ニッケル基合金の環境割れについて
ニッケル (Ni) ベースの合金は、非常に腐食性の高い環境で使用され、多くの場合、ステンレス鋼などの他の金属では耐食性が不十分です。 Niベースの合金はステンレス鋼よりも耐食性が高い傾向があるため、塩化物が存在するステンレス鋼に取って代わることが多く、残留応力が最小限であるため、これらの合金の塩化物応力腐食割れ（SCC）を引き起こす可能性があります.（このトピックの詳細については、オーステナイト系ステンレス鋼の塩化物応力腐食割れを参照してください。)
選択した合金は、実質的に SCC の影響を受けない合金 C276 のようです。
さらに、多くの人は、Ni 基合金は環境補助割れ (EAC) にも耐性があると信じています。しかし、残念なことに、特定の微細構造の変化と組み合わされた特定の環境がいくつかあり、これらの合金も EAC の影響を受けやすい可能性があります。 (必要な引張応力は、適用または残留のいずれかであることに注意してください。)
この記事では、さまざまなクラスの Ni 基合金が EAC の影響を受けやすい環境に焦点を当てます。このようなひび割れは、必ずしも一般的ではありません。ただし、これらの環境が存在する可能性がある場合は、テストによる潜在的な亀裂の評価 (U ベンド、C リング、または遅いひずみ速度の評価など) を強くお勧めします。この記事では、SCC と水素脆化の区別は行いません。
Ni 基合金の環境補助割れ:基本
水性ハロゲン化物系の場合、条件の組み合わせにより、Ni ベース合金の EAC に対する感受性が促進される場合があります。これらには以下が含まれます:
- 摂氏 205 度を超える気温。
- 塩化物濃度が高い。
- 酸性状態。
- 酸化種の存在。
- 硫化水素の存在 (H2 S).
- 高い引張応力
Ni基合金には、耐熱性と耐食性の2つの主な分類があります。後者のカテゴリは、次の 3 つの基本的なタイプで構成されます。
- Ni-Mo 合金。
- Ni-Cr-Mo 合金。
- Ni-Cr-Fe-(Mo) 合金
Ni の環境支援クラッキングを評価するための新しい技術ベースの超合金
低速ひずみ速度試験 (滞留疲労試験とも呼ばれます) は、EAC に対する合金の感受性の尺度を提供できますが、亀裂メカニズムに関する十分な情報を常に提供するとは限りません。
原理的には、疲労試験片の亀裂先端領域を調べる技術を使用できます。考えられる方法には、透過型電子顕微鏡とエネルギー分散型 X 線分光法 (EDXA)、ナノスケール二次イオン質量分析法 (nano-SIMS)、アトム プローブ トモグラフィーなどがあります。これらはすべて、この問題の研究に使用されています。
これらの研究は、多くの場合、環境劣化がサブミクロン スケールで非常に局所的に発生していることを示しています。ただし、亀裂先端の前の領域の局所的な機械的特性に対する環境損傷の影響は、これまで研究されていません。マイクロメカニカル試験技術を使用して、サブミクロン スケールでの機械的挙動を評価できるようになりました。これらのテストを使用して、サブミクロンの長さスケールでサイト固有の測定を行うことができます。これは、亀裂のメカニズムをよりよく理解する上で重要な役割を果たします。
Ni-Mo 合金の環境支援クラッキング
最も一般的な Ni-Mo 合金は、合金 B、合金 B2、および合金 B3 です。これらの合金は、非酸化性および還元性の酸性環境で優れた耐食性を持ち、沸騰塩化マグネシウム (MgCl
合金 B2、およびある程度の合金 B3 は、摂氏 550 ～ 850 度に加熱されると、Ni4 などの秩序化された金属間化合物相の固相形成により延性を失います。 Mo. このような相は、溶接中に熱影響部 (HAZ) に発生する可能性があります。遅いひずみ速度の研究では、摂氏 570 度または溶接に典型的な条件で熱処理した場合、酸性条件を下げると、これらの合金が割れやすいことが実証されています。
亀裂の程度は、金属間化合物相の形成とその後の水素 (H
溶接部付近の陰極溶液と陽極溶液の化学的性質は、EAC にとって重要な要素となる可能性があります。合金 B3 の組成は時効反応を遅らせ、溶接したままの状態で使用できるようにするため、EAC の可能性が低下する可能性があります。
Ni-Cr-Mo 合金の環境支援クラッキング
Ni-Cr-Mo 合金は、モリブデン (Mo) (還元条件下での耐食性を向上させることができます) とクロム (Cr) (酸化条件下での耐食性を高めることができる) を含むため、最も用途の広い Ni ベースの合金です。 .
