Oțeluri inoxidabile bifazice austeno-feritice

De la Wikipedia, enciclopedia liberă.
Salt la navigare Salt la căutare
Podul Millennium din Londra a fost realizat din oțel inoxidabil austeno-feritic bifazic SAF 2205, profitând de proprietățile sale bune de rezistență mecanică și la coroziune.

Oțelurile inoxidabile bifazice austenitic-feritice , numite și duplex , sunt aliaje feroase inoxidabile care au o structură cristalină mixtă a granulelor de austenită și ferită . Aceste oțeluri au o microstructură care poate fi definită ca hibridă, întrucât coexistă două structuri cristaline diferite. Acest lucru se datorează echilibrului atent al elementelor de aliere atât feritizante (cum ar fi cromul ), cât și austenitizante (cum ar fi nichelul ) prezente în aceste aliaje. Fracțiunea volumetrică a celor două faze poate varia pe o gamă largă datorită tratamentului termic impus și a proprietăților dorite de rezistență mecanică și coroziune. Cu toate acestea, un raport volumetric 50/50 între faze oferă cea mai bună combinație. [1]

Caracteristicile mecanice bune, care permit crearea de structuri mai ușoare, și raportul ridicat de rezistență la coroziune / cost, legat de conținutul redus de nichel prezent, fac ca această clasă de oțel să fie deosebit de atractivă ca înlocuitoare pentru familiile clasice de oțeluri inoxidabile. În plus, o mai bună cunoaștere a fenomenelor metalurgice care afectează aceste aliaje permite o utilizare din ce în ce mai răspândită, depășind limitările care au afectat până acum oțelurile inoxidabile bifazice. [2]

Denumirea „Duplex” derivă din caracterizarea topologică a microstructurii acestor oțeluri, în care cele două componente microstructurale sunt dispuse în cristale de dimensiuni similare distribuite aleator în spațiu. [3]

Istorie

Primele dovezi ale oțelurilor inoxidabile bifazice austeno-feritice datează de la începutul anilor treizeci în paralel atât în ​​țările scandinave [4], cât și în Franța [5] . Primul tratament științific al acestei familii de oțeluri inoxidabile cu „structură bifazică” poate fi atribuit englezului JHG Monypenny în raport cu o microstructură compusă din ferită și austenită în proporții volumetrice de 50/50, pe baza indicațiilor unui brevet Krupp datând din trecut până în 1922. [6] În anii următori, cea mai bună rezistență mecanică și cea mai mare rezistență la uzură în comparație cu oțelurile inoxidabile austenitice tradiționale, au garantat acestei clase de oțeluri primele aplicații industriale atât ca piese turnate , cât și ca produse semifabricate forjate . Marketingul a început în anii 1950 și 1960. Îmbunătățirea tehnologiilor de rafinare a oțelului în anii șaptezeci aduce o îmbunătățire substanțială a calității tuturor oțelurilor inoxidabile, datorită posibilității de a asigura foarfece compoziționale înguste și de a reduce fracțiunile elementelor dăunătoare. O reducere substanțială a costurilor și o rezistență îmbunătățită la coroziune sunt și alte îmbunătățiri semnificative aduse de adoptarea acestor noi tehnologii de rafinare împreună cu apariția turnării continue. Atât de mult încât la sfârșitul acelui deceniu a fost dezvoltat aliajul SAF 2205, un oțel inoxidabil bifazat cu 22% crom și 5% nichel cu adaosuri de molibden și azot , ale cărui proprietăți excelente îl fac unul dintre cele mai răspândite și populare. oțeluri din această categorie. În deceniul următor, familia oțelurilor inoxidabile bifazice a evoluat în două direcții opuse. Primul se concentrează pe economie și pe creșterea caracteristicilor mecanice, reducerea conținutului de nichel (SAF 2304) și, în consecință, creșterea raportului ferită / austenită la 70/30. Al doilea vizează o creștere a rezistenței la coroziune cu o creștere a conținutului de agenți de aliere pasivatori (SAF 2507) și duce la geneza oțelurilor inoxidabile bifazice moderne din clasa Super Duplex. [7] Valabilitatea și difuzia largă a oțelurilor inoxidabile bifazice sunt recunoscute atât de producători, cât și de utilizatori, într-o asemenea măsură încât cererea de rezistență și mai mare la coroziune, împreună cu caracteristicile mecanice bune ale acestor aliaje, au condus la dezvoltarea în ultimii ani. a aliajelor Iper Duplex. Proprietățile excelente demonstrate de această clasă de oțel de ultimă generație promite o difuzie extrem de largă a acestor aliaje. [8]

