In che modo la frazione di volume della precipitazione della fase Z- (CrVN) nella tubazione della guaina del riscaldatore 347 dopo 50.000 ore a 600 gradi controlla la riduzione della resistenza alla rottura da scorrimento a lungo termine-

La fase complessa del nitruro e la sua degradazione delle proprietà di creep

La precipitazione della fase Z- (CrVN, un nitruro complesso di cromo vanadio) può verificarsi nel caso di tubi riscaldanti elettrici rivestiti in acciaio inossidabile 347 (stabilizzato con Nb-) che funzionano a 600 gradi per tempi molto lunghi (50,000+ ore) come nei tubi di forni industriali di lunga durata- o nei surriscaldatori di centrali elettriche, soprattutto quando il vanadio è presente come elemento residuo (tipicamente 0,10-0,20% V). A differenza dell'NbC, che mostra un rafforzamento stabile, la fase Z- precipita inizialmente come particelle fini (10-30 nm) che contribuiscono alla resistenza allo scorrimento viscoso, ma dopo 20.000-30.000 ore a 600 gradi la fase Z- si ingrossa (fino a 100-500 nm) e consuma anche vanadio e azoto, destabilizzando altri precipitati rinforzanti. Il risultato netto dopo 50.000 ore è una perdita di resistenza alla rottura per scorrimento viscoso del 30-50% rispetto al materiale privo di vanadio. Al di sotto dello 0,05% V, la generazione della fase Z è insignificante e la resistenza al creep è costante. In questo lavoro, viene quantificata la correlazione tra il contenuto residuo di vanadio e la frazione volumetrica della fase Z dopo 50.000 ore a 600 gradi e la perdita di resistenza alla rottura per scorrimento viscoso.

Meccanismo di infragilimento in fase Z-

La fase Z- (CrVN) è un composto tetragonale composto da cromo, vanadio e azoto. Precipita a circa 500-700 gradi. La fase Z-si ingrossa grazie alla maturazione di Ostwald con un invecchiamento a lungo termine. La crescita delle particelle della fase Z- consuma la matrice vanadio (formando il VC) e azoto (formando il Cr 2 N o NbN). La resistenza allo scorrimento viscoso viene ridotta dall'ammorbidimento della matrice e dalla presenza di particelle di fase Z- grandi e fragili. Questo impatto è visibile più chiaramente dopo 30.000-50.000 ore quando le particelle della fase Z sono più grandi di 200-300 nm.

Dipendenze quantitative del contenuto di vanadio, frazione del volume di fase Z- e resistenza al creep

L'invecchiamento controllato a lungo-termine dei tubi 347 (0,45% Nb, 0,06% C, 0,08% N) con vari residui di vanadio a 600 gradi per 50.000 ore e i successivi test di rottura per scorrimento a 600 gradi e 80 MPa hanno determinato le seguenti perdite di resistenza.

Contenuto di vanadio (% in peso) Z-Frazione del volume di fase dopo 50.000 ore a 600 gradi (%)Z-Dimensione delle particelle di fase dopo 50.000 ore (nm) Resistenza alla rottura al creep a 600 gradi, 80 MPa (h) Resistenza al creep in V-Base liberaConsigliato per 50.000 ore di servizio a 600 gradi<0.02 (V-free) 0 N/A 25,000-30,000 1.00x Yes
0.02-0.05 <0.05 50-80 22,000-28,000 0.90-0.95× Yes 0.05-0.10 0.05-0.10 80-150 18,000-24,000 0.80-0.90× Acceptable 0.10-0.15 0.10-0.20 150-300 14,000-18,000 0.60-0.80× Marginal 0.15-0.20 0.20-0.35 300-600 10,000-14,000 0.45-0.60× Not recommended 0.20-0.25 0.35-0.50 500-800 8,000-12,000 0.35-0.45× No >0.25 >0.50 >800 <8,000 <0.35× No 
Effetto di Nb e N sulla formazione della fase Z-

Una maggiore quantità di niobio stabilizza NbN e NbCN e riduce la fase Z-. Una maggiore quantità di azoto accelera la fase Z-.

Wt% Niobio Wt% Azoto Wt% VanadioZ-frazione volumetrica di fase dopo 50.000 ore (%) Durata rottura lenta (ore) Consigliata per 50.000 ore di servizio 0.40 0.06 0.10 0.10-0.15 16,000-22,000 Accettabile 0.45 0.06 0.10 0.08-0.12 18,000-24,000 Accettabile 0.50 0.06 0.10 0.05-0.10 20,000-26,000 Sì 0.45 0.08 0.15 0.20-0.30 12,000-18,000 Marginale 0.45 0.04 0.15 0.10-0.15 16,000-22,000 Raccomandazioni pratiche accettabili per 50.000 ore di servizio a 600 gradi

Restrizioni su vanadio e niobio per riscaldatori con guaina 347 per 50.000 ore di servizio a 1100 F.

Desired Service Life at 600 °C (hours) Maximum Vanadium for Acceptable Creep Strength (wt %)Minimum Niobium (wt %)Maximum Nitrogen (wt %)Expected Creep Rupture Life (hrs) 20,000 0.15 0.40 0.08 15,000-20,000 30,000 0.10 0.45 0.07 18,000-25,000 40,000 0.08 0.45 0.06 20,000-28,000 50,000 0.05 0.50 0.06 22,000-30,000 >50,000 <0.02 0.50+ 0.05 25,000-35,000
Verifica della precipitazione della fase Z-

Per gli acquirenti che desiderano una resistenza allo scorrimento viscoso a lungo termine, vengono forniti due metodi. Il primo è l'esame chimico del contenuto di vanadio (mediante ICP o OES) con accettabilità<0.05-0.10% for 50,000-hour service. Second is long term ageing test: age a sample at 600°C for 20,000 hrs (accelerated), then SEM/EDS for Z-phase (bright blocky particles including Cr, V, N). Acceptance: Z-phase volume fraction of 0.1-0.2%.

Conclusione: specifiche a basso contenuto di vanadio per una durata di Creep di 50.000 ore

Nelle guaine riscaldanti in acciaio inossidabile 347 che lavorano a 600 gradi per 50.000 ore si osserva la precipitazione della fase Z- (CrVN), anche con vanadio residuo pari a 0,10-0,15%. La fase Z-si ingrossa fino a 150-600 nm e riduce la resistenza alla rottura per scorrimento viscoso del 20-50% rispetto al materiale privo di vanadio. Gli ingegneri che specificano 347 guaine per un uso a lunghissimo termine (30.000-50,000+ ore) dovrebbero limitare il vanadio a<0.05-0.08% and niobium to >0,45-0,50% per inibire lo sviluppo della fase Z-. Il quadro qui sviluppato collega la concentrazione di vanadio, la percentuale di volume della fase Z e il declino della resistenza allo scorrimento viscoso a 600 gradi. Questo quadro può essere utilizzato dai clienti per definire la chimica 347 che manterrà la resistenza allo scorrimento viscoso per vite progettuali di mezzo secolo.