Stal nierdzewna dwufazowa i stal nierdzewna 2205

Co to jest stal nierdzewna duplex

Stal nierdzewna duplex jest nazywana „duplex”, ponieważ jej mikrostruktura metalograficzna składa się z dwóch rodzajów ziaren stali nierdzewnej, ferrytu i austenitu. Kiedy stal nierdzewna duplex się topi, najpierw krzepnie w pełną strukturę ferrytu, gdy krzepnie ze stanu ciekłego. Gdy materiał stygnie do temperatury pokojowej, około połowa ziaren ferrytu przekształca się w ziarna austenitu. W rezultacie około 50% mikrostruktury składa się z fazy austenitu, a 50% z fazy ferrytu.

Wytrzymałość stali nierdzewnej duplex jest około dwukrotnie większa niż wytrzymałość konwencjonalnej stali nierdzewnej austenitycznej lub stali nierdzewnej ferrytycznej. Dlatego projektanci mogą zmniejszyć grubość cienkich ścianek w niektórych zastosowaniach. Poniższy rysunek porównuje granicę plastyczności kilku stali nierdzewnych duplex i stali nierdzewnej austenitycznej 316L w zakresie temperatur od temperatury pokojowej do 300 ℃. Chociaż stale nierdzewne duplex mają wysoką wytrzymałość, wykazują dobrą plastyczność i wytrzymałość. Wytrzymałość i ciągliwość stali nierdzewnej duplex są znacznie lepsze niż stali nierdzewnej ferrytycznej i stali węglowej, a także zachowują dobrą wytrzymałość nawet w bardzo niskich temperaturach, takich jak -40 ℃/F. Nadal jednak nie mogą osiągnąć doskonałego poziomu stali nierdzewnej austenitycznej.

Odporność stali nierdzewnej na korozję zależy głównie od jej składu chemicznego. W większości środowisk zastosowań stal nierdzewna duplex wykazuje wysoką odporność na korozję ze względu na wysoką zawartość chromu, co jest korzystne w przypadku kwasów utleniających, oraz wystarczającą ilość molibdenu i niklu, aby wytrzymać korozję w środowisku kwasów redukujących.

Zdolność stali nierdzewnej duplex do opierania się korozji wżerowej i szczelinowej jonów chlorkowych zależy od zawartości chromu, molibdenu, wolframu i azotu. Stosunkowo wysoka zawartość chromu, molibdenu i azotu w stali nierdzewnej duplex zapewnia jej doskonałą odporność na korozję wżerową i szczelinową. Posiadają one szereg różnych właściwości odporności na korozję, od klas równoważnych odporności na korozję stali nierdzewnej 316, takich jak ekonomiczna stal nierdzewna duplex 2101, do klas równoważnych odporności na korozję stali nierdzewnej z 6% molibdenu, takich jak SAF2507.

Stal nierdzewna dwufazowa ma doskonałą odporność na korozję naprężeniową (SCC), która jest dziedziczona po stronie ferrytu. Wszystkie stale nierdzewne typu duplex mają znacznie lepszą odporność na korozję naprężeniową chlorkową niż stale nierdzewne austenityczne serii 300. Standardowe gatunki stali nierdzewnej austenitycznej, takie jak 304 i 316, mogą ulegać korozji naprężeniowej w warunkach jonów chlorkowych, wilgotnego powietrza i podwyższonych temperatur. Dlatego w wielu zastosowaniach w przemyśle chemicznym, w których istnieje wysokie ryzyko korozji naprężeniowej, często stosuje się stal nierdzewną typu duplex zamiast stali nierdzewnej austenitycznej.

Między stalą nierdzewną austenityczną a stalą nierdzewną ferrytyczną, ale bliżej stali nierdzewnej ferrytycznej i stali węglowej. W porównaniu z gatunkami stali nierdzewnej austenitycznej o tej samej odporności na korozję, stal nierdzewna duplex ma niższą zawartość niklu i molibdenu. Ze względu na niską zawartość pierwiastków stopowych stal nierdzewna duplex może mieć przewagę cenową, zwłaszcza gdy dopłata stopowa jest wysoka. Ponadto, ze względu na wysoką granicę plastyczności stali nierdzewnej duplex, jej rozmiar przekroju poprzecznego można często zmniejszyć. W porównaniu z użyciem stali nierdzewnej austenitycznej, użycie stali nierdzewnej duplex może znacznie obniżyć koszty i wagę.

