Factores limitados tempo de funcionamento
As aplicacións típicas que requiren que os materiais dúplex estean expostos a condicións de alta temperatura son os recipientes a presión, as aspas/impulsores do ventilador ou os depuradores de gases de escape.Os requisitos para as propiedades do material poden variar desde a alta resistencia mecánica ata a resistencia á corrosión. A composición química dos graos que se analizan neste artigo móstranse na táboa 1.
Descomposición espinodal
A descomposición espinodal (tamén chamada desmestura ou históricamente como fragilización a 475 °C) é un tipo de separación de fases na fase ferrítica, que se produce a temperaturas duns 475 °C.O efecto máis pronunciado é un cambio na microestrutura, provocando a formación da fase α´, que provoca a fragilidade do material.Isto, á súa vez, limita o rendemento do produto final.
A figura 1 mostra o diagrama de transición de tempo de temperatura (TTT) para os materiais dúplex estudados, coa descomposición espinodal representada na rexión de 475 °C.Cómpre sinalar que este diagrama TTT representa unha diminución da tenacidade nun 50% medida mediante ensaios de tenacidade ao impacto en especímenes Charpy-V, que normalmente se acepta como indicativo de fragilidade.Nalgunhas aplicacións pode ser aceptable unha maior diminución da dureza, o que cambia a forma do diagrama TTT.Polo tanto, a decisión de establecer un OT máximo particular depende do que se considere un nivel aceptable de fragilidade, é dicir, a redución da dureza do produto final.Cómpre mencionar que historicamente os gráficos TTT tamén se produciron utilizando un limiar establecido, como 27J.
Aleacións superiores
A Figura 1 mostra que o aumento dos elementos de aliaxe desde o grao LDX 2101 cara ao grao SDX 2507 leva a unha taxa de descomposición máis rápida, mentres que o dúplex magro mostra un inicio atrasado da descomposición.O impacto dos elementos de aliaxe como o cromo (Cr) e o níquel (Ni) na descomposición e fragilización espinodal foi demostrado por investigacións anteriores. increméntase de 300 a 350 °C e é máis rápido para o SDX 2507 de grao superior de aliaxe que para o DX 2205 con menos aleación.
Esta comprensión pode ser crucial para axudar aos clientes a decidir sobre o máximo de OT que é adecuado para o seu grao e aplicación seleccionados.
Determinación da temperatura máxima
Como se mencionou anteriormente, o OT máximo para o material dúplex pódese establecer segundo a caída aceptable da dureza ao impacto.Normalmente, adóptase o OT correspondente a un valor de redución de tenacidade do 50%.
OT depende da temperatura e do tempo
A pendente nas colas das curvas no diagrama TTT da Figura 1 demostra que a descomposición espinodal non se produce só a unha temperatura limiar e se detén por baixo dese nivel.Pola contra, é un proceso constante cando os materiais dúplex están expostos a temperaturas de funcionamento inferiores a 475 °C.Non obstante, tamén está claro que, debido ás taxas de difusión máis baixas, as temperaturas máis baixas significan que a descomposición comezará máis tarde e avanzará moito máis lentamente.Polo tanto, usar material dúplex a temperaturas máis baixas pode non causar problemas durante anos ou incluso décadas.Con todo, actualmente hai unha tendencia a establecer un máximo de OT sen considerar o tempo de exposición.A pregunta clave é, polo tanto, que combinación de temperatura e tempo se debe usar para decidir se é seguro usar un material ou non?Herzman et al.10 resumen ben este dilema: "... O uso restrinxirase entón a temperaturas onde a cinética de desmesturación sexa tan baixa que non se producirá durante a vida técnica deseñada do produto...".
O impacto da soldadura
A maioría das aplicacións usan soldadura para unir compoñentes.É ben sabido que a microestrutura de soldadura e a súa química varían do material base 3 .Dependendo do material de recheo, a técnica de soldeo e os parámetros de soldeo, a microestrutura das soldaduras é principalmente diferente do material a granel.A microestrutura é normalmente máis grosa, e isto tamén inclúe a zona afectada por calor de alta temperatura (HTHAZ), que afecta a descomposición espinodal nas soldaduras.A variación da microestrutura entre a granel e as soldaduras é un tema revisado aquí.