Compoziție chimică

Microstructura duplex a oțelurilor inoxidabile bifazice moderne se realizează printr-un control atent al compoziției chimice. În detaliu, cromul , molibdenul , siliciul și niobiul se comportă ca elemente stabilizatoare ale fazei feritice . Pe de altă parte, formarea fazei austenitice este promovată prin alierea nichelului , manganului , cuprului , carbonului și azotului . Oțelurile inoxidabile bifazice au o microstructură hibridă: conținutul de crom variază de la 18 la 32% și tinde să stabilizeze microstructura feritică, cea a nichelului de la 4,5 la 7% are ca rezultat cantități insuficiente pentru a determina o structură microcristalină total austenitică (care, prin urmare, rămâne parțial feritice). În plus, aproape toate variantele sale conțin între 2,5 și 4% molibden . În cele din urmă, există forme de oțeluri inoxidabile bifazice duplex, numite „sărace”, care nu conțin molibden și au un conținut de nichel mai mic de 4,5%. Un echilibru corect de elemente de feritizare și austenitizare permite obținerea unei microstructuri cu un raport volumetric de 50/50 între ferită și austenită. Această microstructură garantează cea mai bună combinație de proprietăți mecanice și rezistență la coroziune. Tabelul prezintă compozițiile chimice ale celor mai frecvente oțeluri inoxidabile bifazice, compoziția lor microstructurală și indicele PREN . [9] [10]

SAF UNS UNI EN 10088-1 % C Max % Cr % Ni % Mo % N Ferită / Austenită CARTE
2304 S32304 X3CrNiN 23 4 0,03 23 4 0,2 0,1 70/30 25
2205 S31803 X3CrNiMoN 22 5 0,03 22 5 3 0,16 50/50 35
2507 S32750 X2CrNiMoN 25 7 4 0,03 25 7 4 0,3 50/50 42,5
3207 HD S33207 X2CrNiMoN 32 7 0,03 32 7 3.5 0,5 50/50 50

Clasificarea oțelurilor inoxidabile bifazice prin indicele PREN

Oțelurile inoxidabile cu două faze, la fel ca alte clase de oțeluri inoxidabile, pot fi clasificate în funcție de rezistența lor la perforare prin numărul echivalent de rezistență la pitting (PREN) . Cu cât acest indice este mai mare, cu atât este mai mare rezistența la pitting . Această clasificare este utilizată deoarece este ușor de determinat prin compoziția chimică, totuși trebuie amintit că nu oferă o descriere completă a proprietăților de rezistență la coroziune. Oțelurile inoxidabile cu două faze, similar cu alte oțeluri inoxidabile, pot fi, prin urmare, împărțite în patru categorii:

  • Oțeluri inoxidabile bifazice slabe: PREN ≤ 35, nu conțin molibden și valoarea tipică a indicelui PREN este de aproximativ 25, SAF 2304 aparține acestui tip
  • Oțeluri inoxidabile bifazice standard: sunt caracterizate printr-un indice 35 <PREN ≤ 40, cel mai frecvent dintre oțelurile inoxidabile bifazice, SAF 2205, este inclus în această categorie
  • Oțeluri inoxidabile super-bifazice: au un indice 40 <PREN ≤ 45, cel mai reprezentativ oțel din această categorie este SAF 2507. Este de interes industrial deosebit faptul că sub această categorie, oțelurile bifazice nu pot fi utilizate în medii bogate de hidrogen sulfurat. [11]
  • Oțeluri hiper inoxidabile bifazice: conțin procente mari de crom > 30% din greutate, iar valoarea indicelui PREN ≥ 45 poate ajunge chiar la 50. Oțelul principal din această clasă este SAF 3207 HD [12]

