Kuinka karbidihiukkasten koon jakautuminen 316 ruostumattomasta teräksestä valmistetuissa lämmittimen vaipissa liuoshehkutuksen jälkeen säätelee rakeidenvälistä korroosion herkkyyttä hapettavassa happoympäristössä

Herkistymisresistenssiä hallitseva mikrorakennenäkökohta

Karbidihiukkasten koko, jakautuminen ja jatkuvuus raerajoilla ovat kriittisiä määritettäessä, kestävätkö 316 ruostumattomasta teräksestä päällystetyt sähkölämmitysputket, jotka ovat alttiina hapettaville hapoille, kuten typpihapolle tai klorideja sisältäville sekahapoille, raekorroosiota (IGC) vai epäonnistuvatko nopean raerajahyökkäyksen seurauksena. Useimmat karbidit liuotetaan kiinteään liuokseen sopivan liuoshehkutuksen jälkeen 1040-1100 asteessa, jota seuraa nopea karkaisu, jolloin saadaan puhdas raerajarakenne. Kuitenkin, jos jäähtyminen hehkutuslämpötilasta on liian hidasta tai jos materiaali kuumennetaan myöhemmin uudelleen herkistysalueelle (450-850 astetta), kromikarbidit saostuvat raerajoilla. IGC-herkkyys riippuu näiden karbidien hiukkaskokojakaumasta, eli ovatko ne hienoja ja epäjatkuvia (alle 0,1 µm ja yli 1 µm:n etäisyydellä toisistaan) vai karkeita ja jatkuvia (muodostavat käytännössä täyden kalvon reunaa pitkin). Tässä on kvantifioitu yhteys karbidihiukkasten koon, rakeiden välisen korroosion nopeuden ja käyttöiän välillä hapettavissa happamissa olosuhteissa.

Jatkuvien karbidien rakeidenvälisen korroosion mekanismi

Kromikarbidien (Cr 23 C 6 ) saostuminen ruostumattoman teräksen 316 raerajoilla johtaa kromin ehtymiseen viereisessä matriisissa ja kromi-vähennysvyöhyke, jonka leveys on noin 50-200 nm, muodostuu jokaisen karbidihiukkasen ympärille. Jos karbidien välinen etäisyys on pieni (alle 0,5 µm hiukkasten välillä), tyhjennysvyöhykkeet menevät päällekkäin ja muodostavat jatkuvan matalan -kromin reitin raerajaa pitkin. Kuitenkin hapettavissa hapoissa (esim. . 65% typpihappoa kiehuvassa tai vähemmän väkevöidyissä hapoissa, joissa on hapettavia aineita) tämä kromi-vähennysreitti liukenee ensisijaisesti 10-100 kertaa nopeammin kuin kromirikkaat jyvät, mikä johtaa rakeiden väliseen korroosioon. Vaurioituneet raeraajat voivat syöpyä 100–500 µm:n syvyyteen viikkojen tai kuukausien kuluessa, mikä johtaa vaipan täydelliseen hajoamiseen. Kun karbidit ovat suuria (0,5-2,0 µm) ja laajalle levinneitä (yli 2-3 µm toisistaan), tyhjennysvyöhykkeet eivät mene päällekkäin ja raerajalla on riittävästi kromia (yli 12 %) hiukkasten välissä passiivisuuden ylläpitämiseksi. Karbidit eivät näytä tässä roolia rakeidenvälisessä korroosiossa. Keskeinen mikrorakenneehto ei ole niinkään karbidien läsnäolo, vaan pikemminkin jatkuvan verkoston muodostuminen.

