Q1: در محیطهای کوره کربنسازی، چرا Incoloy 800 (UNS N08800) ماده ترجیحی برای فیکسچرها، شبکهها و میلهها مقایسه میشود.به فولادهای زنگ نزن آستنیتی استاندارد مانند 310 یا 314؟
A: در اتمسفرهای کربن دار، معیار انتخاب از مقاومت اکسیداسیون ساده به مقاومت در برابر کربن و پایداری حرارتی تغییر می کند. Incoloy 800 به دلیل تعادل منحصربهفرد نیکل، کروم و آهن، از فولادهای ضدزنگ{2} مقاوم در برابر حرارت بهتر عمل میکند.
مکانیسم شکست در فولادهای ضد زنگ استاندارد:
در اتمسفر کربن دار (فعالیت کربن بالا در دماهای بالا، معمولاً 870-980 درجه فارنهایت یا 1600-1800 درجه فارنهایت)، کربن از جو به فلز پخش می شود. در فولادهای ضد زنگ استاندارد مانند 310 (25% کروم، 20% نیکل):
تشکیل کاربید: کربن با کروم واکنش می دهد تا کاربیدهای عظیم کروم (Cr23C6) را در داخل دانه ها و در مرزهای دانه تشکیل دهد.
کاهش کروم: این امر ماتریس کروم آزاد را تخلیه می کند و مقاومت در برابر خوردگی و اکسیداسیون را کاهش می دهد.
شکنندگی: شبکه کاربید مواد را شکننده می کند و در اثر تنش حرارتی و مکانیکی منجر به ترک خوردن می شود.
آسیب پذیری "گرد و غبار فلزات": در شرایط خاص، این کربوریزه شدن منجر به تجزیه فاجعه آمیز می شود که به عنوان گرد و غبار فلز شناخته می شود.
چرا Incoloy 800 Excels:
محتوای نیکل بالا (30-35%): نیکل حلالیت و انتشار بسیار کمی برای کربن دارد. محتوای بالای نیکل به عنوان یک مانع عمل می کند و به طور قابل توجهی سرعت نفوذ کربن به آلیاژ را کاهش می دهد.
کروم متعادل (23-19%): در حالی که کروم می تواند کاربیدها را تشکیل دهد، محتوای نیکل بالای آن تضمین می کند که حتی اگر کاربیدها تشکیل شوند، پیوسته کمتر و آسیب کمتری دارند. کروم همچنین یک لایه اکسید محافظ را حفظ می کند که ورود کربن اولیه را کند می کند.
ساختار آستنیتی پایدار: برخلاف فولادهای فریتی، ساختار آستنیتی آلیاژ 800 حتی پس از قرار گرفتن در معرض طولانی مدت، به شرط کنترل بارش بیش از حد کاربید، سخت و انعطافپذیر باقی میماند.
برای میلههایی که بارهای سنگین را در یک کوره کربندار تحمل میکنند، این بدان معناست که Incoloy 800 ظرفیت باربری خود را حفظ میکند و در برابر تاب خوردگی و ترکخوردگی بسیار طولانیتر از فولادهای ضدزنگ استاندارد مقاوم در برابر حرارت{2}} مقاومت میکند.
Q2: یک اپراتور کوره متوجه می شود که میله های نگهدارنده Incoloy 800 پس از چندین سال در یک کوره کربورسازی شکننده و مغناطیسی می شوند. علت متالورژیکی این تخریب چیست و آیا میله ها قابل بازیابی هستند؟
پاسخ: علائم توصیف شده-تردی و ایجاد مغناطیس-شاخصهای کلاسیک کربنسازی شدید و تبدیل فاز حاصل از آن هستند. این نشانه آن است که این ماده به پایان عمر مفید خود رسیده است.
مکانیسم تخریب متالورژیکی:
اشباع کربن: با گذشت سالها کارکرد، علیرغم مقاومت آن، کربن در نهایت به اعماق میله های Incoloy 800 پخش می شود. سطح به شدت کربوره می شود و لایه ای غنی از کاربیدهای کروم را تشکیل می دهد.
