La fusione duplex di acciaio inossidabile si riferisce al processo di formazione di componenti complessi da leghe di acciaio inossidabile duplex, che combinano sia strutture austenitiche che ferritiche.
Le proprietà uniche dell'acciaio inossidabile duplex lo rendono un materiale prezioso nella produzione moderna, soprattutto nelle industrie che richiedono elevata resistenza, resistenza alla corrosione, e durata.
La sua microstruttura a doppia fase offre un equilibrio di proprietà difficili da ottenere con altri materiali, rendendolo la scelta preferita per un'ampia gamma di applicazioni.
In questo blog, esploreremo le complessità della fusione dell'acciaio inossidabile duplex, le sue proprietà, il processo di fusione, e come viene applicato in vari settori.
1. Cos'è l'acciaio inossidabile duplex?
Struttura a doppia fase
L'acciaio inossidabile duplex prende il nome dalla sua esclusiva struttura a doppia fase, che unisce grani austenitici e ferritici.
La fase austenite è nota per la sua eccellente resistenza alla corrosione, mentre la fase ferrite fornisce maggiore robustezza e resistenza alla tensocorrosione.
Questa struttura rende l'acciaio inossidabile duplex particolarmente adatto agli ambienti difficili, dove sia la robustezza che la resistenza alla corrosione sono fondamentali.
Composizioni chimiche tipiche degli acciai inossidabili duplex
| Grado | Numero UNS | Carbonio (C) | Manganese (Mn) | Silicio (E) | Fosforo (P) | Zolfo (S) | Cromo (Cr) | Nichel (In) | Molibdeno (Mo) | Azoto (N) | Altri |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 2205 | S31803/S32205 | ≤ 0.030 | ≤ 2.00 | ≤ 1.00 | ≤ 0.030 | ≤ 0.020 | 21.5 – 23.5 | 4.5 – 6.5 | 2.5 – 3.5 | 0.14 – 0.22 | – |
| 2507 | S32750 | ≤ 0.030 | ≤ 2.00 | ≤ 1.00 | ≤ 0.030 | ≤ 0.020 | 25 – 27 | 3.5 – 4.5 | 3.5 – 4.5 | 0.25 – 0.35 | – |
| 2304 | S32304 | ≤ 0.030 | ≤ 2.00 | ≤ 1.00 | ≤ 0.030 | ≤ 0.020 | 22 – 23 | 1.5 – 2.5 | 1.5 – 2.5 | 0.10 – 0.20 | – |
| 2101 | S32101 | ≤ 0.030 | ≤ 1.50 | ≤ 1.00 | ≤ 0.030 | ≤ 0.020 | 19 – 21 | 0.8 – 1.2 | 0.3 – 0.7 | 0.08 – 0.12 | – |
| 2707H | S32707 | ≤ 0.030 | ≤ 2.00 | ≤ 1.00 | ≤ 0.030 | ≤ 0.020 | 26 – 28 | 4.0 – 5.0 | 3.5 – 4.5 | 0.25 – 0.35 | – |
| 2825 | S32825 | ≤ 0.030 | ≤ 2.00 | ≤ 1.00 | ≤ 0.030 | ≤ 0.020 | 24 – 26 | 4.0 – 5.0 | 3.0 – 4.0 | 0.20 – 0.30 | – |
| 32760 | S32760 | ≤ 0.030 | ≤ 2.00 | ≤ 1.00 | ≤ 0.030 | ≤ 0.020 | 24 – 26 | 6.0 – 7.0 | 3.5 – 4.5 | 0.20 – 0.30 | Cu: 0.5 – 1.5% |
| 329J4L | S32948 | ≤ 0.020 | ≤ 2.00 | ≤ 1.00 | ≤ 0.030 | ≤ 0.020 | 22 – 24 | 3.0 – 4.5 | 3.0 – 4.0 | 0.20 – 0.30 | W: 0.5 – 1.5% |
Grado equivalente
Acciaio inossidabile duplex standard (per esempio., 2205)
- NOI: S31803 / S32205
- astm/aisi: 2205
- IN: 1.4462
- LUI: SUS329J3L
- AFNOR: Z3 CND 22-05 IL
Acciaio inossidabile super duplex (per esempio., 2507)
- NOI: S32750 / S32760
- astm/aisi: 2507
- IN: 1.4410
- LUI: SUS329J4L
- AFNOR: Z3CN 25-06 IL
2. Processo di fusione duplex dell'acciaio inossidabile
Cos'è il casting?