Topologie

Reprezentarea schematică a unei microstructuri duplex

Această clasă de oțeluri inoxidabile se numește Duplex în urma caracterizării topologice a microstructurii acestor aliaje, în funcție atât de raportul volumetric dintre faze, cât și de distribuția lor în spațiu. O microstructură are o topologie de tip „Duplex” atunci când cele două componente microstructurale sunt prezente în fracțiuni volumetrice comparabile, cristalele celor două faze au dimensiuni similare și sunt respectiv dispuse aleatoriu. În consecință, în acest sistem sunt prezente trei interfețe diferite (corespunzătoare diferitelor tipuri de limite ale granulelor): ferită / ferită, austenită / austenită, ferită / austenită.

Acest tip de microstructură se manifestă în semifabricate, după formarea la cald, într-o microstructură de clătite . [7]

Cu toate acestea, această topologie microstructurală nu este, de asemenea, descriptivă a pieselor turnate. În detaliu, deoarece la temperaturi mai ridicate faza feritică este termodinamic mai stabilă, în plus, se solidifică mai întâi la temperaturi nucleare mai mari și, prin urmare, aceasta va juca rolul matricei. Pe de altă parte, austenita solidificată la temperaturi mai scăzute se va aranja de-a lungul limitelor granulelor matricei ferice și în spațiile dintre boabele feritice deja solidificate. [12]

Proprietate

Proprietăți mecanice

Oţel Rp0.2 [MPa] Rm [MPa] LA %
SAF 2304 400 600 - 820 25
SAF 2205 450 680 - 880 25
SAF 2507 550 800 - 1000 25
SAF 3207 HD 800 880 - 1050 29

Unele caracteristici mecanice indicative pentru principalele tipuri de oțeluri inoxidabile bifazice sunt prezentate în tabel. [9]

Microstructura bifazică a acestor oțeluri inoxidabile stă la baza proprietăților lor mecanice bune, adesea superioare celor ale concurenților lor monofazici direcți. În special, rezistența la randament a acestor aliaje nu numai că atinge valori care sunt aproximativ duble față de oțelurile inoxidabile austenitice din seria AISI 3xx, dar o depășește și pe cea a omologilor feritici monofazici cu 50-100 MPa. Se pot face considerații similare cu privire la sarcina de rupere . Modulul de elasticitate , deși câteva GPa este mai mic decât cel al oțelurilor inoxidabile feritice, rămâne totuși mai mare decât cel al oțelurilor inoxidabile austenitice. Această caracteristică poate fi decisivă atunci când rezistența la uzură trebuie să fie cuplată cu o rezistență ridicată la coroziune, de exemplu în industria petrochimică. În plus, chiar și alungirea la rupere a acestei clase de oțeluri inoxidabile este comparabilă cu cea a concurenților monofazici, garantând o bună prelucrare, în ciuda unei ușoare îndoiri a acestei caracteristici. [10]

Oțelurile inoxidabile bifazice sunt, de asemenea, caracterizate de o rezistență excelentă, cu toate acestea, datorită matricei feritice, acestea au o temperatură de tranziție ductil-fragilă , care, la aproximativ -60 ° C / -100 ° C, poate fi evitată cu ușurință. Această familie de oțeluri prezintă, de asemenea, o rezistență ridicată la inițierea și propagarea fisurilor atât în ​​ceea ce privește rezistența, cât și în ceea ce privește rezistența la oboseală atât în ​​aer, cât și în medii agresive [1] . Posibilitatea de a fi mai bună decât concurenții monofazici direcți este asigurată acestor oțeluri prin particularitatea microstructurii lor. De fapt, datorită diferenței de rezistență mecanică a celor două faze constitutive, deformările se vor concentra inițial în faza austenitică, determinând o întărire dură. În urma acestui fenomen, deformațiile vor fi distribuite mai omogen pe tot materialul, până când acesta va atinge caracteristicile mecanice excelente anterior [13] .

