 950°C 2h + 850°C 2h Slow cool (50°C/h) Moderate (316L required) 8,000-12,000 10 1,100°C 1h + step-cool 1,000→900→800°C (2h each) Slow cool to 500°C then air Moderate-high (use 316L with Ti stabilization) >12,000 15 Posebna termo-mehanička obrada Controlled High (nadogradnja na 347)
Provjera nazubljenosti granice zrna

Kupci koji žele nazubljene granice zrna za otpornost na puzanje pri visokim temperaturama imaju na raspolaganju dvije metode provjere. Prvi je metalografski pregled nakon elektrolitičkog nagrizanja (10% oksalna kiselina, 6V DC, 60 s). Nazubljeni rubovi bili su jasno vidljivi pri povećanju od 500-1000×, a amplituda je određena analizom slike. Druga tehnika, difrakcija povratnog raspršenja elektrona (EBSD) preslikavanje granica zrna, mjeri odstupanje od idealnih ravnih granica. Za specifikacije nabave treba navesti minimalnu amplitudu nazubljenosti (npr. . 6 µm).

Terenska identifikacija sloma zbog puzanja na nazubljenim nasuprot ravnim granicama

Ispitivanje površine loma otkrit će morfologiju granica zrna za grijač 316 koji je otkazao puzanjem na 600oC. Prijelom je intergranularan, a zrna su plosnato fasetirana s ravnim rubom. Put loma je zamršeniji s nazubljenim rubovima, a pojedinačna zrna mogu pokazivati ​​'korake' na površini loma. Nazubljeni-granični materijal imat će puno duže vrijeme do kvara. Retroaktivno nazubljenje nije moguće za postojeće grijače s ravnim-ograničenjima. Zamjenske grijače treba naručiti sa standardom toplinske obrade nazubljenim.

Zaključak: vijek puzanja nazubljenih granica zrna na 600 stupnjeva

Prethodni oblik granice zrna austenita važna je mikrostrukturna karakteristika koja određuje otpornost na kavitaciju puzanja za grijače od nehrđajućeg čelika 316 koji rade na 600 stupnjeva. Ravne granice (žarenje u standardnoj otopini) kavitiraju pri 800-1200 sati i pucaju pri 2500-3500 sati pri naprezanju od 80 MPa. Nazubljene granice od 6-15 $\\mu$m amplitude produžuju inicijaciju kavitacije na 1800-5000 sati i vijek trajanja rupture na 5000-12000 sati (poboljšanje 2-4 puta). 316 omotači bi trebali biti specificirani da zahtijevaju toplinsku obradu postupnog hlađenja za proizvodnju nazubljenih granica zrna s minimalnom amplitudom od 6-10 mu m za 10 000 sati rada na 600 stupnjeva C. Ova strategija inženjeringa sučelja, zajedno s kontroliranim sadržajem ugljika i dušika (0,03-0,05% C, 0,08-0,12% N) mijenja loše performanse 316 u pouzdanu dugotrajnu uslugu. Zadani okvir povezuje amplitudu nazubljenja granice zrna s mjerljivim vremenom početka kavitacije puzanja i pucanja na 600 stupnjeva, pružajući kupcima priliku da zatraže toplinske obrade koje optimiziraju čvrstoću na visokim temperaturama kroz geometriju granica zrna.