Un materiale speciale in acciaio inossidabile - Acciaio inossidabile duplex

L'acciaio inossidabile duplex combina le caratteristiche dell'acciaio inossidabile austenitico e ferritico. Rispetto all'acciaio inossidabile ferritico, ha una maggiore plasticità e tenacità, nessuna fragilità a temperatura ambiente, una resistenza alla corrosione intergranulare e una prestazione di saldatura significativamente migliorate. Allo stesso tempo, mantiene la fragilità a 475 e l'elevata conducibilità termica dell'acciaio inossidabile ferritico, e ha caratteristiche come la superplasticità. Rispetto all'acciaio inossidabile austenitico, ha una resistenza maggiore e una resistenza significativamente migliorata alla corrosione intergranulare e alla corrosione da stress da cloruro. L'acciaio inossidabile a doppia fase ha un'eccellente resistenza alla corrosione da vaiolatura ed è anche un acciaio inossidabile che risparmia nichel.

1. Sviluppo storico

Dalla sua nascita negli Stati Uniti negli anni '40, l'acciaio inossidabile duplex si è sviluppato fino alla sua terza generazione. La sua caratteristica principale è che il suo limite di snervamento può raggiungere 400-550MPa, che è il doppio di quello dell'acciaio inossidabile ordinario, risparmiando così materiali e riducendo i costi di produzione delle apparecchiature. In termini di resistenza alla corrosione, soprattutto in ambienti medi severi come l'acqua di mare con un alto contenuto di ioni cloruro, la resistenza alla corrosione da vaiolatura, alla corrosione da fessura, alla corrosione da stress e alla corrosione da fatica dell'acciaio inossidabile duplex è significativamente migliore di quella dell'acciaio inossidabile austenitico ordinario, e può essere paragonabile all'acciaio inossidabile austenitico ad alto contenuto di lega.

2. Caratteristiche prestazionali

A causa delle caratteristiche della struttura a due fasi, controllando correttamente la composizione chimica e il processo di trattamento termico, l'acciaio inossidabile duplex combina i vantaggi dell'acciaio inossidabile ferritico e austenitico. Combina l'eccellente tenacità e saldabilità dell'acciaio inossidabile austenitico con l'elevata resistenza e la resistenza alla corrosione da stress da cloruro dell'acciaio inossidabile ferritico. Sono queste proprietà superiori che hanno portato allo sviluppo rapido dell'acciaio inossidabile duplex come materiale strutturale saldabile. Dagli anni '80, è diventato una classe di acciaio alla pari con gli acciai inossidabili martensitici, austenitici e ferritici. L'acciaio inossidabile a doppia fase ha le seguenti caratteristiche prestazionali:

(1) L'acciaio inossidabile duplex contenente molibdeno mostra un'eccellente resistenza alla corrosione da stress da cloruro sotto basso stress. Generalmente, l'acciaio inossidabile austenitico 18-8 è soggetto a cricche da corrosione da stress in soluzioni di cloruro neutro sopra i 60 °C. Scambiatori di calore, evaporatori e altri apparecchi realizzati con questo tipo di acciaio inossidabile in tracce di cloruro e mezzi industriali di solfuro di idrogeno tendono a sperimentare cricche da corrosione da stress, mentre l'acciaio inossidabile duplex ha una buona resistenza.

(2) L'acciaio inossidabile duplex contenente molibdeno ha una buona resistenza alla corrosione da vaiolatura. Quando ha lo stesso valore equivalente di resistenza alla vaiolatura (PRE=Cr%+3.3Mo%+16N%), il potenziale critico di vaiolatura dell'acciaio inossidabile duplex è simile a quello dell'acciaio inossidabile austenitico. La resistenza alla corrosione da vaiolatura e da fessura dell'acciaio inossidabile duplex ad alto contenuto di cromo contenente il 25% di Cr, in particolare azoto, supera quella dell'AISI 316L.

(3) Ha una buona resistenza alla corrosione da fatica e alla corrosione da usura. Adatto per la produzione di apparecchiature di potenza come pompe e valvole in determinate condizioni di mezzi corrosivi.

(4) Buona prestazione meccanica complessiva. Ha un'elevata resistenza e resistenza alla fatica, con un limite di snervamento doppio rispetto all'acciaio inossidabile austenitico 18-8. Il tasso di allungamento dello stato di soluzione solida raggiunge il 25%, e il valore di tenacità AK (scanalatura a V) è superiore a 100J.