Kvantitatiivinen suhde karbidin kokojakauman ja IGC-nopeuden välillä

Kvantitatiiviset yhteydet karbidihiukkasten ominaisuuksien ja rakeiden välisen korroosion välillä on määritetty 316-letkulle, jolle on suoritettu systemaattinen kontrolloitu lämpökäsittely, jota seurasi upotuskoe kiehuvaan 65 % typpihappoon (ASTM A262 Practice C). IGC-nopeudet ovat alle 0,1 mm/vuosi täysin liuoshehkutetussa materiaalissa (ei näkyviä karbideja 1000-kertaisella suurennuksella). Materiaalilla, jossa on hienoja, jatkuvia karbideja (hiukkaset 0,05-0,2 µm, etäisyys < 0,3 µm), IGC-nopeus on 5-20 mm/v – riittää tuhoamaan 1,5 mm:n seinämän viikoissa tai kuukausissa. Materiaalin karkeilla, epäjatkuvilla karbidilla (hiukkaset 0,5-1,5 µm, etäisyys 2-5 µm) IGC-nopeudet ovat alle 0,5 mm vuodessa, mikä sopii moniin palveluihin. Karbidihiukkasten ominaisuuksien, lämpökäsittelyhistorian ja odotetun IGC-suorituskyvyn korrelaatio hapettavissa hapoissa on yhteenveto alla olevassa taulukossa.

Karbidihiukkaskoko, µm hiukkasten välinen etäisyys, µm Karbidimorfologia Herkistysolosuhteet, ASTM A26265 % HNO3:n kiehumis-IGC-nopeuden mukaan (mm/vuosiAika rei'itykseen (1,5 mm seinä)|Suositellaan hapettavaan happohuoltoon
N/A Täysin liuoshehkutettu Ei havaittu Läpäisy<0.1 >15 vuotta Kyllä
0.02-0.10 <0.2 Continuous film Severe sensitisation 10-20 1-3 monthsNo 0.10-0.25 0.2-0.5 Almost continuousmoderate sensitisation 5-10 2-6 monthsNo 0.25-0.50 0.5-1.0 Discontinuous yet frequentMild sensitisation 1-5 3-12 monthsMarginal 0.50-1.00 1.0-2.0 Discontinuous Slight sensitisation 0.5-1.0 1-3 yearsSuitable for light duty
2.0-5.0 1.00-2.00 Single particlesNo Sensitisation (Carbides Present) 0.1-0.5 3-15 yearsYes (with supervision)2.00 >5.0 Erittäin karkea Eristetty Ei herkistymistä<0.1 >15 vuotta Kyllä
Liuoksen hehkutuslämpötilan jäähdytysnopeuden rooli

It is found that the transition from a desirable coarse, discontinuous carbide distribution to an unsatisfactory fine, continuous distribution is mostly governed by the cooling rate from solution annealing temperature. When 316 is slowly cooled from 1040 °C (e.g. in still air or in the furnace) carbides nucleate lavishly since the material is in the sensitisation region (450-850 °C) for minutes instead of seconds. The high nucleation rate yields many tiny carbides with close spacing. 316 rapidly quenched (water quench, cooling rate >500 astetta/s herkistysalueen yli) ei ehdi karbidien ydintymään ennen kuin lämpötila laskee alle 450 astetta, missä kromin diffuusio on merkityksetöntä. Tuloksena on kovametallivapaa-tai erittäin karkea kovametallirakenne. Jäähdytysnopeus lämmittimen vaippojen hehkutuksen jälkeen määräytyy seinän paksuuden ja sammutusaineen mukaan. Putket, joiden seinämän paksuus on 1-2 mm, voidaan sammuttaa tehokkaasti ja saavuttaa jäähdytysnopeudet 1000-2000 astetta/s. Paksummat osat (5-10 mm, esim. laippalohkot) jäähtyvät hitaammin ja vaativat voimakasta vesisuihkua tai polymeerisammuttimia riittävän jäähdytyksen aikaansaamiseksi. Lämmitinkokoonpanoissa, joissa suuret laipat hitsataan ohuiksi vaippaksi, on mahdollista, että vaippa ei herkisty jäähtyessään, mutta laippa herkistyy, jolloin hitsausliitoksessa tapahtuu IGC.

