Zašto je dubina površinskog sloja za dekarburizaciju na grijaćim plaštovima od nehrđajućeg čelika 316 iz kontrole žarenja u otopini visoka-temperatura puzanja do pucanja

Zona osiromašenog ugljika kao nedostatak koji ograničava čvrstoću u cijevi s tankom{0}}zidom

U žarenju u otopini 316 električnih grijaćih cijevi omotanih od nehrđajućeg čelika, koje se obično izvodi u peći s kontroliranim okruženjem, na temperaturi od 1040-1100 stupnjeva, kontakt vruće metalne površine s atmosferom peći može izazvati stvaranje sloja za dekarburizaciju. Ovaj sloj je dubok između 10 i 150 µm i sadrži nižu koncentraciju ugljika od osnovnog metala (obično manje od 0,02 % C za razliku od nominalnih 0,03-0,08 % C). Dekarburizacija je dobro-poznat problem kod-komponenti debelog presjeka, ali je njegov učinak nesrazmjerno ozbiljan kod tankostijenih plašta grijača (1,0-2,0 mm debljine stijenke). Dekarburizirani sloj ima nižu čvrstoću puzanja na visokoj temperaturi (preko 550 stupnjeva) i postaje preferirano mjesto za stvaranje i naknadno pucanje puznih šupljina. Dubina dekarburizacije izravna je determinanta preostalog vijeka trajanja od puzanja za grijače koji se koriste u visokotemperaturnom zračnom ili plinskom servisu s temperaturama plašta iznad 600 stupnjeva. Ovaj članak ocjenjuje vezu između dubine dekarburizacije, udjela debljine stijenke i smanjenja vijeka puzanja te daje ograničenja specifikacija za žarenje u kontroliranoj atmosferi.

Mehanizam dekarburizacije u procesu žarenja otopine

Glavna svrha žarenja u otopini nehrđajućeg čelika 316 je otapanje svih kromovih karbida prikupljenih tijekom prethodne obrade i rekristalizacija zrnate strukture. To uključuje zagrijavanje na 1040-1100 stupnjeva tijekom dovoljnog vremenskog razdoblja (često 5-30 minuta, ovisno o debljini presjeka). Pri takvim temperaturama ugljik je vrlo pokretljiv u rešetki austenita (koeficijent difuzije reda veličine 10-10 m2/s). Ako okolina peći sadrži kisik, vodenu paru ili ugljični dioksid, ove oksidirajuće vrste će reagirati s ugljikom na površini metala stvarajući ugljični monoksid ili ugljični dioksid koji će napustiti površinu. Gradijent koncentracije ugljika uzrokuje difuziju ugljika iznutra prema površini i proces dekarburizacije se nastavlja. U potpuno oksidirajućoj atmosferi (zrak) dubina dekarburizacije može doseći 100-200 µm nakon 20 minuta na 1050 stupnjeva. Dekarburizacija je minimalizirana, ali nije iskorijenjena u atmosferi vodika (tipično za žarenje) jer će male količine vlage ili kisika i dalje reagirati. Dekarburizacija u inertnom okruženju kao što je argon ili dušik (pod pretpostavkom da je plin visoke čistoće, tj. sadržaj kisika < 10 ppm) je minimalna. Dubina dekarburizacije je važna za plašteve grijača zbog tanke stijenke cijevi. Dekarburizirani sloj od 100 µm stjenke od 1,5 mm iznosio bi 6,7 % debljine, ali je pad otpornosti na puzanje znatno veći od odgovarajuće debljine zbog činjenice da dekarburizirana zona ima manje ugljika dostupnog za taložno ojačanje. Nastali vijek trajanja od puzanja na 650 stupnjeva može se smanjiti za 50-80 % u usporedbi s potpuno pougljičenim ili pougljičenim neutralnim omotačem.

Kvantitativni utjecaj dubine dekarburizacije na svojstva loma puzanjem

Ispitivanje puzanja nehrđajućeg čelika 316 na 650 stupnjeva i 700 stupnjeva s kontroliranim površinskim sadržajem ugljika pokazalo je visoku vezu između dubine dekarburizacije i vremena do pucanja pri određenom naprezanju. Za nametnuto naprezanje obruča od 50 MPa (unutarnji tlak zbog toplinskog širenja u ograničenim grijačima), vijek trajanja cijevi debljine stjenke od 1,5 mm i izrađene od potpuno pougljičenog materijala (0,06 % C u cijelosti) je oko 10 000-15 000 h na 650 stupnjeva. Ako na unutarnjoj i vanjskoj površini postoji deugljičeni sloj od 50 µm (udio karbida smanjen na 0,01-0,02 %) (ukupno pogođeno 100 µm), vijek trajanja puknuća se smanjuje na 5000-8000 sati - smanjenje od 40-50 %. Kada dekarburizirani sloj dosegne 100 µm po svakoj površini (200 µm sveukupno, 13 % debljine stijenke), vijek trajanja puknuća smanjuje se na 2 000-4 000 h. Do dramatičnog smanjenja dolazi jer šupljine puzanja nukleiraju po mogućnosti u dekarburiziranom sloju bez sitnih taloga karbida koji učvršćuju granice zrna i sprječavaju klizanje granica zrna. Kada dosegnu kritičnu veličinu, stapaju se u pukotinu koja se širi u preostalom zidu, što dovodi do preranog pucanja iako najveći dio debljine zida još uvijek ima dovoljno ugljika. Povezanost između dubine razugljičenja, udjela debljine stijenke i zaostalog vijeka trajanja od puzanja za tipičnu upotrebu grijača 316 pri ekstremnim temperaturama prikazana je u tablici u nastavku.

