De ce adâncimea stratului de decarburare a suprafeței pe mantaua de încălzire din oțel inoxidabil 316 de la controlul recoacerii cu soluție de durată la rupere la temperatură ridicată-

Zona de epuizare a carbonului ca defect care limitează rezistența în tubul cu pereți subțiri-

În soluția de recoacere a tuburilor electrice de încălzire învelite din oțel inoxidabil 316, care se realizează de obicei într-un cuptor cu mediu controlat, la o temperatură de 1040-1100 grade, contactul suprafeței fierbinți a metalului cu atmosfera cuptorului poate provoca formarea unui strat de decarburare. Acest strat are o adâncime între 10 și 150 µm și conține o concentrație mai mică de carbon decât metalul de bază (de obicei, mai puțin de 0,02 % C, spre deosebire de 0,03-0,08 % C nominal). Decarburarea este o problemă bine-cunoscută în componentele cu secțiune-groasă, dar efectul său este disproporționat de sever în teaca de încălzire cu pereți subțiri (1,0-2,0 mm grosimea peretelui). Stratul decarburat are o rezistență la fluaj mai scăzută la temperatură ridicată (peste 550 de grade) și devine locul preferat pentru crearea și ruperea ulterioară a cavităților de fluaj. Adâncimea decarburării este determinantul direct al duratei rămase la rupere prin fluaj pentru încălzitoarele utilizate în serviciul cu aer sau gaz la temperatură înaltă cu temperaturi în manta peste 600 de grade. Acest articol evaluează legătura dintre adâncimea decarburării, fracția de grosime a peretelui și reducerea duratei de viață la fluaj și oferă limite de specificație pentru recoacere în atmosferă controlată.

Mecanismul de decarburizare în procesul de recoacere cu soluție

Scopul principal al recoacerii în soluție a oțelului inoxidabil 316 este de a dizolva orice carburi de crom colectate în timpul procesării anterioare și de a recristaliza structura granulelor. Aceasta implică încălzirea la 1040-1100 de grade pentru o perioadă suficientă de timp (adesea 5-30 de minute în funcție de grosimea secțiunii). La astfel de temperaturi carbonul este foarte mobil în rețeaua austenită (coeficient de difuzie de ordinul 10-10 m2/s). Dacă mediul cuptorului conține oxigen, vapori de apă sau dioxid de carbon, aceste specii oxidante vor reacționa cu carbonul de pe suprafața metalului pentru a genera monoxid de carbon sau dioxid de carbon care va îndepărta suprafața. Gradientul de concentrație a carbonului determină difuzia carbonului din interior spre suprafață și procesul de decarburare continuă. Într-o atmosferă complet oxidantă (aer) adâncimea de decarburare poate atinge 100-200 µm după 20 de minute la 1050 de grade. Decarburarea este redusă la minimum, dar nu este eradicată într-o atmosferă de hidrogen (tipic pentru recoacere strălucitoare), deoarece cantități mici de umiditate sau oxigen vor reacționa în continuare. Decarburarea într-un mediu inert, cum ar fi argonul sau azotul (presupunând că gazul are o puritate ridicată, adică conținutul de oxigen < 10 ppm) este minimă. Adâncimea de decarburare este importantă pentru mantaua încălzitorului datorită peretelui subțire al tubului. Stratul decarburat de 100 µm al unui perete de 1,5 mm ar reprezenta 6,7 ​​% din grosime, dar scăderea rezistenței la fluaj este substanțial mai mare decât grosimea corespunzătoare datorită faptului că zona decarburată are mai puțin carbon disponibil pentru întărirea prin precipitare. Durata de viață la rupere prin fluaj la 650 de grade poate fi redusă cu 50-80% în comparație cu o manta neutră complet carburată sau carburată.

Influența cantitativă a adâncimii de decarburare asupra proprietăților de rupere prin fluaj

Testarea de fluaj a oțelului inoxidabil 316 la 650 de grade și 700 de grade cu conținut de carbon de suprafață controlat a arătat o legătură mare între adâncimea decarburată și timpul de rupere la o anumită solicitare. Pentru o solicitare impusă de cerc de 50 MPa (presiunea internă datorată expansiunii termice în încălzitoarele constrânse), durata de viață la rupere a unui tub cu o grosime de perete de 1,5 mm și fabricat din material total carburat (0,06 % C în totalitate) este de aproximativ 10.000-15.000 de grade la 650. Dacă pe suprafețele interioare și exterioare există un strat decarburat de 50 µm (carbură scăzută la 0,01-0,02 %) (total 100 µm afectat), durata de viață la rupere este redusă la 5.000-8.000 de ore - o reducere de 40-50%. Când stratul decarburat atinge 100 µm fiecare suprafață (200 µm în total, 13 % din grosimea peretelui), durata de viață la rupere este redusă la 2 000-4 000 h. Reducerea dramatică are loc deoarece cavitățile de fluaj se nucleează de preferință în stratul decarburat fără precipitate mici de carbură pentru a fixa marginile granulelor și a împiedica alunecarea graniței. Când ating o dimensiune critică, se contopesc într-o fisură care se propagă în peretele rămas, ducând la ruperea prematură, deși cea mai mare parte a grosimii peretelui are încă suficient carbon. Legătura dintre adâncimea de decarburare, fracțiunea de grosime a peretelui și durata de viață reziduală la rupere prin fluaj pentru funcționarea tipică a încălzitorului 316 la temperaturi extreme este prezentată în tabelul de mai jos.

