Tényezők korlátozott működési hőmérsékletek
Tipikus alkalmazások, amelyeknél a duplex anyagokat magas hőmérsékletnek kell kitenni, a nyomástartó edények, a ventilátorlapátok/járókerekek vagy a kipufogógáz-mosók.Az anyagtulajdonságokra vonatkozó követelmények a nagy mechanikai szilárdságtól a korrózióállóságig terjedhetnek. A cikkben tárgyalt minőségek kémiai összetételét az 1. táblázat tartalmazza.
Spinodális bomlás
A spinodális bomlás (más néven demixing vagy történelmileg 475 °C-os ridegség) a ferrites fázis fázisszétválásának egy fajtája, amely körülbelül 475 °C hőmérsékleten megy végbe.A legkifejezettebb hatás a mikrostruktúra megváltozása, ami az α' fázis kialakulását okozza, ami az anyag rideggé válását eredményezi.Ez viszont korlátozza a végtermék teljesítményét.
Az 1. ábra a vizsgált duplex anyagok hőmérsékleti időbeli átmenetének (TTT) diagramját mutatja, a spinodális bomlás 475 °C tartományban van ábrázolva.Meg kell jegyezni, hogy ez a TTT diagram a szívósság 50%-os csökkenését mutatja a Charpy-V mintákon végzett ütésállósági vizsgálattal mérve, amit általában elfogadnak a ridegség jelzéseként.Egyes alkalmazásokban a szívósság nagyobb csökkenése is elfogadható lehet, ami megváltoztatja a TTT diagram alakját.Ezért egy adott maximális OT beállítására vonatkozó döntés attól függ, hogy mi tekinthető a ridegség elfogadható szintjének, azaz a végtermék szívósságának csökkentésének.Meg kell említeni, hogy történetileg TTT-gráfok is készültek meghatározott küszöbértékkel, például 27J-vel.
Magasabb ötvözött minőségek
Az 1. ábra azt mutatja, hogy az ötvözőelemek számának növekedése az LDX 2101 minőségről az SDX 2507 minőségre gyorsabb bomlási sebességet eredményez, míg a karcsú duplex a bomlás késleltetett kezdetét mutatja.Az ötvözőelemek, például a króm (Cr) és a nikkel (Ni) hatását a spinodális bomlásra és a ridegségre korábbi vizsgálatok kimutatták.5–8 Ezt a hatást a 2. ábra is szemlélteti. Ez azt mutatja, hogy a spinodális bomlás fokozódik, ha a hőmérséklet 300-ról 350 °C-ra nő, és gyorsabb a magasabb ötvözetű SDX 2507-nél, mint a kevésbé ötvözött DX 2205-nél.
Ez a megértés kulcsfontosságú lehet abban, hogy segítsen az ügyfeleknek eldönteni, hogy a kiválasztott fokozatuknak és alkalmazásuknak megfelelő maximális OT-t választják.
A maximális hőmérséklet meghatározása
Mint korábban említettük, a duplex anyagok maximális OT értéke az ütésállóság elfogadható csökkenése szerint állítható be.Általában az 50%-os szívósságcsökkenésnek megfelelő OT-t alkalmazzák.
Az OT hőmérséklettől és időtől függ
Az 1. ábrán látható TTT diagram görbéinek lejtése azt mutatja, hogy a spinodális bomlás nem csak egy küszöbhőmérsékleten megy végbe, és ez alatt a szint alatt áll meg.Inkább állandó folyamatról van szó, amikor a duplex anyagokat 475 °C alatti üzemi hőmérsékletnek teszik ki.Az is világos azonban, hogy az alacsonyabb diffúziós sebesség miatt alacsonyabb hőmérsékleten a bomlás később indul meg, és sokkal lassabban megy végbe.Ezért a duplex anyag alacsonyabb hőmérsékleten történő használata évekig vagy akár évtizedekig nem okoz problémát.Jelenleg azonban az a tendencia, hogy a maximális OT-t az expozíciós idő figyelembevétele nélkül állítják be.A kulcskérdés tehát az, hogy milyen hőmérséklet-idő kombinációt kell használni annak eldöntésére, hogy biztonságos-e az anyag használata vagy sem?Herzman és mtsai.10 szépen összefoglalják ezt a dilemmát: „...A felhasználást ezután olyan hőmérsékletekre korlátozzuk, ahol a szétkeverés kinetikája olyan alacsony, hogy a termék tervezett műszaki élettartama alatt nem fog bekövetkezni…”.
A hegesztés hatása
A legtöbb alkalmazás hegesztést használ az alkatrészek összekapcsolására.Köztudott, hogy a hegesztési varrat mikroszerkezete és kémiája eltér az alapanyagtól 3 .A töltőanyagtól, a hegesztési technikától és a hegesztési paraméterektől függően a hegesztési varratok mikroszerkezete többnyire eltér az ömlesztett anyagétól.A mikrostruktúra általában durvább, és ide tartozik a magas hőmérsékletű hőhatászóna (HTHAZ) is, amely befolyásolja a hegesztési varratok spinodális bomlását.Az ömlesztett és a hegesztési varratok közötti mikrostruktúra variációja az itt áttekintett téma.