La fusione è un processo di produzione in cui il metallo fuso viene versato in uno stampo e lasciato solidificare. I passaggi di base includono:
- Fusione: L'acciaio inossidabile duplex viene fuso in un forno.
- Versare: Il metallo fuso viene versato in uno stampo pre-preparato.
- Solidificazione: Il metallo si raffredda e si solidifica nello stampo, prendendo la forma dello stampo.
- Finitura: La parte fusa viene rimossa dallo stampo e sottoposta a processi di finitura come la molatura, lavorazione, e trattamento termico.
Requisiti speciali per la fusione duplex di acciaio inossidabile
La fusione dell’acciaio inossidabile duplex presenta sfide uniche:
- Mantenimento dell'equilibrio delle fasi: Il controllo della velocità e della temperatura di raffreddamento è fondamentale per mantenere il corretto equilibrio tra le fasi austenitica e ferritica.
- Evitare la separazione di fase: Un raffreddamento rapido può portare alla formazione di fasi indesiderate, come la fase sigma, che può ridurre duttilità e tenacità.
- Controllo della microstruttura: Per ottenere la microstruttura e le proprietà meccaniche desiderate è necessario un controllo preciso sui parametri di fusione.
Metodi comuni di fusione
| Metodo | Descrizione | Vantaggi |
|---|---|---|
| Colata di investimento | Ideale per produrre parti complesse e precise con superfici lisce. | Alta precisione, finitura superficiale liscia, adatto per disegni complessi. |
| Colata in sabbia | Adatto per parti più grandi e geometrie più complesse, spesso utilizzato per la prototipazione e piccole serie di produzione. | Conveniente per produzioni medio-piccole, flessibilità nella progettazione. |
| Pressofusione | Meno comune per l'acciaio inossidabile duplex ma può essere utilizzato per la produzione in grandi volumi di pezzi più piccoli, parti più semplici. | Alta velocità di produzione, qualità costante, conveniente per grandi volumi. |
Vantaggi della fusione dell'acciaio inossidabile duplex
- Geometrie complesse: Il processo di fusione consente la creazione di forme complesse e dettagliate, che sono spesso difficili o impossibili da lavorare.
- Conveniente: Per grandi produzioni, la fusione riduce i costi di produzione mantenendo una qualità costante.
- Alta precisione: La fusione dell'acciaio inossidabile duplex consente di ottenere componenti con dimensioni precise, riducendo al minimo la necessità di un'estesa post-elaborazione.
3. Proprietà chiave dell'acciaio inossidabile duplex
Gli acciai inossidabili duplex sono una famiglia di acciai inossidabili che combinano le caratteristiche microstrutturali degli acciai inossidabili ferritici e austenitici.
Questa combinazione unica fornisce un equilibrio di proprietà che rendono l'acciaio inossidabile duplex altamente desiderabile per un'ampia gamma di applicazioni,
in particolare in ambienti ad alta resistenza, resistenza alla corrosione, e tenacia sono necessarie.
Proprietà chimiche
Resistenza alla corrosione
- Resistenza alla vaiolatura e alla corrosione interstiziale: Gli acciai inossidabili duplex mostrano un'eccellente resistenza alla vaiolatura e alla corrosione interstiziale, che sono problemi comuni negli ambienti contenenti cloruro.
Ciò è dovuto al loro contenuto più elevato di cromo e molibdeno rispetto agli acciai inossidabili austenitici standard. - Cracking per corrosione da stress (SCC) Resistenza: Gli acciai inossidabili duplex hanno una resistenza superiore alla tensocorrosione, soprattutto in ambienti clorurati.
Questa proprietà è cruciale nelle applicazioni che coinvolgono il caldo, soluzioni saline, come quelli che si trovano nelle piattaforme offshore di petrolio e gas. - Resistenza generale alla corrosione: La microstruttura equilibrata degli acciai inossidabili duplex fornisce una buona resistenza generale alla corrosione,
rendendoli adatti a una varietà di mezzi corrosivi, compresi acidi e soluzioni alcaline.
Corrosione intergranulare
- Basso contenuto di carbonio: Gli acciai inossidabili duplex hanno tipicamente un basso contenuto di carbonio, che minimizza il rischio di corrosione intergranulare.
