¿Cómo controla el porcentaje de trabajo en frío previo del trefilado del tubo de la funda del calentador 316L la tasa de recristalización y crecimiento del grano durante el servicio a 600 grados?

Parámetro de evolución microestructural para alta temperatura. Retención de fuerza

El porcentaje de trabajo en frío previo a partir del trefilado del tubo dicta la tasa de recristalización y el posterior desarrollo del grano que se produce durante la exposición a altas-temperaturas para tubos de calentamiento eléctrico envueltos en acero inoxidable 316L que funcionan a 600 grados, que es el límite máximo de servicio para uso continuo de esta aleación. Como-el tubo estirado ha almacenado energía procedente de la deformación plástica (densidad de dislocación correspondiente al % de trabajo en frío). Esta energía almacenada provoca la recristalización a 600 grados: la producción de nuevos granos libres de tensiones que reemplazan la microestructura deformada. El período de inicio de la recristalización disminuye drásticamente a medida que aumenta el trabajo en frío: con un 10% de trabajo en frío, es de 1.000 a 2.000 horas; al 20% trabajo en frío, 200-500 horas; al 30% trabajo en frío, 50-150 horas. La recristalización conduce a la formación de granos. Esto engrosa la microestructura y reduce la resistencia a la fluencia. 10000 horas de servicio a 600 grados. El rango óptimo de trabajo en frío es del 10 al 15 % (equilibrio: retrasa la recristalización lo suficiente como para sobrevivir 10 000 horas, pero no tan rápidamente como para formar granos gruesos). Este artículo evalúa el vínculo entre el trabajo en frío anterior, la cinética de recristalización, el desarrollo del grano y la vida útil a 600 grados.

Mecanismo de recristalización y crecimiento de grano en 316L trabajado en frío

La recristalización es un proceso estimulado térmicamente. Los nuevos granos se nuclean en sitios de alta densidad de dislocaciones (límites de grano, bandas de deformación, inclusiones) y se desarrollan en la matriz distorsionada. La fuerza motriz es proporcional a la energía almacenada del trabajo en frío, que es proporcional al cuadrado de la tensión del flujo (aproximadamente lineal con un porcentaje de trabajo en frío de hasta 30-40%). El trabajo en frío conduce a un aumento exponencial de la tasa de nucleación. Una vez completada la recristalización, se produce la expansión del grano por migración límite impulsada por una reducción en el área del borde del grano. Los granos grandes crecen a expensas de los pequeños (maduración de Ostwald). El tamaño de grano fino y estable (ASTM 6-8) proporciona la mejor resistencia a la fluencia a 600 grados C. Se ha demostrado que los granos de grano muy fino (ASTM 10+) y de grano grueso (ASTM 3-5) acortan la vida de fluencia, al deslizarse los límites del grano, respectivamente.

Relación entre trabajo en frío, tiempo de recristalización y tamaño de grano a 600 grados.

Se ha utilizado el envejecimiento isotérmico controlado a 600 grados con examen metalográfico periódico para determinar las tasas de recristalización y desarrollo de grano en tubos 316L estirados en frío-:

Previous Cold Work (%) Time to Recrystallise 50% at 600°C (hours) Recrystallised Grain Size After Completion (ASTM, µm) Time to Grain Growth to ASTM 5 (>70 µm, hours) Creep Rupture Life at 80 MPa, 600°C (hours) Recommended for 10,000 hour Service at 600°C 0 (annealed) N/A (no cold work) 8-9 (20-30 µm) initial >20.000 (estable) 2.500-3.500 Sí (si ya está bien)
5 5,000-10,000 8-9 (20-30 µm) 15 000-20,000 3,000-4000 Sí
10 1,500-3,000 7-8 (25-35 µm) 8000-12,000 3,500-5000 Sí (mejor)
12 1,000-2,000 7-8 (25-35 µm) 6000-9,000 3,500-5000 Sí
15 500-1,000 6-7 (35-50 µm) 4000-7,000 3000-4500 Aceptable
20 200-500 5-6 (50-70 µm) 2000-4,000 2,000-3500 Marginal 25 100-200 4-5 (70-90 µm) 1000-2,000 1,500-2500 No recomendado 30 50-150 3-4 (90-120 µm) 500-1,500 1,000-2,000 No recomendado 35 30-80 3 (100-130 µm) 300-800 800-1,500 No 40 20-50 2-3 (120-150 µm) 200-500 600-1,000 No
La influencia del tamaño de grano inicial en la cinética de recristalización.