Resumo dos factores limitantes
Os apartados anteriores levan ás seguintes conclusións:
- Todos os materiais dúplex están suxeitos
á descomposición espinodal a temperaturas arredor dos 475 °C. - Dependendo do contido da aliaxe, espérase unha taxa de descomposición máis rápida ou máis lenta.O contido maior de Cr e Ni promove unha desmestura máis rápida.
- Para configurar a temperatura máxima de funcionamento:
– Debe considerarse unha combinación de tempo de funcionamento e temperatura.
– Un nivel aceptable de diminución da tenacidade, é dicir, debe establecerse un nivel desexado de tenacidade final - Cando se introducen compoñentes microestruturais adicionais, como soldaduras, o OT máximo está determinado pola parte máis débil.
Estándares globais
Para este proxecto revisáronse varios estándares europeos e americanos.Centráronse en aplicacións en recipientes a presión e compoñentes de tubaxes.En xeral, a discrepancia sobre o máximo recomendado de OT entre os estándares revisados pódese dividir nun punto de vista europeo e americano.
As normas europeas de especificación de materiais para aceiros inoxidables (por exemplo, EN 10028-7, EN 10217-7) implican unha OT máxima de 250 °C polo feito de que as propiedades do material só se proporcionan ata esta temperatura.Ademais, as normas europeas de deseño para recipientes a presión e tubaxes (EN 13445 e EN 13480, respectivamente) non ofrecen máis información sobre o OT máximo a partir do que se indica nas súas normas de materiais.
Pola contra, a especificación do material estadounidense (por exemplo, ASME SA-240 de ASME sección II-A) non presenta ningún dato de temperatura elevada.Estes datos son proporcionados na sección II-D de ASME, "Propiedades", que admite os códigos xerais de construción para recipientes a presión, sección VIII-1 e VIII-2 de ASME (esta última ofrece unha ruta de deseño máis avanzada).En ASME II-D, o OT máximo indícase explícitamente como 316 °C para a maioría das aliaxes dúplex.
Para as aplicacións de tubos de presión, tanto as regras de deseño como as propiedades do material están indicadas na ASME B31.3.Neste código, ofrécense datos mecánicos para aliaxes dúplex ata 316 °C sen unha declaración clara de OT máximo.Non obstante, pode interpretar a información para cumprir co escrito en ASME II-D e, polo tanto, o OT máximo para os estándares americanos é na maioría dos casos de 316 °C.
Ademais da información máxima sobre OT, tanto os estándares estadounidenses como europeos implican que existe o risco de sufrir fragilización a temperaturas elevadas (>250 °C) en tempos de exposición máis longos, o que debería considerarse tanto na fase de deseño como de servizo.
Para as soldaduras, a maioría das normas non fan ningunha declaración firme sobre o impacto da descomposición espinodal.Non obstante, algunhas normas (por exemplo, ASME VIII-1, Táboa UHA 32-4) indican a posibilidade de realizar tratamentos térmicos específicos posteriores á soldadura.Estes non son nin obrigatorios nin prohibidos, pero ao realizalos deben realizarse segundo parámetros preestablecidos na norma.
O que di a industria
Revisouse a información producida por outros fabricantes de aceiro inoxidable dúplex para ver o que comunican sobre os rangos de temperatura para as súas calidades.2205 está limitado a 315 °C por ATI, pero Acerinox establece o OT para o mesmo grao en só 250 °C.Estes son os límites superior e inferior de OT para o grao 2205, mentres que, entre eles, outros OT son comunicados por Aperam (300 °C), Sandvik (280 °C) e ArcelorMittal (280 °C).Isto demostra a ampla difusión de OT máximos suxeridos só para un grao que posúe propiedades moi comparables de fabricante a fabricante.
O razoamento de fondo sobre por que un fabricante estableceu un determinado OT non sempre se revela.Na maioría dos casos, isto baséase nun estándar particular.Diferentes estándares comunican diferentes OT, de aí a difusión dos valores.A conclusión lóxica é que as empresas estadounidenses establecen un valor máis alto debido ás afirmacións da norma ASME, mentres que as empresas europeas establecen un valor máis baixo debido á norma EN.
Que necesitan os clientes?
Dependendo da aplicación final, espéranse diversas cargas e exposicións dos materiais.Neste proxecto, a fragilidade por descomposición espinodal foi de maior interese xa que é moi aplicable a recipientes a presión.
