Com es distribueix la mida de les partícules de carbur en les beines de l'escalfador d'acer inoxidable 316 després del control del recuit de la solució Susceptibilitat a la corrosió intergranular en entorns àcids oxidants

L'aspecte microestructural que governa la resistència a la sensibilització

La mida, la distribució i la continuïtat de les partícules de carbur als límits de gra són crítiques per determinar si els tubs de calefacció elèctrics amb coberta d'acer inoxidable 316 exposats a àcids oxidants com l'àcid nítric o àcids mixtos que contenen clorurs resisteixen la corrosió intergranular (IGC) o fallen per un atac ràpid als límits del gra. La majoria dels carburs es dissolen en una solució sòlida després d'un recuit de la solució adequada a 1040-1100 graus seguit d'un apagat ràpid i, per tant, s'obté una estructura de límit de gra neta. Tanmateix, si el refredament de la temperatura de recuit és massa lent, o si el material es torna a escalfar posteriorment en el rang de sensibilització (450-850 graus), els carburs de crom precipiten als límits del gra. La susceptibilitat a l'IGC depèn de la distribució de la mida de partícules d'aquests carburs, és a dir, si són fins i discontinus (per sota de 0,1 µm i separats a més d'1 µm), o gruixuts i continus (formant una pel·lícula pràcticament plena al llarg de la vora). Aquí hi ha una quantificació de l'associació entre la mida de les partícules de carbur, la taxa de corrosió intergranular i la vida útil en condicions d'àcid oxidant.

Mecanisme de corrosió intergranular a partir de carburs continus

La precipitació de carburs de crom (Cr 23 C 6 ) als límits de gra en acer inoxidable 316 provoca l'esgotament de crom a la matriu veïna i es forma una zona esgotada de crom-d'una amplada d'uns 50-200 nm al voltant de cada partícula de carbur. Si l'espai entre els carburs és petit (menys de 0,5 µm entre partícules), les zones d'esgotament se superposen i formen una ruta contínua de baix-crom al llarg del límit del gra. Tanmateix, en els àcids oxidants (per exemple, . 65% d'àcid nítric en ebullició o àcids menys concentrats amb espècies oxidants), aquesta ruta-esgotada de crom es dissol preferentment amb velocitats de 10 a 100 vegades més ràpides que els interiors de gra rics en crom, la qual cosa condueix a la corrosió intergranular. Els límits de gra danyats poden corroir-se a una profunditat de 100 a 500 µm en setmanes o mesos, donant lloc a la desintegració completa de la funda. Quan els carburs són grans (0,5-2,0 µm) i estan àmpliament estesos (a més de 2-3 µm de distància), les zones d'esgotament no es superposen i el límit del gra té suficient crom (per sobre del 12%) entre les partícules per mantenir la passivitat. Els carburs no tenen un paper en la corrosió intergranular aquí. La condició microestructural clau no és tant la presència de carburs, sinó la formació d'una xarxa contínua.

Relació quantitativa entre la distribució de la mida del carbur i la taxa d'IGC

S'han establert connexions quantitatives entre les propietats de les partícules de carbur i les taxes de corrosió intergranular per a tubs 316 que s'han sotmès a un tractament tèrmic sistemàtic controlat seguit de proves d'immersió en àcid nítric en ebullició al 65% (ASTM A262 Pràctica C). S'observen taxes d'IGC inferiors a 0,1 mm/any en el material recoit totalment en solució (no hi ha carburs visibles a un augment de 1000 ×). El material amb carburs fins i continus (partícules 0,05-0,2 µm, espai <0,3 µm) té taxes d'IGC de 5-20 mm/any, suficients per destruir una paret d'1,5 mm en setmanes o mesos. El material amb carburs gruixuts i discontinus (partícules 0,5-1,5 µm, espai 2-5 µm) té índexs d'IGC inferiors a 0,5 mm per any, que és adequat per a molts serveis. La correlació de les propietats de les partícules de carbur, la història del tractament tèrmic i el rendiment previst d'IGC en àcids oxidants es resumeix a la taula següent.

