آلیاژ کانتال AF 837 مقاوم در برابر حرارت کروم Y آلیاژ مدفوع

کانتال AF یک آلیاژ آهن-کروم-آلومینیوم فریتی (آلیاژ FeCrAl) برای استفاده در دماهای تا 1300 درجه سانتیگراد (2370 درجه فارنهایت) است. این آلیاژ با مقاومت عالی در برابر اکسیداسیون و پایداری فرم بسیار خوب که منجر به عمر طولانی عنصر می‌شود، مشخص می‌شود.

AF کان-تال معمولاً در المنت‌های گرمایش الکتریکی در کوره‌های صنعتی و لوازم خانگی استفاده می‌شود.

نمونه‌هایی از کاربردها در صنعت لوازم خانگی عبارتند از: المنت‌های میکای باز برای توسترها، سشوارها، المنت‌های پیچ در پیچ برای بخاری‌های فن‌دار و به عنوان المنت‌های کویل باز روی مواد عایق فیبری در بخاری‌های سرامیکی روی شیشه اجاق گاز، در بخاری‌های سرامیکی برای صفحات جوش، کویل‌های روی فیبر سرامیکی قالب‌گیری شده برای صفحات پخت و پز با اجاق‌های سرامیکی، در المنت‌های کویل معلق برای بخاری‌های فن‌دار، در المنت‌های سیم مستقیم معلق برای رادیاتورها، بخاری‌های همرفتی، در المنت‌های جوجه‌تیغی برای تفنگ‌های هوای گرم، رادیاتورها، خشک‌کن‌های لباس.

چکیده در مطالعه حاضر، مکانیسم خوردگی آلیاژ تجاری FeCrAl (Kanthal AF) در طول عملیات حرارتی آنیل در گاز نیتروژن (4.6) در دمای 900 درجه سانتیگراد و 1200 درجه سانتیگراد بررسی شده است. آزمایش‌های ایزوترمال و ترموسیکل با زمان‌های قرارگیری در معرض کل، نرخ‌های گرمایش و دمای آنیل متفاوت انجام شد. آزمایش اکسیداسیون در هوا و گاز نیتروژن با آنالیز ترموگراویمتری انجام شد. ریزساختار با میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM-EDX)، طیف‌سنجی الکترونی اوژه (AES) و آنالیز پرتو یونی متمرکز (FIB-EDX) مشخص می‌شود. نتایج نشان می‌دهد که پیشرفت خوردگی از طریق تشکیل نواحی نیتریداسیون زیرسطحی موضعی، متشکل از ذرات فاز AlN، رخ می‌دهد که فعالیت آلومینیوم را کاهش می‌دهد و باعث تردی و پوسته شدن می‌شود. فرآیندهای تشکیل نیترید آلومینیوم و رشد رسوب اکسید آلومینیوم به دمای عملیات حرارتی و نرخ گرمایش بستگی دارد. مشخص شد که نیتریداسیون آلیاژ FeCrAl فرآیندی سریع‌تر از اکسیداسیون در طول عملیات حرارتی آنیل در گاز نیتروژن با فشار جزئی اکسیژن پایین است و علت اصلی تخریب آلیاژ را نشان می‌دهد.

