Kanthal AF סגסוגת 837 resistohm alchrome Y סגסוגת צואה

Kanthal AF היא סגסוגת ברזל-כרום-אלומיניום פריטי (סגסוגת FeCrAl) לשימוש בטמפרטורות של עד 1300°C (2370°F). הסגסוגת מאופיינת בעמידות מצוינת לחמצון ויציבות צורה טובה מאוד וכתוצאה מכך חיי יסוד ארוכים.

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

דוגמה ליישומים בתעשיית המכשירים הם באלמנטים פתוחים של נציץ לטוסטרים, מייבשי שיער, באלמנטים בצורת פיתול לתנורי מאווררים וכאלמנטים סליל פתוח על חומר בידוד סיבים בתנורי זכוכית קרמיים עליון בטווחים, בתנורי חימום קרמיים לצלחות רותחות, סלילים על סיבים קרמיים יצוקים לצלחות בישול עם כיריים קרמיות, באלמנטים סליל תלויים לתנורי מאווררים, באלמנטים תיל ישרים תלויים לרדיאטורים, תנורי הסעה, באלמנטים דורבנים לאקדחי אוויר חם, רדיאטורים, מייבשי כביסה.

תקציר במחקר הנוכחי, מתואר מנגנון הקורוזיה של סגסוגת FeCrAl מסחרית (Kanthal AF) במהלך חישול בגז חנקן (4.6) ב-900 מעלות צלזיוס ו-1200 מעלות צלזיוס. בוצעו בדיקות איזותרמיות ותרמו-מחזוריות עם זמני חשיפה הכוללים, קצבי חימום וטמפרטורות חישול משתנים. בדיקת חמצון באוויר ובגז חנקן בוצעו על ידי ניתוח תרמו-גרבימטרי. המיקרו-מבנה מאופיין במיקרוסקופיה אלקטרונית סורקת (SEM-EDX), ספקטרוסקופיה של אוגר אלקטרונים (AES) וניתוח קרן יונים ממוקדת (FIB-EDX). התוצאות מראות שהתקדמות הקורוזיה מתרחשת באמצעות היווצרות אזורי חנקה תת-קרקעיים מקומיים, המורכבים מחלקיקי שלב AlN, מה שמפחית את פעילות האלומיניום וגורם להתפרקות והתפרקות. התהליכים של היווצרות אל-ניטריד וצמיחת אבנית אל-אוקסיד תלויים בטמפרטורת החישול ובקצב החימום. נמצא כי ניטרידציה של סגסוגת FeCrAl היא תהליך מהיר יותר מאשר חמצון במהלך חישול בגז חנקן בעל לחץ חלקי חמצן נמוך ומייצג את הגורם העיקרי לפירוק הסגסוגת.

הקדמה סגסוגות מבוססות FeCrAl (Kanthal AF ®) ידועות בעמידות החמצון המעולה שלהן בטמפרטורות גבוהות. תכונה מעולה זו קשורה להיווצרות אבנית אלומינה יציבה תרמודינמית על פני השטח, אשר מגינה על החומר מפני חמצון נוסף [1]. למרות תכונות עמידות בפני קורוזיה מעולות, ניתן להגביל את משך החיים של הרכיבים המיוצרים מסגסוגות מבוססות FeCrAl אם החלקים נחשפים לעתים קרובות למחזוריות תרמית בטמפרטורות גבוהות [2]. אחת הסיבות לכך היא שהאלמנט היוצר אבנית, אלומיניום, נצרך במטריצת הסגסוגת באזור התת-קרקעי עקב פיצוח תרמו-הלם החוזר ונשנה של אבנית האלומינה. אם תכולת האלומיניום הנותרת יורדת מתחת לריכוז קריטי, הסגסוגת לא תוכל עוד לשקם את קנה המידה המגן, וכתוצאה מכך חמצון מתפרץ קטסטרופלי על ידי היווצרות של תחמוצות מבוססות ברזל וכרומיום הגדלות במהירות [3,4]. בהתאם לאטמוספירה שמסביב ולחדירות של תחמוצות פני השטח, הדבר יכול להקל על חמצון פנימי נוסף או ניטרציה והיווצרות שלבים לא רצויים באזור התת-קרקעי [5]. האן ויאנג הראו כי באבנית אלומינה היוצרות סגסוגות Ni Cr Al, מתפתחת דפוס מורכב של חמצון פנימי וניטרידציה [6,7] במהלך רכיבה תרמית בטמפרטורות גבוהות באווירת אוויר, במיוחד בסגסוגות המכילות יוצרי ניטריד חזקים כמו Al וטי [4]. ידוע כי קשקשי תחמוצת כרום חדירים לחנקן, ו-Cr2 N נוצר כשכבה תת-סקתית או כמשקע פנימי [8,9]. ניתן לצפות שהשפעה זו תהיה חמורה יותר בתנאי מחזור תרמיים אשר מובילים לפיצוח אבנית תחמוצת ולהפחתת יעילותה כמחסום לחנקן [6]. התנהגות הקורוזיה נשלטת לפיכך על ידי התחרות בין חמצון, אשר מוביל להיווצרות/תחזוקה של אלומינה מגן, לבין חדירת חנקן המובילה לניטריציה פנימית של מטריצת הסגסוגת על ידי היווצרות של שלב AlN [6,10], מה שמוביל להתפרקות של אזור זה עקב התפשטות תרמית גבוהה יותר של שלב AlN בהשוואה למטריצת הסגסוגת [9]. כאשר חושפים סגסוגות FeCrAl לטמפרטורות גבוהות באטמוספרות עם חמצן או תורמי חמצן אחרים כגון H2O או CO2, חמצון הוא התגובה השולטת, ונוצר אבנית אלומינה, אשר אטומה לחמצן או חנקן בטמפרטורות גבוהות ומספקת הגנה מפני חדירתם לתוך מטריצת סגסוגת. אבל, אם נחשף לאטמוספרת הפחתה (N2+H2), ולסדק אבנית אלומינה מגן, חמצון מתפרק מקומי מתחיל בהיווצרות של תחמוצות Cr ו-Ferich שאינן מגינות, המספקות נתיב חיובי לפיזור חנקן לתוך המטריצה ​​הפרריטית והיווצרות של שלב AlN [9]. אווירת החנקן המגנה (4.6) מיושמת לעתים קרובות ביישום תעשייתי של סגסוגות FeCrAl. לדוגמה, מחממי התנגדות בתנורים לטיפול בחום עם אווירת חנקן מגנה הם דוגמה ליישום הנרחב של סגסוגות FeCrAl בסביבה כזו. המחברים מדווחים כי קצב החמצון של סגסוגות FeCrAlY איטי במידה ניכרת בעת חישול באטמוספירה עם לחצים חלקיים של חמצן נמוכים [11]. מטרת המחקר הייתה לקבוע האם חישול בגז חנקן (4.6) (99.996%) (רמת הטומאה O2 + H2O < 10 ppm של Messer® משפיע על עמידות בפני קורוזיה של סגסוגת FeCrAl (Kanthal AF) ובאיזו מידה זה תלוי על טמפרטורת החישול, השונות שלה (מחזור תרמית) וקצב החימום.