Stal nierdzewna dwufazowa ma ponad 80-letnią historię. Wczesne gatunki to stopy chromu, niklu i molibdenu. Pierwsza partia kutej i walcowanej stali nierdzewnej duplex została wyprodukowana w Szwecji w 1930 roku i wykorzystana w przemyśle papierniczym siarczynowym. Gatunki te opracowano w celu zmniejszenia problemów z korozją międzykrystaliczną we wczesnej austenitycznej stali nierdzewnej o wysokiej zawartości węgla. W 1930 roku Finlandia wyprodukowała odlewy ze stali nierdzewnej duplex. Poprzednik Uranus 50 został opatentowany we Francji w 1936 roku. Po II wojnie światowej stal nierdzewna AISI 329 stała się dojrzałym gatunkiem i była szeroko stosowana w rurociągach wymienników ciepła dla zakładów produkujących kwas azotowy. 3RE60 to jeden z gatunków stali nierdzewnej duplex pierwszej generacji opracowanych specjalnie w celu poprawy jej odporności na korozję naprężeniową chlorków (SCC). Później zarówno kute, jak i odlewane gatunki stali nierdzewnej duplex były stosowane w różnych gałęziach przemysłu przetwórczego, w tym w pojemnikach, wymiennikach ciepła i pompach.

Pierwsza generacja stali nierdzewnej duplex ma dobre parametry, ale ma ograniczenia w stanie spawanym. Strefa wpływu ciepła (HAZ) spoiny ma niską wytrzymałość z powodu nadmiernej zawartości ferrytu, a jej odporność na korozję jest znacznie niższa niż metalu bazowego. Ograniczenia te ograniczają zastosowanie pierwszej generacji stali nierdzewnej duplex do pewnych konkretnych zastosowań w stanach niespawanych. Wynalezienie procesu rafinacji stali nierdzewnej i odwęglania tlenowo-argonowego (AOD) w 1968 r. umożliwiło produkcję serii nowych gatunków stali nierdzewnej. Jednym z wielu postępów wniesionych przez AOD jest celowe dodanie azotu jako pierwiastka stopowego. Dodanie azotu do stali nierdzewnej duplex może sprawić, że wytrzymałość i odporność na korozję HAZ w stanie spawanym będą zbliżone do właściwości materiału bazowego. Dzięki poprawie stabilności austenitu azot zmniejsza również szybkość tworzenia się szkodliwych faz międzymetalicznych. Stal nierdzewna duplex zawierająca azot nazywana jest stalą nierdzewną duplex drugiej generacji. Ten nowy postęp komercjalizacji rozpoczął się pod koniec lat 1970. XX wieku, zbiegając się z rozwojem złóż ropy naftowej i gazu na Morzu Północnym oraz popytem rynkowym na stal nierdzewną o doskonałej odporności na korozję jonową chlorkową, dobrych parametrach przetwarzania i wysokiej wytrzymałości. 2205 stał się głównym gatunkiem stali nierdzewnej dupleksowej drugiej generacji i jest szeroko stosowany w rurociągach do zbierania gazu na platformach wiertniczych i obiektach przetwórczych. Ze względu na wysoką wytrzymałość tej stali grubość ścianki można zmniejszyć, zmniejszając tym samym wagę platformy. Dlatego zastosowanie tej stali nierdzewnej jest bardzo atrakcyjne.

Stal nierdzewna dwufazowa obejmuje szereg gatunków o różnych cechach odporności na korozję, a jej odporność na korozję zależy od składu stopu. Pod względem odporności na korozję nowoczesna stal nierdzewna duplex dzieli się na pięć kategorii:

1. Ekonomiczna stal nierdzewna typu duplex, bez celowego dodawania molibdenu, np. 2304;

2. Ekonomiczna stal nierdzewna typu duplex zawierająca molibden, np. S32003;

Głównym gatunkiem jest standardowa stal nierdzewna typu duplex o zawartości Cr wynoszącej około 22% i zawartości Mo wynoszącej 3%, np. 2205, stanowiąca około 60% wykorzystania stali nierdzewnej typu duplex;