Ciò si ottiene controllando il contenuto di carbonio a livelli inferiori 0.03%, che aiuta a prevenire la formazione di carburi di cromo a bordo grano.
Saldabilità
- Caratteristiche di saldatura: Nonostante la loro elevata resistenza, gli acciai inossidabili duplex possono essere saldati utilizzando tecniche convenzionali.
Tuttavia, è necessario prestare attenzione nel controllare l'apporto di calore e la velocità di raffreddamento per evitare la formazione di fasi indesiderate,
come la fase sigma, che può ridurre duttilità e tenacità.
Stabilità ambientale
- Ambienti di cloruro: Gli acciai inossidabili duplex sono particolarmente adatti per ambienti ricchi di cloruri,
come acqua di mare e salamoie, dove forniscono un'eccellente resistenza alla corrosione indotta da cloruri.
Proprietà fisiche
Densità
- Valore: Circa 7.8 g/cm³
- Significato: La densità degli acciai inossidabili duplex è simile a quella di altri acciai inossidabili, rendendoli adatti per applicazioni in cui il peso non è un fattore critico.
Tuttavia, il loro elevato rapporto resistenza/peso offre ancora vantaggi in alcune applicazioni.
Proprietà meccaniche
- Forza di snervamento: Gli acciai inossidabili duplex hanno un carico di snervamento che è tipicamente due volte quello degli acciai inossidabili austenitici.
Per esempio, il limite di snervamento di 2205 l'acciaio inossidabile duplex può variare da 450 A 750 MPa. - Resistenza alla trazione: Anche la resistenza alla trazione degli acciai inossidabili duplex è superiore a quella degli acciai inossidabili austenitici, spesso vanno da 550 A 850 MPa.
- Allungamento: Nonostante la loro elevata resistenza, gli acciai inossidabili duplex mantengono un allungamento ragionevole, tipicamente in giro 25-30%, che fornisce buona duttilità e formabilità.
- Resistenza all'impatto: Gli acciai inossidabili duplex presentano un'eccellente resilienza, anche a basse temperature, rendendoli adatti per applicazioni criogeniche.
Proprietà termiche
- Conducibilità termica: Gli acciai inossidabili duplex hanno una conduttività termica maggiore rispetto agli acciai inossidabili austenitici, che può variare da 15 A 30 W/m·K.
Questa proprietà è vantaggiosa nelle applicazioni in cui è richiesto un efficiente trasferimento di calore. - Dilatazione termica: Il coefficiente di dilatazione termica degli acciai inossidabili duplex è inferiore a quello degli acciai inossidabili austenitici, tipicamente in giro 10.5 A 12.5 µm/m·°C.
Questa proprietà riduce le sollecitazioni termiche e la deformazione nelle applicazioni ad alta temperatura.
Proprietà elettriche
- Resistività elettrica: La resistività elettrica dell'acciaio inossidabile duplex è superiore a quella dell'acciaio al carbonio ma inferiore a quella dell'acciaio inossidabile austenitico.
In genere varia da 70 A 80 µΩ·cm, che influisce sulla loro idoneità per le applicazioni elettriche.
Proprietà magnetiche
- Comportamento ferromagnetico: A differenza degli acciai inossidabili austenitici, gli acciai inossidabili duplex sono ferromagnetici a causa della loro fase ferritica.
Questa proprietà può essere vantaggiosa in alcune applicazioni, come i processi di separazione magnetica, ma forse uno svantaggio in altri in cui sono richiesti materiali non magnetici.
| Proprietà | Valore tipico | Descrizione e vantaggi applicativi |
|---|---|---|
| Forza di snervamento | 450-550 MPa | Circa il doppio del carico di snervamento degli acciai inossidabili austenitici simili 304 E 316, rendendo gli acciai duplex ideali per applicazioni strutturali e portanti. |
| Densità | ~7,8 g/cm³ | Simile ad altri acciai inossidabili, adatto per componenti che richiedono un elevato rapporto resistenza/peso. |
| Modulo elastico | 190-210 GPa | Offre rigidità, il che è vantaggioso nelle applicazioni che richiedono integrità strutturale sotto carico. |
| Conducibilità termica | ~25 W/m·K | Superiore a quello degli acciai inossidabili austenitici, vantaggioso per applicazioni di trasferimento di calore nelle industrie chimiche e energetiche. |
| Dilatazione termica | 13.5 x 10⁻⁶ /°C | Tasso di dilatazione termica inferiore rispetto ai gradi austenitici, rendendolo adatto per applicazioni con fluttuazioni di temperatura per ridurre i rischi di stress termico e deformazione. |
4. Applicazioni di fusioni duplex in acciaio inossidabile
Industria del petrolio e del gas
- Piattaforme offshore: Valvole, condutture, e recipienti a pressione che richiedono un'eccellente resistenza alla corrosione in acqua di mare e sostanze chimiche aggressive.
