생의학 분야의 스테인리스 스틸 316L VS 2205 듀플렉스

제약 및 생명 공학 산업은 의약품의 순도와 품질을 보장하기 위해 우수한 내식성과 청결성을 가져야하는 처리 용기 및 파이프 라인 시스템에 사용되는 철강 재료에 대한 요구 사항이 상대적으로 높으며 온도, 압력 및 부식의 생산 환경과 소독 및 세척 공정을 견딜 수 있어야하며 용접성이 우수하고 표면 마감에 대한 업계의 요구 사항을 충족 할 수 있어야합니다.

316L(UNS S31603, EN 1.4404) 오스테나이트 스테인리스강은 제약 및 생명공학 산업 제조 장비의 주요 소재입니다. 316L 스테인리스 스틸은 내식성, 용접성 및 전해 연마 특성이 우수하여 대부분의 제약 분야에 이상적인 소재입니다. 316L 스테인리스강은 많은 공정 환경에서 우수한 성능을 발휘하지만, 고객들은 특정 316L 스테인리스강 화학 성분을 신중하게 선택하고 전기 슬래그 재용융(ESR)과 같은 개선된 생산 공정을 사용하여 316L 스테인리스강의 성능을 지속적으로 개선하고 있습니다.

부식성이 높은 매체의 경우 유지보수 비용 증가를 감수할 수 있는 고객은 316L 스테인리스강을 계속 사용하거나 AL-6XN®(UNS N08367) 또는 254 SMO®(UNS S31254, EN 1.4547)와 같이 합금 구성이 높은 6% 몰리브덴 슈퍼 오스테나이트 스테인리스강을 선택할 수 있습니다. 현재 2205(UNS S32205, EN 1.4462) 2상 스테인리스강도 이 산업에서 공정 장비 제조에 사용됩니다.

316L 스테인리스강의 미세 구조에는 오스테나이트 상과 매우 소량의 페라이트 상이 포함되며, 이는 주로 오스테나이트 상을 안정화하기 위해 합금에 충분한 양의 니켈을 첨가하여 형성됩니다. 316L 스테인리스 스틸의 니켈 함량은 일반적으로 10-11%입니다. 2205 듀플렉스 스테인리스 강은 니켈 함량을 약 5%로 줄이고 첨가 된 망간과 질소를 조정하여 약 40-50% 페라이트를 형성하여 형성되며 거의 동일한 양의 페라이트 상과 오스테 나이트 상 미세 구조를 포함하며 내식성이 크거나 상당한 내식성을 가지고 있습니다. 2205 듀플렉스 스테인리스 스틸의 질소 함량 증가와 미세 입자 미세 구조로 인해 304L 및 316L과 같은 일반적인 오스테나이트 스테인리스 스틸보다 강도가 높습니다. 어닐링 조건에서 2205 듀플렉스 스테인리스 스틸의 항복 강도는 316L 스테인리스 스틸의 약 2배입니다. 이러한 높은 강도로 인해 제조 공정 장비의 설계 사양에 따라 2205 이중 스테인리스강의 허용 응력은 훨씬 더 높을 수 있습니다. 따라서 많은 응용 분야에서 벽 두께와 비용을 줄일 수 있습니다. 316L과 2205(ASTM A240에 명시됨)의 화학적 조성 및 기계적 물성 비교를 살펴보겠습니다.

성적UNSCMnPSSiCrNiMoN
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
성적인장 강도, Mpa(ksi)항복 강도 Mpa(ksi)신장경도, HRB(HRC)
316/316L515(75)205(30)40%217(95)
2205655(95)450(65)25%29331()

부식성 성능

피팅 내식성

제약 및 생명공학 응용 분야에서 스테인리스강의 가장 일반적인 부식은 염화물 매질에서 피팅이 발생하는 것입니다. 2205 듀플렉스 스테인리스 스틸은 크롬, 몰리브덴 및 질소 함량이 높아 피팅 및 틈새 내식성이 316L 스테인리스 스틸보다 훨씬 우수합니다. 스테인리스강의 상대적 내식성은 6% 염화철 표준 시험 용액에서 피팅에 필요한 온도(임계 부식 온도)를 측정하여 결정할 수 있습니다. 2205 듀플렉스 스테인리스강의 임계 부식 온도(CPT)는 316L 스테인리스강과 6% 몰리브덴 슈퍼 오스테나이트 스테인리스강 사이에 있습니다. 염화철 용액에서 측정된 CPT 데이터는 염화물 이온 피팅에 대한 저항성의 신뢰할 수 있는 순위이며 다른 염화물 환경에서 재료의 임계 부식 온도를 예측하는 데 사용해서는 안 된다는 점에 유의해야 합니다.

