電熱輻射管失效的原因是什么?電熱輻射管失效分析的研究

　　1.前言

　　電熱輻射管是可控氣氛熱處理爐的關鍵件,目前使用廠家大部分仍依賴于進口。為研究開發國產輻射管,對北京液壓件三廠已使用近兩年的電熱輻射管進行了全面的失效分析。
 

　　2.使用狀態

　　電熱輻射管垂直安裝在UNIC多用爐上。多用爐屬周期式爐型,開機、關機情況較頻繁。

　　在爐子升溫、降溫過程中,輻射管在700℃以下工作時,爐內為氧化氣氛。在高于700℃以上時爐內為還原、滲碳氣氛。在正常工作(滲碳氣氛,碳勢在0.8%~1.1% C)時,沿輻射管軸向溫度梯度見圖1從圖1可看出,輻射管A段在妒體外部,使用溫度為室溫~100℃之間;B段在隔熱層區,使用溫度為100~950℃之間:C段在多用爐工作溫度區,使用溫度為950t。
 

　　3.失效分析條件

　　3.1 檢測部位

　　如圖1所示,分別在輻射管所處的3個溫度區域中的d、e、f位置截取試樣。在輻射管發熱芯上裁取了電熱元件試塊。
 

　　3.2 檢測儀器

　　采用掃描電鏡對材料組織進行分析。

　　使用化學分析法測定材料的化學成分。

　　使用D/max-YA型z光射線衍射測定材料的相結構。

　　采用金相法分析材料組織形態
 

       4.結果及分析

　　(1)在輻射管外管d處取樣進行分析,該骨材的合金含量見表1.金相組織見圖2

　　從圖2中可看出,該材料是奧氏體型耐熱鋼。這樣與表1中含量相吻合,故相當于我國 Cr23Ni14牌號的耐熱鋼板.

　　(2)在輻射管外管廠處取樣進行分析,見圖3中的黑色組織(A點)及在黑色組織附近的白色組織中(B點),Cr.Ni含量見表2

　　從表2中可看出,A點Cr的含量達20%,而B點Cr的含量為3%,只為原始材料中的 14%。從圖3中可看出,黑色組織的深度已達0.65 mm。造成上述現象在于基體善碳后,大量的餡以碳化物或氧化物的形態出現在晶界上,而晶內貧鉻,抗氧化性能極差。

　　(3)輻射管外管e處是輻射管失效最嚴重的地方。國內許多廠家也有此現象[1],該處的使用溫度處在100~950 ℃的中間位置,估計在400~800℃之間。e處的宏觀照片見圖4,e處取樣的金相組織見圖5

　　從圖4看出,2 mrm厚的Cr23Ni14耐熱鋼板已被氣體腐蝕穿。與f處黑色組織層深度比為2 :0.65,是其損壞層深度的3倍。從圖5可看出,在被腐蝕成孔洞的斷面上呈鋸齒形,經z光衍射斷面上的相結構發現在其斷面上有大量的碳化物CrC.CzsC、氧化物CrO、CrO3生成。

　　造成上述現象的原因在于: ①碳的來源 在多用爐進行滲碳時,一殷溫度選在930℃,氣氛碳勢控制在1% 1.2%之間。氣氛中C0含量在20%-30%之間.C02含量在0.2%左右,通過方程式:2c0 =002+1C1來實施滲碳工藝。e點所處溫度在 400~800℃之間,在該溫度區域,滲碳氣氛將發生很大的變化,見圖6

　　以圖6可看出,隨溫度的降低,C0%含量不斷減少,C02含量將接近100%。這樣,大約 20%~30%C0要分解為Co2 + [C].[C]析出部分潘入金屬表面,一部分變成碳黑依附在輻射管外管e處(C0在金屬表面的分解速度是而且上述析出的碳與滲碳氣氛同時存在,這樣,在輻財外臂e處的碳源是充分的、源源不斷的。
 

　　②基體滲碳 眾所周知,耐熱鋼中的碳含量要嚴格控制。一般含碳量<0.1%。由于絡與碳的親和力大于鐵。碳的存在將與鉻形成一系列碳化物.如圖7所示。

　　圖7 鐵-碳-餡三元狀態圖在650℃的等淚藏面從圖7看出,隨著鉻含量的增加,基體中 CrC.CrCs.CrgG生成,當鉻含量> 12%時,以生成CryC為主[2)。在不斷升溫、降溫過程中,含鉻碳化物不斷析出,見圖8

　　從圖8看出,在降溫過程中,碳化物沿著 A-B曲線不斷析出。使基體中的鉻含量大量損失。尤其是CrG,的析出,該碳化物的碳與鉻的重量比為1:17,即鋼中17倍于碳量的鉻要被用于形成碳化物。

　　在升溫過程中,由于CrzG在奧氏體中的溶解度為850 ℃[31,它高于e處的使用溫度,故析出的Cr2C6在升溫過程中很難溶解到奧氏體中,即損失掉的鉻很難再溶解到基體中。隨著爐于的開機、關機,基體中的儲不斷地以碳化物形態析出,直至基體貧務,喪失掉抗氧化能力。

　　從圖9看出,當基體中的含鉻量<6%時, 575℃時就氧化;當鋼中含飾量<12%時,800 ℃嚴重氧化;當含鉻量< 22%時,1000 ℃嚴重氧化。輻射管外管e處,由于使用溫度、碳源充分、形成碳化物不易重新溶解到基體,故使基體中鉻含量僅為3%,見表2在失效部位e處有大量的氧化鉻、碳化鉻生成(相結構分析結果),對照圖9可看出,由于基體中鉻含量僅為 3%,這樣,在e處的溫度下外管已更喪失了抗氧化的能力。在相結構分析中,e處試樣中有大量的氧化鉻、碳化鉻生成。故e處的失效最終是由于氧化造成的,

　　④輻射管的發熱芯,是由發熱元件串在陶瓷架上組成的,見圖10.

　　圖10電輻射管剖面圖

　　在圖10的A處截取了發熱體元件,經化學分析為:C20Ni80,并發現在B處的陶瓷盤有炸裂現象,電阻絲與外管導通,使輻射管過早損壞。先后在日本和美國DOW公司生產的輻射管上都發現有上述現象,大約占總數的5%。

　　原因在于,在不斷升溫、降溫過程中電陽絲的體積也隨之不斷膨脹、收縮,在U字型電阻絲與陶瓷盤串入處電阻絲把陶瓷盤擠裂。
 

　　5.結論

　　(1)輻射管外管的材質為Cr23Ni14,發熱體為Cr20N180電陰絲。

　　(2)外管主要失效部位在B段e處,其使用溫度在400--800℃之間。失效原因:①基體滲碳形成CraCG高鉻碳化物,該碳化物析出后,很難再重新溶解到基體中。從而使基體中鉻含量為3%,僅為原材料的14%。②基體中3%的鉻含量在400~800 ℃之間嚴重氧化。

　　(3)輻射普管芯在不斷升、降濕的過程中電阻絲冷、熱應力使瓷盤擠裂,導致該管早期損壞

　　(4)處在工作溫度950℃的外管.在0.65 mm深度沿晶界生成鉻的氧化物或碳化物。
 

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