رسوب کاربید کروم: کاربیدهای عظیم کروم (M23C6 و M7C3) رسوب می کنند و کروم را از ماتریکس مصرف می کنند.
تخلیه ماتریس: حذف کروم از محلول جامد، ساختار آستنیتی (مکعبی مرکزی-) را بی ثبات می کند.
تشکیل فریت: در مناطق-غنی شده با کربن و کروم-تهی شده، ساختار پایدار تغییر می کند. پس از خنک شدن از دمای عملیاتی، این مناطق می توانند به فریت (مکعب مرکزی- بدنه) یا مارتنزیت تبدیل شوند. فریت و مارتنزیت مغناطیسی هستند، در حالی که آستنیت مغناطیسی نیست. از این رو، میله مغناطیسی می شود.
تردی: ترکیب کاربیدهای عظیم در مرز دانه ها و وجود فازهای فریت/مارتنزیت شکننده، شکل پذیری میله را از بین می برد. به جای اینکه تحت بار خم شود، ترک خواهد خورد.
امکان بازیابی:
نه، میله ها قابل بازیابی نیستند. این یک تغییر ریزساختاری دائمی است.
عملیات حرارتی بی فایده است: در حالی که آنیل محلول در دمای بالا ممکن است برخی از کاربیدها را حل کند و ساختار را دوباره-آستنیته کند، نمیتواند کربن اضافی را حذف کند. به محض قرار گرفتن مجدد در{3}}دمای سرویس، کاربیدها بلافاصله مجدداً- رسوب میکنند، اغلب با توزیعی حتی بدتر.
تنها راه حل: میله ها باید تعویض شوند. برای افزایش عمر مجموعه جدید، اپراتورها باید موارد زیر را در نظر بگیرند:
دمای عملیاتی پایین تر: در صورت امکان.
ارتقاء آلیاژ بالاتر: انتقال به آلیاژ 600 (نیکل بالاتر) یا آلیاژ 601 (آلومینیوم-تغییر شده برای چسبندگی بهتر اکسید) برای مقاومت حتی بیشتر در برابر کربوریزه شدن.
پوشش: اعمال پوششهای ضد کربناته (سرامیک یا آلومینیوم-غنی) روی میلههای جدید.
Q3: در طول تعمیر و نگهداری، ما باید یک میله پشتیبانی جدید Incoloy 800 را به یک شبکه کربن دار موجود جوش دهیم. چالش های خاص جوش چیست و برای اطمینان از اتصال قابل اعتماد از چه فلز پرکننده باید استفاده کرد؟
A: جوشکاری یک Incoloy 800 bar جدید به یک قطعه کربنی موجود تعمیر دشواری است که خطر قابل توجهی دارد. چالش اصلی مهاجرت کربن از قسمت قدیمی و کربن دار به فلز جوش و میله جدید است.
چالش های جوشکاری:
جذب کربن: شبکه قدیمی و کربن دار حاوی سطوح کربن بالایی است. در حین جوشکاری، گرمای قوس می تواند باعث حل شدن این کربن و مهاجرت به حوضچه جوش مذاب شود. این باعث افزایش محتوای کربن فلز جوش می شود و آن را سخت و شکننده می کند و در برابر ترک های داغ حساس می شود.
مسائل مربوط به رقیق سازی: اگر حوضچه جوش مقدار زیادی از فلز پایه کربوری شده قدیمی را رقیق کند، رسوب شیمیایی جوش حاصل از بین می رود و مقاومت در برابر خوردگی و حرارت آن را کاهش می دهد.
کرنش-ترک ناشی از سن: منطقه متاثر از حرارت- (HAZ) مواد قدیمی و کربوره شده ممکن است در حال حاضر ترد شده و مستعد ترک خوردن ناشی از تنش های جوشکاری باشد.
