DEVELOPMENT AND INVESTIGATIONS OF ELECTROCHEMICAL PROPERTIES OF LEAN DUPLEX STAINLESS STEEL ALLOYS. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

Preview

PDF Library_FINAL_COPY_-DEVELOPMENT_AND_INVESTIGATION_OF_ELECTROCHEMICAL__PROPERTIES_OF_LEAN_DUPLEX_STAINLESS_STEEL_ALLOYS.pdf - Accepted Version Download (7MB) | Preview

Arabic Abstract

الفولاذ المقاوم للصدأ ذي الطورين يستخدم عادة في العديد من التطبيقات الصناعية بسبب خصائصه الميكانيكية المتميزة إلى جانب مقاومته للتآكل على عكس نظيره الفولاذ المقاوم للصدأ أحادي الطور. أبحاث تطويرالفولاذ المقاوم للصدأ ذي الطورين تركزت على الإقتصاد في عملية إنتاجه دون الإهتمام بخصائصه المتميزة. النيكل هو عنصر سبائكي للفولاذ المقاوم للصدأ، ويحسن بدوره مقاومة التآكل، ولكن تقلب أسعاره يظل الشاغل الرئيسي ، ولذلك تم استبدال النيكل بالمنجنيز والنيتروجين، التي هي أيضاً عناصر تشكيل الأوستنيت في الفولاذ المقاوم للصدأ، دون المساس بعملية ترسيب الأطوار السبائكية مثل: سيغما، تشي، كبريتيد المنجنيز ومركبات النيتريد التي تضر بالتآكل والخصائص الميكانيكية. من خلال التحكم والتحسين في عناصر السبائك، مع إختيار معاملات المعالجة المناسبة، يمكن إنتاج فولاذ مقاوم للصدأ ذي الطورين محسن وذو خواص ميكانيكية وتآكلية أفضل بتكلفة أقل من خلال عمليات السباكة ومسحوق المعادن. في هذا العمل، قمنا بالتقصي عن الخصائص الكهروكيميائية لسبائك الفولاذ المقاوم للصدأ ذي الطورين. وقد تم تطوير السبائك في فرن ذوبان فراغي، في حين تم تطوير مسحوق الفولاذ المقاوم للصدأ ذي الطورين بإستخدام التلبيد عن طريق شرارة البلازما. أظهرت النتائج أن خصائص التآكل لسبائك الفولاذ المقاوم للصدأ ذي الطورين مشابهة لمقاومة التآكل التنقري في كل من كلوريد الصوديوم و حمض الكبريتيك. وجد أن كثافة التاكل للسبيكة الثانية المتكونة من (18كروم، 5 منجنيز، 1 ملبيديوم، 1 سيليكون، 1 نحاس، 0.22 نتروجين، والمتبقي حديد) أقل من سبائك الفولاذ المقاوم للصدأ ذي الطورين الأخرى. لذا لم يكن هناك فرق كبير في الكثافة الحالية للتآكل، ومع ذلك وجد أن إحتمالية التآكل للسبيكة الثانية وسبيكة SS304 أعلى من غيرهم من السبائك. ولم يكن هناك اختلاف كبير في الكثافة الحالية الحرجة لجميع السبائك. أظهرت نتائج محاكاة سائل الجسم للعينة من السبيكة الثانية والسبيكة الثالثة المتكونة من (18كروم، 4 منجنيز، 1 ملبيديوم، 1 سيليكون، 2 نحاس، 0.22 نتروجين، والمتبقي حديد) أن خصائص مقاومة التآكل مشابهة لسبيكة الفولاذ المقاوم للصدأ ذي الطورين ذات النوع SS304. تم إجراء تجارب أخرى عن تأثير الظرف الحرج عند سرعات دوران مختلفة، وأظهرت النتائج أن خصائص مقاومة التآكل مثل إمكانية التنقر إنخفضت مع زيادة سرعة الدوران ربما بسبب إجهادات القص التي تعمل على الغشاء غير الفعال. تم دراسة تحول الطور ومورفولوجيا المسحوق خلال عملية الخلط الميكانيكي. وتمت دراسة الخصائص المجهرية، والصلابة، والكثافة. تم إجراء نمذجة لدرجة الحرارة على السبيكة الثانية (د) المتكونة من (18كروم، 6 منجنيز، 1 ملبيديوم، 1 سيليكون، 1 نحاس، 0.22 نتروجين، والمتبقي حديد) عند درجات حرارة مختلفة: 900، 950 و 1000 درجة مئوية. وتم إختيار درجة حرارة 1000 مئوية لعملية التلبيد عن طريق شرارة البلازما. النسبة المئوية القصوى للكثافة حققتها عينة المسحوق المعدني لتكون ذات قيمة 96.73% عند نفس درجة الحرارة أعلاه. مقارنة مع القيم النظرية للعينات المعدة، أظهرت أطياف حيود الأشعة السينية وجود قمم بلورية حادة لأطوار الفيرايت والأوستنايت ولم يلاحظ أي أطوار ثانوية مثل سيغما، تشي، أو نيترايد. تم فحص الخصائص الكهروكيميائية للسبائك الملبدة في محلول كلوريد الصوديوم (0.2 م)، إختبار الإستقطاب الديناميكي للسبيكة الرابعة (د) المتكونة من (18كروم، 3 منجنيز، 1 ملبيديوم، 1 سيليكون، 0 نحاس، 5 نيكل، 0.22 نتروجين، والمتبقي حديد) أظهر خصائص أفضل للتآكل مثل ارتفاع جهد التنقر، ومقاومة إستقطاب أعلى بسبب ارتفاع محتوى النيكل. كما أظهرت السبيكة الثانية (د) سلوك نشط بسبب التأثير السلبي للنحاس على مكوناتها الداخلية. أظهرت نتائج مطياف الممانعة الإلكتروكيميائي للسبيكة الرابعة (د) مقاومة إستقطاب أفضل مقارنة بالسبائك الأخرى. تم حساب قيم مقاومة الاستقطاب لجميع السبائك من خلال مطابقة الأطياف المأخوذة من مطياف الممانعة الإلكتروكيميائي بإستخدام دائرة مكافئة ومناسبة.