مقدمه آلیاژهای پایه FeCrAl (Kanthal AF ®) به دلیل مقاومت عالی در برابر اکسیداسیون در دماهای بالا شناخته شده‌اند. این خاصیت عالی مربوط به تشکیل رسوب آلومینای ترمودینامیکی پایدار روی سطح است که از ماده در برابر اکسیداسیون بیشتر محافظت می‌کند [1]. با وجود خواص مقاومت در برابر خوردگی برتر، اگر قطعات به طور مکرر در معرض چرخه‌های حرارتی در دماهای بالا قرار گیرند، طول عمر قطعات ساخته شده از آلیاژهای پایه FeCrAl می‌تواند محدود شود [2]. یکی از دلایل این امر این است که عنصر تشکیل دهنده رسوب، آلومینیوم، به دلیل ترک خوردگی مکرر ناشی از شوک حرارتی و تشکیل مجدد رسوب آلومینا، در ماتریس آلیاژ در ناحیه زیرسطحی مصرف می‌شود. اگر مقدار آلومینیوم باقی مانده به زیر غلظت بحرانی کاهش یابد، آلیاژ دیگر نمی‌تواند رسوب محافظ را تشکیل دهد و در نتیجه اکسیداسیون فاجعه‌بار با تشکیل اکسیدهای پایه آهن و کروم به سرعت در حال رشد رخ می‌دهد [3،4]. بسته به جو اطراف و نفوذپذیری اکسیدهای سطحی، این امر می‌تواند اکسیداسیون یا نیتریداسیون داخلی بیشتر و تشکیل فازهای نامطلوب در ناحیه زیرسطحی را تسهیل کند [5]. هان و یانگ نشان داده‌اند که در آلیاژهای Ni-Cr-Al که رسوب آلومینا تشکیل می‌دهند، یک الگوی پیچیده از اکسیداسیون و نیتریداسیون داخلی [6،7] در طول چرخه حرارتی در دماهای بالا در اتمسفر هوا، به ویژه در آلیاژهایی که حاوی نیتریدسازهای قوی مانند Al و Ti هستند، ایجاد می‌شود [4]. رسوبات اکسید کروم به عنوان نفوذپذیر نیتروژن شناخته می‌شوند و Cr2N یا به عنوان یک لایه زیر رسوب یا به عنوان رسوب داخلی تشکیل می‌شود [8،9]. می‌توان انتظار داشت که این اثر در شرایط چرخه حرارتی که منجر به ترک خوردگی رسوبات اکسیدی و کاهش اثربخشی آن به عنوان مانعی در برابر نیتروژن می‌شود، شدیدتر باشد [6]. بنابراین، رفتار خوردگی توسط رقابت بین اکسیداسیون، که منجر به تشکیل/نگهداری آلومینای محافظ می‌شود، و ورود نیتروژن که منجر به نیتریداسیون داخلی ماتریس آلیاژ با تشکیل فاز AlN می‌شود، کنترل می‌شود [6،10]، که منجر به پوسته شدن آن ناحیه به دلیل انبساط حرارتی بالاتر فاز AlN در مقایسه با ماتریس آلیاژ می‌شود [9]. وقتی آلیاژهای FeCrAl در معرض دماهای بالا در اتمسفرهایی با اکسیژن یا سایر اهداکنندگان اکسیژن مانند H2O یا CO2 قرار می‌گیرند، اکسیداسیون واکنش غالب است و رسوب آلومینا تشکیل می‌شود که در دماهای بالا نسبت به اکسیژن یا نیتروژن نفوذناپذیر است و از نفوذ آنها به ماتریس آلیاژ جلوگیری می‌کند. اما اگر در معرض اتمسفر احیا (N2+H2) قرار گیرند و پوسته آلومینای محافظ ترک بخورد، یک اکسیداسیون موضعی با تشکیل اکسیدهای غیرمحافظ Cr و Ferich آغاز می‌شود که مسیر مناسبی را برای نفوذ نیتروژن به ماتریس فریتی و تشکیل فاز AlN فراهم می‌کنند [9]. اتمسفر نیتروژن محافظ (4.6) اغلب در کاربردهای صنعتی آلیاژهای FeCrAl استفاده می‌شود. به عنوان مثال، بخاری‌های مقاومتی در کوره‌های عملیات حرارتی با اتمسفر نیتروژن محافظ، نمونه‌ای از کاربرد گسترده آلیاژهای FeCrAl در چنین محیطی هستند. نویسندگان گزارش می‌دهند که سرعت اکسیداسیون آلیاژهای FeCrAlY هنگام آنیل شدن در اتمسفری با فشارهای جزئی اکسیژن کم، به طور قابل توجهی کندتر است [11]. هدف از این مطالعه تعیین این بود که آیا عملیات حرارتی در گاز نیتروژن (99.996%) (4.6) (سطح ناخالصی O2 + H2O < 10 ppm مطابق با مشخصات Messer®) بر مقاومت خوردگی آلیاژ FeCrAl (Kanthal AF) تأثیر می‌گذارد و این تأثیر تا چه حد به دمای عملیات حرارتی، تغییرات آن (چرخه حرارتی) و نرخ گرمایش بستگی دارد.