โลหะผสม Kanthal AF 837 resistohm alchrome Y fecral alloy

คันธัล AF เป็นโลหะผสมเหล็ก-โครเมียม-อะลูมิเนียมชนิดเฟอร์ริติก (โลหะผสม FeCrAl) สำหรับใช้งานที่อุณหภูมิสูงถึง 1300°C (2370°F) โลหะผสมนี้มีคุณสมบัติเด่นคือ ทนต่อการออกซิเดชันได้ดีเยี่ยม และคงรูปทรงได้ดีมาก ส่งผลให้มีอายุการใช้งานของธาตุยาวนาน

เหล็ก Kan-thal AF มักใช้ในองค์ประกอบความร้อนไฟฟ้าในเตาเผาอุตสาหกรรมและเครื่องใช้ไฟฟ้าภายในบ้าน

ตัวอย่างการใช้งานในอุตสาหกรรมเครื่องใช้ไฟฟ้า ได้แก่ ขดลวดไมกาแบบเปิดสำหรับเครื่องปิ้งขนมปัง เครื่องเป่าผม ขดลวดรูปทรงคดเคี้ยวสำหรับเครื่องทำความร้อนแบบพัดลม และขดลวดแบบเปิดบนวัสดุฉนวนใยแก้วในเครื่องทำความร้อนแบบเซรามิกบนเตา ขดลวดเซรามิกสำหรับแผ่นต้มน้ำ ขดลวดบนใยเซรามิกขึ้นรูปสำหรับแผ่นปรุงอาหารบนเตาเซรามิก ขดลวดแขวนสำหรับเครื่องทำความร้อนแบบพัดลม ขดลวดลวดตรงแขวนสำหรับหม้อน้ำ เครื่องทำความร้อนแบบพาความร้อน และขดลวดรูปทรงเม่นสำหรับปืนลมร้อน หม้อน้ำ และเครื่องอบผ้า

บทคัดย่อ ในการศึกษาครั้งนี้ ได้อธิบายกลไกการกัดกร่อนของโลหะผสม FeCrAl เชิงพาณิชย์ (Kanthal AF) ระหว่างการอบอ่อนในก๊าซไนโตรเจน (4.6) ที่อุณหภูมิ 900 °C และ 1200 °C โดยทำการทดสอบแบบไอโซเทอร์มอลและเทอร์โมไซคลิกด้วยเวลาสัมผัสรวม อัตราการให้ความร้อน และอุณหภูมิการอบอ่อนที่แตกต่างกัน ทำการทดสอบการออกซิเดชันในอากาศและก๊าซไนโตรเจนโดยใช้การวิเคราะห์เทอร์โมกราวิเมตริก ลักษณะโครงสร้างจุลภาคถูกตรวจสอบโดยกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบสแกน (SEM-EDX) สเปกโทรสโกปีอิเล็กตรอนออเกอร์ (AES) และการวิเคราะห์ลำแสงไอออนแบบโฟกัส (FIB-EDX) ผลการศึกษาแสดงให้เห็นว่าการกัดกร่อนเกิดขึ้นจากการก่อตัวของบริเวณไนไตรเดชันใต้พื้นผิวเฉพาะที่ ซึ่งประกอบด้วยอนุภาคเฟส AlN ซึ่งลดกิจกรรมของอะลูมิเนียมและทำให้เกิดการเปราะและการหลุดลอก กระบวนการก่อตัวของอะลูมิเนียมไนไตรด์และการเติบโตของชั้นอะลูมิเนียมออกไซด์ขึ้นอยู่กับอุณหภูมิการอบอ่อนและอัตราการให้ความร้อน พบว่ากระบวนการไนไตรเดชันของโลหะผสม FeCrAl นั้นเร็วกว่ากระบวนการออกซิเดชันในระหว่างการอบอ่อนในก๊าซไนโตรเจนที่มีความดันย่อยของออกซิเจนต่ำ และเป็นสาเหตุหลักของการเสื่อมสภาพของโลหะผสม

