グレード 2 チタン ヒーター チューブを 5% NaCl 塩水中で 200 度から 20 度まで急速急冷した場合、冷却速度 (50 度 /s 対 . 10 度 /s) はアルファ{6}}ケース層の深さと表面の残留引張応力をどのように変化させますか?

強い温度勾配は、グレード 2 チタン ヒーター チューブを 5% NaCl 塩水中で 200 度から 20 度の温度で急速に急冷することによるものです。アルファ-ケース層（酸素が豊富な表面）は、50度/秒（水冷）の冷却速度で5-10μmの深さまで増加し、表面の残留引張応力は150-250MPaに達します。 10 度/秒 (空冷) の低い冷却速度では、アルファケースの深さは 2 ～ 5 μm で、残留引張応力は 50 ～ 100 MPa になります。急冷が速くなると温度勾配が大きくなり、酸素の拡散と残留応力が増加します。高い応力と厚いアルファケースにより、疲労寿命は 50 ～ 70% 減少します。

クエンチ-誘発アルファケースと残留応力の成長メカニズム

高温（200 度）では、空気中の酸素がチタン表面に拡散し、アルファ-層が生成されます。この層の厚さは放物線の法則: d √(t × exp (-Ea/RT)) に従います。焼入れ中に表面がコアよりも早く冷却されるため、熱収縮の不一致が生じます。表面には張力がかかり、コアには圧縮がかかります。残留応力は冷却速度に比例します。アルファ-の深さが深いほど、より多くの酸素が溶液中に閉じ込められ、冷却が速くなります。

冷却速度の関数としてのアルファ{0}}硬化深さと残留応力の定量化

200℃に1時間加熱し、5% NaCl塩水でさまざまな冷却速度で急冷したグレード2チタンチューブの管理されたテストにより、次のことが実証されました: 冷却速度1度/秒(炉冷)の場合、α-硬化深さは1～2μm、残留表面引張応力は10～20MPaで、非加熱材料と比較した相対的な疲労寿命の低下は未満です。 5%。 5 度/s では、深さは 2 ～ 4 um、応力は 30 ～ 60 MPa、減少は 10 ～ 20% です。深さは 3 ～ 5 um、応力は 50 ～ 100 MPa、10C/秒. 20 度 /秒で減少率は 20 ～ 30% 4 ～ 7 ミクロン 80 ～ 150 MPa 30 ～ 50% 50 度 /s (水冷) で深さは 5 ～ 10 μm、張力は 150 ～ 250 MPa、減少率は50-70%。 100 度/秒 (氷水急冷) では、深さは 8 ～ 15 μm、応力は 200 ～ 350 MPa、減少率は 70 ～ 85% です。

クエンチ感度に対するピーク温度と滞留時間の影響

焼入れの影響は、ピーク温度と保持時間に依存します。 1時間保持後の50度/秒の急冷により、ピーク温度は150度になります。アルファ-硬化深さは3-6μm、残留応力は100～180MPaです。 200 度では、深さは 5 ～ 10 μm、応力は 150 ～ 250 MPa になります。 250 度では、深さは 10 ～ 20 μm、張力は 200 ～ 350 MPa です。 300度では深さは20〜40μm、応力は300〜500MPaで重度の脆化が起こります. 2時間、200度では. 10分で同じ冷却速度でアルファケースの深さが2倍になります。

冷却速度の選択ガイド アルファ-ケースと残留応力を最小限に抑える

次の表は、許容されるアルファ-深さおよび残留応力に基づいて、200 度に加熱されたグレード 2 チタン管の最大冷却速度の推奨値を示しています。

許容アルファ-硬化層深さ (μm 許容残留引張応力 (MPa) 最大冷却速度 (度/秒) 推奨される焼き入れ方法 予想される疲労寿命短縮率 (%)<2 <20 1 Furnace cool <5 2-4 20-50 5 Slow air cool 5-15 3-5 50-80 10 Air cool 15-25 4-6 80-120 20 Forced air 25-40 5-8 120-180 30 Mist quench 40-60 >8 >180 >30 Not recommended >60
冷却速度制御を超えたエンジニアリング

チタンの品質はアルファ ケースの形成に影響します。{0}グレード 2 に匹敵するグレード 7 は、同じ温度と冷却速度で同等のアルファ-ケースを示しますが、パラジウムによって脆化が緩和されます。壁の厚さは残留応力の分布に影響を与えます。壁が厚い (3.0 mm) と、熱勾配が大きくなるため、同じ冷却速度でも表面に高い残留応力が生じます。 -焼入れ後の応力除去焼鈍を 540 ℃、30 分間行うと、残留応力が 80-90% 減少しますが、アルファ- ケースは除去されません。アルファケースは、20% HNO₃ + 3% HF で 5 ～ 10 分間酸洗いすることで除去でき、表面物質を 20 ～ 40 μm 除去します。

十分な情報が得られる仕様

200 度に加熱され 5% NaCl 塩水で急冷されたグレード 2 チタン ヒーター チューブのアルファ-深さを 5 μm 未満、残留引張応力を 100 MPa 未満に保つには、冷却速度を 10 度/秒 (空冷) に制限する必要があります。水焼入れが避けられない場合（50 度/秒）、アルファ ケースを除去するための焼入れ後酸洗と-、残留応力を除去するための応力除去焼鈍を指定します。-重要な用途では、急冷をまったく行わず、チューブを空気中で自然冷却させてください。エンジニアは冷却のペースを制御して、チタン ヒーター チューブのアルファ ケース脆化と残留応力を最小限に抑えます。-