Mida de les partícules de carbur, µm Espai entre partícules, µm Morfologia del carbur Condició de sensibilització, segons ASTM A26265% HNO3 Taxa d'ebullició IGC (mm/anyTemps fins a la perforació (paret de 1,5 mm)|Recomanat per al servei d'àcids oxidants)
N/A Solució totalment recoberta Cap detectat Aprovat<0.1 >15 anys Sí
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 Molt gruixut Aïllat Sense sensibilització<0.1 >15 anys Sí
El paper de la velocitat de refrigeració a partir de la temperatura de recuit de la solució

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 graus/s per sobre del rang de sensibilització) no té temps perquè els carburs es nuclein abans que la temperatura baixi dels 450 graus on la difusió del crom és insignificant. Això resulta en una estructura de carbur-sense carbur o molt gruixuda. La velocitat de refredament després del recuit de les beines de l'escalfador està determinada pel gruix de la paret i el medi d'extinció. Els tubs amb un gruix de paret d'1 a 2 mm es poden apagar amb aigua de manera eficient i assolir velocitats de refrigeració de 1000 a 2000 graus/s. Les peces més gruixudes (de 5 a 10 mm, per exemple, els blocs de brida) es refreden més lentament i requereixen un esprai d'aigua contundent o extintors de polímer per proporcionar un refredament adequat. En conjunts d'escalfadors on les brides grans es solden a beines primes, és possible que la funda no es sensibilitzi al refredar-se però la brida ho faria, de manera que l'IGC es produeix a la unió de soldadura.

Verificació de camp de la distribució del carbur i de la susceptibilitat a l'IGC

Es proporcionen tres mètodes per comprovar la distribució adequada del carbur de 316 escalfadors encapsulats per al servei d'àcid oxidant. La primera és la prova de gravat amb àcid oxàlic (ASTM A262 Pràctica A), en què una mostra polida es grava electrolíticament en àcid oxàlic al 10%. Una estructura "esglaonada" (limits de gra suaus) mostra una bona microestructura. Una estructura "de rasa" (trinxeres gravades als límits del gra) apunta a carburs continus i sensibilització. El segon procediment és la prova de -sulfat de coure-àcid sulfúric (ASTM A262 Pràctica E) on una mostra doblegada es submergeix durant 24 hores. L'esquerda al revolt=ha confirmat la sensibilització. La tercera manera consisteix a investigar directament una secció transversal-polita i gravada amb un augment de 500-1000 × mitjançant un microscopi electrònic d'escaneig. Quantitativament, la mida i l'espaiat del carbur es poden mesurar mitjançant l'anàlisi d'imatges. Per a l'adquisició, la garantia de qualitat exigible és exigir al fabricant de l'escalfador que certifici que el material de la funda passa la pràctica A de la norma ASTM A262 amb una estructura "esglaonada" i sense signes de sensibilització.

Mitigació de Microestructures Sensibilitzades

Si es descobreix que la microestructura de la funda 316 està sensibilitzada (carburs fins i continus), hi ha tres opcions. El primer és re-recuit tot l'escalfador a 1040-1100 graus seguit d'un apagat ràpid de l'aigua. Aquesta teràpia elimina els carburs i restaura la resistència a l'IGC. El re-recuit d'un escalfador acabat pot danyar l'aïllament intern de MgO, deformar la funda o oxidar els components interns. Una altra alternativa és utilitzar l'escalfador únicament en condicions no-oxidants (per exemple, clorurs neutres, àcids reductors) on no es produeixi corrosió intergranular perquè les zones esgotades de crom romanen passives. La tercera alternativa és substituir l'escalfador per un de 316L (baix carboni, per sota del 0,03 %). El baix contingut de carboni també evita la producció de carburs continus amb un refredament més lent, ja que no hi ha prou carboni per precipitar una xarxa contínua. Per al servei d'àcid oxidant, és molt recomanable especificar el 316L en lloc del 316 normal.

Conclusió: definició de microestructures lliures de carbur-en servei àcid

La susceptibilitat a la corrosió intergranular dels escalfadors embolicats d'acer inoxidable 316 en ambients àcids oxidants no es regeix per la presència o la manca de carburs sinó per la seva distribució de mida i continuïtat. Els carburs continus fins (espai entre partícules inferior a 0,5 µm) condueixen a zones privades de crom superposades que s'erosionen entre 5 i 20 mm per any. Els carburs gruixuts i discontinus (espaiat > 2 µm) no indueixen IGC ja que les zones deficients estan segregades. Els enginyers que especifiquen escalfadors per a àcid nítric, àcids barrejats o altres mitjans oxidants haurien d'exigir una prova de dispersió adequada del carbur mitjançant proves ASTM A262 i especificar 316L per oferir un marge addicional contra la sensibilització durant la fabricació. En correlacionar la mida i l'espaiat de les partícules de carbur amb taxes d'IGC mesurables, el marc que s'ofereix aquí permet als compradors seleccionar 316 beines que resisteixen l'atac intergranular en les condicions àcides més hostils.