Sulatsinktsinkimisvannidesse sukeldatud elektrilised küttetorud töötavad ainulaadselt agressiivsetes tingimustes, mis seavad kahtluse alla tavapärased eeldused roostevabast terasest 316 korrosioonikindluse kohta. Vanni temperatuur 450–480 kraadi – tunduvalt madalam kroomkarbiidi sadestamise tüüpilisest sensibiliseerimisvahemikust 450–850 kraadi – näib austeniitsete roostevabade teraste puhul ohutu. Tsingimistehaste väljatõrked näitavad aga 316 roostevabast terasest kesta teradevahelist korrosiooni ja pragusid pärast 3–9-kuulist kasutust, hoolimata kloriidide puudumisest ja sulatsingi olemasolust, mis ei ole oma olemuselt roostevaba terast traditsioonilises elektrokeemilises mõttes söövitav. Ebaõnnestunud ümbriste metallurgiline uurimine paljastab teistsuguse mehhanismi: vedela metalli rabestumine (LME), mida põhjustab tsingi tungimine piki terade piire, kombineerituna sigma (σ) faasi - kõva, rabeda raua ja kroomi intermetallilise ühendi (FeCr) - sadestumisega. Pikendatud termiline kokkupuude 450–480 kraadi juures, ehkki karbiidide sensibiliseerimisvahemikust madalam, jääb molübdeeni{14}}sisaldavates austeniitsetes roostevabades terastes, nagu 316, sigmafaasi moodustumise kriitilises temperatuuriaknas. Sigma faas moodustub ferriidist (delta-jäljeks tahkestunud või ferriidistruktuur}{17}duktifikatsioonist. 1000–3000 tundi nendel temperatuuridel, kulutades kroomi kõrvuti asetsevatest austeniidi teradest ja tekitades kroomi{20}}vaesestatud tsoone, mis muutuvad vastuvõtlikuks tsingi teradevahelisele läbitungimisele. See artikkel kvantifitseerib sigma faasi moodustumise kineetikat tsinkimistemperatuuridel ja annab sulami valimise juhised sulatsinki töötavate kütteseadmete jaoks.
316 roostevaba terase metallurgiline ümberkujundamine galvaniseerimisvanni temperatuuridel
Standardne 316 roostevaba teras sisaldab 2–3% molübdeeni, et parandada stantsikindlust kloriidikeskkonnas. Kuid molübdeen soodustab tugevalt ka sigmafaasi moodustumist temperatuurivahemikus 450–900 kraadi, kusjuures kiireim sademete kineetika toimub ligikaudu 600 kraadi juures. Tsingimisvanni temperatuuril 450–480 kraadi moodustub sigmafaas aeglasemalt, kuid saavutab pärast pikemat kokkupuudet siiski probleemse mahuosa. 316 tsinkimistööst eemaldatud roostevabast terasest toru elektronide tagasihajumise difraktsiooni (EBSD) analüüs 6 kuu pärast (ligikaudu 4320 tundi 465 kraadi juures) näitab sigmafaasi ruumala 3–8% lähedases pinnapiirkonnas. Iga sigma osake (tavaliselt 0,5–5 µm läbimõõduga) sadestub eelnevates ferriidikohtades või piki terade piire, tarbides ümbritsevast maatriksist kroomi. Sigmaosakeste kõrval asuv kroomi-vaese tsoon võib langeda 16–18%-lt kuni 10–12%-ni – sellest ei piisa, et säilitada passiivsust tsingi rünnaku vastu.