3. Stal nierdzewna superduplex o zawartości Cr około 25% i zawartości Mo 3%, o wartości PREN 40-45, np. 2507; 5. Stal nierdzewna superduplex o wyższej zawartości Cr i Mo niż stal nierdzewna superduplex, o wartości PREN większej niż 45, np. S32707

Lokalna odporność na korozję stali nierdzewnej jest silnie skorelowana z zawartością pierwiastków stopowych. Pierwiastkami, które mogą zwiększyć odporność na korozję wżerową są głównie Cr, Mo i NW. Chociaż W nie jest powszechnie używany, jego efektywny udział stanowi około połowę Mo (w procentach wagowych). Zależność między względną odpornością na korozję wżerową stali nierdzewnej w roztworze jonów chlorkowych a składem stali nierdzewnej można opisać za pomocą równania empirycznego zwanego liczbą równoważną odporności na korozję wżerową (PREN). Wzór obliczeniowy PREN dla stali nierdzewnej austenitycznej i stali nierdzewnej dupleksowej jest następujący: PREN (ekwiwalent korozji wżerowej) = % Cr + 3.3 (% Mo + 0.5% W) + 16% N

Powszechnie uważa się, że dobrą wydajność można osiągnąć, gdy stosunek fazy ferrytycznej do fazy austenitycznej w stali nierdzewnej dupleksowej wynosi 30% do 70%. Jednak często uważa się, że stal nierdzewna dupleksowa ma mniej więcej równe proporcje ferrytu i austenitu. W obecnej produkcji komercyjnej, w celu uzyskania optymalnej wytrzymałości i charakterystyki przetwarzania, proporcja austenitu ma tendencję do bycia nieco wyższą. Interakcje między głównymi pierwiastkami stopowymi, zwłaszcza chromem, molibdenem, azotem i niklem, są bardzo złożone. Aby uzyskać stabilną strukturę dwufazową, która sprzyja przetwarzaniu i produkcji, należy zwrócić uwagę na odpowiednią zawartość każdego pierwiastka.

Oprócz równowagi fazowej, drugim ważnym problemem dotyczącym stali nierdzewnej duplex i jej składu chemicznego jest tworzenie się szkodliwych faz międzymetalicznych w podwyższonych temperaturach. Faza σ i faza χ powstają w stali nierdzewnej o wysokiej zawartości chromu i molibdenu i preferencyjnie wytrącają się w fazie ferrytu. Dodatek azotu znacznie opóźnił tworzenie się tych faz. Dlatego bardzo ważne jest utrzymanie wystarczającej ilości azotu w roztworze stałym. Wraz ze wzrostem doświadczenia w produkcji stali nierdzewnej duplex, ludzie są coraz bardziej świadomi znaczenia kontrolowania wąskiego zakresu składników.

Początkowy zakres składu stali nierdzewnej duplex 2205 (UNS S31803) był zbyt szeroki. Doświadczenie pokazało, że aby osiągnąć optymalną odporność na korozję i uniknąć tworzenia faz międzymetalicznych, zawartość chromu, molibdenu i azotu w S31803 powinna być utrzymywana na górnych i środkowych granicach zakresu zawartości. Doprowadziło to do wprowadzenia ulepszonej stali duplex 2205 UNS S32205 o węższym zakresie składu. Skład S32205 jest typowy dla obecnie dostępnej w handlu stali nierdzewnej duplex 2205.

Co to jest stal nierdzewna duplex 2205

Stal nierdzewna duplex 2205 jest (austenityczną ferrytyczną) stalą nierdzewną duplex składającą się z 22% chromu, 3% molibdenu i 4.5% stopu niklu i azotu (nazywaną stalą duplex 2205). W swojej strukturze roztworu stałego fazy ferrytyczna i austenityczna stanowią około połowę każdej, a minimalna zawartość fazy musi na ogół osiągnąć 30%. Dlatego ma ona właściwości użytkowe zarówno stali nierdzewnej ferrytycznej, jak i austenitycznej. Stal nierdzewna duplex 2205 jest domieszkowaną azotem stalą nierdzewną duplex o wysokiej wytrzymałości, dobrej udarności i doskonałej ogólnej i lokalnej odporności na korozję naprężeniową. Stal duplex 2205 jest szczególnie odpowiednia do zakresu temperatur od -50 ° F do +600 ° F. Zastosowania poza tym zakresem temperatur mogą również uwzględniać ten stop.