Non obstante, hai varias aplicacións que expoñen as calidades dúplex só a cargas mecánicas medias, como as fregadoras11–15.Outra solicitude estaba relacionada coas palas e impulsores do ventilador, que están expostos a cargas de fatiga.A literatura mostra que a descomposición espinodal se comporta de forma diferente cando se aplica unha carga de fatiga15.Nesta fase, queda claro que o OT máximo destas aplicacións non se pode establecer do mesmo xeito que para os recipientes a presión.
Outra clase de solicitudes é só para aplicacións relacionadas coa corrosión, como os depuradores de gases de escape mariños.Nestes casos, a resistencia á corrosión é máis importante que a limitación OT baixo unha carga mecánica.Non obstante, ambos os factores inciden no funcionamento do produto final, que hai que ter en conta á hora de indicar a OT máxima.De novo, este caso difire dos dous casos anteriores.
En xeral, ao aconsellar a un cliente a OT máxima adecuada para a súa calidade dúplex, o tipo de aplicación é de vital importancia para establecer o valor.Isto demostra aínda máis a complexidade de establecer un único OT para unha nota, xa que o ambiente no que se desprega o material ten un impacto significativo no proceso de fragilización.
Cal é a temperatura máxima de funcionamento do dúplex?
Como se mencionou, a temperatura máxima de funcionamento está establecida pola cinética moi baixa da descomposición espinodal.Pero como medimos esta temperatura e que son exactamente a "cinética baixa"?A resposta á primeira pregunta é sinxela.Xa dixemos que as medicións de dureza adoitan realizarse para estimar a velocidade e o progreso da descomposición.Establécese nos estándares seguidos pola maioría dos fabricantes.
A segunda pregunta, sobre o que se entende por cinética baixa e o valor ao que establecemos un límite de temperatura é máis complexa.Isto débese en parte a que as condicións de límite da temperatura máxima son compiladas tanto a partir da propia temperatura máxima (T) como do tempo de funcionamento (t) durante o cal se mantén esta temperatura.Para validar esta combinación de Tt, pódense utilizar varias interpretacións da dureza "máis baixa":
• O límite inferior, que se establece historicamente e que se pode aplicar para soldaduras é de 27 julios (J)
• Dentro dos estándares sobre todo 40J establécese como límite.
• A diminución do 50% da dureza inicial tamén se aplica con frecuencia para establecer o límite inferior.
Isto significa que unha declaración sobre OT máximo debe basearse en polo menos tres supostos acordados:
• Exposición temperatura-tempo do produto final
• O valor mínimo aceptable de tenacidade
• Campo de aplicación final (só química, carga mecánica si/non etc.)
Coñecementos experimentais fusionados
Tras unha extensa investigación de datos e estándares experimentais foi posible recompilar recomendacións para os catro graos dúplex que se revisan, ver a táboa 3. Débese recoñecer que a maioría dos datos se crean a partir de experimentos de laboratorio realizados con pasos de temperatura de 25 °C. .
Tamén hai que ter en conta que estas recomendacións fan referencia a polo menos o 50% da tenacidade que queda a RT.Cando na táboa se indica "período de tempo máis longo" non se documentou ningunha diminución significativa na RT.Ademais, a soldadura só se probou a -40 °C.Finalmente, hai que ter en conta que se prevé un tempo de exposición máis longo para o DX 2304, tendo en conta a súa alta tenacidade despois de 3.000 horas de proba.Non obstante, ata que punto se pode aumentar a exposición debe verificarse con probas posteriores.
Hai tres puntos importantes a ter en conta:
• Os achados actuais indican que se hai soldaduras, o OT diminúe uns 25 °C.
• Os picos a curto prazo (decenas de horas a T=375 °C) son aceptables para o DX 2205. Como DX 2304 e LDX 2101 son calidades de aliaxe máis baixas, tamén deberían aceptarse picos de temperatura comparables a curto prazo.
• Cando o material se fragiliza debido á descomposición, o tratamento térmico de mitigación a 550 – 600 °C para DX 2205 e 500 °C para SDX 2507 durante 1 hora axuda a recuperar a tenacidade nun 70 %.
Hora de publicación: 04-feb-2023