Tsingikeskkond lisab teise mehhanismi. Sulatsink niisutab roostevabast terasest pinnad kergesti 450 kraadi juures. Tsingi aatomid difundeeruvad interstitsiaalselt piki terade piire, eriti neid, mida nõrgestavad sigmafaas või kroomi ammendumine. Tsingi difusioonikoefitsient austeniitses roostevabas terases piki tera piire 465 kraadi juures on ligikaudu 2 × 10⁻¹⁰ cm²/s – piisav tungimaks 100–200 mm toruseina 6 kuu jooksul. Kui tsink jõuab terade piiridel kriitilise kontsentratsioonini, kutsub see esile vedela metalli rabeduse, põhjustades hapraid teradevahelisi pragusid isegi madalate tõmbepingete korral, mis tulenevad ümbrise ja sisemise kütteelemendi vahelisest soojuspaisumise mittevastavusest. Pragunemine jätkub, kuni kest kaotab rõhu terviklikkuse, võimaldades sula tsingil kokku puutuda sisemise NiCr kuumutusjuhtmega, mis lahustub kiiresti vedelas tsingis, põhjustades kohese kütteseadme rikke.
Kvantifitseeritud seos kokkupuuteaja ja sigmafaasi moodustumise vahel
316 roostevabast terasest toruproovi (seina paksus 1,5 mm, välisläbimõõt 12 mm) kiirendatud laboris vananemine tsinkimisvahemikku ületavatel temperatuuridel võimaldab ennustada sigmafaasi arengut ja järelejäänud plastilisust. Proove töödeldi õhu käes kindlaksmääratud aja jooksul, seejärel lõigati metallograafiliseks analüüsiks ja allutati nelja -punkti painutuskatse, et mõõta säilinud elastsust. Temperatuur 465 kraadi valiti tüüpiliseks sulatsingi vanni töötamiseks.
| Säriaeg 465 kraadi juures (tundi) | Sigma faasi mahuosa (%) | Terade piiri kroom (massiprotsent, mõõdetud STEM{0}}EDS järgi) | Painde elastsus (murde pikenemine, % algsest) | Rikkerežiim tsingiga kokkupuute testis |
|---|---|---|---|---|
| 0 (nagu -saanud, lahus lõõmutatud) | <0.5 | 17.2 | 100% | Pärast 500 tundi ei pragune |
| 500 | 0.8 | 16.8 | 97% | Ainult pinna niisutamine, läbitungimine puudub |
| 1000 | 1.5 | 16.1 | 92% | Madal teradevaheline tsingi tungimine (20–30 µm) |
| 2000 | 3.0 | 15.2 | 83% | Tsingi läbitungimissügavus 80–120 µm |
| 3000 | 4.5 | 14.5 | 71% | Teradevahelised praod 40–60% seina paksusest |
| 4000 | 6.5 | 13.8 | 58% | Täielik perforatsioon või pragunemine 100–200 tunni jooksul |
| 6000 | 9.0 | 12.5 | 42% | Kiire rike sukeldumisel (2–10 tundi) |
Tsingimise teenuse kriitiline lävi ilmneb sigma faasi mahuosadel, mis ületavad 3% (umbes 2000 tundi 465 kraadi juures). Sellest künnisest allpool säilitavad terade piirid piisavalt kroomi, et takistada tsingi läbitungimist. Üle 3% sigmast kiireneb tsingi teradevaheline läbitungimine mittelineaarselt ja ümbrise mehaaniline terviklikkus halveneb nii hapruse kui ka lokaalse korrosiooni tõttu.
Mikrostruktuuriline sõltuvus eelnevast külmtööst ja esialgsest ferriidisisaldusest
Mitte kõik 316 roostevabast terasest torud ei käitu galvaniseerimistemperatuuril identselt. Kolm materjali muutujat mõjutavad oluliselt sigmafaasi moodustumise kineetikat: toru esialgne delta-ferriidi sisaldus tarnitud kujul, toru tõmbamise külmtöö aste ja süsinikusisaldus (316 vs 316 l). Delta-ferriit on keha-keskne kuubikujuline faas, mis moodustub austeniitsest roostevabast terasest keevisõmbluste ja valandite tahkumisel, kuid võib esineda ka sepistatud toodetes 1–10% ulatuses, sõltuvalt koostise kontrollist. Sigma faas tuumastub eelistatavalt ferriidil. 5% -tarnitud delta-ferriidiga toru saavutab 5% sigma mahuosa pärast 2500 tundi 465 kraadi juures, samas kui toru, mille delta{19}}ferriit sisaldab vähem kui 1%, vajab sama sigmataseme saavutamiseks 5000–6000 tundi.