Rezistență la coroziune

Secțiunea unui lingou forjat din oțel inoxidabil austenitic-feritic bifazat SAF 2507

Pe lângă proprietățile mecanice bune, oțelurile bifazice au o rezistență excelentă la coroziune datorită posibilității de pasivare chiar și în medii deosebit de agresive, datorită nivelurilor ridicate de crom din aliaj. În același mediu, datorită microstructurii lor particulare, oțelurile inoxidabile bifazice prezintă în general rate de coroziune mai mici decât chiar și oțelurile inoxidabile austenitice cu un conținut similar de crom și molibden . Acest comportament excelent este confirmat și în contextul fenomenelor de coroziune localizate. Compoziția chimică a oțelurilor inoxidabile bifazice permite, de asemenea, o rezistență semnificativă la picături și coroziune în fisuri datorită nivelurilor ridicate de crom, molibden și azot. [14] [15] [16]

Rezistența la coroziune sub tensiune în medii extrem de agresive este semnificativ mai mare decât cea a oțelurilor inoxidabile austenitice și este comparabilă cu cea a superaliajelor pe bază de nichel [17] .

Mai mult, temperatura critică extrem de ridicată a oțelurilor inoxidabile Iper Duplex face posibilă utilizarea acestor oțeluri chiar și în medii în care sunt necesare rezistență ridicată la coroziune și temperaturi ridicate de serviciu [9] .

Proprietăți electromagnetice și termice

În ceea ce privește proprietățile electromagnetice și termice, oțelurile inoxidabile bifazice se clasează așa cum ne-am aștepta printre concurenții lor monofazici, feritici și austenitici. În detaliu, deoarece matricea oțelurilor bifazice este alcătuită dintr-o structură feritică, aceste proprietăți sunt mai apropiate de cele ale omologilor feritici, văzând boabele cristaline austenitice ca obstacole în calea trecerii curentului și căldurii [18] .

Proprietățile magnetice urmează, de asemenea, același principiu: prezența unei faze austenitice paramagnetice reduce inducția saturației, dar oțelurile inoxidabile bifazice rămân feromagnetice [19] . Această proprietate este exploatată prin utilizarea feritoscoapelor pentru a măsura fracțiunea volumetrică a fazei feritice [20] .

Lucrabilitate și sudabilitate

Datorită rezistenței lor mecanice ridicate, aceste oțeluri sunt supuse unor forțe de lucru mai mari și nu sunt potrivite pentru toate procesele de formare, cum ar fi extragerea profundă. Mai mult, din același motiv, trebuie luată în considerare prezența unui arc elastic consistent în formare. [21]

Sudabilitatea acestor oțeluri este destul de bună, cu toate acestea, trebuie luate în considerare precauții speciale pentru tratarea zonei modificate termic . În caz contrar, ar putea apărea fenomene de precipitații necontrolate în această zonă care ar duce la pierderea rezistenței la coroziune și fragilitate. Pentru a evita aceste probleme, procedura de sudare trebuie să urmărească minimizarea timpului total petrecut la temperatură ridicată. [22]

Probleme specifice

Curba de transformare timp-temperatură a oțelurilor inoxidabile bifazice

Oțelurile inoxidabile bifazice prezintă probleme specifice legate în principal de conținutul ridicat de elemente de aliere. În aceste aliaje, atunci când sunt expuse la temperaturi ridicate, apar fenomene de precipitații care compromit caracteristicile mecanice excelente și rezistența la coroziune. Aceste fenomene de precipitații afectează rezistența mecanică, făcând aliajul extrem de fragil. Rezistența la coroziune este în schimb afectată ca urmare a epuizării elementelor pasivante (în special crom ) în vecinătatea precipitatelor.