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

Cea mai bună tehnică pentru a evita decarburarea dăunătoare este recoacerea cu soluție într-o atmosferă controlată, fie ușor carburantă (potențial de carbon egal cu sau ușor peste conținutul de carbon al oțelului) sau complet inertă cu captare a oxigenului. Cuptoarele de recoacere strălucitoare care utilizează amoniac disociat (75 % H2, 25 % N2) sau hidrogen pur asigură condiții puternic reducătoare și protejează suprafața împotriva oxidării și decarburării. Dar chiar și atmosferele de hidrogen pot produce decarburare dacă punctul de rouă este suficient de ridicat (peste -40 de grade), deoarece vaporii de apă reacţionează cu carbonul. În cazul aplicațiilor critice de încălzire, specificația conform căreia recoacerea trebuie efectuată în hidrogen uscat (punct de rouă < -50 grade) sau vid (presiune sub 10⁻³ torr) garantează că adâncimea de decarburare va fi menținută sub 10 µm. Pentru producătorii de cuptoare cu aer (cel mai răspândit tip de încălzitor mai ieftin), adâncimea de decarburare este în mod normal de 100-200 µm, ceea ce înseamnă că mantaua nu este acceptabilă pentru nici un serviciu peste 550 de grade. Cumpărătorii ar trebui să solicite dovada tipului de mediu de recoacere și a punctului de rouă și să solicite o analiză metalografică distructivă a unei probe din fiecare lot de producție pentru a măsura adâncimea de decarburare conform ASTM E1077.

Dovezi de teren ale eșecului de fluare din cauza decarburării

Pentru încălzitoarele de serviciu cu temperatură înaltă-defecționate, decarburarea poate fi verificată prin metalografia unei-secțiuni transversale la locul defecțiunii. Când este examinată prin microscopie optică, după gravarea cu gliceregie sau acid oxalic electrolitic, zona decarburată apare ca un strat alb fără caracteristici la suprafață, lipsit de precipitații de carbură care există în microstructura miezului. Testele de microduritate au arătat că zona decarburată este mai moale. Duritate Vickers de 120-140 HV în zona decarburată și duritate Vickers de 160-200 HV în miezul neafectat. Suprafața de fractură a unei eșecuri de fluaj indusă de decarburizare-dezvăluie fisurare intergranulară cu o deformare plastică mică, adică pare fragilă în timp ce materialul este ductil la testarea la tensiune la temperatura camerei. Fisurile încep în mod normal pe suprafața exterioară (unde forțele de fluaj din dilatarea termică sunt cele mai mari) și se răspândesc în interior. Un test simplu pentru diagnosticarea pe teren este să șlefuiți un mic plat pe mantaua defectă, apoi să lustruiți și să gravați cu o soluție de acid oxalic 10 % la 6 V DC timp de 60 de secunde. Dacă se vede o bandă strălucitoare la suprafață, atunci a fost prezentă decarburarea. Măsurătorile periodice ale diametrului învelișului pot fi utilizate pentru a monitoriza încălzitoarele aflate în funcțiune pentru umflarea fluajului - o creștere cu 2-3 % a diametrului indică o deteriorare avansată prin fluaj și încălzitorul trebuie înlocuit indiferent de timpul rămas.

Strategii de atenuare atunci când decarbonizarea este inevitabilă

Pentru cazurile de producție în care nu se utilizează recoacere în mediu controlat, există trei abordări pentru reducerea efectului dăunător al decarburării asupra duratei de viață la fluaj. Primul este de a specifica un tub de perete mai greu, de exemplu . 2.5 mm perete în loc de 1,5 mm, astfel încât carcasa decarburată să fie o fracțiune mai mică a grosimii peretelui. De exemplu, 100 µm de strat decarburat pe un perete de 2,5 mm reprezintă 4 % din grosime, care este 30 µm pe un perete de 1,5 mm, un nivel acceptabil. A doua opțiune este să efectuați o operațiune de îndepărtare a suprafeței după-recoacere, cum ar fi șlefuirea fără centre sau electrolustruirea, care îndepărtează 50-100 µm de material de pe suprafața exterioară, îndepărtând astfel total zona decarburată. Acest lucru adaugă cheltuieli, dar recuperează calitățile de creep. A treia metodă este de a relaxa specificația temperaturii maxime de serviciu. Ratele de fluaj depind exponențial de temperatură, astfel încât un încălzitor cu 100 µm de strat decarburat care se va rupe în 3.000 de ore la 650 de grade poate dura 15.000 de ore la 580 de grade. Pentru aplicațiile în care temperatura de serviciu nu poate fi scăzută, cea mai robustă alternativă este trecerea la un aliaj cu rezistență la fluaj mai mare, cum ar fi oțelul inoxidabil 310 sau Inconel 600, ambele având comportamente de decarburare diferite.

Concluzii: Specificația de control al atmosferei de recoacere pentru serviciu la temperatură ridicată

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 pe suprafață, durata de viață la fluaj la 650 de grade este redusă cu mai mult de jumătate, ceea ce ar reduce durata de viață a încălzitorului de la 10.000 de ore la mai puțin de 4.000 de ore. Inginerii care specifică încălzitoare pentru aplicații la temperaturi înalte trebuie să solicite confirmarea atmosferei de recoacere (de preferință hidrogen uscat sau vid), o adâncime maximă de decarburare de 25 µm validată prin metalografie și, pentru servicii critice, o certificare îmbunătățită a testului de fluaj de temperatură. Arhitectura propusă leagă adâncimea decarburării de o reducere disponibilă a duratei de viață, astfel încât cumpărătorii să poată specifica 316 încălzitoare încapsulate care nu se vor defecta devreme datorită unui mecanism de îndepărtare a carbonului de suprafață complet prevenit, dar care își păstrează rezistența la temperatură ridicată.