Külmtöö kiirendab ka sigma teket. 316 roostevabast terasest toru lõplike mõõtmeteni joonistamine toob kaasa nihestused ja võib tekitada väikeses koguses deformatsioonist{2}}indutseeritud martensiiti, mis mõlemad toimivad sigmafaasi tuumade tekkekohtadena. Torud, mis on tõmmatud 15–20% väiksema ristlõikepindalaga, näitavad sigma moodustumise kiirust ligikaudu 1,5 korda kiiremini kui sama koostisega täielikult lõõmutatud torud. Tsingimise teenuse puhul tagab sigma-sademetele kõige suurema vastupidavuse lahusega lõõmutatud torudele (maksimaalselt 2% külmtöötlemine, täielikult ümberkristallitud struktuur), mille delta-ferriidi sisaldus on alla 1%.
| Materjali seisukord | Delta-Ferriidi sisaldus (maht%) | Külmtöö (%) | Aeg kuni 3% Sigma 465 kraadi juures (tunnid) | Eeldatav kasutusiga galvaniseerimisvannis |
|---|---|---|---|---|
| 316L, lahusega lõõmutatud, madala ferriidisisaldusega | <1 | <5 | 4000 – 5000 | 12-18 kuud |
| 316, lahusega lõõmutatud, standardne ferriit | 3 – 5 | <5 | 2500 – 3500 | 8-12 kuud |
| 316, nagu-tõmmatud (20% vähenemine), standardne ferriit | 3 – 5 | 15 – 20 | 1500 – 2000 | 4-8 kuud |
| 316L, -tõmmatud, madala ferriidiga | <1 | 15 – 20 | 2500 – 3500 | 8-12 kuud |
| 316H (kõrge süsinikusisaldusega), lahus lõõmutatud | 2 – 4 | <5 | 1800 – 2500 | 6-9 kuud |
Süsinikusisaldus (316H 0,04–0,10% C versus 316L 0,03% C või alla selle) avaldab sigma moodustumisele väikest mõju, kuid mõjutab oluliselt kroomkarbiidi sadestumist. Kuna tsinkimistemperatuurid on karbiidi sademete vahemiku ülemise piiri lähedal, eelistatakse 316 liitrit, et vältida primaarset karbiidiga seotud tundlikkust.
Alternatiivsed sulamid tsinkimisvanni pikendatud kasutuseaks
Kui küttekeha eeldatav kasutusiga ületab pideva galvaniseerimisega 12 kuud, pakuvad kolm alternatiivset ümbrisematerjali oluliselt paremat jõudlust kui 316 roostevaba teras, millest igaühel on teatud eelised ja kulude kompromiss-. Järgmine valikumaatriks juhib materjali valimist vanni eeldatava temperatuuri ja nõutava hooldusintervalli alusel.