A korlátozó tényezők összegzése
Az előző részek a következő következtetésekhez vezetnek:
- Minden duplex anyag tárgya
spinodális bomláshoz 475 °C körüli hőmérsékleten. - Az ötvözőtartalomtól függően gyorsabb vagy lassabb bomlási sebesség várható.A magasabb Cr- és Ni-tartalom elősegíti a gyorsabb szétkeverést.
- A maximális üzemi hőmérséklet beállításához:
– Figyelembe kell venni az üzemidő és a hőmérséklet kombinációját.
– A szívósság csökkenésének elfogadható szintjét, azaz a végső szívósság kívánt szintjét be kell állítani - További mikroszerkezeti komponensek, például hegesztési varratok bevezetésekor a maximális OT-t a leggyengébb rész határozza meg.
Globális szabványok
Számos európai és amerikai szabványt felülvizsgáltak ehhez a projekthez.A nyomástartó edényekben és a csővezeték-alkatrészekben történő alkalmazásokra összpontosítottak.Általánosságban elmondható, hogy az áttekintett szabványok között az ajánlott maximális OT tekintetében az eltérés európai és amerikai álláspontra osztható.
A rozsdamentes acélokra vonatkozó európai anyagspecifikációs szabványok (pl. EN 10028-7, EN 10217-7) maximum 250 °C-os OT-t tartalmaznak, mivel az anyagtulajdonságok csak ezen hőmérsékletig biztosíthatók.Ezenkívül a nyomástartó edényekre és a csővezetékekre vonatkozó európai tervezési szabványok (EN 13445 és EN 13480) nem adnak további információt a maximális OT-ról az anyagszabványaikban megadottak alapján.
Ezzel szemben az amerikai anyagspecifikáció (pl. ASME SA-240 az ASME II-A szekciójában) egyáltalán nem ad megemelt hőmérsékleti adatokat.Ezeket az adatokat ehelyett az ASME II-D, „Tulajdonságok” szakasza tartalmazza, amely támogatja a nyomástartó edények általános építési szabályzatát, az ASME VIII-1 és VIII-2 szekció (ez utóbbi egy fejlettebb tervezési utat kínál).Az ASME II-D-ben a maximális OT kifejezetten 316 °C-ban van megadva a legtöbb duplex ötvözet esetében.
Nyomócsöves alkalmazások esetén mind a tervezési szabályokat, mind az anyagtulajdonságokat az ASME B31.3 tartalmazza.Ebben a kódban a mechanikai adatok a 316 °C-ig terjedő duplex ötvözetek esetében szerepelnek a maximális OT egyértelmű meghatározása nélkül.Ennek ellenére az információt értelmezheti úgy, hogy megfeleljen az ASME II-D-ben leírtaknak, így az amerikai szabványok maximális OT-értéke a legtöbb esetben 316 °C.
A maximális OT információn túlmenően az amerikai és az európai szabványok is azt jelzik, hogy magasabb hőmérsékleten (>250 °C) hosszabb expozíciós időknél fennáll a ridegedés veszélye, amelyet a tervezési és a szervizelési szakaszban is figyelembe kell venni.
A hegesztési varratok esetében a legtöbb szabvány nem tesz határozott kijelentést a spinodális bomlás hatásáról.Egyes szabványok (pl. ASME VIII-1, UHA 32-4 táblázat) azonban megjelölik a speciális hegesztés utáni hőkezelések elvégzésének lehetőségét.Ezek nem kötelezőek és nem is tiltottak, de végrehajtásukkor a szabványban előre meghatározott paraméterek szerint kell végrehajtani.
Amit az ipar mond
A duplex rozsdamentes acél több más gyártója által készített információkat áttekintették, hogy megtudják, mit közölnek a minőségükhöz tartozó hőmérséklet-tartományokkal kapcsolatban.A 2205-öt az ATI 315 °C-ra korlátozza, de az Acerinox ugyanennek a minőségnek az OT-ját csak 250 °C-ra állítja be.Ezek a 2205-ös fokozat felső és alsó OT határértékei, míg közöttük további OT-kat közöl az Aperam (300 °C), a Sandvik (280 °C) és az ArcelorMittal (280 °C).Ez azt mutatja, hogy a javasolt maximális OT-k széles körben elterjedtek egy minőségben, amely gyártónként nagyon hasonló tulajdonságokkal rendelkezik.
Nem mindig derül ki, hogy miért állított be egy gyártó egy bizonyos OT-t a háttérben.A legtöbb esetben ez egy adott szabványon alapul.A különböző szabványok különböző OT-ket kommunikálnak, ezért az értékek szórása.A logikus következtetés az, hogy az amerikai vállalatok az ASME szabvány állításai miatt magasabb értéket, míg az európai vállalatok az EN szabvány miatt alacsonyabb értéket.
Mire van szükségük az ügyfeleknek?
