動作温度を制限する要因
二相材料を高温条件にさらす必要がある一般的な用途は、圧力容器、ファンブレード/インペラ、または排気ガススクラバーです。材料特性の要件は、高い機械的強度から耐食性まで多岐にわたります。この記事で説明するグレードの化学組成を表 1 に示します。
スピノーダル分解
スピノーダル分解 (デミキシングまたは歴史的には 475 °C 脆化とも呼ばれる) は、フェライト相の相分離の一種であり、約 475 °C の温度で発生します。最も顕著な影響は、微細構造の変化であり、α' 相の形成を引き起こし、材料の脆化を引き起こします。これにより、最終製品のパフォーマンスが制限されます。
図 1 は、研究した二本鎖材料の温度時間遷移 (TTT) ダイアグラムを示しており、スピノーダル分解は 475 °C の領域で表されています。この TTT 図は、シャルピー V 試験片の衝撃靱性試験によって測定された靱性の 50% の減少を表しており、これは通常、脆化を示すものとして受け入れられていることに注意してください。一部の用途では、靱性の大幅な低下が許容される場合があり、これにより TTT ダイアグラムの形状が変化します。したがって、特定の最大 OT を設定する決定は、最終製品の脆化、つまり靱性の低下の許容レベルがどの程度であるとみなされるかによって決まります。歴史的に、TTT グラフは 27J などの設定されたしきい値を使用して生成されたことにも言及する必要があります。
より高級な合金グレード
図 1 は、LDX 2101 グレードから SDX 2507 グレードに向かって合金元素の増加により分解速度が速くなるのに対し、リーン二相では分解の開始が遅れることを示しています。クロム (Cr) やニッケル (Ni) などの合金元素がスピノーダル分解や脆化に及ぼす影響は、これまでの研究で示されています 5-8。この効果は図 2 にさらに示されています。これは、温度が上昇するとスピノーダル分解が増加することを示しています。温度は 300 °C から 350 °C に上昇し、合金グレードの高い SDX 2507 の方が、合金グレードが低い DX 2205 よりも速くなります。
この理解は、お客様が選択したグレードと用途に適した最大 OT を決定する際に非常に重要です。
最高温度の決定
前述したように、二相材料の最大 OT は、衝撃靱性の許容低下に応じて設定できます。通常、靱性の 50% 低下に相当する OT が採用されます。
OTは温度と時間に依存します
図 1 の TTT 図の曲線の裾の傾きは、スピノーダル分解が 1 つのしきい値温度でのみ発生し、そのレベル以下で停止するわけではないことを示しています。むしろ、二相材料が 475 °C 未満の動作温度にさらされる場合、これは一定のプロセスです。しかし、拡散速度が遅いため、温度が低いと分解の開始が遅くなり、進行が遅くなるということも明らかです。したがって、低温で二重材料を使用しても、数年または数十年は問題が発生しない可能性があります。しかし現在では、露光時間を考慮せずに最大 OT を設定する傾向があります。したがって、重要な問題は、材料を使用しても安全かどうかを判断するには、どのような温度と時間の組み合わせを使用する必要があるかということです。Herzman et al.10 は、このジレンマを次のようにうまくまとめています。「…その場合、使用は、分離の反応速度が非常に低く、製品の設計上の技術的耐用年数の間に分離が起こらない温度に限定されることになる…」。
溶接の影響
ほとんどのアプリケーションでは溶接を使用してコンポーネントを接合します。溶接の微細構造とその化学的性質が母材 3 によって異なることはよく知られています。溶加材、溶接技術、溶接パラメータに応じて、溶接部の微細構造はバルク材料とはほとんど異なります。微細構造は通常より粗く、これには溶接部のスピノーダル分解に影響を与える高温熱影響部 (HTHAZ) も含まれます。バルクと溶接部の間の微細構造の変化は、ここで検討されるトピックです。
制限要因の要約
前のセクションから次の結論が得られます。
- すべての両面印刷素材が対象です
