Kanthal AF alloy 837 resistohm alchrome Y fecral κράμα

Το Kanthal AF είναι ένα κράμα φερριτικού σιδήρου-χρωμίου-αλουμινίου (κράμα FeCrAl) για χρήση σε θερμοκρασίες έως 1300°C (2370°F). Το κράμα χαρακτηρίζεται από εξαιρετική αντοχή στην οξείδωση και πολύ καλή σταθερότητα μορφής με αποτέλεσμα μεγάλη διάρκεια ζωής του στοιχείου.

Το Kan-thal AF χρησιμοποιείται συνήθως σε ηλεκτρικά θερμαντικά στοιχεία σε βιομηχανικούς κλιβάνους και οικιακές συσκευές.

Παραδείγματα εφαρμογών στη βιομηχανία συσκευών είναι σε στοιχεία ανοιχτής μαρμαρυγίας για τοστιέρες, πιστολάκια μαλλιών, σε στοιχεία σε σχήμα μαιάνδρου για αερόθερμα και ως στοιχεία ανοιχτής περιέλιξης σε μονωτικό υλικό από ίνες σε κεραμικές θερμάστρες από γυαλί σε σειρές, σε κεραμικές θερμάστρες για πλάκες βρασμού, πηνία σε καλουπωμένες κεραμικές ίνες για πλάκες μαγειρέματος με κεραμικές εστίες, σε στοιχεία αιωρούμενης σερπαντίνας για αερόθερμα, σε αιωρούμενα συρμάτινα στοιχεία για καλοριφέρ, θερμάστρες μεταφοράς, σε στοιχεία σκανδάλου για πιστόλια θερμού αέρα, καλοριφέρ, στεγνωτήρια.

Περίληψη Στην παρούσα μελέτη, περιγράφεται ο μηχανισμός διάβρωσης του εμπορικού κράματος FeCrAl (Kanthal AF) κατά την ανόπτηση σε αέριο άζωτο (4.6) στους 900 °C και στους 1200 °C. Πραγματοποιήθηκαν ισοθερμικές και θερμοκυκλικές δοκιμές με ποικίλους χρόνους συνολικής έκθεσης, ρυθμούς θέρμανσης και θερμοκρασίες ανόπτησης. Η δοκιμή οξείδωσης σε αέρα και αέριο άζωτο διεξήχθη με θερμοβαρυμετρική ανάλυση. Η μικροδομή χαρακτηρίζεται από ηλεκτρονική μικροσκοπία σάρωσης (SEM-EDX), φασματοσκοπία ηλεκτρονίων Auger (AES) και ανάλυση εστιασμένης δέσμης ιόντων (FIB-EDX). Τα αποτελέσματα δείχνουν ότι η πρόοδος της διάβρωσης λαμβάνει χώρα μέσω του σχηματισμού εντοπισμένων περιοχών νιτρίδωσης υποεπιφανείας, που αποτελούνται από σωματίδια φάσης AlN, η οποία μειώνει τη δραστηριότητα του αλουμινίου και προκαλεί ευθραυστότητα και θραύση. Οι διαδικασίες σχηματισμού αλ-νιτριδίου και αύξησης κλίμακας οξειδίου του Al εξαρτώνται από τη θερμοκρασία ανόπτησης και τον ρυθμό θέρμανσης. Διαπιστώθηκε ότι η νιτρίωση του κράματος FeCrAl είναι μια ταχύτερη διαδικασία από την οξείδωση κατά τη διάρκεια της ανόπτησης σε αέριο άζωτο με χαμηλή μερική πίεση οξυγόνου και αντιπροσωπεύει την κύρια αιτία της αποικοδόμησης του κράματος.