ハステロイ C はこのグループの最初の合金であり、合金 C276、C4、C22、C-2000、625、5923hMo、および 686 を含む多くの合金の開発の基礎となりました。これらの合金が摂氏 600 度を超える温度で時効されると、四面体の閉じた充填相の沈殿が発生する可能性があり、延性が低下する可能性があります。各合金がこれらの段階を経て変化するのにかかる時間はさまざまです。例えば、合金 C4 は合金 C276 よりもそのような微細構造の変化に対して高い耐性を持っています。 EAC 感受性は、冷間加工とそれに続く低温処理によっても増加する可能性があります。したがって、これらの合金は、H2 を含む環境で EAC に対して感受性がある可能性があります。 S.
また、合金 C276 および 625 は、水の臨界点付近でさまざまな水溶液にさらされると、粒界割れを起こす可能性があることも報告されています。合金 C4、-22、および 625 の核廃棄物をシミュレートするための酸性ブラインでの亀裂成長延長試験は、時間と関連しているようです。このような攻撃的で重要な環境では、長期試験を含める必要があります。
湿熱フッ化水素 (HF) の場合、温度と HF 濃度によっては、これらの合金は EAC の影響を受けやすい可能性があります。タングステンを含む合金が最も影響を受けるようです.
これらの合金中の高レベルの Mo は、高温の苛性環境では有害であると思われ、Mo と Cr が脱合金化します。このようなメカニズムは、合金 C276 の粒内亀裂を促進する可能性があります。ただし、感受性はテスト条件の関数である可能性もあります。
合金 C22 は、塩化物と重炭酸塩 (HCO
Ni-Cr-Fe-(Mo) 合金の環境補助割れ
Ni-Cr-Fe-(Mo) 合金には、合金 600、690、825、および 800 が含まれます。これらは、一次水型原子炉環境など、さまざまな用途で広く使用されています。
特に、合金 600 と 690 は、温度、引張応力のレベル、H2 の存在に大きく依存するクラックの影響を受けやすく、純水および苛性アルカリ中で EAC を受けることがわかっています。 ガス、溶液の pH、および電気化学ポテンシャル。亀裂に影響を与える冶金学的要因には、微量元素または不純物元素の存在、冷間加工の程度、および炭化物の形成と位置のための熱処理が含まれます。より高い Cr 含有量を持つ合金 690 は、これらの環境で合金 600 よりも亀裂に対する耐性が高くなります。
粒界での酸素の内部拡散は、Cr の粒界酸化を引き起こす可能性があることが示唆されています。合金 800 も、これらの条件下で EAC の影響を受けやすくなっています。しかし仕組みが違います。摂氏 300 度で pH が 10 を超えると、鉄 (Fe) とクロムの脱合金化が発生し、膜による劈開メカニズムが発生する可能性があります。鉛 (Pb) または硫酸塩陰イオンの存在は、これらの環境で合金 800 の劣化を促進する可能性があります。
合金 825 は、オーステナイト系ステンレス鋼よりも Cl-SCC に対してより耐性があります。ただし、まだ影響を受けやすいです。合金 800 および 825 は、摂氏 400 ～ 800 度に加熱すると鋭敏化します。これは、Cr カーバイドが粒界に析出することです。金属表面に硫化物スケールが形成されるようなプロセス条件の場合、これらの合金はポリチオン酸応力腐食割れを起こしやすくなります。 (このトピックの詳細については、オーステナイト系ステンレス鋼のポリチオン酸応力腐食割れを参照してください。)
Ni ベース合金の亀裂形態
Ni 基合金の EAC 亀裂形態は、粒内 (粒内)、粒間 (粒界に沿った)、または混合モードであり、温度、プロセス不純物の存在、プロセス化学、および微細構造の変化などの環境条件に応じて、分岐した二次亀裂が発生します。ただし、応力緩和亀裂などの他のメカニズムは粒界モードによって伝播するため、これらの亀裂が存在するからといって、EAC が故障メカニズムであることを自動的に意味するわけではありません。 (このトピックの詳細については、ストレス リラクゼーション クラッキング、忘れられた現象を参照してください。)
正確な故障モードを適切に特定するには、プロセス条件の徹底的な評価と EAC の可能なテストを含む、詳細な故障分析が必要になる場合があります。
機器のメンテナンスと修理