約 475 °C の温度でスピノーダル分解が起こります。 - 合金の含有量に応じて、分解速度が速くなるか遅くなることが予想されます。Cr と Ni の含有量が高いほど、より速い分離が促進されます。
- 最大動作温度を設定するには:
– 動作時間と温度の組み合わせを考慮する必要があります。
– 靱性の低下の許容レベル、つまり最終靱性の望ましいレベルを設定する必要がある - 溶接などの追加の微細構造コンポーネントが導入されると、最大 OT は最も弱い部分によって決まります。
世界標準
このプロジェクトのために、いくつかのヨーロッパとアメリカの標準が検討されました。彼らは圧力容器や配管部品への応用に焦点を当てました。一般に、レビューされた規格間の推奨最大 OT に関する相違は、ヨーロッパとアメリカの観点に分けられます。
ステンレス鋼の欧州材料仕様規格 (EN 10028-7、EN 10217-7 など) は、材料特性がこの温度までしか提供されないという事実により、最大 OT が 250 °C であることを暗示しています。さらに、圧力容器および配管に関する欧州の設計規格 (それぞれ EN 13445 および EN 13480) では、材料規格に記載されている最大 OT に関する詳細情報は提供されていません。
対照的に、米国の材料規格 (ASME セクション II-A の ASME SA-240 など) には、高温データがまったく示されていません。このデータは、代わりに ASME セクション II-D、「プロパティ」で提供されており、圧力容器の一般的な構造規定、ASME セクション VIII-1 および VIII-2 をサポートしています (後者はより高度な設計ルートを提供します)。ASME II-D では、ほとんどの二相合金の最大 OT は 316 °C と明示されています。
圧力配管用途の場合、設計規則と材料特性の両方が ASME B31.3 に規定されています。このコードでは、最大 OT について明確な記載がなく、316 °C までの二相合金の機械的データが提供されています。それでもなお、この情報は ASME II-D に記載されている内容に準拠していると解釈できます。したがって、米国規格の最大 OT は、ほとんどの場合 316 °C です。
最大の OT 情報に加えて、アメリカとヨーロッパの両方の規格は、高温 (>250 °C) で長時間暴露すると脆化に遭遇するリスクがあることを示唆しており、設計段階とサービス段階の両方で考慮する必要があります。
溶接に関しては、ほとんどの規格でスピノーダル分解の影響について明確な記述がありません。ただし、一部の規格 (ASME VIII-1、表 UHA 32-4 など) では、特定の溶接後の熱処理を実行する可能性が示されています。これらは必須でも禁止でもありませんが、実行する場合は規格で事前に設定されたパラメータに従って実行する必要があります。
業界の言うこと
他の数社の二相ステンレス鋼メーカーが作成した情報を検討して、各メーカーがグレードの温度範囲に関して何を伝えているかを確認しました。ATI では 2205 は 315 °C に制限されていますが、Acerinox は同じグレードの OT を 250 °C にのみ設定しています。これらはグレード 2205 の OT の上限と下限であり、その間の他の OT は Aperam (300 °C)、Sandvik (280 °C)、および ArcelorMittal (280 °C) によって通知されます。これは、メーカー間で非常に同等の特性を持つ 1 つのグレードに対して推奨される最大 OT が広範囲に及ぶことを示しています。
メーカーが特定の OT を設定した理由に関する背景の理由は、必ずしも明らかにされるわけではありません。ほとんどの場合、これは 1 つの特定の標準に基づいています。異なる規格は異なる OT と通信するため、値にばらつきが生じます。論理的な結論としては、アメリカ企業は ASME 規格の記載により高い値を設定し、ヨーロッパ企業は EN 規格により低い値を設定するということになります。
顧客は何を必要としていますか?