Karbidin leviämisen ja IGC-herkkyyden kenttätarkastus

Tarjotaan kolme menetelmää sopivan kovametallijakauman tarkistamiseksi 316 koteloituissa lämmittimissä hapettavan hapon huoltoa varten. Ensimmäinen on oksaalihappoetsauskoe (ASTM A262 Practice A), jossa kiillotettu näyte syövytetään elektrolyyttisesti 10 % oksaalihapoon. "Askel"rakenne (tasaiset raeraajat) osoittaa hyvää mikrorakennetta. "Ojan" rakenne (syövytetyt kaivannot raerajoilla) viittaa jatkuviin karbideihin ja herkistymiseen. Toinen menetelmä on kupari-kuparisulfaatti-rikkihappotesti (ASTM A262 Practice E), jossa taivutettu näyte upotetaan 24 tunniksi. Halkeama mutkassa=vahvisti herkistymisen. Kolmas tapa on kiillotetun ja syövytetyn poikkileikkauksen suora tutkiminen 500–1000-kertaisella suurennuksella pyyhkäisyelektronimikroskoopilla. Kvantitatiivisesti karbidin koko ja etäisyys voidaan mitata kuva-analyysin avulla. Hankinnan osalta täytäntöönpanokelpoinen laadunvarmistus edellyttää, että lämmittimen valmistaja todistaa, että vaippamateriaali läpäisee ASTM A262 -käytännön A "askelrakenteella" eikä merkkejä herkistymisestä.

Herkistyneiden mikrorakenteiden lieventäminen

Jos 316-vaipan mikrorakenne havaitaan herkistyneeksi (hienoja, jatkuvia karbideja), on kolme vaihtoehtoa. Ensimmäinen on hehkuttaa koko lämmitin uudelleen-1040-1100 asteeseen, minkä jälkeen suoritetaan nopea vesisammutus. Tämä hoito poistaa karbidit ja palauttaa IGC-vastuksen. Valmistetun lämmittimen uudelleen-hehkuttaminen voi vahingoittaa sisäistä MgO-eristystä, muuttaa vaipan muotoa tai hapettaa sisäisiä komponentteja. Toinen vaihtoehto on käyttää lämmitintä vain ei--hapettavissa olosuhteissa (esim. neutraalit kloridit, pelkistävät hapot), joissa rakeiden välistä korroosiota ei tapahdu, koska kromivajeet jäävät passiivisiksi. Kolmas vaihtoehto on korvata lämmitin 316 litraiseen (vähähiilinen, alle 0,03 %). Matala hiilipitoisuus estää myös jatkuvan karbiitin tuotannon hitaammin jäähtymällä, koska hiiltä ei ole tarpeeksi saostamaan jatkuvaa verkkoa. Hapettavan hapon huollossa on erittäin suositeltavaa määrittää 316L tavallisen 316:n sijaan.

Johtopäätös: Carbide{0}}vapaiden mikrorakenteiden määrittely happopalvelussa

316 ruostumattomasta teräksestä käärittyjen lämmittimien rakeiden välistä korroosion herkkyyttä hapettavassa happamassa ympäristössä ei säätele karbidien läsnäolo tai puute vaan niiden kokojakauma ja jatkuvuus. Hienot jatkuvat karbidit (hiukkasten etäisyys alle 0,5 µm) johtavat päällekkäisiin kromittomiin vyöhykkeisiin, jotka kuluvat 5-20 mm vuodessa. Karkeat, epäjatkuvat karbidit (etäisyys > 2 µm) eivät aiheuta IGC:tä, koska puutteelliset vyöhykkeet erottuvat toisistaan. Insinöörien, jotka määrittelevät lämmittimiä typpihapolle, sekahapoille tai muille hapettaville aineille, tulee vaatia todisteet riittävästä karbidin hajoamisesta ASTM A262 -testauksella ja määrittämään 316L, jotta se tarjoaa lisämarginaalia valmistuksen aikana tapahtuvaa herkistymistä vastaan. Korreloimalla karbidihiukkasten kokoa ja etäisyyttä mitattavissa oleviin IGC-nopeuksiin, tässä annettu kehys antaa ostajille mahdollisuuden valita 316 vaippaa, jotka vastustavat rakeiden välistä hyökkäystä kaikkein vihamielisimmissä happoolosuhteissa.