Hur kontrollerar volymfraktionen av primära karbider efter 1 050 graders lösningsglödgning av 316 värmemantelslangar intergranulär korrosionsbeständighet i kokande salpetersyra

Karbidupplösningsparametern för överensstämmelse med ASTM A262 praxis C

För elektriska värmerör mantlade med 316 rostfritt stål som används för oxiderande syra (t.ex. salpetersyravärmare i kemisk bearbetning eller betningsbadapplikationer), är volymfraktionen av primära karbider (huvudsakligen M23C6 och MC) som finns kvar i mikrostrukturen en funktion av lösningens glödgningstemperatur och tid. Karbiderna kan endast lösas helt genom lösningsglödgningsbehandlingar vid temperaturer över 1 040 grader och genom snabb kylning. Jämviktsvolymfraktionen av primära karbider i standard 316 (0,08 %C) vid 1050 grader är cirka 0,3-0,5 % för korta uppehåll (10–15 min) och sjunker under 0,1 % efter 60 minuter. Partiell nedbrytning av karbider producerar dock kromutarmade zoner runt kvarvarande karbider som är benägna för intergranulära attacker (IGA) i kokande salpetersyra. Den maximala volymandelen av primära karbider som tillåts passera ASTM A262 Practice C (testet med 65 % kokande salpetersyra, eller Huey-testet) är cirka 0,2 %. I denna artikel kvantifieras kopplingen mellan lösningsglödgningsparametrar, primär karbidvolymfraktion och intergranulär korrosionshastighet.

Mekanism för intergranulär attack av kvarvarande karbider

I 316 är de primära karbiderna krom-rika faser (Cr₂3C6 har ungefär 90 viktprocent krom). Under lösningsglödgning vid 1 050 grader löses karbider gradvis upp och frigör krom till austenitmatrisen. Om kylningen från glödgningstemperaturen inte är tillräckligt snabb återutfälls karbiderna vid korngränserna vid kylning genom sensibiliseringsområdet (450-850 grader). Huey-testet är dock speciellt utformat för att detektera kvarvarande karbider som inte har lösts upp under lösningsglödgningen och eventuella karbider som har återutfällts. I gränsytan mellan en kvarvarande karbid och austenitmatrisen reduceras kromhalten (lokalt under 12 % Cr) och en galvanisk cell bildas i den starkt oxiderande salpetersyran. Den omgivande austeniten angriper företrädesvis karbiden som löses upp och gör att karbiden faller ut och lämnar en grop eller ett dike. Volymfraktionen av olösta primära karbider är relaterad till massförlusten i Huey-testet.

Kvantitativt samband mellan korrosionshastigheten för Huey-testet och karbidvolymfraktionen

Systematisk testning av 316-slangar vid 1 050 grader med varierande lösningsglödgningsperioder följt av vattenkylning och testning enligt ASTM A262 Practice C (fem 48-timmarscykler i kokande 65 % HNO₃) har fastställt följande samband:

Lösning Glödgningstid vid 1050 grader (min.) Primär karbidvolymfraktion (%) Huey Test Korrosionshastighet (mm/år, medelvärde av 5 cykler) ASTM A262 Practice C Resultat Rekommenderas för kokande salpetersyra Service 5 (ofullständig) 0.8-1.2 1.5-2.5 Misslyckad (svår {IGA}) Nej (allvarlig IGA)-1 Misslyckad minimum) 0.2-0.4 0.4-0.8 Marginal (godkänd/underkänd borderline)Rekommenderas inte 15-20 0.15-0.25 0.25-0.45 Godkänd (okej) Ja 20-30 0.10-0.20 0.20-0.35 Godkänd (bra) Ja 30-45 0.05-0.12 0.15-0.25 Godkänd (bra)Bäst för förlängd livslängdRekommenderas45-600.02-0.080.10-0.20Godkänd (bra)60<0.02 (grain growth) 0.08-0.15 Pass (but danger of grain coarsening) Acceptable with management of grain size
Effekt av kolinnehåll på erforderlig glödgningstid

