Wie steuert der Volumenanteil der Ausfällung der Z-Phase (CrVN) in 347-Heizmantelrohren nach 50.000 Stunden bei 600 Grad die Verringerung der langfristigen Zeitstandfestigkeit?

Die komplexe Nitridphase und ihre Verschlechterung der Kriecheigenschaften

Die Ausfällung der Z--Phase (CrVN, ein komplexes Chrom-Vanadium-Nitrid) kann im Fall von ummantelten elektrischen Heizrohren aus Edelstahl 347 (Nb-stabilisiert) auftreten, die bei 600 Grad für sehr lange Zeiträume (50,000+ Stunden) betrieben werden, beispielsweise in langlebigen Industrieofenrohren oder Kraftwerksüberhitzern, insbesondere wenn Vanadium als Restelement vorhanden ist (typischerweise). 0,10-0,20 % V). Im Gegensatz zu NbC, das eine stabile Verfestigung aufweist, fällt die Z--Phase zunächst als feine Partikel (10-30 nm) aus, die zur Kriechfestigkeit beitragen. Nach 20.000-30.000 Stunden bei 600 Grad vergröbert die Z--Phase jedoch (auf 100–500 nm) und verbraucht auch Vanadium und Stickstoff, wodurch andere Verfestigungen destabilisiert werden fällt aus. Das Nettoergebnis nach 50.000 Stunden ist ein Verlust der Zeitstandfestigkeit von 30–50 % im Vergleich zu vanadiumfreiem Material. Unterhalb von 0,05 % V ist die Erzeugung der Z-Phase unbedeutend und die Kriechfestigkeit ist konstant. In dieser Arbeit wird die Korrelation zwischen dem Restvanadiumgehalt und dem Z-Phasen-Volumenanteil nach 50.000 Stunden bei 600 Grad und dem Verlust der Zeitstandfestigkeit quantifiziert.

Mechanismus der Z-Phasenversprödung

Die Z--Phase (CrVN) ist eine tetragonale Verbindung bestehend aus Chrom, Vanadium und Stickstoff. Es fällt etwa 500-700 Grad aus. Die Z--Phase wird durch Ostwald-Reifung im Laufe der Langzeitalterung gröber. Das Wachstum der Z--Phasenpartikel verbraucht in der Matrix Vanadium (bildet das VC) und Stickstoff (bildet das Cr 2 N oder NbN). Die Kriechfestigkeit wird durch Erweichen der Matrix und das Vorhandensein großer, spröder Z--Phasenpartikel verringert. Dieser Einfluss ist nach 30.000–50.000 Stunden am deutlichsten zu erkennen, wenn die Z-Phasen-Partikel größer als 200–300 nm sind.

Quantitative Abhängigkeiten des Vanadiumgehalts, des Z--Phasenvolumenanteils und der Kriechfestigkeit

Die kontrollierte Langzeitalterung von 347-Rohren (0,45 % Nb, 0,06 % C, 0,08 % N) mit verschiedenen Vanadiumrückständen bei 600 Grad über 50.000 Stunden und anschließende Zeitstandtests bei 600 Grad und 80 MPa haben die folgenden Festigkeitsverluste ermittelt.

Vanadiumgehalt (Gew.-%) Z-Phasenvolumenanteil nach 50.000 Stunden bei 600 Grad (%)Z-Phasenpartikelgröße nach 50.000 Stunden (nm) Zeitstandfestigkeit bei 600 Grad, 80 MPa (h)Zeitstandfestigkeit in V-Freie BasislinieEmpfohlen für 50.000 Stunden Betrieb bei 600 Grad<0.02 (V-free) 0 N/A 25,000-30,000 1.00x Yes
0.02-0.05 <0.05 50-80 22,000-28,000 0.90-0.95× Yes 0.05-0.10 0.05-0.10 80-150 18,000-24,000 0.80-0.90× Acceptable 0.10-0.15 0.10-0.20 150-300 14,000-18,000 0.60-0.80× Marginal 0.15-0.20 0.20-0.35 300-600 10,000-14,000 0.45-0.60× Not recommended 0.20-0.25 0.35-0.50 500-800 8,000-12,000 0.35-0.45× No >0.25 >0.50 >800 <8,000 <0.35× No 
Einfluss von Nb und N auf die Z--Phasenbildung

Mehr Niob stabilisiert NbN und NbCN und reduziert die Z--Phase. Höherer Stickstoff beschleunigt die Z--Phase.

Gew.% Niob, Gew.% Stickstoff, Gew.% VanadiumZ{0}}Phasenvolumenanteil nach 50.000 h (%) Kriechbruchlebensdauer (Stunden) Empfohlen für 50.000 h Betrieb 0.40 0.06 0.10 0.10-0.15 16.000–22.000 Akzeptabel 0.45 0.06 0.10 0.08-0.12 18.000–24.000 Akzeptabel 0.50 0.06 0.10 0.05-0.10 20.000–26.000 Ja 0.45 0.08 0.15 0.20-0.30 12.000-18.000 Grenz-0.45 0.04 0.15 0.10-0.15 16.000-22.000 Akzeptable praktische Empfehlungen für einen 50.000-Stunden-Betrieb bei 600 Grad

Vanadium- und Niob-Beschränkungen für 347 ummantelte Heizgeräte für 50.000 Betriebsstunden bei 1100 F.

Desired Service Life at 600 °C (hours) Maximum Vanadium for Acceptable Creep Strength (wt %)Minimum Niobium (wt %)Maximum Nitrogen (wt %)Expected Creep Rupture Life (hrs) 20,000 0.15 0.40 0.08 15,000-20,000 30,000 0.10 0.45 0.07 18,000-25,000 40,000 0.08 0.45 0.06 20,000-28,000 50,000 0.05 0.50 0.06 22,000-30,000 >50,000 <0.02 0.50+ 0.05 25,000-35,000
Z-Phasen-Niederschlagsüberprüfung

Für Käufer, die eine langfristige Kriechfestigkeit wünschen, stehen zwei Methoden zur Verfügung. Die erste ist die chemische Untersuchung des Vanadiumgehalts (durch ICP oder OES) mit Akzeptanz<0.05-0.10% for 50,000-hour service. Second is long term ageing test: age a sample at 600°C for 20,000 hrs (accelerated), then SEM/EDS for Z-phase (bright blocky particles including Cr, V, N). Acceptance: Z-phase volume fraction of 0.1-0.2%.

Fazit: Spezifikation mit niedrigem Vanadiumgehalt für eine Kriechlebensdauer von 50.000 Stunden

In Heizmänteln aus Edelstahl 347, die 50.000 Stunden lang bei 600 Grad betrieben werden, wird die Ausfällung der Z--Phase (CrVN) beobachtet, selbst bei einem Vanadiumrückstand von nur 0,10-0,15 %. Die Z-Phase vergröbert sich auf 150-600 nm und reduziert die Zeitstandfestigkeit um 20-50 % im Vergleich zum vanadiumfreien Material. Ingenieure, die 347 Hüllen für den extrem langen Einsatz (30.000–50,000+ Stunden) spezifizieren, sollten Vanadium auf beschränken<0.05-0.08% and niobium to >0,45-0,50 % zur Hemmung der Z--Phasenentwicklung. Der hier entwickelte Rahmen verknüpft die Vanadiumkonzentration, den Volumenprozentsatz der Z-Phase und den Rückgang der Kriechfestigkeit bei 600 Grad. Dieses Rahmenwerk kann von Kunden verwendet werden, um 347 Chemikalien zu definieren, die die Kriechfestigkeit für eine geplante Lebensdauer von einem halben Jahrhundert beibehalten.