응력 부식 균열

온도가 150°F(60°C)보다 높을 경우 316L 스테인리스 스틸은 인장 응력과 염화물 이온의 결합 작용으로 균열이 발생하기 쉬우며, 이러한 치명적인 부식을 염화물 응력 부식 균열(SCC)이라고 합니다. 뜨거운 유체 조건에서 소재를 선택할 때는 염화물 이온이 있고 온도가 150°F(60°C) 이상인 경우 316 스테인리스강을 피해야 합니다. 아래 그림에서 볼 수 있듯이 2205 듀플렉스 스테인리스 스틸은 단순 염 용액에서 최소 250°F(120°C)의 SCC를 견딜 수 있습니다.

처리 속성

2205 듀플렉스 스테인리스 스틸의 가공은 여러면에서 316L의 가공과 유사하지만 여전히 몇 가지 차이점이 있습니다. 냉간 성형 가공은 이중상 스테인리스강의 높은 강도와 가공 경화 특성을 고려해야 하며, 장비는 더 높은 하중 용량을 가져야 할 수 있으며, 작동 시 스테인리스강 2205는 표준 오스테나이트 스테인리스강 등급보다 높은 복원력을 보입니다. 2205 듀플렉스 스테인리스 스틸의 강도가 높기 때문에 316L보다 절단이 더 어렵습니다.

2205 듀플렉스 스테인리스강은 316L 스테인리스강과 동일한 방식으로 용접할 수 있습니다. 그러나 예상되는 오스테나이트-페라이트 상 비율을 유지하고 유해한 금속 간 상이 침전되는 것을 방지하기 위해 열 입력과 층간 온도를 엄격하게 제어해야 합니다. 용접 가스에는 이러한 문제를 방지하기 위해 소량의 질소가 포함되어 있습니다. 듀플렉스 스테인리스강의 용접 자격에서 일반적으로 사용되는 방법은 페라이트 테스터 또는 금속 조직 검사로 오스테나이트-페라이트 비율을 평가하는 것입니다. ASTM A 923 테스트 방법은 일반적으로 유해한 금속 간 상이 존재하는지 확인하는 데 사용됩니다. 용접에 권장되는 필러 금속은 다음과 같습니다. ER2209 (UNSS39209, EN 1600). 용접 후 내식성을 회복하기 위해 용접 용액 어닐링 처리를 수행할 수 있는 경우에만 자가 융착 용접을 권장합니다. 필러 금속을 사용하지 않습니다. 용액 어닐링을 수행하기 위해 부품을 최소 1900°F(1040°C)의 온도로 가열한 다음 급속 냉각합니다.

듀플렉스 스테인리스 스틸 2205의 침투성과 유동성은 316L 스테인리스 스틸보다 열악하므로 용접 속도가 느리고 접합부의 모양을 수정해야 합니다. 2205 듀플렉스 스테인리스 스틸은 완전히 용융된 용접을 얻기 위해 316L 스테인리스 스틸보다 더 넓은 홈 각도, 더 큰 루트 간격 및 더 작은 뭉툭한 모서리가 필요합니다. 용접 장비에서 필러 와이어를 사용할 수 있는 경우에는 2209 필러 와이어 를 사용하여 2205 스테인리스 스틸 파이프의 트랙 용접을 처리하거나 적절한 합금 소모품 인서트 대신 필러 와이어를 사용할 수 있습니다.

전해 연마

많은 제약 및 생명공학 응용 분야에서는 제품과 접촉하는 표면을 전해 연마해야 하므로 고품질 전해 연마 표면은 중요한 재료 특성입니다. 2205 듀플렉스 스테인리스 스틸은 전해 연마 표면의 표면 마감에 대한 ASME BPE 표준을 초과하는 15마이크로인치(0.38미크론) 이상의 마감으로 전해 연마할 수 있지만, 전해 연마된 2205 스테인리스 스틸 표면은 316L 스테인리스 스틸 표면만큼 밝지 않습니다. 이러한 차이는 전해 연마 공정에서 오스테나이트에 비해 페라이트의 금속 용해도가 약간 더 높기 때문입니다.