Este posibil să se distingă două zone de precipitații de diagramele de transformare-timp-temperatură . Primul la temperaturi mai scăzute are vârful curbei la 475 ° C și din acest motiv este definit și bine cunoscut ca „fragilizare la 475 ° C”. Această precipitație implică faza α '(prima care precipită) și limitează temperatura maximă de lucru a acestor oțeluri inoxidabile la doar 200 ° C. [23]

Al doilea nas al curbelor de transformare-timp-temperatură este legat de precipitarea carburilor , nitrurilor și compușilor intermetalici . [24] Precipitația de carburi din această familie de oțeluri este destul de limitată de procentele mici de carbon prezente în această familie de oțeluri inoxidabile; în consecință, acest lucru le face și mai puțin predispuse la fenomenul de sensibilizare care afectează alte clase de oțeluri inoxidabile. Pe de altă parte, oțelurile inoxidabile bifazice sunt foarte predispuse la precipitarea nitrurilor și a fazei σ, care limitează formabilitatea lor la cald. [25] Prin urmare, controlul ciclurilor termice în timpul sudării devine, de asemenea, extrem de important. [26] .

Aplicații

Cea mai apreciată proprietate care favorizează alegerea acestei clase de oțel este rezistența extrem de ridicată la coroziune. Prin urmare, această caracteristică elimină o nișă de piață pentru oțelurile inoxidabile bifazice în toate acele domenii de aplicare în care apare expunerea la medii extrem de agresive sau în care certitudinea duratei de viață a componentei este crucială.

Cele mai frecvente utilizări sunt: ​​schimbătoare de căldură, conducte și supape pentru transportul fluidelor sau gazelor industriale, mașini de manipulare a materialelor, rezervoare și rezervoare pentru lichide cu o concentrație mare de clor și / sau sub presiune, răcitoare de apă de mare, desalinizatoare [27] , plante pentru saramură alimentară și apă subterană și bogate în substanțe agresive. Este, de asemenea, utilizat pentru construcția de turbine în centralele hidroelectrice. Această clasă de oțeluri este, de asemenea, apreciată în special în instalațiile chimice, petrochimice , în structurile off-shore și submarine și în plantele pentru industria hârtiei [28] și alimentară [29] .

Rezistența ridicată la coroziune garantează, de asemenea, persistența luminozității sale în timp, permițând acestei clase de oțeluri noi aplicații, de asemenea, datorită caracteristicilor sale estetice în construcție [30] .