- Strutture a terra: Componenti per impianti di raffinazione e lavorazione, come scambiatori di calore e serbatoi di stoccaggio.
Applicazioni marine
- Costruzione navale: Componenti dello scafo, eliche, e altre parti esposte all'acqua di mare.
- Impianti di dissalazione: Attrezzature per processi di trattamento e dissalazione dell'acqua, dove la resistenza alla corrosione è fondamentale.
Lavorazione chimica e pasta di legno & Industria della carta
- Reattori e Scambiatori di Calore: Componenti che gestiscono sostanze chimiche aggressive e pressioni elevate.
- Serbatoi di stoccaggio: Recipienti per lo stoccaggio e il trasporto di sostanze corrosive.
Generazione di energia
- Sistemi ad alta pressione: Componenti per turbine a vapore, caldaie, e scambiatori di calore.
- Centrali nucleari: Parti che richiedono elevata robustezza e resistenza alla corrosione in ambienti radioattivi.
Industria alimentare e delle bevande
- Attrezzature per il trattamento: Pompe, valvole, e parti di macchinari che devono resistere alla corrosione dei prodotti chimici detergenti e delle sostanze alimentari.
- Serbatoi di stoccaggio: Contenitori per la conservazione e il trasporto di alimenti e bevande.
5. Vantaggi delle fusioni duplex in acciaio inossidabile
Resistenza alla corrosione superiore
- Ambienti atmosferici e subacquei: La combinazione di fasi austenitiche e ferritiche migliora la resistenza del materiale alla corrosione sia in ambienti atmosferici che sottomarini.
- Ambienti ricchi di cloruri: Eccellente resistenza alla vaiolatura e alla corrosione interstiziale in ambienti ricchi di cloruri, come acqua di mare e salamoie.
Rapporto resistenza/peso più elevato
- Elevata resistenza meccanica: Le fusioni duplex in acciaio inossidabile offrono elevata resistenza alla trazione e allo snervamento, rendendoli ideali per applicazioni in cui la riduzione del peso è fondamentale.
- Design leggero: L'elevato rapporto resistenza/peso consente la progettazione di componenti più leggeri ed efficienti.
Conveniente per grandi cicli di produzione
- Produzione efficiente: I processi di fusione consentono la produzione efficiente di grandi volumi di parti con forme complesse a un costo inferiore rispetto ad altri metodi di produzione.
- Lavorazione ridotta: La capacità di produrre forme vicine alla rete riduce la necessità di lavorazioni meccaniche estese, risparmiando tempo e materiale.
Maggiore durata
- Prestazioni a lungo termine: Grazie alla sua elevata robustezza e resistenza alla tensocorrosione, l'acciaio inossidabile duplex è ideale per le applicazioni critiche, applicazioni di lunga durata in ambienti difficili.
6. Sfide nella fusione duplex di acciaio inossidabile
Difetti di fusione
- Porosità e ritiro: Questi difetti possono compromettere la qualità e l'integrità dei getti.
- Inclusioni: Particelle estranee o impurità possono indebolire il materiale e ridurne le prestazioni.
Problemi di saldatura e fabbricazione
- Procedure speciali: La saldatura dell'acciaio inossidabile duplex può richiedere procedure e materiali di apporto speciali per evitare di comprometterne la resistenza alla corrosione e le proprietà meccaniche.
- Trattamento termico: Potrebbe essere necessario un trattamento termico post-saldatura per ottimizzare la microstruttura e le proprietà dei giunti saldati.
Complessità nella produzione
- Controllo preciso: Gestire l'equilibrio tra le fasi ferritica e austenitica durante la fusione richiede un controllo preciso dei parametri di fusione come temperatura e velocità di raffreddamento.
- Garanzia di qualità: Rigorose misure di controllo della qualità sono essenziali per garantire che il prodotto finale soddisfi le specifiche e gli standard prestazionali richiesti.