스테인리스 스틸 후면 차폐 용접

석유 화학 산업의 급속한 발전으로 스테인리스 강관 및 플레이트의 용접에 대한 요구 사항이 높아지고 초기 스테인리스 강 용접 백킹은 점차적으로 세척되고 있으며 이제는 더 청결하고 더 높은 효율로 아르곤 아크 용접 백킹 용접을 더 많이 사용하고 있습니다. 동시에 몇 가지 문제, 즉 스테인레스 스틸베이스 백의 아르곤 아크 용접을 사용한 용접 공정은 쉽게 산화되어 결함을 생성하므로 백 보호 조치를 취해야하므로 용접 기계적 특성 및 내식성 등을 유지해야하므로 오늘 여기에서는 일반적으로 사용되는 몇 가지 종류의 스테인레스 스틸 용접 백 차폐 방법을 소개했습니다:

Ar로 후면 차폐

일반적으로 사용되는 차폐 가스는 순수 아르곤과 혼합 가스일 수 있습니다. 실제로 특정 비율의 아르곤과 질소 혼합 가스가 오스테나이트 스테인리스강 용접에 더 도움이 됩니다. 일부 불활성 가스는 높은 비용 때문에 사용되지 않습니다. 아르곤 충전은 가장 일반적으로 사용되는 후면 차폐 방법으로, 좋은 효과, 쉬운 작동, 높은 청소 및 높은 적격률이 특징입니다. 보호 커버 충전 아르곤 차폐, 국부 충전 아르곤 차폐, 용접 접합 충전 아르곤 차폐 등으로 나눌 수 있습니다.

아르곤 충전 보호 커버

스테인리스 강판 및 대구경 파이프 용접에 사용됩니다. 금속 실드는 파이프와 아르곤 호스를 연결하여 실드를 아르곤 가스로 채우고 용접기 휴대용 금속 파이프를 손잡이로 사용하여 용융 풀 슬라이드의 뒷면에 실드를 만들고 플레이트 또는 파이프 용접을 함께 만들어 뒷면을 효과적으로 보호하여 아르곤 낭비를 크게 줄입니다.

로컬 충전 아르곤

국부적으로 작은 공간 또는 파이프 라인의 짧은 크기에 사용됩니다. 파이프 라인의 용접 조인트는 접착 테이프로 밀봉해야하며 (공기 누출을 방지하기 위해) 파이프 라인의 양쪽 끝은 스펀지, 접착 테이프 또는 종이 등으로 밀봉해야합니다. 아르곤 호스의 한쪽 끝은 아르곤으로 채워야 합니다. 파이프의 다른 쪽 끝에 작은 구멍을 만드는 것이 좋습니다 (스폰지는 필요하지 않음), 이는 최종 백킹 용접 조인트에 도움이되며 과도한 내부 압력으로 인해 처지지 않습니다. 단점은 아르곤 충전 속도가 느리고 비용이 많이 든다는 것입니다.

용접 접합부 아르곤 충전

너무 길고 큰 파이프 직경 파이프 라인의 경우 로컬 아르곤 충전 비용이 높고 품질을 보장 할 수 없으므로 용접 접합부 충전 아르곤 방법을 직접 사용할 수 있습니다. 아르곤 차폐는 내부 용접 조인트의 색상에 따라 판단 할 수 있으며 용접기는 색상에 따라 아르곤을 조정하여 최상의 보호를 얻을 수 있습니다. 흰색과 금색이 최고이고 회색과 검은 색이 최악입니다. 그러나 작동 과정에서 스테인리스 스틸 후면 차폐에 대한 몇 가지 팁이 있습니다:

(1) 아르곤 아크 용접 전에 미리 뒷면에 큰 흐름으로 아르곤을 채워 용접 부품을 보호 할 수 있으며 공기가 배출 된 후 점차적으로 흐름이 감소합니다. 용접 과정에서 파이프에 아르곤을 계속 채우고 용접이 완료된 후 중지하십시오. 또한 용접은 공기가 제거 된 후에 만 수행 할 수 있으며 그렇지 않으면 아르곤 충전의 보호 효과에 영향을 미칩니다.

(2) 아르곤 가스 흐름이 적절해야 합니다. 너무 작은 흐름은 좋은 보호가 아니며 용접 뒷면이 산화되기 쉽습니다. 과도한 흐름은 용접 루트에 오목한 결함을 유발하고 용접 품질에 영향을 미칩니다.

(3) 아르곤 흡입구는 닫힌 섹션에서 가능한 한 낮게 배치하고 공기 배출구는 약간 높게 배치해야 합니다. 아르곤은 공기보다 무겁기 때문에 낮은 위치에서 충전하면 더 높은 농도를 보장하고 더 나은 보호 기능을 제공합니다.

(4) 조인트 갭에서 아르곤 누출을 줄이기 위해 용접 전에 용접 갭을 따라 접착 테이프를 사용하여 용접기를위한 연속 용접 길이 만 남겨두고 용접하는 동안 접착 테이프를 제거 할 수 있습니다.

