סגסוגת Kanthal AF 837 resistohm alchrome Y פחם

קנת'ל AF היא סגסוגת ברזל-כרום-אלומיניום פריטית (סגסוגת FeCrAl) לשימוש בטמפרטורות של עד 1300°C (2370°F). הסגסוגת מאופיינת בעמידות מצוינת לחמצון וביציבות צורה טובה מאוד, וכתוצאה מכך אורך חיים ארוך של האלמנט.

Kan-thal AF משמש בדרך כלל בגופי חימום חשמליים בתנורים תעשייתיים ובמכשירי חשמל ביתיים.

דוגמאות ליישומים בתעשיית המכשירים הן באלמנטים של נציץ פתוח עבור טוסטרים, מייבשי שיער, באלמנטים בצורת פיתול עבור תנורי חימום מאווררים וכאלמנטים של סליל פתוח על חומר מבודד סיבים בתנורי חימום מזכוכית קרמית בכיריים, בתנורי חימום קרמיים לצלחות בישול, סלילים על סיבים קרמיים יצוקים לצלחות בישול עם כיריים קרמיות, באלמנטים של סליל תלויים עבור תנורי חימום מאווררים, באלמנטים של חוט ישר תלוי עבור רדיאטורים, תנורי הסעה, באלמנטים של דורבן עבור אקדחי אוויר חם, רדיאטורים, מייבשי כביסה.

תקציר במחקר הנוכחי, מתואר מנגנון הקורוזיה של סגסוגת FeCrAl מסחרית (Kanthal AF) במהלך חישול בגז חנקן (4.6) בטמפרטורה של 900 מעלות צלזיוס ו-1200 מעלות צלזיוס. בוצעו בדיקות איזותרמיות ותרמו-ציקליות עם זמני חשיפה כוללים משתנים, קצבי חימום וטמפרטורות חישול. בדיקת חמצון באוויר ובגז חנקן בוצעה באמצעות אנליזה תרמוגרווימטרית. המיקרו-מבנה מאופיין על ידי מיקרוסקופ אלקטרונים סורק (SEM-EDX), ספקטרוסקופיית אלקטרונים אוגר (AES) ואנליזת קרן יונים ממוקדת (FIB-EDX). התוצאות מראות כי התקדמות הקורוזיה מתרחשת באמצעות היווצרות אזורי ניטרידציה תת-קרקעיים מקומיים, המורכבים מחלקיקי פאזה AlN, אשר מפחיתים את פעילות האלומיניום וגורמים לשבירות וקילוף. תהליכי היווצרות אל-ניטריד וצמיחת אבנית אל-אוקסיד תלויים בטמפרטורת החישול ובקצב החימום. נמצא כי ניטרידציה של סגסוגת FeCrAl היא תהליך מהיר יותר מחמצון במהלך חישול בגז חנקן עם לחץ חלקי של חמצן נמוך, והיא מייצגת את הגורם העיקרי לפירוק הסגסוגת.

מבוא סגסוגות מבוססות FeCrAl (Kanthal AF ®) ידועות היטב בעמידותן המעולה לחמצון בטמפרטורות גבוהות. תכונה מצוינת זו קשורה להיווצרות אבנית אלומינה יציבה תרמודינמית על פני השטח, אשר מגנה על החומר מפני חמצון נוסף [1]. למרות תכונות עמידות מעולות לקורוזיה, אורך החיים של הרכיבים המיוצרים מסגסוגות מבוססות FeCrAl יכול להיות מוגבל אם החלקים נחשפים לעתים קרובות למחזורי תרמיה בטמפרטורות גבוהות [2]. אחת הסיבות לכך היא שהאלמנט יוצר האבנית, אלומיניום, נצרך במטריצת הסגסוגת באזור התת-קרקע עקב סדקים תרמו-הלם חוזרים ונשנים ועיצוב מחדש של אבנית האלומינה. אם תכולת האלומיניום הנותרת יורדת מתחת לריכוז הקריטי, הסגסוגת אינה יכולה עוד ליצור עיצוב מחדש של האבנית המגינה, וכתוצאה מכך חמצון קטסטרופלי על ידי היווצרות תחמוצות מבוססות ברזל וכרום הגדלות במהירות [3,4]. בהתאם לאווירה הסובבת ולחדירות של תחמוצות פני השטח, הדבר יכול להקל על חמצון פנימי נוסף או ניטרידציה ויצירת פאזות לא רצויות באזור התת-קרקע [5]. האן ויאנג הראו שבסגסוגות NiCrAl היוצרות אבנית אלומינה, מתפתח דפוס מורכב של חמצון פנימי וניטרידציה [6,7] במהלך מחזורי תרמית בטמפרטורות גבוהות באטמוספירה אווירית, במיוחד בסגסוגות המכילות יוצרי ניטריד חזקים כמו Al ו-Ti [4]. ידוע כי אבנית תחמוצת כרום חדירה לחנקן, ו-Cr2N נוצרת כשכבת תת-אבנית או כמשקע פנימי [8,9]. ניתן לצפות שהשפעה זו תהיה חמורה יותר בתנאי מחזורי תרמית המובילים לסדיקת אבנית תחמוצת ולהפחתת יעילותה כמחסום לחנקן [6]. התנהגות הקורוזיה נשלטת אפוא על ידי התחרות בין חמצון, המוביל להיווצרות/שמירה על אלומינה מגנה, לבין חדירת חנקן המובילה לניטרידציה פנימית של מטריצת הסגסוגת על ידי היווצרות פאזה AlN [6,10], מה שמוביל להתקלפות של אזור זה עקב התפשטות תרמית גבוהה יותר של פאזה AlN בהשוואה למטריצת הסגסוגת [9]. כאשר סגסוגות FeCrAl חושפות לטמפרטורות גבוהות באטמוספרות עם חמצן או תורמי חמצן אחרים כגון H2O או CO2, חמצון הוא התגובה הדומיננטית, ונוצרת אבנית אלומינה, שאינה חדירה לחמצן או חנקן בטמפרטורות גבוהות ומספקת הגנה מפני חדירתם למטריצת הסגסוגת. אך, אם נחשפים לאטמוספרת חיזור (N2+H2), ולסדקים באבנית אלומינה מגוננת, מתחיל חמצון מקומי מתנתק על ידי היווצרות תחמוצות Cr ו-Ferich שאינן מגנות, המספקות נתיב נוח לדיפוזיה של חנקן לתוך המטריצה ​​הפריטית ויצירת פאזה AlN [9]. אטמוספרת החנקן המגוננת (4.6) מיושמת לעתים קרובות ביישום תעשייתי של סגסוגות FeCrAl. לדוגמה, מחממי התנגדות בתנורי טיפול בחום עם אטמוספרת חנקן מגנה הם דוגמה ליישום נרחב של סגסוגות FeCrAl בסביבה כזו. המחברים מדווחים כי קצב החמצון של סגסוגות FeCrAlY איטי משמעותית בעת חישול באטמוספרה עם לחצים חלקיים של חמצן נמוכים [11]. מטרת המחקר הייתה לקבוע האם חישול בגז חנקן (99.996%) (4.6) (רמת טומאה של Messer® spec. O2 + H2O < 10 ppm) משפיע על עמידות בפני קורוזיה של סגסוגת FeCrAl (Kanthal AF) ובאיזו מידה זה תלוי בטמפרטורת החישול, בשונותה (מחזור תרמי) ובקצב החימום.