A végső alkalmazástól függően az anyagok különböző terhelései és kitettségei várhatók.Ebben a projektben a spinodális bomlás okozta ridegség volt a leginkább érdekes, mivel nagyon jól alkalmazható nyomástartó edényekben.
Vannak azonban olyan alkalmazások, amelyek a duplex minőségeket csak közepes mechanikai terhelésnek teszik ki, ilyenek például a mosók11–15.Egy másik kérés a ventilátorlapátokkal és a járókerekekkel kapcsolatos, amelyek kifáradási terhelésnek vannak kitéve.A szakirodalom azt mutatja, hogy a spinodális dekompozíció másként viselkedik, ha fáradási terhelést alkalmazunk15.Ebben a szakaszban világossá válik, hogy ezen alkalmazások maximális OT értéke nem állítható be ugyanúgy, mint a nyomástartó edényeknél.
A kérések másik csoportja csak a korrózióval kapcsolatos alkalmazásokra vonatkozik, például a tengeri kipufogógáz-mosókra.Ezekben az esetekben a korrózióállóság fontosabb, mint az OT korlátozás mechanikai terhelés esetén.Mindazonáltal mindkét tényező befolyásolja a végtermék működését, amit figyelembe kell venni a maximális OT feltüntetésekor.Ez az eset ismét eltér az előző két esettől.
Összességében, amikor tanácsot ad a vásárlónak a duplex minőséghez megfelelő maximális OT-ról, az alkalmazás típusa létfontosságú az érték meghatározásában.Ez tovább bizonyítja, hogy egy minőséghez milyen összetett az egyetlen OT beállítás, mivel az anyag felhasználásának környezete jelentős hatással van a ridegedési folyamatra.
Mi a maximális üzemi hőmérséklet duplex esetén?
Mint említettük, a maximális üzemi hőmérsékletet a spinodális bomlás nagyon alacsony kinetikája határozza meg.De hogyan mérjük ezt a hőmérsékletet, és pontosan mi az „alacsony kinetika”?Az első kérdésre könnyű a válasz.Korábban már megállapítottuk, hogy a szívósság méréseket általában a bomlás sebességének és előrehaladásának becslésére végeznek.Ezt a legtöbb gyártó által követett szabványok rögzítik.
A második kérdés, hogy mit értünk alacsony kinetikán, és hogy milyen értéken állítjuk be a hőmérsékleti határt, összetettebb.Ennek részben az az oka, hogy a maximális hőmérséklet peremfeltételeit magából a maximális hőmérsékletből (T), valamint abból a működési időből (t), amelyen keresztül ezt a hőmérsékletet fenntartjuk, összeállítjuk.Ennek a Tt-kombinációnak az érvényesítésére a „legalacsonyabb” szívósság különféle értelmezései használhatók:
• A történelmileg beállított és hegesztésekre alkalmazható alsó határ 27 Joule (J)
• A szabványokon belül többnyire 40J van beállítva határként.
• A kezdeti szívósság 50%-os csökkentését is gyakran alkalmazzák az alsó határ beállítására.
Ez azt jelenti, hogy a maximális OT-ra vonatkozó állításnak legalább három elfogadott feltételezésen kell alapulnia:
• A végtermék hőmérséklet-idő expozíciója
• A szívósság elfogadható minimális értéke
• Végső alkalmazási terület (csak kémia, mechanikai terhelés igen/nem stb.)
Összevont kísérleti tudás
A kísérleti adatok és szabványok kiterjedt felmérését követően lehetőség nyílt ajánlások összeállítására a vizsgált négy duplex minőségre vonatkozóan, lásd a 3. táblázatot. Fel kell ismerni, hogy az adatok többsége 25 °C-os hőmérsékleti lépésekkel végzett laboratóriumi kísérletekből származik. .
Azt is meg kell jegyezni, hogy ezek az ajánlások az RT hőmérsékleten megmaradó szívósság legalább 50%-ára hivatkoznak.Ha a táblázatban a „hosszabb időtartam” szerepel, nem dokumentáltak szignifikáns csökkenést szobahőmérsékleten.Ezenkívül a hegesztést csak -40 °C-on tesztelték.Végül meg kell jegyezni, hogy a DX 2304 esetében hosszabb expozíciós idő várható, tekintettel a 3000 órás tesztelés utáni nagy szívósságára.Azt azonban, hogy az expozíció milyen mértékben növelhető, további vizsgálatokkal kell igazolni.
Három fontos pontot kell megjegyezni:
• A jelenlegi eredmények azt mutatják, hogy ha vannak hegesztési varratok, az OT körülbelül 25 °C-kal csökken.
• A DX 2205 esetében a rövid távú kiugrások (több tíz óra T=375 °C-on) elfogadhatók. Mivel a DX 2304 és LDX 2101 gyengébb ötvözetű minőségek, hasonló rövid távú hőmérséklet-kiugrások is elfogadhatók.
• Ha az anyag a bomlás következtében rideggé válik, a DX 2205 esetében 550 – 600 °C-on, az SDX 2507 esetében 500 °C-on 1 órás hőkezelés segít a szívósság 70%-os visszanyerésében.
Feladás időpontja: 2023-04-04