자체 차폐 용접 와이어

후면 자체 차폐 와이어는 플럭스 코어 코팅이 된 일종의 용접 와이어입니다. 용접하는 동안 차폐 코팅이 용접 풀에 침투하여 조밀 한 보호 층을 형성하여 용접 비드 뒷면이 산화되지 않도록합니다. 냉각 후 보호 층은 자동으로 떨어지고 퍼지 압력 테스트를 통해 청소됩니다.

자체 차폐 용접 스테인리스 스틸 와이어 다양한 용접 조건에 의해 제한되지 않으며 작업이 빠르고 간단합니다. 그러나 플럭스 코어 코팅은 연기와 유독 가스, 처짐 및 기타 결함이 나타날 수 있으므로 용접기에 대한 특정 요구 사항이 있습니다. 자체 차폐 와이어는 높은 비용으로 인해 백킹 용접에 적합합니다. 이 용접 와이어의 방법은 기본적으로 일반 솔리드 코어 아르곤 아크 용접 와이어의 방법과 동일하며 용접 금속은 성능의 사용 요구 사항을 충족 할 수 있습니다.

ASTM A387 Gr22와 304 강판을 함께 용접할 수 있습니까?

이종 강철의 용접은 항공 우주, 석유 화학 산업, 기계 산업과 같은 분야에서 광범위하게 응용됩니다. 이종 강은 화학적 조성, 야금 호환성 및 물리적 특성 등이 실제로 다르며 용접 과정에서 합금 원소 이동, 고르지 않은 화학적 조성 및 금속 조직으로 나타나며 열 응력 및 용접 변형 또는 균열을 생성 할 수 있으며 이는 용접 조인트의 기계적 특성을 감소시킬 수 있습니다. 본 논문에서는 ASTM A387 GR22 크로몰리 강판과 S30408 스테인리스 강판의 이종강 용접 접합부의 용접성을 분석하고 적절한 용접 방법, 용접 재료 및 용접 공정 파라미터를 선택하고 용접 후 열처리를 수행했습니다.

성적CSiMnCrMoCuNiNPS
A387 GR220.110.350.462.211.060.120.22/0.010.006
3040.050.621.8319.16//8.970.060.0270.015
화학 성분 비교

S30408은 일반적으로 사용되는 오스테 나이트 계 스테인리스 강이며 ASTM A387 GR22는 주로 수소화 플랜트 반응기 및 열교환 기 및 기타 장비에 사용되는 고온 저항성과 수소에 대한 내성이 우수한 저 합금 내열강입니다. 크롬과 몰리브덴은 강철의 경화성을 크게 향상시킬 수 있으며, 용접 금속과 열 영향 영역은 특정 냉각 속도에서 냉간 균열에 민감한 미세 구조를 형성 할 수 있습니다. 진행성 취성은 유해 잔류 금속의 총 함량이 350-550℃에서 장기간 작동 시 허용 한도를 초과할 때 발생합니다. 우리가 직면해야 하는 주요 어려움은 다음과 같습니다:

  • 용접 희석

용접 금속은 용접 공정 중에 증착된 금속에 의해 희석됩니다. 전이 층은 ASTM A387 GR22 강판의 한쪽에 있는 융착 영역에 가까운 용접 금속에 형성됩니다. 전이 층의 구성은 용접 금속의 구성과 다릅니다. 모재 합금 함량이 높을수록 용융 비율이 높아지고 희석률이 높아집니다. ASTM A387 GR22 측의 전이 층은 희석으로 인해 부서지기 쉬운 마르텐사이트 구조를 생성할 수 있습니다.

  • 탄소 마이그레이션

고온에서 크롬과 탄소 원자는 크롬 카바이드의 화합물을 형성하기 쉽고, 용접 과정에서 크롬이 부족하여 탈탄 영역에서 탄소 원자를 형성하여 연화, 거친 입자, 취성, 내식성 증가, 크롬과 탄소 원자를 풍부하게하여 침탄 층 이동을 형성하고 경화, 입자 크기 및 성능을 향상시키는 S30408 측면을 형성합니다.

  • 용접 응력

두 재료의 열전도율과 선팽창계수가 다르기 때문에 용접 공정 중 고온 영역에서 열 응력이 발생하여 제거할 수 없어 용접 및 융착 영역 근처에 추가 응력이 발생하고, 일관되지 않은 수축으로 인해 냉각 공정에서 용접 잔류 응력이 발생하여 ASTM A387GR22 강판의 측면에 균열이 발생합니다.