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

Najbolja tehnika za izbjegavanje štetnog odugljičenja je žarenje otopine u kontroliranoj atmosferi, bilo blago pougljičenje (potencijal ugljika jednak ili neznatno veći od sadržaja ugljika u čeliku) ili potpuno inertno s uklanjanjem kisika. Peći za svijetlo žarenje koje koriste disocirani amonijak (75 % H2, 25 % N2) ili čisti vodik pružaju snažne redukcijske uvjete i štite površinu od oksidacije i dekarburizacije. Ali čak i vodikova atmosfera može proizvesti dekarburizaciju ako je točka rosišta dovoljno visoka (iznad -40 stupnjeva), jer vodena para reagira s ugljikom. U slučaju kritičnih primjena grijača, specifikacija da se žarenje mora izvesti u suhom vodiku (točka rosišta < -50 stupnjeva) ili vakuumu (tlak ispod 10⁻³ torr) jamči da će dubina dekarburizacije biti ispod 10 µm. Za proizvođače zračnih peći (najčešća vrsta jeftinijeg grijača), dubina dekarburizacije je obično 100-200 µm, što znači da omotač nije prihvatljiv za bilo koju uslugu iznad 550 stupnjeva. Kupci bi trebali zatražiti dokaz o vrsti okoline žarenja i točki rosišta te zatražiti destruktivnu metalografsku analizu uzorka iz svake proizvodne serije za mjerenje dubine dekarburizacije prema ASTM E1077.

Terenski dokaz o neuspjehu puzanja zbog dekarburizacije

Za pokvarene grijače na visokim-temperaturama, dekarburizacija se može potvrditi metalografijom poprečnog-presjeka na mjestu kvara. Kada se ispituje optičkom mikroskopijom nakon jetkanja gliceregom ili elektrolitičkom oksalnom kiselinom, dekarburizirana zona se pojavljuje kao bijeli sloj bez obilježja na površini, bez precipitata karbida koji postoje u mikrostrukturi jezgre. Ispitivanje mikrotvrdoće pokazalo je da je deugljičena zona mekša. Tvrdoća po Vickersu od 120-140 HV u deugljičenoj zoni i tvrdoća po Vickersu od 160-200 HV u nepromijenjenoj jezgri. Površina loma kod puzanja izazvanog dekarburizacijom-otkriva intergranularne pukotine s malom plastičnom deformacijom, tj. čini se krhko dok je materijal duktilan pri ispitivanju na napetost na sobnoj temperaturi. Pukotine obično počinju na vanjskoj površini (gdje su sile puzanja uslijed toplinskog širenja najveće) i šire se unutra. Jednostavan test za terensku dijagnostiku je brušenje male plohe na pokvarenom omotaču, zatim poliranje i jetkanje s 10 % otopinom oksalne kiseline pri 6 V DC tijekom 60 sekundi. Ako se na površini vidi svijetla traka, tada je došlo do dekarburizacije. Periodična mjerenja promjera omotača mogu se koristiti za nadzor grijača tijekom rada na bubrenje zbog puzanja - povećanje promjera od 2-3 % ukazuje na uznapredovalo oštećenje zbog puzanja i grijač treba zamijeniti bez obzira na preostalo vrijeme.

Strategije ublažavanja kada je dekarbonizacija neizbježna

Za slučajeve proizvodnje u kojima se ne koristi žarenje u kontroliranom okruženju, postoje tri pristupa smanjenju štetnog učinka dekarburizacije na vijek puzanja. Prvi je odrediti cijev s težim zidom, npr. . 2.5 mm zida umjesto 1,5 mm, tako da je kućište bez ugljika manji udio debljine zida. Na primjer, 100 µm dekarburiziranog sloja na stijenci od 2,5 mm je 4 % debljine, što je 30 µm na stijenci od 1,5 mm, što je prihvatljiva razina. Druga je mogućnost izvršiti operaciju uklanjanja površine nakon-žarenja kao što je brušenje bez središta ili elektropoliranje koje uklanja 50-100 µm materijala s vanjske površine, čime se potpuno uklanja zona dekarburacije. To povećava troškove, ali vraća svojstva puzanja. Treća metoda je ublažavanje specifikacije maksimalne radne temperature. Brzine puzanja eksponencijalno ovise o temperaturi, tako da grijač sa 100 µm deugljičenog sloja koji će puknuti za 3000 sati na 650 stupnjeva može trajati 15 000 sati na 580 stupnjeva. Za primjene u kojima se radna temperatura ne može sniziti, najsnažnija alternativa je prebacivanje na leguru s većom-čvrstoćom puzanja kao što je nehrđajući čelik 310 ili Inconel 600, a oba imaju različita svojstva dekarburizacije.

Zaključci: Specifikacija kontrole atmosfere žarenja za rad na visokim temperaturama

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 po površini, vijek puzanja na 650 stupnjeva smanjen je za više od polovice, što bi smanjilo vijek trajanja grijača s 10 000 sati na manje od 4 000 sati. Inženjeri koji specificiraju grijače za visokotemperaturne primjene moraju zahtijevati potvrdu atmosfere žarenja (poželjno suhi vodik ili vakuum), maksimalnu dubinu dekarburizacije od 25 µm potvrđenu metalografijom, a za kritične usluge certifikat poboljšane temperature puzanja. Predložena arhitektura povezuje dubinu dekarburizacije s dostupnim smanjenjem vijeka puzanja, tako da kupci mogu specificirati 316 zatvorenih grijača koji se neće rano pokvariti zbog potpuno spriječivog površinskog mehanizma za uklanjanje ugljika, ali će zadržati svoju otpornost na visoke temperature.