سبيكة كانثال AF 837 مقاومة أوم ألكروم Y سبيكة فيكرال

كانثال إيه إف عبارة عن سبيكة حديد-كروم-ألومنيوم حديدية (سبيكة FeCrAl) للاستخدام في درجات حرارة تصل إلى 1300 درجة مئوية (2370 درجة فهرنهايت). تتميز هذه السبيكة بمقاومة ممتازة للأكسدة وثبات شكلي عالٍ، مما يؤدي إلى عمر طويل للعنصر.

يُستخدم سلك كانثال إيه إف عادةً في عناصر التسخين الكهربائية في الأفران الصناعية والأجهزة المنزلية.

ومن أمثلة التطبيقات في صناعة الأجهزة المنزلية عناصر الميكا المفتوحة للمحامص ومجففات الشعر، والعناصر المتعرجة الشكل لسخانات المراوح، وعناصر الملفات المفتوحة على مادة عازلة من الألياف في سخانات الزجاج الخزفي في المواقد، وفي سخانات السيراميك لألواح الغليان، والملفات على ألياف السيراميك المصبوبة لألواح الطهي ذات المواقد الخزفية، وعناصر الملفات المعلقة لسخانات المراوح، وعناصر الأسلاك المستقيمة المعلقة للمشعات وسخانات الحمل الحراري، وعناصر القنفذ لمسدسات الهواء الساخن والمشعات ومجففات الملابس.

ملخص: تتناول هذه الدراسة آلية تآكل سبيكة FeCrAl التجارية (Kanthal AF) أثناء التلدين في غاز النيتروجين (4.6) عند درجتي حرارة 900 و1200 درجة مئوية. أُجريت اختبارات متساوية الحرارة واختبارات دورية حرارية مع تغيير مدة التعرض الكلية ومعدلات التسخين ودرجات حرارة التلدين. كما أُجري اختبار الأكسدة في الهواء وغاز النيتروجين باستخدام التحليل الحراري الوزني. وتم توصيف البنية المجهرية باستخدام المجهر الإلكتروني الماسح (SEM-EDX) ومطيافية إلكترون أوجيه (AES) وتحليل حزمة الأيونات المركزة (FIB-EDX). تُظهر النتائج أن تطور التآكل يحدث من خلال تكوين مناطق نتريد موضعية تحت السطح، تتكون من جزيئات طور AlN، مما يقلل من نشاط الألومنيوم ويسبب التقصف والتقشر. وتعتمد عمليات تكوين نتريد الألومنيوم ونمو طبقة أكسيد الألومنيوم على درجة حرارة التلدين ومعدل التسخين. وقد تبين أن عملية النترجة لسبائك FeCrAl هي عملية أسرع من الأكسدة أثناء التلدين في غاز النيتروجين ذي الضغط الجزئي المنخفض للأكسجين وتمثل السبب الرئيسي لتدهور السبيكة.

مقدمة: تُعرف سبائك FeCrAl (Kanthal AF®) بمقاومتها الفائقة للأكسدة عند درجات الحرارة المرتفعة. وتُعزى هذه الخاصية الممتازة إلى تكوّن طبقة من الألومينا المستقرة ديناميكيًا حراريًا على السطح، والتي تحمي المادة من المزيد من الأكسدة [1]. على الرغم من خصائص مقاومة التآكل الفائقة، إلا أن عمر المكونات المصنعة من سبائك FeCrAl قد يكون محدودًا إذا تعرضت الأجزاء بشكل متكرر لدورات حرارية عند درجات حرارة مرتفعة [2]. أحد أسباب ذلك هو استهلاك عنصر الألومنيوم، وهو العنصر المُكوِّن للطبقة، في مصفوفة السبيكة في المنطقة تحت السطحية نتيجةً للتشقق والتصلب المتكررين لطبقة الألومينا بفعل الصدمات الحرارية. إذا انخفض محتوى الألومنيوم المتبقي عن التركيز الحرج، فلن تتمكن السبيكة من إعادة تكوين الطبقة الواقية، مما يؤدي إلى أكسدة كارثية ناتجة عن تكوّن أكاسيد الحديد والكروم سريعة النمو [3، 4]. اعتمادًا على الغلاف الجوي المحيط ونفاذية أكاسيد السطح، قد يُسهّل ذلك المزيد من الأكسدة الداخلية أو النتردة وتكوين أطوار غير مرغوب فيها في المنطقة تحت السطحية [5]. وقد أظهر هان ويونغ أنه في سبائك النيكل والكروم والألومنيوم المُكوِّنة لطبقة الألومينا، يتطور نمط معقد من الأكسدة الداخلية والنتردة [6، 7] أثناء التدوير الحراري عند درجات حرارة مرتفعة في جو هوائي، وخاصة في السبائك التي تحتوي على مُكوِّنات نتريد قوية مثل الألومنيوم والتيتانيوم [4]. ومن المعروف أن طبقات أكسيد الكروم نفاذة للنيتروجين، ويتشكل Cr2N إما كطبقة تحتية أو كراسب داخلي [8، 9]. ومن المتوقع أن يكون هذا التأثير أكثر حدة في ظل ظروف التدوير الحراري التي تؤدي إلى تشقق طبقة الأكسيد وتقليل فعاليتها كحاجز للنيتروجين [6]. يخضع سلوك التآكل بالتالي للتنافس بين الأكسدة، التي تؤدي إلى تكوين/صيانة طبقة الألومينا الواقية، ودخول النيتروجين الذي يؤدي إلى نتردة داخلية لمصفوفة السبيكة عن طريق تكوين طور AlN [6، 10]، مما يؤدي إلى تقشر تلك المنطقة بسبب التمدد الحراري الأعلى لطور AlN مقارنةً بمصفوفة السبيكة [9]. عند تعريض سبائك FeCrAl لدرجات حرارة عالية في أجواء تحتوي على الأكسجين أو مانحات أكسجين أخرى مثل H2O أو CO2، تكون الأكسدة هي التفاعل السائد، وتتشكل طبقة من الألومينا غير منفذة للأكسجين أو النيتروجين عند درجات الحرارة المرتفعة، مما يوفر حماية ضد دخولهما إلى مصفوفة السبيكة. ولكن، عند التعرض لجو اختزالي (N2 + H2)، وتشقق طبقة الألومينا الواقية، تبدأ أكسدة موضعية سريعة بتكوين أكاسيد الكروم والحديد غير الواقية، مما يوفر مسارًا مناسبًا لانتشار النيتروجين في مصفوفة الفريت وتكوين طور AlN [9]. يُستخدم جو النيتروجين الواقي (4.6) بشكل متكرر في التطبيقات الصناعية لسبائك FeCrAl. على سبيل المثال، تُعدّ سخانات المقاومة في أفران المعالجة الحرارية المزودة بجو نيتروجين واقٍ مثالًا على الاستخدام الواسع النطاق لسبائك FeCrAl في مثل هذه البيئة. أفاد الباحثون أن معدل أكسدة سبائك FeCrAlY يكون أبطأ بكثير عند التلدين في جو ذي ضغوط جزئية منخفضة للأكسجين [11]. هدفت هذه الدراسة إلى تحديد ما إذا كان التلدين في غاز النيتروجين (4.6) بنسبة نقاء 99.996% (مستوى شوائب Messer® المحدد O2 + H2O < 10 جزء في المليون) يؤثر على مقاومة التآكل لسبائك FeCrAl (Kanthal AF)، وإلى أي مدى يعتمد ذلك على درجة حرارة التلدين، وتغيراتها (التكرار الحراري)، ومعدل التسخين.