316L ヒーター シース チューブの長期使用中に 650 度でのラーベス相 (Fe₂Mo) 析出物の体積分率はどのように変化するのか-クリープ破断延性の低下を制御する

モリブデン-に富む金属間化合物相が脆化に及ぼす影響

For 316L stainless steel sheathed electric heating tubes operating at 650°C for long periods (5,000-20,000 hours)-such as in superheater supports, high temperature furnace heaters or petrochemical process heaters-the precipitation of Laves phase (Fe2Mo), an intermetallic compound rich in molybdenum and iron, causes a marked reduction in creep rupture ductility (measured as percent elongation at fracture) even prior to a marked reduction in creep rupture strength. The Laves phase precipitates at lower temperatures (550-700°C) with a maximum production rate at about 650°C, than sigma (σ) and chi (χ) phases which form at higher temperatures and impart significant embrittlement. Laves phase precipitates as tiny (50-200 nm) particles within grains and on grain borders. Low volume fractions (0.5-1.0%) can reduce creep rupture elongation from >20% (延性) ～<5-10% (brittle) and hence increase the likelihood of rapid catastrophic failure with little preceding deformation (bulging or swelling). This article quantifies the association of Laves phase volume fraction, ageing period at 650°C and creep rupture ductility for 316L heater sheaths.

ラーベス相脆化のメカニズム

ラーベス相 (Fe2Mo) は六方最密充填 (HCP) 構造で、モリブデン (Mo 35 ～ 45%) とシリコン (Si 3 ～ 5%) が豊富です。550 ～ 700 度で長時間暴露すると、過飽和オーステナイト マトリックスから析出します。析出速度はカイ相に比べて遅く、65℃で> 1,000〜2,000時間かかり、かなりの体積分率を達成します。この相は硬くて脆く、そのような相が存在すると、特に結晶粒界を装飾する場合に、容易な破壊ルートが生じます。同様に強度を低下させるカイ相およびシグマ相とは対照的に、ラーベス相は主に材料を脆化し、破断前の塑性変形能力を低下させます。従来の故障の症状はクリープによる膨張（直径の増加）であるため、これはヒーター シースで特に有害です。ラーベス相脆化では、明らかな変形が先行することなく、急速に破壊が起こる可能性があります。

ラーベス相体積分率と650度での破断延性との定量的相関関係

316L チューブ (2.2 wt% Mo、0.02 wt% C、0.08 wt% N) を 650 度で最大 20,000 時間制御して時効処理し、その後 650 度および 80 MPa でクリープ破断試験を行ったところ、以下のラーベス相の析出速度論と延性損失が実証されました。

時効時間 (時間) 650 度 ラーベス相 体積分率 (%) ラーベス相 粒径 (nm) 析出サイト クリープ 650 度での破断伸び (%) 延性を必要とする使用に推奨される破断モード (故障前に高警告)
0 (焼きなまし) 0 N/A なし 20-30 延性 (粒内) あり 1,000<0.1 <50 Intragranular (sparse) 18-25 Ductile Yes 2,000 0.1-0.3 50-80 Intragranular + some grain boundaries 15-22 Mixed (ductile + some intergranular) Yes 3,000 0.3-0.6 80-120 Grain boundaries (partial coverage) 12-18 Mixed Acceptable 5,000 0.6-1.0 120-150 Grain boundaries (near-continuous) 8-12 Mixed-brittle Marginal 7,000 1.0-1.5 150-180 Continuous grain boundary network 5-8 Brittle (intergranular) Not Recommended 10,000 1.5-2.0 180-220 Continuous + Intragranular 3-6 BrittleNo 12,000 2.0-2.5 200-250 Extensive, coalesced 2-4 Very brittle No 15,000 2.5-3.0 220-300 Widespread 1-3 Extremely brittle No 20,000 >3.0 >250 広範囲<2 Extremely brittle No 
モリブデン含有量がラーベスの沈殿速度に及ぼす影響

ラーベス相の析出速度はモリブデンの濃度に比例します。 Mo が低い (2.0 ～ 2.2%) と、ラーベス脆化に対する耐性が向上します。

モリブデン含有量 (wt%) 650 度で 1.0% になるまでの時間 (時間) 650 度で 10,000 時間後のクリープ破断伸び (%) 10,000 時間の推奨最高使用温度 寿命 鋼材の温度範囲 温度範囲 温度範囲 2.0 (min 316) 6000-8000 5-8 640 度 2.2 (typ 316L) 4000-6000 4-6 630 度2.4 2500-4000 3-5 620 度 2.5 (最大 316L) 1500-3000 2-4 610 度 2.8 (317L 付近) 800-1500 1-3 600 度 650 度使用時の 316L ヒーター シースの実用的な推奨事項

For 316L heater sheaths working at 650°C, the following service duration restrictions and material criteria are applicable to preserve ductile failure mode (elongation >10-15%).

Required service life at 650 °C [hours]Maximum Permissible Laves Phase ( % )Required Minimum Creep Elongation %Recommended Max Mo Content (wt%) Inspection/Replacement Strategy2,0000.3>15 2.3None5,0000.8>10 2.2Annual diameter measurement7,5001.2>7 2.1Semi-annual diameter + hardness check10,0001.5>5 (brittle risk) 2.0Replace at 8,000-9,000h or upgrade alloy>10,000>1.5<5 <2.0Upgrade to 347 or 310
ラーベス相と延性低下の検証

Three techniques are used to evaluate the embrittlement of Laves phase of 600-700°C operated heaters. 1. Hardness testing: The creation of Laves phase increases the hardness from 160-180 HV to 200-250 HV. The second is field metallography (replica) with selective etching (e.g. electrolytic in 10% oxalic acid displays Laves phase as small white particles). The third is a simple creep or tensile test on a detached sample; a decrease in elongation from >20%～<10% suggests embrittlement. The certain technique is to directly identify the Laves phase (Fe₂Mo) using transmission electron microscopy (TEM) or scanning electron microscopy (SEM) with EDS.

結論: Laves 脆化を防ぐには、Mo 含有量と使用条件に制限を設けます。

650 度のラーベス相 (Fe2Mo) で動作する 316L ステンレス鋼ヒーター シースの場合、2,000 ～ 6,000 時間後に析出し、5,000 ～ 10,000 時間後に体積分率が 0.6 ～ 1.5% に達します。これらのレベルでは、クリープ破断延性は 20% を超えて 5 ～ 8% に低下します。これにより、延性破壊 (目に見える膨張の警告) ではなく、脆性破壊 (前兆のない突然の破断) が発生します。 316L シースの耐用年数は次のとおりです。<10,000 hours for 650°C duty when molybdenum is limited to 2.0-2.2% (the low end of the specification). For service >650 度で 10,000 時間の耐久性がある場合は、347 (ニオブは安定化されており、ラーベス相を生成しない) または 310 ステンレス鋼へのアップグレードを検討してください。ここで示すフレームワークは、ラーベス相の体積分率を 650 度でのクリープ破断延性低下に関連付け、顧客が高温ヒーターの長期使用における脆性破壊を防止する材料化学と最大使用期間を定義できるようにします。