Κράμα Kanthal AF 837 resistohm alchrome Y fecral κράμα

Το Kanthal AF είναι ένα φερριτικό κράμα 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 ανοιχτά στοιχεία μαρμαρυγία για φρυγανιέρες, στεγνωτήρες μαλλιών, σε στοιχεία σε σχήμα μαιάνδρου για αερόθερμα και ως ανοιχτά στοιχεία σε μονωτικό υλικό από ίνες σε κεραμικές γυάλινες θερμάστρες σε εστίες, σε κεραμικές θερμάστρες για πλάκες βρασμού, σε πηνία σε χυτευμένες κεραμικές ίνες για πλάκες μαγειρέματος με κεραμικές εστίες, σε κρεμαστά στοιχεία σερπαντίνα για αερόθερμα, σε κρεμαστά ευθύγραμμα στοιχεία για καλοριφέρ, θερμάστρες μεταφοράς, σε στοιχεία σκαντζόχοιρου για πιστόλια θερμού αέρα, καλοριφέρ, στεγνωτήρια ρούχων.

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 1200 °C. Πραγματοποιήθηκαν ισόθερμες και θερμοκυκλικές δοκιμές με ποικίλους συνολικούς χρόνους έκθεσης, ρυθμούς θέρμανσης και θερμοκρασίες ανόπτησης. Οι δοκιμές οξείδωσης στον αέρα και το αέριο άζωτο πραγματοποιήθηκαν με θερμοβαρυμετρική ανάλυση. Η μικροδομή χαρακτηρίζεται από ηλεκτρονική μικροσκοπία σάρωσης (SEM-EDX), φασματοσκοπία Auger ηλεκτρονίων (AES) και ανάλυση εστιασμένης δέσμης ιόντων (FIB-EDX). Τα αποτελέσματα δείχνουν ότι η εξέλιξη της διάβρωσης λαμβάνει χώρα μέσω του σχηματισμού τοπικών περιοχών νιτριδίωσης υπόγειας επιφάνειας, που αποτελούνται από σωματίδια φάσης AlN, οι οποίες μειώνουν τη δραστικότητα του αλουμινίου και προκαλούν ευθραυστότητα και θρυμματισμό. Οι διεργασίες σχηματισμού νιτριδίου Al και ανάπτυξης κλίμακας οξειδίου Al εξαρτώνται από τη θερμοκρασία ανόπτησης και τον ρυθμό θέρμανσης. Διαπιστώθηκε ότι η νιτρίδωση του κράματος FeCrAl είναι μια ταχύτερη διαδικασία από την οξείδωση κατά την ανόπτηση σε αέριο άζωτο με χαμηλή μερική πίεση οξυγόνου και αποτελεί την κύρια αιτία υποβάθμισης του κράματος.

Εισαγωγή Τα κράματα με βάση το FeCrAl (Kanthal AF ®) είναι γνωστά για την ανώτερη αντοχή τους στην οξείδωση σε υψηλές θερμοκρασίες. Αυτή η εξαιρετική ιδιότητα σχετίζεται με τον σχηματισμό θερμοδυναμικά σταθερής 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 θερμικούς κύκλους σε υψηλές θερμοκρασίες [2]. Ένας από τους λόγους για αυτό είναι ότι το στοιχείο σχηματισμού αλουμίνας, το αλουμίνιο, καταναλώνεται στη μήτρα του κράματος στην υποεπιφανειακή περιοχή λόγω της επαναλαμβανόμενης θερμοκρασιακής ρωγμάτωσης και αναμόρφωσης της αλουμίνας. Εάν η υπόλοιπη περιεκτικότητα σε αλουμίνιο μειωθεί κάτω από την κρίσιμη συγκέντρωση, το κράμα δεν μπορεί πλέον να αναμορφώσει την προστατευτική αλουμίνα, με αποτέλεσμα μια καταστροφική οξείδωση απόσπασης με τον σχηματισμό ταχέως αναπτυσσόμενων οξειδίων με βάση τον σίδηρο και το χρώμιο [3,4]. Ανάλογα με την περιβάλλουσα ατμόσφαιρα και τη διαπερατότητα των επιφανειακών οξειδίων, αυτό μπορεί να διευκολύνει την περαιτέρω εσωτερική οξείδωση ή νιτρίδωση και τον σχηματισμό ανεπιθύμητων φάσεων στην υποεπιφανειακή περιοχή [5]. Οι Han και Young έχουν δείξει ότι στα κράματα NiCrAl που σχηματίζουν άλατα αλουμίνας, αναπτύσσεται ένα πολύπλοκο πρότυπο 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 Al και Ti [4]. Τα άλατα οξειδίου του χρωμίου είναι γνωστό ότι είναι διαπερατά από το άζωτο και το Cr2N σχηματίζεται είτε ως υποστρώμα άλατος είτε ως εσωτερικό ίζημα [8,9]. Αυτό το φαινόμενο αναμένεται να είναι πιο σοβαρό υπό συνθήκες θερμικού κύκλου, οι οποίες οδηγούν σε ρωγμές από άλατα οξειδίου και μειώνουν την αποτελεσματικότητά τους ως φραγμό στο άζωτο [6]. Η συμπεριφορά διάβρωσης διέπεται επομένως από τον ανταγωνισμό μεταξύ της οξείδωσης, η οποία οδηγεί στον σχηματισμό/διατήρηση προστατευτικής αλουμίνας, και της εισόδου αζώτου που οδηγεί σε εσωτερική νιτρίδωση της μήτρας του κράματος με σχηματισμό της φάσης AlN [6,10], η οποία οδηγεί στην θρυμματισμό αυτής της περιοχής 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 H2O ή CO2, η οξείδωση είναι η κυρίαρχη αντίδραση και σχηματίζεται άλας αλουμίνας, η οποία είναι αδιαπέραστη από το οξυγόνο ή το άζωτο σε υψηλές θερμοκρασίες και παρέχει προστασία από την διείσδυσή τους στη μήτρα του κράματος. Αλλά, εάν εκτεθεί σε ατμόσφαιρα αναγωγής (N2+H2) και προστατευτική ρωγμή άλατος αλουμίνας, ξεκινά μια τοπική οξείδωση αποκόλλησης με τον σχηματισμό μη προστατευτικών οξειδίων Cr και Ferich, τα οποία παρέχουν μια ευνοϊκή οδό για τη διάχυση του αζώτου στη φερριτική μήτρα και τον σχηματισμό της φάσης AlN [9]. Η προστατευτική ατμόσφαιρα αζώτου (4.6) εφαρμόζεται συχνά στη βιομηχανική εφαρμογή κραμάτων FeCrAl. Για παράδειγμα, οι θερμαντήρες αντίστασης σε κλιβάνους θερμικής επεξεργασίας με προστατευτική ατμόσφαιρα αζώτου αποτελούν 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]. Στόχος της μελέτης ήταν να προσδιοριστεί εάν η ανόπτηση σε αέριο άζωτο (4.6) (99,996%) (επίπεδο προσμίξεων Messer® O2 + H2O < 10 ppm) επηρεάζει την αντοχή στη διάβρωση του κράματος FeCrAl (Kanthal AF) και σε ποιο βαθμό εξαρτάται από τη θερμοκρασία ανόπτησης, τη διακύμανσή της (θερμικός κύκλος) και τον ρυθμό θέρμανσης.