Εισαγωγή Τα κράματα με βάση το FeCrAl (Kanthal AF ®) είναι ευρέως γνωστά για την ανώτερη αντοχή τους στην οξείδωση σε υψηλές θερμοκρασίες. Αυτή η εξαιρετική ιδιότητα σχετίζεται με το σχηματισμό θερμοδυναμικά σταθερής κλίμακας αλουμίνας στην επιφάνεια, η οποία προστατεύει το υλικό από περαιτέρω οξείδωση [1]. Παρά τις ανώτερες ιδιότητες αντοχής στη διάβρωση, η διάρκεια ζωής των εξαρτημάτων που κατασκευάζονται από κράματα με βάση το FeCrAl μπορεί να περιοριστεί εάν τα εξαρτήματα εκτίθενται συχνά σε θερμικό κύκλο σε υψηλές θερμοκρασίες [2]. Ένας από τους λόγους για αυτό είναι ότι το στοιχείο σχηματισμού αλάτων, το αλουμίνιο, καταναλώνεται στη μήτρα του κράματος στην υπόγεια περιοχή λόγω των επαναλαμβανόμενων ρωγμών με θερμικό σοκ και της αναμόρφωσης της κλίμακας αλουμίνας. Εάν η εναπομένουσα περιεκτικότητα σε αλουμίνιο μειωθεί κάτω από την κρίσιμη συγκέντρωση, το κράμα δεν μπορεί πλέον να αναμορφώσει την προστατευτική κλίμακα, με αποτέλεσμα μια καταστροφική αποσχιστική οξείδωση με το σχηματισμό ταχέως αναπτυσσόμενων οξειδίων με βάση το σίδηρο και το χρώμιο [3,4]. Ανάλογα με την περιβάλλουσα ατμόσφαιρα και τη διαπερατότητα των επιφανειακών οξειδίων, αυτό μπορεί να διευκολύνει περαιτέρω εσωτερική οξείδωση ή νιτρίωση και σχηματισμό ανεπιθύμητων φάσεων στην υπόγεια περιοχή [5]. Οι Han και Young έδειξαν ότι στην κλίμακα αλουμίνας που σχηματίζει κράματα Ni Cr Al, αναπτύσσεται ένα πολύπλοκο μοτίβο εσωτερικής οξείδωσης και νιτρίδωσης [6,7] κατά τη διάρκεια του θερμικού κύκλου σε υψηλές θερμοκρασίες σε ατμόσφαιρα αέρα, ειδικά σε κράματα που περιέχουν ισχυρούς σχηματιστές νιτριδίων όπως το Al. και Ti [4]. Οι κλίμακες του οξειδίου του χρωμίου είναι γνωστό ότι είναι διαπερατές από το άζωτο και το Cr2N σχηματίζεται είτε ως στρώμα υποκλίμακας είτε ως εσωτερικό ίζημα [8,9]. Αυτό το αποτέλεσμα μπορεί να αναμένεται να είναι πιο σοβαρό υπό συνθήκες θερμικού κύκλου που οδηγούν σε ρωγμές οξειδίων και μειώνοντας την αποτελεσματικότητά του ως φραγμού στο άζωτο [6]. Επομένως, η συμπεριφορά διάβρωσης διέπεται από τον ανταγωνισμό μεταξύ της οξείδωσης, η οποία οδηγεί στον σχηματισμό/συντήρηση της προστατευτικής αλουμίνας, και της εισόδου αζώτου που οδηγεί σε εσωτερική νιτρίωση της μήτρας του κράματος με σχηματισμό της φάσης AlN [6,10], η οποία οδηγεί στη θραύση αυτή η περιοχή λόγω της υψηλότερης θερμικής διαστολής της φάσης AlN σε σύγκριση με τη μήτρα του κράματος [9]. Όταν εκτίθενται κράματα FeCrAl σε υψηλές θερμοκρασίες σε ατμόσφαιρες με οξυγόνο ή άλλους δότες οξυγόνου όπως το H2O ή το CO2, η οξείδωση είναι η κυρίαρχη αντίδραση και σχηματίζεται κλίμακα αλουμίνας, η οποία είναι αδιαπέραστη από το οξυγόνο ή το άζωτο σε υψηλές θερμοκρασίες και παρέχει προστασία από την εισβολή τους στο μήτρα κράματος. Όμως, εάν εκτεθεί σε αναγωγική ατμόσφαιρα (N2+H2) και προστατευτική ρωγμή αλυσίματος, μια τοπική αποσπασματική οξείδωση ξεκινά με το σχηματισμό μη προστατευτικών οξειδίων Cr και Ferich, τα οποία παρέχουν μια ευνοϊκή διαδρομή για τη διάχυση αζώτου στη φερριτική μήτρα και το σχηματισμό φάσης AlN [9]. Η προστατευτική (4.6) ατμόσφαιρα αζώτου εφαρμόζεται συχνά στη βιομηχανική εφαρμογή κραμάτων FeCrAl. Για παράδειγμα, οι θερμαντήρες αντίστασης σε κλιβάνους θερμικής επεξεργασίας με προστατευτική ατμόσφαιρα αζώτου είναι ένα παράδειγμα της ευρείας εφαρμογής των κραμάτων FeCrAl σε ένα τέτοιο περιβάλλον. Οι συγγραφείς αναφέρουν ότι ο ρυθμός οξείδωσης των κραμάτων FeCrAlY είναι σημαντικά πιο αργός κατά την ανόπτηση σε ατμόσφαιρα με χαμηλές μερικές πιέσεις οξυγόνου [11]. Ο στόχος της μελέτης ήταν να προσδιοριστεί εάν η ανόπτηση σε (99,996%) αέριο άζωτο (4,6) (επίπεδο ακαθαρσίας προδιαγραφών Messer® O2 + H2O < 10 ppm) επηρεάζει την αντοχή στη διάβρωση του κράματος FeCrAl (Kanthal AF) και σε ποιο βαθμό εξαρτάται σχετικά με τη θερμοκρασία ανόπτησης, τη διακύμανσή της (θερμικός κύκλος) και το ρυθμό θέρμανσης.