最終的な用途に応じて、材料のさまざまな負荷と暴露が予想されます。このプロジェクトでは、スピノーダル分解による脆化が圧力容器に非常に適用可能であるため、最も興味をそそられました。
ただし、スクラバーなど、二相グレードを中程度の機械的負荷のみにさらすさまざまな用途があります11-15。もう 1 つのリクエストは、疲労負荷にさらされるファンブレードとインペラに関連するものでした。文献によれば、疲労荷重が適用されるとスピノーダル分解が異なる挙動を示すことが示されています15。この段階で、これらの用途の最大 OT は圧力容器の場合と同じ方法では設定できないことが明らかになります。
別のクラスのリクエストは、船舶の排気ガススクラバーなど、腐食関連の用途のみを対象としています。このような場合、機械的負荷の下での OT 制限よりも耐食性の方が重要です。ただし、どちらの要因も最終製品の動作に影響を与えるため、最大 OT を示す際には考慮する必要があります。繰り返しますが、このケースは前の 2 つのケースとは異なります。
全体として、お客様に二重化グレードに適した最大 OT をアドバイスする場合、値を設定する際にはアプリケーションのタイプが非常に重要です。これは、材料が使用される環境が脆化プロセスに大きな影響を与えるため、グレードに対して単一の OT を設定することが複雑であることをさらに示しています。
両面印刷の最大動作温度は何度ですか?
前述したように、最大動作温度はスピノーダル分解の非常に低い反応速度によって設定されます。しかし、この温度はどのように測定するのでしょうか?また、「低動力学」とは正確には何でしょうか?最初の質問に対する答えは簡単です。靱性測定は、分解の速度と進行を推定するために一般的に実行されることはすでに述べました。これは、ほとんどのメーカーが準拠する規格で設定されています。
2 番目の質問は、低反応速度とは何を意味するのか、および温度境界を設定する値はより複雑です。これは、最高温度の境界条件が最高温度 (T) 自体と、この温度が維持される動作時間 (t) の両方から編集されるためです。この Tt の組み合わせを検証するには、「最低」の靭性のさまざまな解釈を使用できます。
• 過去に設定され、溶接に適用できる下限は 27 ジュール (J) です。
・規格内では、多くの場合40Jが限界として設定されています。
• 初期靱性の 50% 減少も、下限を設定するために頻繁に適用されます。
これは、最大 OT に関する記述は、少なくとも 3 つの合意された仮定に基づいていなければならないことを意味します。
• 最終製品の温度と時間の暴露
• 靭性の許容可能な最小値
• 最終的な応用分野 (化学のみ、機械的負荷の有無など)
実験知識の統合
実験データと規格の広範な調査の結果、検討中の 4 つのデュプレックス グレードに対する推奨事項をまとめることができました。表 3 を参照してください。データのほとんどは、25 °C の温度ステップで実行された実験室実験から作成されたものであることを認識する必要があります。 。
これらの推奨事項は、RT で残存する靭性の少なくとも 50% について言及していることにも注意してください。表で「長期間」と示されている場合、RT での有意な減少は記録されていません。さらに、溶接部は -40 °C でのみテストされています。最後に、3,000 時間のテスト後の高い靭性を考慮すると、DX 2304 の暴露時間はさらに長くなることが予想されることに注意してください。ただし、暴露をどの程度まで増加できるかは、さらなるテストで検証する必要があります。
注意すべき重要な点が 3 つあります。
• 現在の調査結果では、溶接が存在すると OT が約 25 °C 低下することが示されています。
• 短期間の温度スパイク (T=375 °C で数十時間) は、DX 2205 では許容されます。DX 2304 および LDX 2101 は低合金グレードであるため、同等の短期間の温度スパイクも同様に許容されます。
• 材料が分解により脆化した場合、DX 2205 の場合は 550 ～ 600 °C、SDX 2507 の場合は 500 °C で 1 時間の緩和熱処理により、靭性が 70% 回復します。
投稿日時: 2023 年 2 月 4 日