עבור מהנדסי תהליכים המתכננים מחממי טבילה חשמליים עבור מיכלי פסיבציה מנירוסטה בגימור מתכת ובייצור תעופה וחלל, חומצה חנקתית היא המדיום הסטנדרטי. פתרונות פסיבציה משתמשים בדרך כלל ב-20-40% חומצה חנקתית בטמפרטורות של 40-60 מעלות כדי להסיר ברזל חופשי וליצור שכבת תחמוצת כרום אחידה על חלקי נירוסטה. בתנאים אלה, פלדת אל-חלד 316 מציגה עמידות טובה בפני קורוזיה בשל האופי המחמצן של חומצה חנקתית, השומרת על הסרט הפסיבי. עם זאת, בטמפרטורות גבוהות יותר או בנוכחות כלורידים או חומרים מפחיתים, יכולה להתרחש התקפה בין-גרנולרית, במיוחד באזורים מרותכים או רגישים של הנדן. עובי דופן של 1.2 מ"מ נפוץ עבור מחממי מיכל פסיבציה בשל אילוצי מקום והצורך בהעברת חום מהירה. מאמר זה מזהה את השילוב הספציפי של ריכוז חומצה חנקתית וטמפרטורה שבו נדן של 1.2 מ"מ 316 דורש צפיפות וואט הנמוכה מתחת ל-10 W/cm² כדי למנוע התקפה בין-גרעינית.
מנגנון התקפה בין-גרגירי ב-316 חשוף לחומצה חנקתית
התקפה בין-גרנולרית ב-316 שנחשפת לחומצה חנקתית מתרחשת כאשר גבולות הגרגירים מתרוקנים מכרום עקב רגישות מריתוך או חשיפה תרמית קודמת. חומצה חנקתית תוקפת בעדיפות את אזורי הכרום המדוללים -וגורמת לקורוזיה בגבול הגרגירים שעלולה להוביל להתפוררות מלאה של המתכת. הרגישות להתקפה בין-גרנולרית בחומצה חנקתית תלויה בריכוז ובטמפרטורה. בחומצה חנקתית 20%, התקפה בין-גרנולרית משמעותית מתרחשת רק מעל 70 מעלות. בחומצה חנקתית של 30%, הסף יורד ל-60 מעלות. בחומצה חנקתית 40%, ההתקפה מתרחשת מעל 50 מעלות. בחומצה חנקתית 50%, ההתקפה מתרחשת מעל 40 מעלות. עבור מעטפת 1.2 מ"מ עם אוגן מרותך או נקודת חיבור, האזור המושפע מהחום של הריתוך הוא המיקום הפגיע ביותר. טמפרטורת פני המעטפת היא בדרך כלל 10-20 מעלות מעל טמפרטורת החומצה בתפזורת עקב צפיפות הוואטים המיושמת. בטמפרטורת כמות גדולה של 55 מעלות בחומצה חנקתית של 40%, פני המעטפת עשוי להגיע ל-70-75 מעלות, מעבר לסף של 50 מעלות להתקפה בין-גרעינית. הפחתת צפיפות הוואט מפחיתה את עליית טמפרטורת פני השטח, ועלולה לשמור על אזור הריתוך מתחת לסף ההתקפה.
ספי הורדה קריטיים עבור נדן של 1.2 מילימטר
בהתבסס על בדיקת טבילה של דגימות מרותכות של 316 בחומצה חנקתית בטמפרטורות וריכוזים הרלוונטיים לשירות הפסיבציה, מגבלות צפיפות הוואט הבאות חלות על מעטפת קיר של 1.2 מ"מ כדי למנוע התקפה בין-גרעינית באזור-החום המושפע. הערכים מניחים עליית טמפרטורת פני השטח של 15-20 מעלות ב-10 W/cm², בקנה מידה ליניארי עם צפיפות וואט.