Notă

  1. ^ a b M. Boniardi, A. Casaroli - Oțeluri inoxidabile ( PDF ), pe lucefin.com . Adus la 22 iunie 2016 (arhivat din original la 10 august 2016) .
  2. ^ J. Charles - Oțeluri inoxidabile duplex, o recenzie după DSS '07 desfășurată în Grado ( PDF ), pe aperam.com . Adus la 20 iunie 2016 (arhivat din original la 18 aprilie 2016) .
  3. ^ Silvia Barella și Andrea Gruttadauria, Metalurgie și materiale nemetalice , 2016.
  4. ^ BES Lindblom, The Royal Institue of Technology, Stockolm, Suedia, 1990.
  5. ^ J. Charles, Proc. 3rd Int. Conf. Duplex Stainless '91, Beaune, Franța , Les éditiones de Physique, 1991.
  6. ^ JHG Monypenny, Fier și oțel inoxidabil , 1931.
  7. ^ a b RN Gunn, Oțeluri inoxidabile duplex - microstructură, proprietăți, aplicații , 1997.
  8. ^ UH Kivisakk și colab. - Magazinul NACE - 09076 UNS S33207 - Un nou oțel inoxidabil Hyper Duplex pentru ombilicale , pe nace.org . Adus la 21 octombrie 2020 (Arhivat din original la 28 august 2016) .
  9. ^ A b c Sandvick - SAF 3207 proprietăți HD Hyper duplex din oțel inoxidabil (PDF), pe stainless-steel-world.net. Adus pe 21 iunie 2016 .
  10. ^ a b Boniardi - Generalități privind oțelurile inoxidabile bifazice și aspectele metalurgice ale sudării acestora ( PDF ), pe centroinox.it . Adus pe 21 iunie 2016 .
  11. ^ ASTM A240 / A240M - 16 Specificații standard pentru placă, tablă și bandă din oțel inoxidabil crom și crom-nichel pentru recipiente sub presiune și pentru aplicații generale , pe astm.org , ASTM. Adus la 20 iunie 2016 .
  12. ^ a b M. Knyazeva și colab., Duplex Steels: Part I: Genesis, Formation, Structure , in Metallography, Microstructure, and Analysis , Springer, 2013.
  13. ^ Iris Alvarez-Armas și Suzanne Degallaix-Moreuil, Duplex Stainless Steels , John Wiley & Sons, Inc., 2009.
  14. ^ O revizuire a limitelor de performanță ale oțelurilor inoxidabile pentru industria offshore ( PDF ), la hse.gov.uk. Adus la 22 iunie 2016 .
  15. ^ Prevenirea coroziunii cu sablare și a crăpăturilor tuburilor din oțel inoxidabil în larg , la swagelok.com . Adus la 22 iunie 2016 .
  16. ^ Lucrare tehnică: Posibilitățile și limitările oțelurilor inoxidabile austenitice și duplex în sistemele de apă clorurată ( PDF ), la nuclear-change.com . Adus la 22 iunie 2016 .
  17. ^ Cracarea prin stres a oțelurilor inoxidabile în medii cu cloruri ( PDF ), pe efcweb.org . Adus la 22 iunie 2016 (arhivat din original la 15 iunie 2016) .
  18. ^ Outokumpu - Manual de oțel inoxidabil ( PDF ), pe outokumpu.com . Adus pe 21 iunie 2016 .
  19. ^ UGITECH - magnetism și oțel inoxidabil ( PDF ), pe ugitech.com . Adus pe 21 iunie 2016 .
  20. ^ ISO 8249: 2000 - Sudare - Determinarea numărului de ferită (FN) în metalele sudate din oțel inoxidabil austenitic și duplex feritico-austenitic Cr-Ni , pe iso.org . Adus pe 21 iunie 2016 .
  21. ^ BSSA - Oțeluri inoxidabile duplex - Un ghid simplificat , la bssa.org.uk. Adus la 21 iunie 2016 (arhivat din original la 15 iunie 2016) .
  22. ^ IMOA - Parametrii de sudare pentru oțeluri inoxidabile duplex ( PDF ), pe imoa.info . Adus pe 21 iunie 2016 .
  23. ^ FA Alhegagi, 475 ° C Embrittlement in inox Steels , în International Journal of Scientific & Engineering Research , IJSER Publishing, 2015.
  24. ^ KH Lo și colab., Dezvoltări recente în oțeluri inoxidabile , în Știința și ingineria materialelor R , Elsevier Science, 2009.
  25. ^ M. Knyazeva și colab., Duplex Steels. Partea II: Carburi și nitruri , în metalografie, microstructură și analiză , Springer, 2013.
  26. ^ R. Magnabosco - Cinetica formării fazei Sigma într-un oțel inoxidabil duplex ( PDF ), pe scielo.br . Adus pe 21 iunie 2016 .
  27. ^ J. Olsson și colab., Duplex - O nouă generație de oțeluri inoxidabile pentru instalațiile de desalinizare , în Desalinizare , Elsevier Science, 2007.
  28. ^ M. Liljas, 80 DE ANI CU OȚELURI DUPLEX, O REVIZUIRE ISTORICĂ ȘI PERSPECTIVE PENTRU VIITOR , în lucrările conferinței europene privind știința și piața din oțel inoxidabil , Jernkontoret, 2008.
  29. ^ Monitorul Oficial pdf - Jurnalul istoric - Republica Partea 1 n. 104 din 20-04-1973 (Supliment ordinar) , pe gazzettaufficiale.it . Adus la 20 iunie 2016 .
  30. ^ NR Baddoo, Oțelul inoxidabil în construcții: o revizuire a cercetării, aplicațiilor, provocărilor și oportunităților , în Journal of Constructional Steel Research , Elsevier Science, 2008.

Bibliografie

Elemente conexe

Alte proiecte

Adus de la „ https://it.wikipedia.org/w/index.php?title=Stainless_steels_biphasic_austeno-ferritic&oldid=119082523 ”