3. Struttura e Tipo

L'acciaio inossidabile a doppia fase ha le caratteristiche sia dell'acciaio inossidabile austenitico che ferritico grazie alla sua struttura a doppia fase di austenite e ferrite, e il contenuto delle due fasi è sostanzialmente lo stesso. Il limite di snervamento può raggiungere 400Mpa~550MPa, che è il doppio di quello dell'acciaio inossidabile austenitico ordinario. Rispetto all'acciaio inossidabile ferritico, l'acciaio inossidabile duplex ha una maggiore tenacità, una temperatura di transizione fragile inferiore, una resistenza alla corrosione intergranulare e una prestazione di saldatura significativamente migliorate; Allo stesso tempo, conserva alcune caratteristiche dell'acciaio inossidabile ferritico, come la fragilità a 475, l'elevata conducibilità termica, il basso coefficiente di espansione lineare, la superplasticità e il magnetismo. Rispetto all'acciaio inossidabile austenitico, l'acciaio inossidabile duplex ha una resistenza maggiore, in particolare un limite di snervamento significativamente migliorato, e miglioramenti significativi in proprietà come la resistenza alla corrosione da vaiolatura, la resistenza alla corrosione da stress e la resistenza alla corrosione da fatica.

L'acciaio inossidabile a doppia fase può essere classificato in quattro tipi in base alla sua composizione chimica: tipo Cr18, tipo Cr23 (escludendo Mo), tipo Cr22 e tipo Cr25. Per l'acciaio inossidabile duplex Cr25, può essere diviso in tipo ordinario e acciaio inossidabile super duplex, tra cui il tipo Cr22 e il tipo Cr25 sono più comunemente usati. L'acciaio inossidabile duplex utilizzato in Cina è per lo più prodotto in Svezia, con gradi specifici tra cui 3RE60 (tipo Cr18), SAF2304 (tipo Cr23), SAF2205 (tipo Cr22) e SAF2507 (tipo Cr25).

4. Classificazione

Il primo tipo appartiene al tipo a bassa lega, rappresentato dal grado UNS S32304 (23Cr-4Ni-0.1N), che non contiene molibdeno nell'acciaio e ha un valore PREN di 24-25. Può sostituire AISI304 o 316 in termini di resistenza alla corrosione da stress.

Il secondo tipo appartiene al tipo a media lega, rappresentato dal grado UNS S31803 (22Cr-5Ni-3Mo-0.15N), con un valore PREN di 32-33. La sua resistenza alla corrosione è tra AISI 316L e 6% Mo+N acciaio inossidabile austenitico.

Il terzo tipo appartiene al tipo ad alta lega, generalmente contenente il 25% di Cr, oltre a molibdeno e azoto, e alcuni contengono anche rame e tungsteno. Il grado standard è UNSS32550 (25Cr-6Ni-3Mo-2Cu-0.2N), con un valore PREN di 38-39. La resistenza alla corrosione di questo tipo di acciaio è superiore a quella dell'acciaio inossidabile duplex con il 22% di Cr.

Il quarto tipo appartiene al tipo di acciaio inossidabile super duplex, contenente alto molibdeno e azoto. Il grado standard è UNS S32750 (25Cr-7Ni-3.7Mo-0.3N), e alcuni contengono anche tungsteno e rame. Il valore PREN è superiore a 40, che può essere utilizzato in condizioni di mezzo difficili e ha una buona resistenza alla corrosione e prestazioni meccaniche complessive, paragonabili all'acciaio inossidabile super austenitico.

5. Caratteristiche di saldatura

L'acciaio inossidabile a doppia fase ha una buona prestazione di saldatura. Rispetto all'acciaio inossidabile ferritico e all'acciaio inossidabile austenitico, non ha la zona termicamente alterata dalla saldatura dell'acciaio inossidabile ferritico, che riduce notevolmente la plasticità e la tenacità a causa della grave ingrossamento dei grani, né è sensibile alle cricche a caldo da saldatura come l'acciaio inossidabile austenitico.

Grazie ai suoi vantaggi unici, l'acciaio inossidabile duplex è ampiamente utilizzato in settori industriali come apparecchiature petrolchimiche, apparecchiature per il trattamento di acqua di mare e acque reflue, oleodotti e gasdotti, macchinari per la carta, ecc. Negli ultimi anni, è stato anche studiato per l'uso in strutture portanti di ponti e ha grandi prospettive di sviluppo.