| ריכוז חומצה חנקתית | טמפרטורת חומצה בתפזורת | טמפרטורת פני המעטפת המקסימלית ללא התקפה בין-גרגירית | צפיפות וואט מקסימלית מותרת עבור נדן של 1.2 מ"מ (עלייה של 15 מעלות ב-10 W/cm²) | פעולה מומלצת |
|---|---|---|---|---|
| 20% | 40 מעלות | 70 מעלות | 20 W/cm² | בטוח בכל צפיפות וואט מעשית |
| 20% | 50 מעלות | 70 מעלות | 13 W/cm² | הורדת ירידה מומלצת מעל 13 W/cm² |
| 20% | 60 מעלות | 70 מעלות | 7 W/cm² | דרושה הורדה |
| 20% | מעל 65 מעלות | 70 מעלות | מתחת ל-5 W/cm² | השתמש בחומר 316L או חישול |
| 30% | 40 מעלות | 60 מעלות | 13 W/cm² | בטוח בצפיפות וואט בינונית |
| 30% | 45 מעלות | 60 מעלות | 10 W/cm² | שולי ב-10 W/cm² |
| 30% | 50 מעלות | 60 מעלות | 7 W/cm² | דרושה הורדה |
| 30% | מעל 55 מעלות | 60 מעלות | מתחת ל-5 W/cm² | השתמש ב-316L או בשדרוג סגסוגת |
| 40% | 30 מעלות | 50 מעלות | 13 W/cm² | קָבִיל |
| 40% | 35 מעלות | 50 מעלות | 10 W/cm² | שׁוּלִי |
| 40% | 40 מעלות | 50 מעלות | 7 W/cm² | דרושה הורדה |
| 40% | מעל 45 מעלות | 50 מעלות | מתחת ל-5 W/cm² | השתמש ב-316L או בשדרוג סגסוגת |
| 50% | 25 מעלות | 40 מעלות | 10 W/cm² | שׁוּלִי |
| 50% | 30 מעלות | 40 מעלות | 7 W/cm² | דרושה הורדה |
| 50% | מעל 35 מעלות | 40 מעלות | מתחת ל-5 W/cm² | 316 לא מומלץ |
עבור מיכל פסיבציה טיפוסי הפועל ב-30% חומצה חנקתית וטמפרטורת כמות גדולה של 50 מעלות, נדן של 1.2 מ"מ 316 דורש הורדה לכ-7 W/cm² כדי לשמור על פני המעטפת מתחת ל-60 מעלות. בצפיפות הוואט התעשייתית הסטנדרטית של 10 W/cm², משטח המעטפת מגיע לכ-65 מעלות, והתקפה בין-גרגירית באזור החום הריתוך-ת עשויה להתרחש בתוך 3-12 חודשים.
מעטפת הפעלה בטוחה עבור נדן 1.2 מילימטר בשירות פסיביות
הטבלה הבאה מספקת את הטמפרטורה המקסימלית הבטוחה של חומצה חנקתית בתפזורת עבור מעטפת 1.2 מ"מ 316 בצפיפויות וואט שונות, בהנחה שדרגת 316L (דל פחמן) או אזור ריתוך מחושל כדי למזער את סיכון הרגישות.
| ריכוז חומצה חנקתית | צפיפות וואט 5 W/cm² (עלייה של 8 מעלות) | צפיפות וואט 8 W/cm² (עלייה של 12 מעלות) | צפיפות וואט 10 W/cm² (עלייה של 15 מעלות) | צפיפות וואט 12 W/cm² (עלייה של 18 מעלות) |
|---|---|---|---|---|
| 20% | בטוח עד 62 מעלות | בטוח עד 58 מעלות | בטוח עד 55 מעלות | בטוח עד 52 מעלות |
| 25% | בטוח עד 57 מעלות | בטוח עד 53 מעלות | בטוח עד 50 מעלות | בטוח עד 47 מעלות |
| 30% | בטוח עד 52 מעלות | בטוח עד 48 מעלות | בטוח עד 45 מעלות | בטוח עד 42 מעלות |
| 35% | בטוח עד 47 מעלות | בטוח עד 43 מעלות | בטוח עד 40 מעלות | בטוח עד 37 מעלות |
| 40% | בטוח עד 42 מעלות | בטוח עד 38 מעלות | בטוח עד 35 מעלות | בטוח עד 32 מעלות |
| 45% | בטוח עד 37 מעלות | בטוח עד 33 מעלות | בטוח עד 30 מעלות | בטוח עד 27 מעלות |
| 50% | בטוח עד 32 מעלות | בטוח עד 28 מעלות | בטוח עד 25 מעלות | לא מומלץ |
עבור מיכל פסיבציה הפועל ב-35% חומצה חנקתית ובטמפרטורה של 45 מעלות בתפזורת, למעטפת של 1.2 מ"מ 316 ב-10 W/cm² תהיה טמפרטורת פני השטח של כ-60 מעלות, החורגת מגבול הבטיחות של 47 מעלות המוצג לעיל. המחמם יהיה בסיכון להתקפה בין גרגירית. הפחתת צפיפות הוואט ל-5 W/cm² שומר על פני השטח ב-53 מעלות, שזה מתחת לגבול הבטיחות של 57 מעלות עבור 25% חומצה, אך מעל הגבול של 47 מעלות עבור 35% חומצה-, מה שמצביע על כך שיש צורך בשילוב של הורדה והתאמת ריכוז.