روش و پرکننده توصیه شده:
آماده سازی کلیدی است:
قسمتی را که روی شبکه قدیمی که در آن جوش انجام می شود، دوباره آسیاب کنید. حداقل 1-2 میلی متر از لایه سطحی کربوره شده را بردارید تا فلز "تازه تر" زیر آن نمایان شود. این باعث کاهش کربن موجود برای مهاجرت می شود.
انتخاب فلز پرکننده:
از پرکننده منطبق استفاده نکنید (به عنوان مثال، ERNiCr-3). در حالی که ERNiCr-3 (پرکننده از نوع آلیاژی 600) برای جوشکاری آلیاژ 800 رایج است، می تواند مستعد جذب کربن از فلز پایه کربوره شده باشد.
پرکننده توصیه شده: از پرکنندههای آلیاژی مانند ERNiCrMo-3 (آلیاژ 625) یا ERNiCrMo-4 (آلیاژ C-276) استفاده کنید.
چرا: این پرکنندههای{0}مولیبدن و نیکل بالا تحمل بسیار بالاتری نسبت به کربن و ناخالصیها دارند. آنها انعطاف پذیرتر و در برابر ترک خوردگی مقاوم تر هستند، حتی اگر مقداری کربن از شبکه کربوری شده قدیمی رخ دهد.
تکنیک جوشکاری:
از ورودی حرارت کم استفاده کنید (GTAW/TIG ترجیح داده می شود).
رقت را با استفاده از یک تکنیک بافندگی جزئی به حداقل برسانید تا اطمینان حاصل شود که فلز جوش به هر دو طرف جوش می خورد بدون اینکه مواد پایه کربوره قدیمی را بیش از حد ذوب کند.
دمای بین گذر را پایین نگه دارید.
حتی با این اقدامات احتیاطی، این نوع تعمیر موقتی در نظر گرفته می شود. مواد کربن دار قدیمی به تخریب ادامه خواهند داد و ناحیه جوش یک نقطه ضعف بالقوه باقی می ماند.
Q4: فراتر از ترکیب شیمیایی، چه عوامل کیفی در ساخت استوک Incoloy 800 bar برای اطمینان از عمر طولانی در تجهیزات کربنسازی حیاتی است؟
پاسخ: برای خدمات کربورسازی، کیفیت استوک میله فقط مربوط به رعایت محدوده شیمی در ASTM B408 نیست. دو عامل-اندازه دانه و وضعیت سطح-برای عملکرد بسیار مهم هستند.
1. اندازه دانه (مزیت "درشت دانه"):
الزامات: برای خدمات کربورسازی در دمای بالا، معمولاً به جای اندازه دانه ریز مورد نظر برای استحکام دمای محیط، اندازه دانه درشت (ASTM Grain Size No. 3 یا درشتتر) مشخص میشود.
دلیل: مرزهای دانهها مناطق پر انرژی- هستند و بهعنوان مسیرهای انتشار سریع کربن عمل میکنند (پدیدهای به نام انتشار مرز دانه). یک ماده دانه درشت-مساحت مرزی کل دانه در واحد حجم کمتری دارد. این امر مسیرهای نفوذ کربن به عمق میله را کاهش می دهد.
مشخصات: مطمئن شوید که استوک میله در شرایط آنیل شده با ساختار دانه درشت کنترل شده عرضه می شود. برخی از تولیدکنندگان "گرید H{{1}" (آلیاژ 800H/HT) را ارائه میکنند که ذاتاً دارای اندازه دانه درشتتر و قدرت خزش بالاتری است.
2. وضعیت سطح (شرایط "پوست تمیز"):
خطر: هر گونه نقص سطحی-مثل دور، درز، خراش، یا کربن زدایی{1}}به عنوان یک افزایش دهنده استرس و مهمتر از آن، مکانی برای ورود سریع کربن عمل می کند.
چرا مهم است: در کربورسازی، کربن به سطح حمله می کند. اگر میله دارای سطح ناهموار یا مقیاس باقیمانده از نورد گرم باشد که به درستی برداشته نشده است، سطح موثر برای کربنسازی افزایش مییابد. مهم تر از آن، یک لایه کربن زدایی شده (سطح خالی از کربن) نرم تر و ضعیف تر است و به محض شروع کربورسازی، به طور ناهموار پیش می رود.
