Comparison of the combined oxidation and sulphidation behavior of nickel-and cobalt-based alloys at high temperature

The combined oxidation-sulphidation behavior at high temperature of two nickel-based and two cobalt-based cast alloys is analyzed and discussed. These materials are evaluated in view of their possible application for heat- treating furnace components — with a specific, but not exclusive, focus on furnace riders. Typical service conditions combine extremely high temper- atures with the simultaneous presence of sulphur-bearing impurities, due to the combustion of fuels like coal and coke. The main requirements for this demanding application are remarkable heat and degradation resistance — where the latter shall be considered chiefly as capability to withstand oxidation and sulphidation at high temperature. The atmosphere chosen to simulate this harsh environment consists of atmospheric air with 12% of sulphur, where the percentage is expressed by weight of the samples. The testing procedure has been performed at three temperatures and for three time spans, up to 96 hours at 1280 °C. Macroscopic results — expressed in terms of weight change after the tests — are supported by a detailed micrographical investigation, performed with the aid of SEM micrographs and relying on EDS spectrometry for quantita- tive chemical results. The analysis is mainly focused on the microstructural alterations experienced by each alloy — highlighting the most significant differences from the initial state —, and on the extent of internal attack by oxygen and sulphur. Combining macroscopic experimental data and information from the micro- graphs acquired, both nickel-based alloys are shown to provide better perfor- mances throughout the testing program, because they manage to combine moderate weight loss and limited depth of internal attack. The response of cobalt-based alloys is more diversified and dependent on the specific test performed.

Il presente elaborato indaga con strumenti analitici la tendenza cumulativa all’ossidazione e alla sulfidazione di quattro leghe da fonderia — due del nichel e due del cobalto — ad elevata temperatura. In termini applicativi, tali materiali sono valutati nell’ottica di un possibile utilizzo per compo- nenti di fornaci da trattamenti termici — con riferimento specifico, ma non esclusivo, ai cavalieri da forno. Le tipiche condizioni d’esercizio combinano delle temperature estremamente elevate con la presenza d’impurità conte- nenti zolfo, a causa dell’utilizzo di combustibili fossili quali carbone e coke nelle fornaci. I requisiti imprescindibili per tale gravosa applicazione sono un’elevata resistenza al calore e al deterioramento — qui inteso eminente- mente come capacità di resistere a ossidazione e sulfidazione ad alta temper- atura. Per simulare tali severe condizioni di servizio, i campioni sono stati testati in aria atmosferica con aggiunta del 12% di zolfo — espresso rispetto al peso dei singoli campioni. La procedura sperimentale è stata ripetuta per tre tempi e tre temperature, per un massimo di 96 ore a 1280 °C. I risultati macroscopici — espressi come variazioni di peso dopo le sin- gole prove — sono supportati da una dettagliata indagine microstrutturale, svolta mediante micrografie SEM e adoperando la spettrometria EDS per le composizioni chimiche. I due nuclei concettuali su cui verte tale analisi sono l’evoluzione microstrutturale delle singole leghe dopo le prove — rispetto allo stato iniziale, parimenti caratterizzato —, e l’estensione dell’attacco in- terno, dato dalla penetrazione di ossigeno e zolfo nella matrice metallica, al di sotto dell’ossido, per diffusione allo stato solido. L’analisi cumulativa e comparata dei dati sperimentali numerici e delle mi- crografie acquisite rivela una migliore risposta delle due leghe del nichel alle condizioni di prova, in quanto esse riescono a combinare moderate perdite di peso e ridotte penetrazioni interne degli elementi esogeni presenti nell’atmosfera. I risultati delle due leghe del cobalto sono maggiormente diversificati, meno univoci e più soggetti a variazioni da una prova all’altra.