발생할 수 있는 문제를 파악한 후, 이 실험의 재료는 ASTM A387GR22 및 S30408 스테인리스 강판으로, 규격은 400mm×150mm×10mm입니다. 두 재료의 화학 성분은 표에 나와 있습니다:

  • 용접 방법

용접 접합부의 희석을 줄이고 냉간 균열 및 재가열 균열을 방지하기 위해 용접 시 니켈 기반 합금 용접 재료를 ASTM A387GR22의 측면에 먼저 표면 처리합니다. 아르곤 텅스텐 아크 용접 및 전극 아크 용접과 같이 용융 비율이 작고 희석률이 낮은 용접 방법이 선택됩니다. 이 실험에서는 아르곤 아크 용접을 백킹으로 사용하고 아크 용접 커버의 용접 방법을 사용합니다.

  • 용접 재료

니켈 기반 전극 및 전선 ERNiCr-3/ENiCr-3는 니켈의 흑연화에 의한 탄화물 형성을 차단하고 전이 층을 줄이며 취성 마르텐사이트 구조의 생성을 방지하며 ASTM A387GR22 강판에서 탄소 이동을 더욱 억제하는 데 사용됩니다.

  • 용접 홈

용접 홈의 유형은 용접 층 수, 충전 금속의 양, 융착 비율 및 용접 잔류 응력을 고려해야 합니다. 설계된 그루브의 유형과 크기는 아래와 같습니다:

  • 예열 및 층간 온도 제어

ASTM A387 GR22의 미세 구조는 강화 베이나이트이고 S30408의 미세 구조는 오스테나이트입니다. 전자는 경화성, 재가열 균열 경향 및 템퍼링 취성이 있고 후자는 용접성이 우수합니다. 재료의 화학적 조성, 접합 형태, 용접 방법 및 용접 재료에 따라 예열 온도는 약 200 ℃이고 용접 패스 사이의 온도는 100 ℃ 이내임을 확인했습니다. 용접 후 즉시 350℃×2시간에서 열처리를 실시했습니다.

  • 용접 공정 파라미터
용접 레이어용접 방법용접 전선용접 전극용접 전류 I/A용접 압력 U/V용접 속도 v/cm
서피싱  SMAWERNiCr-3, 4.0mmDCEP140-16023-2616-20
스폿 용접/1GTAWERNiCr-3, 2.4mmDCSP120-15013-158-10
2엔드SMAWERNiCr-3, 4.0mmDCEP140-16023-2616-20

용접하기 전에 강판의 홈과 양쪽에서 200mm 이내의 산화물 층, 기름, 습기, 녹 등을 청소합니다. 구체적인 용접 공정 매개변수는 표에 나와 있습니다.

  • 용접 후 응력 완화 열처리

용접 후 응력 제거 열처리는 용접 균열을 방지하기 위한 중요한 공정입니다. 용접 시 큰 용접 잔류 응력이 발생하므로 용접 잔류 응력을 제거하고 균열 발생을 방지하기 위해 용접 후 690±10℃×2시간 열처리가 필요합니다.

  • 결과 및 분석

내압기기 용접 평가 기준에 따라 강판에 대한 외관 검사를 실시한 결과 표면에 기공, 슬래그 혼입, 균열 등의 결함이 없음을 확인했습니다. 그 후 100% 방사선 촬영 검사와 인장, 굽힘, 충격 등 기계적 특성 시험을 실시했습니다. 테스트 결과는 표에 나와 있습니다.

항목폭/mm두께/mmCSA/mm²최대 부하인장 강도
I120.3039.72806.3507.12625 Mpa
I220.2839.78806.7482.83600 Mpa
인장 테스트

샘플 번호.굽힘 유형두께/mm굽힘 직경굽힘 각도결과
C1측면 굽힘10D=40mm180°자격을 갖춘
C2측면 굽힘10D=40mm180°자격을 갖춘
C3측면 굽힘10D=40mm180°자격을 갖춘
굽힘 테스트

샘플 번호.샘플 크기 mm간격 위치테스트 온도충격 흡수 에너지/Akv
R110*10*55A387 GR22 측면0℃152
R210*10*55A387 GR22 측면0℃176
R310*10*55A387 GR22 측면0℃122
임푸스 테스트

위의 데이터에서 인장, 굽힘 및 충격 테스트가 모두 적격하다는 것을 알 수 있으며, 이는 당사의 용접 공정 계획이 적격하고 ASTM A387 등급 22와 304 사이의 이종 재료 강판 용접이 완벽하게 가능하다는 것을 나타냅니다.