| Katte materjal | Maksimaalne kasutustemperatuur ( kraad ) | Sigma faasitundlikkus | Hinnanguline eluiga 465 kraadi juures | Suhteline kulu (vs 316) | Soovitatavad galvaniseerimisrakendused |
|---|---|---|---|---|---|
| 316 roostevaba teras | 500 | Kõrge (molübdeen kiirendab sigmat) | 6-12 kuud | 1.0x | Väikesed vannid, vahelduv töö, iga-aastased seisakud |
| 310 roostevaba teras (25% Cr, 20% Ni) | 1000 | Madal (pole molübdeeni, kõrgem Ni stabiliseerib austeniiti) | 24-36 kuud | 1.8x | Pidev galvaniseerimine, keskmised{0}}kuni-suured vannid |
| Incoloy 800 (32% Ni, 21% Cr) | 1000 | Väga madal (kõrge Ni summutab sigma täielikult) | 36-60 kuud | 2.5x | Kõrge{0}}usaldusväärsus, minimaalne juurdepääs hooldusele |
| Sanicro 28 (27% Cr, 31% Ni, 3,5% Mo) | 500 | Mõõdukas (Mo on olemas, kuid kõrge Ni sisaldus stabiliseerub) | 24-30 kuud | 3.5x | Agressiivne räbusti{0}}abiga teenus kloriidide jääkidega |
| Titaan klass 2 | 300 | Ei ole kohaldatav (sigma faas pole moodustunud) | Ei sobi – oksüdatsioon üle 350 kraadi | 2.0x | Madalatemperatuurilised-tsingisulamid (<350°C only) |
310 roostevaba teras pakub enamiku pideva galvaniseerimisvannide jaoks parimat kombinatsiooni korrosioonikindlusest ja kuludest. Kõrgem niklisisaldus (20% vs 10% 316-s) stabiliseerib austeniitse struktuuri sigma moodustumise vastu isegi pärast aastaid 450–480 kraadi juures. 316-lt ümbriselt 310-le vahetatud tsinkimistehase väliandmed näitavad, et keskmine kasutusiga on pikenenud 7-lt kuult 28-le kuule, kusjuures mõned kütteseadmed töötavad rikketa kauem kui 36 kuud. Incoloy 800 tagab veelgi pikema eluea, kuid marginaalne kasu üle 310 ei pruugi õigustada 40% kõrgemaid kulusid, välja arvatud juhul, kui vanni temperatuur läheneb 500 kraadile või kui rajatis ei planeeri hooldusvälbasid, mis on pikemad kui kaks aastat.
Praktilised soovitused tsinkimise vannisoojendi spetsifikatsioonide kohta
Sulatsinktsinkimisvannide elektriküttetorusid määravatele inseneridele tulenevad välikogemusest ja laboriandmetest järgmised praktilised juhised. Vältige roostevaba terase 316 kasutamist pideva galvaniseerimise puhul, mis ületab 4000 tundi aastas. Kui 316 kasutatakse saadavuse või hinnapiirangute tõttu, määrake lahus -lõõmutatud 316L, mille dokumenteeritud delta-ferriidisisaldus on alla 1% ja maksimaalselt 5% külmtöötlemisest, ning kavandage ümbrise vahetamine iga 6–12 kuu järel. Standardseks galvaniseerimiseks temperatuuril 450–465 kraadi vannidega, mis sisaldavad üle 10 tonni tsinki, määrake 310 roostevabast terasest ümbrist seinapaksusega 2,0–2,5 mm (paksemad kui tavalised 1,2–1,5 mm vesilahuse puhul), et tagada täiendav korrosioonivaru. Tsink-alumiiniumisulamites või agressiivsete räbustijääkidega vannide puhul kaaluge Incoloy 800 kasutamist või planeerige iganädalased ümbrise paksuse mõõtmised ultrahelitesti abil, et jälgida korrosiooni progresseerumist. Kõige kriitilisem spetsifikatsioonipunkt on nõuda, et küttekeha tarnija esitaks lahuse -lõõmutatud oleku ja maksimaalse ferriidisisalduse sertifikaadi, kuna standardne lõõmutatud 316 võib sisaldada piisavalt delta-ferriiti, et põhjustada enneaegset riket, hoolimata nimikoostise nõuetele vastavusest. Mõistes, et tõrkemehhanism on sigmafaasiline rabestumine, mis võimaldab vedela metalli läbitungimist (mitte klassikalist veepõhist korrosiooni), saavad insenerid valida sobivad materjalid, mis pikendavad küttekeha eluiga kuudelt aastateni selles nõudlikus kõrgel -temperatuuril mitte-veepõhises teenuses.
