Edelstahl 316L VS 2205 Duplex in biomedizinischen Bereichen

Die Pharma- und Biotech-Industrie stellt relativ hohe Anforderungen an die Stahlmaterialien, die in Verarbeitungsbehältern und Rohrleitungssystemen verwendet werden. Diese müssen eine ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit und Reinheit aufweisen, um die Reinheit und Qualität des Arzneimittels sicherzustellen, und sie müssen auch in der Lage sein, die Produktionsumgebung zu tolerieren Desinfektions- und Reinigungsprozesse von Temperatur, Druck und Korrosion weisen ebenfalls eine gute Schweißbarkeit auf und können die Anforderungen der Oberflächenindustrie erfüllen.

316L (UNS S31603, EN 1.4404) Austenitischer Edelstahl ist das Hauptmaterial für Geräte zur Herstellung der pharmazeutischen und biotechnologischen Industrie. Edelstahl 316L weist eine hervorragende Korrosionsbeständigkeit, Schweißbarkeit und elektrolytische Poliereigenschaften auf und ist daher ein ideales Material für die meisten pharmazeutischen Anwendungen. Obwohl 316L-Edelstahl in vielen Prozessumgebungen eine gute Leistung erbringt, verbessern Kunden die Leistung von 316L-Edelstahl durch sorgfältige Auswahl der spezifischen chemischen Zusammensetzung von 316L-Edelstahl und die Verwendung verbesserter Produktionsverfahren wie Elektroslag-Umschmelzen (ESR) weiter.

Für stark korrosive Medien können Kunden, die erhöhte Wartungskosten in Kauf nehmen können, weiterhin Edelstahl 316L oder superaustenitischen 6% Molybdän-Edelstahl mit höherer Legierungszusammensetzung wie AL-6XN® (UNS N08367) oder 254 SMO® verwenden (UNS S31254, EN 1.4547). Derzeit wird 2205 (UNS S32205, EN 1.4462) zweiphasiger Edelstahl auch bei der Herstellung von Prozessanlagen in dieser Industrie verwendet.

Die Mikrostruktur von Edelstahl 316L umfasst die Austenitphase und eine sehr geringe Menge Ferritphase, die hauptsächlich durch Zugabe einer ausreichenden Menge Nickel zur Legierung zur Stabilisierung der Austenitphase gebildet wird. Der Nickelgehalt von Edelstahl 316L beträgt im Allgemeinen 10 bis 11%. 2205 Duplex-Edelstahl wird durch Reduzieren des Nickelgehalts auf etwa 5% und Einstellen des zugesetzten Mangans und Stickstoffs auf etwa 40-50% Ferrit gebildet und enthält ungefähr die gleiche Menge an Ferritphasen- und Austenitphasen-Mikrostruktur mit großer bis beträchtlicher Korrosion Widerstand. Die Erhöhung des Stickstoffgehalts und die feinkörnige Mikrostruktur von 2205 Duplex-Edelstahl führen zu einer höheren Festigkeit als herkömmliche austenitische rostfreie Stähle wie 304L und 316L. Unter Glühbedingungen ist die Streckgrenze von 2205 Duplex-Edelstahl etwa doppelt so hoch wie die von 316L-Edelstahl. Aufgrund dieser höheren Festigkeit kann die zulässige Spannung von 2205-Doppel-Edelstahl in Abhängigkeit von den Konstruktionsspezifikationen für Geräte für Herstellungsprozesse viel höher sein. Es kann die Wandstärke und die Kosten in vielen Anwendungen reduzieren. Sehen wir uns den Vergleich der chemischen Zusammensetzung und der mechanischen Eigenschaften zwischen 316L und 2205 an (angegeben in ASTM A240).

NotenUNSCMnPSSiCrNiMoN
316LS316030.032.00.0450.030.7516.0-18.010.0-14.02.0-3.00.1
2205S322050.032.00.030.021.022.0-23.04.5-6.53.0-3.50.14-0.2
NotenZugfestigkeit, MPa (ksi)Streckgrenze Mpa (ksi)VerlängerungHärte, HRB (HRC)
316 / 316L515 (75)205 (30)40%217 (95)
2205655 (95)450 (65)25%29331 ()

Korrosivitätsleistung

Lochfraßbeständigkeit

In pharmazeutischen und biotechnologischen Anwendungen ist die häufigste Korrosion von rostfreiem Stahl Lochfraß in Chloridmedien. 2205 Duplex-Edelstahl hat einen höheren Chrom-, Molybdän- und Stickstoffgehalt, der hinsichtlich Lochfraß- und Spaltkorrosionsbeständigkeit deutlich besser ist als Edelstahl 316L. Die relative Korrosionsbeständigkeit von rostfreiem Stahl kann durch Messen der Temperatur (kritische Korrosionstemperatur) bestimmt werden, die zum Lochfraß in einer Standardtestlösung von 6% Eisenchlorid erforderlich ist. Die kritische Korrosionstemperatur (CPT) von 2205 Duplex-Edelstahl liegt zwischen 316L-Edelstahl und 6% superaustenitischem Molybdän-Edelstahl. Es ist zu beachten, dass die in Eisenchloridlösung gemessenen CPT-Daten eine zuverlässige Rangfolge der Beständigkeit gegen Chloridionen-Lochfraß darstellen und nicht zur Vorhersage der kritischen Korrosionstemperatur des Materials in anderen Chloridumgebungen verwendet werden sollten.

