Duplex in acciaio inossidabile 316L VS 2205 nel campo della biomedicina

L'industria farmaceutica e biotecnologica ha requisiti relativamente elevati riguardo ai materiali in acciaio utilizzati nei serbatoi di lavorazione e nel sistema di condutture, che devono avere un'eccellente resistenza alla corrosione e pulizia per garantire la purezza e la qualità del prodotto farmaceutico, devono anche essere in grado di tollerare l'ambiente di produzione e i processi di disinfezione e pulizia di temperatura, pressione e corrosione, hanno anche una buona saldabilità e possono soddisfare i requisiti dell'industria della finitura superficiale.

316L (UNS S31603, EN 1.4404) L'acciaio inossidabile austenitico è il materiale principale per le apparecchiature nella produzione delle industrie farmaceutiche e biotecnologiche. L'acciaio inossidabile 316L ha un'eccellente resistenza alla corrosione, saldabilità e proprietà di lucidatura elettrolitica, che lo rendono un materiale ideale per la maggior parte delle applicazioni farmaceutiche. Sebbene l'acciaio inossidabile 316L funzioni bene in molti ambienti di processo, i clienti continuano a migliorare le prestazioni dell'acciaio inossidabile 316L attraverso un'attenta selezione della composizione chimica specifica dell'acciaio inossidabile 316L e l'uso di processi di produzione migliorati come l'elettroslag remelting (ESR).

Per fluidi altamente corrosivi, i clienti che possono accettare costi di manutenzione maggiori possono continuare a utilizzare acciaio inossidabile 316L o scegliere di utilizzare acciaio inossidabile super austenitico al 6% di molibdeno con una composizione di lega più elevata, come AL-6XN® (UNS N08367) o 254 SMO® (UNS S31254, EN 1.4547). Attualmente, l'acciaio inossidabile a doppia fase 2205 (UNS S32205, EN 1.4462) viene utilizzato anche nella produzione di apparecchiature di processo in questo settore.

La microstruttura dell'acciaio inossidabile 316L comprende la fase di austenite e una quantità molto piccola di fase di ferrite, che si forma principalmente aggiungendo una quantità sufficiente di nichel alla lega per stabilizzare la fase di austenite. Il contenuto di nichel dell'acciaio inossidabile 316L è generalmente del 10-11%. L'acciaio inossidabile duplex 2205 è formato riducendo il contenuto di nichel a circa il 5% e regolando il manganese e l'azoto aggiunti per formare circa il 40-50% di ferrite e contiene all'incirca la stessa quantità di fase ferritica e microstruttura della fase austenitica, con corrosione da grande a considerevole resistenza. L'aumento del contenuto di azoto e la microstruttura a grana fine dell'acciaio inossidabile duplex 2205 ne fanno avere una resistenza maggiore rispetto ai comuni acciai inossidabili austenitici come 304L e 316L. In condizioni di ricottura, il limite di snervamento dell'acciaio inossidabile duplex 2205 è circa il doppio di quello dell'acciaio inossidabile 316L. A causa di questa maggiore resistenza, lo stress ammissibile dell'acciaio inossidabile duple 2205 può essere molto più alto, a seconda delle specifiche di progettazione per le apparecchiature di processo di produzione. Può ridurre lo spessore e il costo della parete in molte applicazioni. Vediamo la composizione chimica e il confronto delle proprietà meccaniche tra 316L e 2205 (specificato in ASTM A240)

classiUNSCMnPSSiCrNiMoN
316LS316030.032.00.0450.030.75di 16.0-18.0di 10.0-14.0di 2.0-3.00.1
2205S322050.032.00.030.021.0di 22.0-23.0di 4.5-6.5di 3.0-3.5di 0.14-0.2
classiResistenza alla trazione, Mpa (ksi)Limite di snervamento Mpa (ksi)AllungamentoDurezza, HRB (HRC)
316 / 316L515 (75)205 (30)40% 217 (95)
2205655 (95)450 (65)25% 29331 ()

Prestazioni di corrosività

Pitting resistenza alla corrosione

Nelle applicazioni farmaceutiche e biotecnologiche, la corrosione più comune dell'acciaio inossidabile è la vaiolatura nei mezzi di cloruro. L'acciaio inossidabile duplex 2205 ha un contenuto di cromo, molibdeno e azoto più elevato, che è significativamente migliore dell'acciaio inossidabile 316L in termini di resistenza alla corrosione per vaiolatura e interstiziale. La resistenza alla corrosione relativa dell'acciaio inossidabile può essere determinata misurando la temperatura (temperatura critica di corrosione) richiesta per la vaiolatura in una soluzione di prova standard di cloruro ferrico al 6%. La temperatura critica di corrosione (CPT) dell'acciaio inossidabile duplex 2205 è compresa tra l'acciaio inossidabile 316L e l'acciaio inossidabile super austenitico al 6% di molibdeno. Va notato che i dati CPT misurati nella soluzione di cloruro ferrico rappresentano una classifica affidabile della resistenza alla corrosione ionica del cloruro e non devono essere utilizzati per prevedere la temperatura critica di corrosione del materiale in altri ambienti di cloruro.