Standard 316 (0,08 % C max) kräver längre glödgningstid för att lösa upp karbider än 316L (0,03 % C max). Tabell 2 Rekommenderade lägsta glödgningsperioder för lösning vid 1 050 grader för olika kolhalter

Kolhalt (vikt%) Minsta glödgningstid vid 1 050 grader för volymfraktion av karbid<0.2% (min)Recommended Time for Huey Test Pass (minutes) Water Quench?5 10 Yes
0,020-0,030(316L)10 15 Ja 0.030-0.040 15 20 Ja 0.040-0.050 20 25-30 Ja 0.050-0.060 25 30-35 Ja 0,060-0,080 (standard 316) 30 40-50 Ja
Praktiska glödgningsspecifikationer för salpetersyraservice

Rekommenderade lösningsglödgningsparametrar för 316 mantlade värmare för användning i kokande salpetersyra eller andra kraftigt oxiderande syror är följande.

Service Allvarlighet Rekommenderad Legering Minsta lösning Glödgningstemperatur ( grad ) Minsta glödgningstid (minuter) Kylmetod Acceptanstest
Intermittent, utspädd HNO₃ (<20%) 316L 1040 15 Water quench ASTM A262 Practice A (step structure)
Kontinuerlig 20-50 % HNO3 316L 1,050 20-30 Vattensläckning ASTM A262 Practice C (0,5 mm/år)
Konstant, 50-65 % HNO₃ 316L (lågt kol) 1 050-1,060 30-45 Vattensläckning ASTM A262 Practice C (<0.3 mm/year)
65 % HNO₃ (Huey testmiljö) Kokande 304L eller 316L extra lågkolhalt 1,060 45-60 Vattenkylning ASTM A262 Practice C (<0.2 mm/year)
Karbidupplösning och IGA-motståndsfältvalidering

Metallografisk studie efter etsning med elektrolytisk oxalsyra (ASTM A262 praxis A) visar mikrostrukturen hos värmare som har misslyckats med salpetersyra. "Steg"-strukturen (släta korngränser, inga diken) antyder att karbidupplösningen och IGA-resistensen är tillfredsställande. En "dike"-struktur (etsning av gropar vid korngränser) antyder sensibilisering eller kvarvarande karbider och förutsäger misslyckande i Huey-testet. ASTM A262 Practice E (koppar-kopparsulfat-svavelsyratest) är ett enkelt screeningtest för verifiering av inkommande slangar. Det är mer känsligt för sensibilisering än för primära karbider, men är fortfarande användbart. Det avgörande testet är själva Huey-testet ( Övning C ). Det tar dock 10-15 dagar att slutföra.

Slutsats: Definition av fullständig karbidupplösning för salpetersyraservice

För 316 inkapslade värmare i rostfritt stål med kokande salpetersyra måste volymandelen av primära karbider som finns kvar efter lösningsglödgning vara mindre än 0,2 % för att uppfylla ASTM A262 Practice C och ge adekvat intergranulär korrosionsbeständighet. att göra detta. Vanlig 316 (0,08 % C) kräver glödgning vid 1050 grader i 40 till 50 minuter och vattensläckning. 316L (0,03 % C) tar 15-20 minuter. Ingenjörer som specificerar 316 höljen för oxiderande syra bör behöva bekräftelse av lösningens glödgningsparametrar (temperatur, varaktighet, härdningsmetod) och, för viktiga applikationer, testresultat från ASTM A262 Practice C med maximal korrosionshastighet angiven (t.ex. 0,3 mm/år). Ramverket som utvecklas här länkar primär karbidvolymfraktion till mätbara Huey-testkorrosionshastigheter, vilket gör att köpare kan specificera lösningsglödgningsmetoder som utvecklar karbidfria mikrostrukturer som är resistenta mot intergranulära angrepp i de mest aggressiva salpetersyramiljöerna.