La tasa de recristalización depende del tamaño de grano inicial antes del estirado en frío. Entonces, cuanto más fina sea la sustancia, más rápido recristalizará. Hay más sitios de nucleación.

Tamaño de grano ASTM inicial antes del estirado Tasa de recristalización relativa (10 % CW) Bajo el mismo trabajo en frío Vida útil recomendada de trabajo en frío de 10 000 horas 10 (extremadamente fino, 10 µm) 1,5 × (más rápido) 8 % 8 (fino, 20 µm) 1,0 × (línea de base) 10 %
6 (medio, 45 µm) 0,7× (más lento) 12%
4 (grueso, 80 µm) 0,4× (mucho más lento) 15% Recomendaciones prácticas para la producción de tubos calentadores de 316L

Para vainas de 316L para servicio a 600 grados con una vida útil de diseño de 10 000 horas, se proponen los siguientes parámetros de trabajo en frío y tratamiento térmico previo al servicio.

Vida útil deseada (horas) 600 grados Trabajo en frío sugerido antes del servicio (%) Tamaño de grano después del tratamiento térmico previo al servicio después de 10 000 h a 600 grados (ASTM) Vida útil esperada de rotura por fluencia (horas) 5,000 15-20 Ninguno (como se muestra) 5-6 (50-70 µm) 3000-4,500 10,000 10-12 Ninguno (como se dibuja) 6-7 (35-50 µm) 3500-5,000 10,000 0-5 Recocido completo + grano fino 7-8 (25-35 µm) 3000-4,500 20,000 10 Recocido de estabilización (850 grados, 2 h) 7 (30-40 µm) 5000-7,000 20,000 + resistencia a la corrosión 0 Recocido en solución completa + estabilización 7-8 4,000-6000
Verificación del estado de recristalización

Se ofrecen dos procedimientos de verificación para compradores que requieran cierta estabilidad microestructural. La primera es la prueba de dureza. La dureza del 316L as-estirado es de 180-320 HV dependiendo del trabajo en frío. La recristalización hace que la dureza disminuya a 140-160 HV (completamente blanda). Si la dureza después de 1000 h a 600 grados es superior a 200 HV, la recristalización aún no se ha producido. El segundo es el examen metalográfico posterior al grabado (gluceregia o ácido oxálico electrolítico). La formación de estructuras en "collar" (hileras de finos granos nuevos a lo largo de los antiguos límites de los granos) significa el comienzo de la recristalización.

Conclusión Mejora del trabajo en frío para una vida útil de 600 grados

La cinética de recristalización y el posterior desarrollo del grano de las vainas calefactoras de acero inoxidable 316L a 600 grados están influenciados por el % de trabajo en frío previo. La recristalización se obtiene después de un trabajo en frío del 10-12 % y 1500-3000 horas, lo que da como resultado una estructura de grano recristalizado fino (ASTM 7-8) que conserva una buena resistencia a la fluencia durante 10,000+ horas. Un mayor trabajo en frío (20-30%) da como resultado una recristalización rápida (200-500 horas) y granos gruesos (ASTM 4-5) que reducen la vida útil en un 40-60%. La microestructura ya está recristalizada y estable con menos del 5% de trabajo en frío (recocido), pero la falta de endurecimiento por trabajo reduce la resistencia en la forma formada. Para un servicio de 10.000 horas a 600 grados, los ingenieros que especifican fundas de 316L pueden esperar entre un 10 y un 15 % de trabajo en frío del trefilado del tubo. Después del estirado, se utiliza un tratamiento térmico de estabilización (850 grados, 2 horas) para optimizar la microestructura para una estabilidad del tamaño de grano a largo plazo para un servicio de más de 10.000 horas. El marco propuesto aquí permite a los compradores especificar reducciones de dibujo que maximizan la vida útil a través de una evolución microestructural controlada al relacionar el % de trabajo en frío con la cinética de recristalización y el desarrollo del grano a 600 grados.