Cricche da corrosione da stress

Quando le temperature sono superiori a 150 ° F (60 ° C), l'acciaio inossidabile 316L tende a rompersi sotto l'azione combinata di tensione di trazione e ioni cloruro, e questa corrosione catastrofica è nota come cracking da corrosione da stress da cloruro (SCC). Quando si selezionano materiali in condizioni di fluido caldo, l'acciaio inossidabile 316 deve essere evitato in presenza di ioni cloruro e temperature di 150 ° F (60 ° C) o superiori. Come mostrato nella figura seguente, l'acciaio inossidabile duplex 2205 può resistere a SCC ad almeno 250 ° C (120 ° F) in una semplice soluzione salina.

Proprietà di elaborazione

La lavorazione dell'acciaio inossidabile duplex 2205 è simile a quella del 316L per molti versi, ma ci sono ancora alcune differenze. La lavorazione di stampaggio a freddo deve tenere conto delle caratteristiche di maggiore resistenza e incrudimento dell'acciaio inossidabile a doppia fase, potrebbe essere necessario che le apparecchiature abbiano una capacità di carico maggiore e, durante il funzionamento, l'acciaio inossidabile 2205 mostrerà una maggiore resilienza rispetto ai gradi di acciaio inossidabile austenitico standard. La maggiore resistenza dell'acciaio inossidabile duplex 2205 rende più difficile il taglio rispetto al 316L.

L'acciaio inossidabile duplex 2205 può essere saldato allo stesso modo dell'acciaio inossidabile 316L. Tuttavia, l'apporto di calore e la temperatura interlaminare devono essere rigorosamente controllati per mantenere il rapporto di fase austenite-ferrite previsto e per evitare la precipitazione di fasi intermetalliche dannose. Il gas di saldatura contiene una piccola quantità di azoto per evitare questi problemi. Nella qualifica di saldatura dell'acciaio inossidabile duplex, il metodo comunemente utilizzato è quello di valutare il rapporto austenite-ferrite mediante tester di ferrite o esame metallografico. Il metodo di prova ASTM A 923 viene tipicamente utilizzato per verificare la presenza di fasi intermetalliche dannose. Il metallo d'apporto consigliato per la saldatura è ER2209 (UNSS39209, EN 1600). La saldatura autofusione è consigliata solo se il trattamento di ricottura in soluzione di saldatura può essere eseguito dopo la saldatura per ripristinare la resistenza alla corrosione. Non utilizza metallo d'apporto. Per eseguire la ricottura in soluzione, i componenti vengono riscaldati a una temperatura di almeno 1900 ° F (1040 ° C) e quindi raffreddati rapidamente.

La penetrazione e la fluidità dell'acciaio inossidabile Duplex 2205 sono scarse rispetto all'acciaio inossidabile 316L, quindi la velocità di saldatura è più lenta e la forma del giunto deve essere modificata. L'acciaio inossidabile duplex 2205 richiede un angolo di scanalatura più ampio, una distanza dalla radice maggiore e un bordo smussato più piccolo rispetto all'acciaio inossidabile 316L per ottenere una saldatura completamente fusa. Se l'attrezzatura di saldatura consente l'uso del filo di apporto, il 2209 filo d'apporto viene utilizzato per gestire la saldatura del binario di tubi in acciaio inossidabile 2205, oppure il filo di apporto può essere utilizzato al posto dell'inserto consumabile di lega appropriato.

Lucidatura elettrolitica

Molte applicazioni farmaceutiche e biotecnologiche richiedono che la superficie a contatto con il prodotto sia lucidata elettroliticamente, quindi le superfici lucidate elettroliticamente di alta qualità sono un'importante proprietà del materiale. L'acciaio inossidabile 2205 Duplex può essere lucidato elettroliticamente fino a una finitura di 15 micro pollici (0.38 micron) o superiore, che supera lo standard ASME BPE per la finitura superficiale delle superfici lucidate elettroliticamente, ma la superficie dell'acciaio inossidabile 2205 lucidata elettroliticamente non è brillante come l'acciaio inossidabile 316L superficie in acciaio. Questa differenza è dovuta alla solubilità metallica leggermente superiore della ferrite rispetto all'austenite durante il processo di elettrolucidatura.

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