KFUPM ePrints

Carburization behavior of iron-based alloys in methane/hydrogen gas mixtures

Ruchuan, Yin (2002) Carburization behavior of iron-based alloys in methane/hydrogen gas mixtures. PhD thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

[img]
Preview
PDF
6Mb

Arabic Abstract

يعتمد هذا البحث على دراسة ظاهرة التكربن التي تحدث لثلاث سبائك (SS 310, Incoloy 800HT, Haynes 556) مكونة أساساً من عنصر الحديد وذلك بعد تعريضها لدرجات حرارة عالية ونسب مختلفة من تركيز غازي الميثان والهيدروجين . وتقوم الدراسة على تعريض عينات من السبائك المستخدمة في هذا البحث للظروف السابقة الذكر على مرحلتين : الأولى تعريضها بشكل متواصل عند درجة حرارة معينة والأخرى هي تعريض العينات بشكل متقطع لدرجات الحرارة العالية . وقد تم استخدام أجهزة تحليلية متطورة لتشخيص التغيرات التي تطرأ على البنية الداخلية لكل عينة . ومن التحليل الثيرموديناميكي لحالات الغازات المختلفة اتضح أن الخليط المكون من (2% و 10% ميثان-هيدروجين) يكون ظرفاً مؤكسداً ومكربناً في آن واحد عندما تكون درجة الحرارة أقل من 1000 درجة مئوية . وفي نفس الوقت يكون هذا الخليط من الغازات مانعاً من تكون كربيدالكروميوم عندما تكون درجة الحرارة أكثر من 1000 درجة مئوية . وعند دراسة العينات من ناحية كيناتيكية وتدعيم ذلك بالنتائج التحليلية للبنية الداخلية نجد أن هذه السبائك تستطيع تكوين طبقة خارجية ومتصلة من أكاسيد وكربيدات مختلفة وذلك عند تعريضها لدرجة حرارة أقل من 1000 درجة مئوية . ومع تعريض هذه السبائك إلى درجة حرارة تفوق 1000 درجة مئوية نجد أنها تكون طبقة خارجية مكونة أساساً من كربيدات مختلفة وجزيئات فلزية من عنصر الكروميوم . وهذه الطبقة الخارجية غير متصلة وغير عازلة مما يجعلها مسببة لزيادة وزن العينات المعرضة لدرجات ا لحرارة العالية . وقد لوحظ عند دراسة العينات أن سبيكة SS310 تعاني من تكربن خارجي وداخلي في آن واحد وذلك عند تعريضها لخليط 2% ميثان-هيدروجين ودرجة حرارة 800 درجة مئوية ، بينما تعاني هذه السبيكة من تكربن خارجي عند تعريضها لخليط 10% ميثان-هيدروجين ودرجة حرارة 1100 درجة مئوية . أما بالنسبة لسبيكة Haynes 556 فإنها تحتوي على عنصر الكوبالت الذي يساعد على مقاومة التكربن . وعنصري النيكل والكوبالت يلعبان دوراً هاماً في مقاومة ظاهرة التكربن وخاصة عندما لا يمكن تكوين طبقة خارجية على السبيكة المعرضة لدرجات الحرارة العالية . وتحت الظروف المحددة مسبقاً وبالرغم من أن فاعلية الكربون في هذه التجارب تزيد عن واحد لم يلحظ وقوع حالات تكربن شديدة .

English Abstract

The carburization behaviors of three Fe-based alloys (310 Stainless Steel, Incoloy 800HT and Haynes 556) have been investigated under varying high temperatures and different ratios of methane/hydrogen gas mixtures. The study involved cyclic and isothermal exposures of the above alloys to different carburizing conditions and microstgructural characterization of selected exposed samples using advanced analytical techniques (scanning electron microscopy, X-ray diffraction and X-ray photoelectron spectroscopy). Thermodynamic analysis indicates that the gas mixtures (2% and 10%CH₄/H₂ with oxygen impurity less than 100ppm) are mixed oxidizing/carburizing below approximately 1000℃ while reducing carburizing for chromium in excess of 1000℃, where 1000℃ is a boundary condition. Kinetic and microstructural results indicate that, for the three Fe-based alloys, the external continuous layers formed at lower temperatures ( 1000℃) consist primarily of different oxides and carbides which are responsible for the improved protection, however at higher temperatures ( 1000℃) the external scales consist of carbides or metallic Cr-rich phases which are discontinuous and non-protective leading to increased weight gain. 310SS suffers both internal and external carburization attach at 800℃ in 2%CH₄/H₂, while it experiences external carburization at 1100℃ in 10%CH₄/H₂. The presence of Co in Haynes 556 is beneficial for the improvement of carburization resistance. Nickel and Cobalt play an important role in combating carburization especially when an external continuous layer is not formed at elevated temperatures. Under certain exposure conditions, despite the carbon activity exceeds unity metal dusting has not been experienced during this study.



Item Type:Thesis (PhD)
Date:May 2002
Date Type:Completion
Subjects:Mechanical
Divisions:College Of Engineering Sciences > Mechanical Engineering Dept
Creators:Ruchuan, Yin
Committee Advisor:Allam, Ibrahim M.
Committee Members:Shuaib, Abdelrahman N. and Al-Farayedhi, Abdulghani A. and Sheikh, Anwar K. and Tabet, Nouar
ID Code:10298
Deposited By:KFUPM ePrints Admin
Deposited On:22 Jun 2008 17:01
Last Modified:26 Apr 2011 08:07

Repository Staff Only: item control page