บทนำ โลหะผสม FeCrAl (Kanthal AF ®) เป็นที่รู้จักกันดีในด้านความต้านทานต่อการออกซิเดชันที่อุณหภูมิสูง คุณสมบัติที่ยอดเยี่ยมนี้เกี่ยวข้องกับการก่อตัวของชั้นอลูมินาที่มีเสถียรภาพทางอุณหพลศาสตร์บนพื้นผิว ซึ่งช่วยปกป้องวัสดุจากการออกซิเดชันเพิ่มเติม [1] แม้จะมีคุณสมบัติความต้านทานการกัดกร่อนที่เหนือกว่า อายุการใช้งานของชิ้นส่วนที่ผลิตจากโลหะผสม FeCrAl อาจมีจำกัดหากชิ้นส่วนนั้นสัมผัสกับการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิที่อุณหภูมิสูงบ่อยครั้ง [2] หนึ่งในเหตุผลก็คือ ธาตุที่ก่อตัวเป็นชั้นอลูมินาอย่างอะลูมิเนียมจะถูกใช้ไปในเมทริกซ์ของโลหะผสมในบริเวณใต้พื้นผิวเนื่องจากการแตกร้าวจากความร้อนกระแทกซ้ำๆ และการก่อตัวใหม่ของชั้นอลูมินา หากปริมาณอะลูมิเนียมที่เหลืออยู่ลดลงต่ำกว่าความเข้มข้นวิกฤต โลหะผสมจะไม่สามารถก่อตัวชั้นป้องกันได้อีกต่อไป ส่งผลให้เกิดการออกซิเดชันแบบแตกตัวอย่างรุนแรงโดยการก่อตัวของออกไซด์ที่มีเหล็กและโครเมียมเป็นองค์ประกอบซึ่งเติบโตอย่างรวดเร็ว [3,4] ขึ้นอยู่กับบรรยากาศโดยรอบและการซึมผ่านของออกไซด์บนพื้นผิว สิ่งนี้สามารถอำนวยความสะดวกให้เกิดการออกซิเดชันภายในหรือไนไตรเดชันเพิ่มเติมและการก่อตัวของเฟสที่ไม่พึงประสงค์ในบริเวณใต้พื้นผิว [5] Han และ Young ได้แสดงให้เห็นว่าในโลหะผสม Ni Cr Al ที่เกิดชั้นอลูมินา รูปแบบที่ซับซ้อนของการออกซิเดชันภายในและไนไตรเดชันจะเกิดขึ้น [6,7] ระหว่างการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิที่อุณหภูมิสูงในบรรยากาศอากาศ โดยเฉพาะอย่างยิ่งในโลหะผสมที่มีตัวสร้างไนไตรด์ที่แข็งแกร่ง เช่น Al และ Ti [4] เป็นที่ทราบกันดีว่าชั้นออกไซด์ของโครเมียมสามารถซึมผ่านไนโตรเจนได้ และ Cr2N จะก่อตัวเป็นชั้นใต้ชั้นออกไซด์หรือเป็นตะกอนภายใน [8,9] คาดว่าผลกระทบนี้จะรุนแรงมากขึ้นภายใต้สภาวะการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิซึ่งนำไปสู่การแตกร้าวของชั้นออกไซด์และลดประสิทธิภาพในการเป็นเกราะป้องกันไนโตรเจน [6] พฤติกรรมการกัดกร่อนจึงถูกควบคุมโดยการแข่งขันระหว่างการออกซิเดชัน ซึ่งนำไปสู่การก่อตัว/การบำรุงรักษาของอะลูมินาที่ทำหน้าที่ป้องกัน และการแทรกซึมของไนโตรเจนซึ่งนำไปสู่การไนไตรเดชันภายในของเมทริกซ์โลหะผสมโดยการก่อตัวของเฟส AlN [6,10] ซึ่งนำไปสู่การหลุดลอกของบริเวณนั้นเนื่องจากการขยายตัวทางความร้อนที่สูงกว่าของเฟส AlN เมื่อเทียบกับเมทริกซ์โลหะผสม [9] เมื่อโลหะผสม FeCrAl สัมผัสกับอุณหภูมิสูงในบรรยากาศที่มีออกซิเจนหรือตัวให้กำเนิดออกซิเจนอื่นๆ เช่น H2O หรือ CO2 การออกซิเดชันจะเป็นปฏิกิริยาที่เด่นกว่า และจะเกิดชั้นอะลูมินาขึ้น ซึ่งไม่สามารถซึมผ่านออกซิเจนหรือไนโตรเจนได้ที่อุณหภูมิสูง และให้การป้องกันการแทรกซึมของออกซิเจนหรือไนโตรเจนเข้าไปในเมทริกซ์โลหะผสม แต่ถ้าสัมผัสกับบรรยากาศรีดิวซ์ (N2+H2) และชั้นอะลูมินาที่ทำหน้าที่ป้องกันแตก การออกซิเดชันแบบแยกตัวเฉพาะที่ก็จะเริ่มต้นขึ้นโดยการก่อตัวของออกไซด์ Cr และ Ferich ที่ไม่สามารถป้องกันได้ ซึ่งเป็นเส้นทางที่เอื้อต่อการแพร่ของไนโตรเจนเข้าไปในเมทริกซ์เฟอร์ไรต์และการก่อตัวของเฟส AlN [9] บรรยากาศไนโตรเจนป้องกัน (4.6) มักถูกนำมาใช้ในการใช้งานทางอุตสาหกรรมของโลหะผสม FeCrAl ตัวอย่างเช่น เครื่องทำความร้อนแบบต้านทานในเตาอบอบชุบความร้อนที่มีบรรยากาศไนโตรเจนป้องกันเป็นตัวอย่างของการใช้งานโลหะผสม FeCrAl อย่างแพร่หลายในสภาพแวดล้อมดังกล่าว ผู้เขียนรายงานว่าอัตราการออกซิเดชันของโลหะผสม FeCrAlY ช้าลงอย่างมากเมื่ออบอ่อนในบรรยากาศที่มีความดันย่อยของออกซิเจนต่ำ [11] จุดประสงค์ของการศึกษาคือเพื่อตรวจสอบว่าการอบอ่อนในก๊าซไนโตรเจน (99.996%) (4.6) (ระดับสิ่งเจือปน Messer® spec. O2 + H2O < 10 ppm) ส่งผลต่อความต้านทานการกัดกร่อนของโลหะผสม FeCrAl (Kanthal AF) หรือไม่ และขึ้นอยู่กับอุณหภูมิการอบอ่อน การเปลี่ยนแปลง (วัฏจักรความร้อน) และอัตราการให้ความร้อนในระดับใด