نشانگر کیفیت: استوک میلهای با کیفیت بالا برای این سرویس معمولاً بدون مرکز زمین یا چرخانده و صیقل داده میشود تا تمام عیوب سطح و کربن زدایی از فرآیند کار داغ حذف شود. این یک سطح صاف و یکنواخت را فراهم می کند که به طور موثرتری در برابر حمله کربن اولیه مقاومت می کند.
Q5: یک طراح بین آلیاژ استاندارد 800 (UNS N08800) و آلیاژ 800HT (UNS N08811) برای مجموعهای از میلههای نگهدارنده کورههای سنگین{5}}که در دمای 980 درجه (1800 درجه فارنهایت) کار میکنند، انتخاب میکند. عامل تعیین کننده چیست؟
A: در 980 درجه (1800 درجه فارنهایت)، شما در حد بالایی از آلیاژهای آهن-نیکل-کروم هستید. انتخاب بین آلیاژ استاندارد 800 و آلیاژ 800HT به الزامات باربری-و مقاومت خزشی خاص مورد نیاز بستگی دارد.
تفاوت اصلی: قدرت خزش
آلیاژ استاندارد 800 (N08800): استحکام خوبی دارد اما برای بالاترین مقاومت در برابر خزش بهینه نشده است. در 980 درجه، قدرت خزش آن ممکن است برای اجزای بارگذاری شده بسیار ناکافی باشد، که منجر به افتادگی تدریجی (تغییر شکل خزشی) در طول زمان می شود.
آلیاژ 800HT (N08811/N08810): این یک نسخه شیمی کنترل شده از آلیاژ 800 است که به طور خاص برای مقاومت بهینه در برابر خزش طراحی شده است. ویژگی های آن:
محتوای کربن بالاتر: کنترل شده تا 0.06-0.10٪ (در مقایسه با کربن کمتر در استاندارد 800).
اندازه دانه کاملاً کنترل شده: برای حداکثر استحکام خزشی به اندازه دانه درشت (ASTM 5 یا درشت تر) نیاز دارد.
نسبت دقیق Ti:C: به حداقل نسبت تیتانیوم-به-به کربن (معمولاً 4:1) نیاز دارد تا اطمینان حاصل شود که تمام کربن به عنوان TiC پایدار متصل میشود، که مرزهای دانه را تقویت میکند و از تشکیل کاربید کروم جلوگیری میکند.
ماتریس تصمیم در 980 درجه:
| عامل | آلیاژ استاندارد 800 (N08800) | آلیاژ 800HT (N08811) |
|---|---|---|
| مقاومت کربوریزاسیون | خوب | خوب (مشابه) |
| مقاومت در برابر اکسیداسیون | خوب | خوب (مشابه) |
| قدرت خزش (بار-باربری) | متوسط | عالی (برتر) |
| هزینه | پایین تر | بالاتر |
| مناسب بودن برنامه | تکیه گاه ها، بافل ها، لوله های تابشی با حداقل فشار مکانیکی بارگذاری شده اندک. | میلههای نگهدارنده، رولهای کار، شبکهها و اعضای ساختاری در کورههای{0}در دمای بالا. |
حکم:
اگر میله های نگهدارنده وزن قابل توجهی دارند (به عنوان مثال، یک سبد بزرگ از اجزای سنگین) در 980 درجه، آلیاژ 800HT انتخاب ضروری است. افزایش استحکام خزشی از افتادگی و تغییر شکل میله ها در طول عمر طراحی تجهیزات جلوگیری می کند. اگر میلهها کمی بارگذاری میشوند یا دما کمی پایینتر است، آلیاژ استاندارد 800 ممکن است کافی باشد، اما در 980 درجه، هزینه اضافی 800HT معمولاً با عمر طولانیتر و کاهش تعمیر و نگهداری توجیه میشود.