Spannungsrisskorrosion

Wenn die Temperaturen höher als 150 ° C sind, neigt Edelstahl 60L unter der kombinierten Einwirkung von Zugspannung und Chloridionen zu Rissen, und diese katastrophale Korrosion wird als Chloridspannungskorrosionsrissbildung (SCC) bezeichnet. Bei der Auswahl von Materialien unter heißen Flüssigkeitsbedingungen sollte Edelstahl 316 in Gegenwart von Chloridionen und Temperaturen von 316 ° C oder höher vermieden werden. Wie in der folgenden Abbildung gezeigt, kann 150 Duplex-Edelstahl SCC in einer einfachen Salzlösung mindestens 60 ° C standhalten.

Verarbeitungseigenschaften

Die Bearbeitung von 2205 Duplex-Edelstahl ähnelt in vielerlei Hinsicht der von 316L, es gibt jedoch noch einige Unterschiede. Bei der Kaltumformung müssen die höheren Festigkeits- und Kaltverfestigungseigenschaften von zweiphasigem rostfreiem Stahl berücksichtigt werden. Geräte müssen möglicherweise eine höhere Tragfähigkeit aufweisen, und im Betrieb weist rostfreier Stahl 2205 eine höhere Elastizität als standardmäßige austenitische rostfreie Stahlsorten auf. Die höhere Festigkeit von 2205 Duplex-Edelstahl erschwert das Schneiden als 316L.

2205 Duplex-Edelstahl kann wie 316L-Edelstahl geschweißt werden. Der Wärmeeintrag und die interlaminare Temperatur müssen jedoch streng kontrolliert werden, um das erwartete Austenit-Ferrit-Phasenverhältnis aufrechtzuerhalten und die Ausfällung schädlicher intermetallischer Phasen zu vermeiden. Das Schweißgas enthält eine kleine Menge Stickstoff, um diese Probleme zu vermeiden. Bei der Schweißqualifikation von Duplex-Edelstahl wird üblicherweise das Austenit-Ferrit-Verhältnis durch einen Ferritprüfer oder eine metallografische Untersuchung bewertet. Die ASTM A 923-Testmethode wird normalerweise verwendet, um das Vorhandensein schädlicher intermetallischer Phasen zu überprüfen. Das empfohlene Zusatzwerkstoff für die Schweißnaht ist ER2209 (UNSS39209, EN 1600). Das Selbstschmelzschweißen wird nur empfohlen, wenn die Glühbehandlung der Schweißlösung nach dem Schweißen durchgeführt werden kann, um die Korrosionsbeständigkeit wiederherzustellen. Es wird kein Zusatzwerkstoff verwendet. Um ein Lösungsglühen durchzuführen, werden die Komponenten auf eine Temperatur von mindestens 1900 ° C erhitzt und dann schnell abgekühlt.

Das Eindringen und die Fließfähigkeit von Duplex-Edelstahl 2205 sind schlecht als bei Edelstahl 316L, daher ist die Schweißgeschwindigkeit langsamer und die Form der Verbindung muss geändert werden. 2205 Duplex-Edelstahl erfordert einen breiteren Nutwinkel, einen größeren Wurzelabstand und eine kleinere stumpfe Kante als 316L-Edelstahl, um eine vollständig verschmolzene Schweißnaht zu erhalten. Wenn das Schweißgerät die Verwendung von Zusatzdraht zulässt, wird die 2209 Zusatzdraht wird zum Schienenschweißen von 2205-Edelstahlrohren verwendet, oder der Zusatzdraht kann anstelle des entsprechenden Legierungs-Verbrauchsmaterialeinsatzes verwendet werden.

Elektrolytisches Polieren

Bei vielen pharmazeutischen und biotechnologischen Anwendungen muss die mit dem Produkt in Kontakt stehende Oberfläche elektrolytisch poliert werden. Daher sind hochwertige elektrolytisch polierte Oberflächen eine wichtige Materialeigenschaft. 2205 Duplex-Edelstahl kann elektrolytisch auf eine Oberfläche von 15 Mikrozoll (0.38 Mikron) oder höher poliert werden, was den ASME BPE-Standard für die Oberflächenbeschaffenheit von elektrolytisch polierten Oberflächen übertrifft, aber die elektrolytisch polierte 2205-Edelstahloberfläche ist nicht so hell wie 316L-Edelstahl Stahloberfläche. Dieser Unterschied ist auf die etwas höhere Metalllöslichkeit von Ferrit im Vergleich zu Austenit während des Elektropolierprozesses zurückzuführen.

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