English Abstract

Duplex stainless steels (DSS) are commonly used stainless steel’s material in many industrial applications owing to their outstanding mechanical and corrosion properties in contrary to their counterpart ferritic and austenitic stainless steels. Recently the development in DSS has mainly focused on economizing its production without the expense of their outstanding properties. Nickel is an alloying element for SS which improves its corrosion resistance, however, its price volatility is the main concern. Therefore, Nickel has been replaced by Manganese and Nitrogen which are also austenite forming elements in DSS without compromising the precipitation of intermetallic phases such as Sigma, Chi, MnS and nitride compounds which are detrimental to corrosion and mechanical properties. Through controlling and optimization of alloying elements while selecting appropriate processing parameters will be able to improve and successfully enable to produce a DSS with better mechanical and corrosion properties at a lower cost through casting and powder metallurgy technique. In this work, we investigated the electrochemical properties of cast and sintered DSS alloys. The cast alloys were developed in a vacuum melting furnace while P/M DSS alloys were developed through a combination of mechanical alloying and spark plasma sintering technique. The results showed that the corrosion properties of cast DSS alloys were similar in pitting corrosion resistance in both NaCl and H2SO4. The passive current density (ipass) of Alloy 2 (Bal.Fe-18Cr-5Mn-1Mo-1Si-1Cu-0.22N) showed lower value than other DSS alloys. There was no much difference in corrosion current density (icorr), however, the corrosion potential (Ecorr) of Alloy 2 and 304SS were higher than for other alloys. There was no much variation observed in critical current density (icrit) for all alloys. Further, results from simulated body fluid SBF showed that Alloy 2 and Alloy 3 (Bal.Fe-18Cr-4Mn-1Mo-1Si-2Cu-0.22N) of cast samples showed similar corrosion resistance properties in comparison to AISI 304SS. Further experiments on the effect of agitated condition at different rotation speeds (rpm) showed that, corrosion resistance properties such as pitting potential decreased with an increase in rotation speed probably due to the shear stresses acting on the passive film. Phase evolution and powder morphology were studied during mechanical alloying. Microstructure characterization, hardness, density, temperature optimization during SPS and corrosion properties were further investigated for powder metallurgy prepared specimens. Temperature optimization was conducted on Alloy D2 (Bal.Fe-18Cr-6Mn-1Mo-1Si-1Cu-0.22N) at 900oC, 950oC and 1000oC and a 1000oC and Spark plasma sintering temperature was selected. The maximum percentage density achieved by P/M sample was 96.73% at 1000oC sintering temperature compared to their respective theoretical values. The XRD spectra revealed the presence of sharp crystalline peaks of ferrite and austenitic phases and no secondary phases such as Sigma, Chi, and nitrides were observed. Electrochemical properties of sintered alloys were investigated in 0.2M NaCl solution. In PDP, Alloy D4 (Bal.Fe-18Cr-3Mn-1Mo-1Si-0Cu-5Ni-0.22N) showed better corrosion properties such as higher pitting potential (Epit) and higher polarization resistance due to higher Ni content. Alloy D2 showed active behaviour due to the negative effect of Cu on its composition. EIS results showed that Alloy D4 exhibited better polarization resistance than other Alloys. The polarization resistance values for the alloys were calculated by fitting the EIS spectra with an appropriate equivalent circuit.

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Engineering Mechanical
Department:	College of Engineering and Physics > Mechanical Engineering
Committee Advisor:	TOOR, IHSAN UL HAQ
Committee Members:	GASEM, ZUHAIR M. and NOUARI, SAHEB
Depositing User:	FARID ABDALLAH (g201407620)
Date Deposited:	11 Jan 2018 05:10
Last Modified:	31 Dec 2020 06:57
URI:	http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/140595