Główną cechą stali nierdzewnej duplex 2205 jest to, że jej granica plastyczności może osiągnąć 400-550 MPa, co jest dwa razy więcej niż w przypadku zwykłej stali nierdzewnej austenitycznej. Ta cecha pozwala projektantom zmniejszyć wagę podczas projektowania produktów, oszczędzając w ten sposób materiały. Ten stop ma przewagę cenową nad 316317L i obniża koszty produkcji sprzętu. Pod względem odporności na korozję, zwłaszcza w trudnych warunkach środowiskowych, takich jak woda morska o wysokiej zawartości jonów chlorkowych, odporność na korozję wżerową, korozję szczelinową, korozję naprężeniową i zmęczenie korozyjne stali nierdzewnej duplex jest znacznie lepsza niż zwykłej stali nierdzewnej austenitycznej i może być porównywalna z wysokostopową stalą nierdzewną austenityczną. Ze względu na szczególne właściwości użytkowe stali duplex 2205, typy produktów obejmują pręty, druty, rury spawane, rury bezszwowe, blachy stalowe, materiały kute, paski itp. Ma szeroki zakres zastosowań i nadal jest najszerzej stosowanym gatunkiem stali duplex.

Właściwości fizyczne i mechaniczne stali nierdzewnej dupleksowej 2205

Gęstość: 8.0 g/cm3. Wytrzymałość na rozciąganie: σ b ≥ 620Mpa. Granica plastyczności: σ 0.2 ≥ 450Mpa, współczynnik wydłużenia: δ ≥ 25%.

Odporność na korozję stali nierdzewnej duplex 2205

Jednorodna korozja: Ze względu na zawartość chromu (22%), molibdenu (3%) i azotu (0.18%) w stali dupleksowej 2205, jej odporność na korozję jest lepsza niż w przypadku stali 316L i 317L w większości środowisk.

Lokalna odporność na korozję: Zawartość chromu, molibdenu i azotu w stali dupleksowej 2205 sprawia, że ​​jest ona wysoce odporna na korozję punktową i szczelinową w roztworach utleniających i kwaśnych.

Odporność na korozję naprężeniową: Dwufazowa mikrostruktura stali dupleksowej 2205 pomaga poprawić odporność stali nierdzewnej na korozję naprężeniową. W określonych warunkach temperatury, naprężenia, tlenu i chlorków austenityczna stal nierdzewna ulegnie korozji naprężeniowej chlorków. Ze względu na trudności w kontrolowaniu tych warunków, stosowanie stali 304L, 316L i 317L jest w tym względzie ograniczone. Odporność na zmęczenie korozyjne: Wysoka wytrzymałość i odporność na korozję stali dupleksowej 2205 zapewnia jej wysoki poziom odporności na zmęczenie korozyjne. Sprzęt przetwórczy jest podatny na środowiska korozyjne i cykle obciążenia, a właściwości stali 2205 są bardzo odpowiednie do takich zastosowań.

Obszary zastosowań stali nierdzewnej dupleksowej 2205

Obszary zastosowań stali dupleksowej 2205: środowisko neutralne chlorkowe, przemysł rafineryjny, przemysł petrochemiczny i chemiczny, rurociągi transportowe przemysłu chemicznego, przemysł naftowy i gazu ziemnego, przemysł celulozowo-papierniczy, przemysł nawozowy, przemysł mocznikowy, przemysł nawozów fosforanowych, środowisko wody morskiej, przemysł energetyczny i ochrony środowiska, przemysł lekki i spożywczy, urządzenia dla przemysłu spożywczego i farmaceutycznego, elementy konstrukcyjne o wysokiej wytrzymałości, rurociągi podmorskie, odsiarczanie spalin, urządzenia do odsalania infiltracyjnego, instalacje kwasu siarkowego, elementy złączne w inżynierii morskiej itp.

Jako specjalny rodzaj stali, 2205 przewyższa zwykłą stal nierdzewną zarówno pod względem twardości, jak i wydajności.