سبيكة Kanthal AF 837 مقاومة للكروم Y البرازية

Kanthal AF عبارة عن سبيكة حديدية وكروم وألومنيوم (سبائك FeCrAl) للاستخدام في درجات حرارة تصل إلى 1300 درجة مئوية (2370 درجة فهرنهايت). تتميز السبيكة بمقاومة ممتازة للأكسدة واستقرار جيد جدًا للشكل مما يؤدي إلى عمر طويل للعنصر.

يستخدم Kan-thal AF عادةً في عناصر التسخين الكهربائية في الأفران الصناعية والأجهزة المنزلية.

من أمثلة التطبيقات في صناعة الأجهزة عناصر الميكا المفتوحة للمحامص، ومجففات الشعر، والعناصر ذات الشكل المتعرج لسخانات المروحة وكعناصر الملف المفتوحة على المواد العازلة من الألياف في السخانات العلوية المصنوعة من السيراميك والزجاج في النطاقات، وفي السخانات الخزفية لألواح الغليان والملفات على ألياف السيراميك المقولبة لأطباق الطهي مع مواقد السيراميك، وفي عناصر الملف المعلقة لسخانات المروحة، وفي عناصر الأسلاك المستقيمة المعلقة للمشعات، وسخانات الحمل الحراري، وفي عناصر النيص لمسدسات الهواء الساخن، والمشعات، والمجففات.

الملخص في هذه الدراسة، تم توضيح آلية تآكل سبيكة FeCrAl التجارية (Kanthal AF) أثناء التلدين في غاز النيتروجين (4.6) عند 900 درجة مئوية و1200 درجة مئوية. تم إجراء اختبارات متساوية الحرارة ودورية حرارية مع أوقات تعرض إجمالية مختلفة ومعدلات تسخين ودرجات حرارة التلدين. تم إجراء اختبار الأكسدة في الهواء وغاز النيتروجين عن طريق التحليل الحراري الوزني. تتميز البنية المجهرية بمسح المجهر الإلكتروني (SEM-EDX)، ومطياف الإلكترون أوجيه (AES)، وتحليل شعاع الأيونات المركزة (FIB-EDX). أظهرت النتائج أن تطور التآكل يحدث من خلال تكوين مناطق نترجة موضعية تحت السطح، مكونة من جزيئات طور AlN، مما يقلل من نشاط الألومنيوم ويسبب التقصف والتشظي. تعتمد عمليات تكوين النتريد ونمو قشور الأكسيد على درجة حرارة التلدين ومعدل التسخين. لقد وجد أن نيترة سبيكة FeCrAl هي عملية أسرع من الأكسدة أثناء التلدين في غاز النيتروجين مع ضغط جزئي منخفض للأكسجين وتمثل السبب الرئيسي لتدهور السبائك.

مقدمة تشتهر السبائك المعتمدة على FeCrAl (Kanthal AF ®) بمقاومتها الفائقة للأكسدة عند درجات الحرارة المرتفعة. ترتبط هذه الخاصية الممتازة بتكوين مقياس الألومينا المستقر من الناحية الديناميكية الحرارية على السطح، والذي يحمي المادة من المزيد من الأكسدة [1]. على الرغم من خصائص المقاومة الفائقة للتآكل، فإن عمر المكونات المصنعة من السبائك القائمة على FeCrAl يمكن أن يكون محدودًا إذا تعرضت الأجزاء بشكل متكرر للتدوير الحراري عند درجات حرارة مرتفعة [2]. أحد أسباب ذلك هو أن عنصر تشكيل القشور، الألومنيوم، يتم استهلاكه في مصفوفة السبائك في المنطقة تحت السطح بسبب التشقق المتكرر بالصدمة الحرارية وإعادة تشكيل مقياس الألومينا. إذا انخفض محتوى الألومنيوم المتبقي تحت التركيز الحرج، فلن تتمكن السبيكة من إصلاح المقياس الوقائي، مما يؤدي إلى أكسدة انفصالية كارثية من خلال تكوين أكاسيد سريعة النمو تعتمد على الحديد والكروم [3،4]. اعتمادًا على الجو المحيط ونفاذية الأكاسيد السطحية، يمكن أن يسهل ذلك المزيد من الأكسدة الداخلية أو النتردة وتشكيل مراحل غير مرغوب فيها في المنطقة تحت السطح [5]. لقد أظهر هان ويونغ أنه في نطاق الألومينا الذي يشكل سبائك Ni Cr Al، يتطور نمط معقد من الأكسدة الداخلية والنتردة [6،7] أثناء التدوير الحراري عند درجات حرارة مرتفعة في الغلاف الجوي، وخاصة في السبائك التي تحتوي على صانعات نيتريد قوية مثل Al و تي [4]. من المعروف أن قشور أكسيد الكروم نفاذية للنيتروجين، وتتشكل Cr2N إما كطبقة فرعية أو كراسب داخلي [8،9]. ومن المتوقع أن يكون هذا التأثير أكثر حدة في ظل ظروف التدوير الحراري التي تؤدي إلى تكسير مقياس الأكسيد وتقليل فعاليته كحاجز للنيتروجين [6]. وبالتالي فإن سلوك التآكل يحكمه التنافس بين الأكسدة، مما يؤدي إلى تكوين/صيانة الألومينا الواقية، ودخول النيتروجين مما يؤدي إلى نيترة داخلية لمصفوفة السبائك عن طريق تكوين مرحلة AlN [6،10]، مما يؤدي إلى تشظي تلك المنطقة بسبب التمدد الحراري العالي لمرحلة AlN مقارنة بمصفوفة السبائك [9]. عند تعريض سبائك FeCrAl لدرجات حرارة عالية في أجواء تحتوي على الأكسجين أو الجهات المانحة الأخرى للأكسجين مثل H2O أو CO2، فإن الأكسدة هي التفاعل المهيمن، وتتشكل قشور الألومينا، وهي غير منفذة للأكسجين أو النيتروجين في درجات حرارة مرتفعة وتوفر الحماية ضد تدخلها في مصفوفة سبائك. ولكن، إذا تعرضت لجو اختزال (N2 + H2)، وكسر مقياس الألومينا الواقي، تبدأ الأكسدة الانفصالية المحلية بتكوين أكاسيد الكروم والفيريك غير الواقية، والتي توفر مسارًا مناسبًا لانتشار النيتروجين في المصفوفة الحديدية وتكوينها. من مرحلة AlN [9]. يتم تطبيق الغلاف الجوي النيتروجيني الوقائي (4.6) بشكل متكرر في التطبيقات الصناعية لسبائك FeCrAl. على سبيل المثال، تعد سخانات المقاومة في أفران المعالجة الحرارية ذات الغلاف الجوي الواقي من النيتروجين مثالاً على التطبيق الواسع النطاق لسبائك FeCrAl في مثل هذه البيئة. أفاد المؤلفون أن معدل أكسدة سبائك FeCrAlY يكون أبطأ إلى حد كبير عند التلدين في جو ذي ضغوط جزئية منخفضة من الأكسجين [11]. كان الهدف من الدراسة هو تحديد ما إذا كان التلدين في (99.996٪) غاز النيتروجين (4.6) (مواصفات Messer®. مستوى الشوائب O2 + H2O <10 جزء في المليون) يؤثر على مقاومة التآكل لسبائك FeCrAl (Kanthal AF) وإلى أي مدى يعتمد ذلك على درجة حرارة التلدين، وتغيرها (التدوير الحراري)، ومعدل التسخين.