שינויי עיצוב למניעת התקפה בין-גרגירית
כאשר תנאי תהליך הפסיבציה דורשים ריכוזים וטמפרטורות של חומצה חנקתית שיעלו את הגבולות הבטוחים עבור מעטפת 1.2 מ"מ 316, ארבעה שינויי עיצוב יכולים למנוע התקפה בין-גרגירית מבלי לשנות את חומר הנדן. הראשון הוא לציין 316L (פחמן נמוך) ולא סטנדרטי 316. תכולת הפחמן המופחתת ממזערת משקעי כרום קרביד במהלך הריתוך, מה שהופך את האזור המושפע בחום לעמיד בפני רגישות גם בטמפרטורות גבוהות יותר. 316L מעלה את סף ההתקפה הבין-גרעיני ב-10-1356 מעלות לעומת ביצוע השינוי הסטנדרטי. לאחר חישול-לריתוך של אזור חיבור האוגן. חישול אינדוקציה מקומי ל-1,050 מעלות ואחריו קירור מהיר ממיס כרום קרבידים ומשחזר עמידות בפני קורוזיה. השינוי השלישי הוא להפחית את טמפרטורת החומצה בתפזורת ב-5-10 מעלות. הפחתת טמפרטורה קטנה יכולה להאריך באופן דרמטי את חיי השירות תוך השפעה מינימלית על יעילות הפסיבציה. השינוי הרביעי הוא להגביר את זרימת החומצה על פני משטח המחמם. זרימה סוערת מפחיתה את עליית טמפרטורת פני המעטפת מ-15 מעלות ל-8-10 מעלות באותה צפיפות וואט, ולמעשה פוגעת במחמם מבלי להפחית את הספק. עבור מיכלי פסיבציה הפועלים מעל 45 מעלות בחומצה חנקתית של 30-40%, המהנדסים צריכים לשקול שדרוג לפלדת אל חלד גבוהה-סיליקון כגון Durimet 20 או סגסוגת טיטניום. חומרים אלה חסינים למעשה להתקפה בין-גרגירית בחומצה חנקתית ללא קשר לריתוך או היסטוריה תרמית. בעת ציון תנורי חימום לשירות פסיבציה, ציין תמיד את ריכוז החומצה החנקתית המדויקת, טמפרטורת הכמות הגדולה והאם למחמם יש חיבורים מרותכים. יצרן שממליץ על 316 עבור 40% חומצה חנקתית ב-50 מעלות מבלי לדון בהפחתת צפיפות הוואט או דרגת 316L אינו מספק הדרכה הנדסית מלאה. ההתקפה הבין-גרעינית של מעטפת מרותכת 1.2 מ"מ בחומצה חנקתית מתרחשת בהדרגה, ומדללת את האזור המושפע מהחום עד שהאוגן מתנתק או שהמעטפת דולפת. מניעה באמצעות מפרט מתאים יעילה הרבה יותר מבדיקה, מכיוון שלעתים קרובות ההתקפה אינה נראית עד שאזור הריתוך איבד חומר משמעותי.