I problemi di prestazione di saldatura che spesso sorgono con "acciaio duplex economico" non sono un problema. Tuttavia, la saldatura dell'acciaio duplex standard non è un problema, e indipendentemente dal processo utilizzato, ci sono materiali di saldatura adatti per queste applicazioni. Da un punto di vista metallografico, la saldatura del 2101 (1.4162) non è affatto un problema. In realtà, è persino più facile da saldare rispetto all'acciaio duplex di grado standard perché questo materiale può effettivamente essere saldato utilizzando il processo di saldatura ad acetilene. Per i materiali in acciaio duplex standard, questo processo deve sempre essere evitato. Il problema reale affrontato dalla saldatura del 2101 è che la viscosità del bagno di fusione è diversa, quindi la bagnabilità è leggermente peggiore. Questo costringe gli operatori a utilizzare più la saldatura ad arco durante il processo di saldatura, ed è proprio qui che risiede il problema. Anche se può essere compensato selezionando superleghe, spesso vogliamo scegliere materiali di saldatura corrispondenti.

6. Materiale e grado

Molti gradi di acciaio inossidabile duplex sono stati aggiunti al nuovo standard GB/T 20878-2007 "Gradi di acciaio inossidabile e acciaio resistente al calore e composizione chimica" in Cina. Ad esempio: 14Cr18Ni11Si4AlTi 022Cr19Ni5Mo3Si2N, 12Cr21Ni5Ti. Altri gradi possono essere trovati nello standard.

Inoltre, il famoso acciaio duplex 2205 è equivalente al 022Cr23Ni5Mo3N della Cina.

Infine, alcune pagine web e persino articoli si riferiscono erroneamente all'acciaio inossidabile duplex come acciaio inossidabile duplex. Bifase si riferisce alla presenza di due tipi di strutture metallografiche, piuttosto che a "orientamento" direzionale.

Composizione chimica

7. Requisiti per la selezione del materiale di saldatura

Il materiale di saldatura utilizzato per l'acciaio inossidabile duplex è caratterizzato da una struttura duplex dominata dall'austenite nel cordone di saldatura, con gli elementi principali resistenti alla corrosione (cromo, molibdeno, ecc.) aventi un contenuto equivalente a quello del materiale di base, garantendo così una resistenza alla corrosione comparabile a quella del materiale di base. Per garantire il contenuto di austenite nel cordone di saldatura, è solitamente necessario aumentare il contenuto di nichel e azoto, cioè aumentare l'equivalente di nichel di circa il 2% al 4%. Nei materiali di base in acciaio inossidabile duplex, è generalmente presente una certa quantità di azoto, ed è anche auspicabile avere un certo contenuto di azoto nei materiali di saldatura, ma non dovrebbe essere troppo alto, altrimenti si verificherà porosità. Questo rende l'alto contenuto di nichel una differenza principale tra il materiale di saldatura e il materiale di base.

Scegliere elettrodi che corrispondano alla composizione chimica del metallo di base in base ai diversi requisiti di resistenza alla corrosione e tenacità del giunto. Ad esempio, quando si salda acciaio inossidabile duplex Cr22, si possono utilizzare elettrodi Cr22Ni9Mo3 come gli elettrodi E2209. Quando si utilizzano elettrodi acidi, la rimozione della scoria è eccellente e il cordone di saldatura è esteticamente gradevole, ma la tenacità all'impatto è bassa. Quando è richiesta un'elevata tenacità all'impatto per il metallo di saldatura e la saldatura in tutte le posizioni, si dovrebbero utilizzare elettrodi alcalini. Quando si salda il fondo della radice, si utilizzano solitamente elettrodi alcalini. Quando ci sono requisiti speciali per la resistenza alla corrosione del metallo di saldatura, si dovrebbero utilizzare anche elettrodi alcalini con composizione di acciaio super duplex.

Per il filo per saldatura schermato a gas solido, pur garantendo che il metallo di saldatura abbia una buona resistenza alla corrosione e proprietà meccaniche, occorre prestare attenzione anche alle prestazioni del processo di saldatura. Per il filo animato, quando è richiesta una bella formazione del cordone, si può utilizzare un filo animato di tipo rutilo o calcio titanio. Quando è richiesta un'elevata tenacità all'impatto o la saldatura in condizioni di elevato vincolo, si dovrebbe utilizzare un filo animato con elevata alcalinità.

Per la saldatura ad arco sommerso, è consigliabile utilizzare fili per saldatura di diametro più piccolo per ottenere una saldatura a più strati e passate sotto specifiche di saldatura piccole e medie, al fine di prevenire la fragilità della zona termicamente alterata e del metallo di saldatura, e utilizzare flussi alcalini abbinati.