7. Acciaio inossidabile duplex vs acciaio inossidabile super duplex
Acciaio inossidabile duplex E Acciaio inossidabile super duplex sono leghe diverse, sebbene condividano alcune somiglianze.
Entrambi sono progettati con una microstruttura a doppia fase, composto da un mix di austenitico E ferritico fasi, che conferisce loro ottime proprietà meccaniche ed elevata resistenza alla corrosione.
Tuttavia, differiscono nella loro composizione, prestazione, e applicazioni adatte.
| Caratteristica | Acciaio inossidabile duplex | Acciaio inossidabile super duplex |
|---|---|---|
| Composizione di fase | All'incirca 50% austenite e 50% ferrite | Circa 40-50% austenite e 50-60% ferrite |
| Elementi di lega | Contiene meno molibdeno e cromo rispetto al super duplex | Livelli più elevati di cromo, molibdeno, e azoto |
| Resistenza alla corrosione | Buona resistenza alla vaiolatura e alla corrosione interstiziale, soprattutto in ambienti clorurati | Resistenza superiore alla vaiolatura, corrosione interstiziale, e tensocorrosione in ambienti più aggressivi |
| Resistenza alla trazione | Generalmente inferiore al super duplex | Maggiore resistenza alla trazione grazie all'aggiunta di più elementi di lega |
| Forza di snervamento | In giro 450 MPa | In giro 550-720 MPa, maggiore resistenza allo snervamento |
| Applicazioni | Adatto per la marina, chimico, e industrie alimentari | Utilizzato in ambienti più aggressivi come le piattaforme offshore di petrolio e gas, impianti di desalinizzazione, e lavorazione chimica |
| Costo | Meno costoso rispetto al super duplex | Più costoso a causa del maggiore contenuto di lega |
Acciaio inossidabile super duplex
Acciaio inossidabile superduplex, ad esempio Grado 2507, contiene livelli più elevati di cromo, molibdeno, E azoto rispetto all'acciaio inossidabile duplex.
Questi elementi aggiuntivi ne migliorano la resistenza agli ambienti estremi, particolarmente in applicazioni altamente corrosive e ad alta pressione.
Offerta acciai super duplex resistenza alla corrosione superiore, soprattutto in ambienti contenenti cloruri e sostanze acide.
Sono utilizzati in settori più esigenti come le piattaforme offshore di petrolio e gas, impianti di desalinizzazione, e reattori chimici, dove le condizioni difficili richiedono uno strumento più forte, materiale più resistente alla corrosione.
8. Conclusione
Duplex fusione di acciaio inossidabile fornisce una soluzione robusta per le industrie che richiedono materiali con proprietà meccaniche superiori, elevata resistenza alla corrosione, e durata.
La sua combinazione unica di fasi austenitiche e ferritiche offre numerosi vantaggi, compresa una maggiore robustezza e resistenza alla tensocorrosione.
Comprendere il processo di casting, vantaggi, e le applicazioni dell'acciaio inossidabile duplex contribuiranno a garantire la selezione del materiale giusto per il tuo prossimo progetto, massimizzando sia le prestazioni che l’efficienza dei costi.
Se hai esigenze di lavorazione dell'acciaio inossidabile duplex, per favore sentitevi liberi di farlo contattaci.
Contenuti aggiuntivi
Elementi chiave di lega in acciaio inossidabile duplex
Cromo
Per formare una pellicola passiva stabile di ossido di cromo che protegge dalla corrosione atmosferica, l'acciaio deve contenere almeno 10.5% cromo. L’aumento del contenuto di cromo migliora la resistenza alla corrosione dell’acciaio inossidabile.
Il cromo promuove la formazione di cubici a corpo centrato (BCC) ferrite, un elemento che forma ferrite. Livelli di cromo più elevati richiedono più nichel per ottenere l'austenite o il duplex (ferrite-austenite) strutture.
L'alto contenuto di cromo favorisce inoltre la formazione di fasi intermetalliche. Gli acciai inossidabili austenitici hanno tipicamente almeno 16% cromo, mentre gli acciai inossidabili duplex ne hanno almeno 20%.
Il cromo migliora anche la resistenza all'ossidazione alle alte temperature, fondamentale per la formazione e la rimozione di scaglie di ossido o colori di rinvenimento dopo il trattamento termico o la saldatura.
Il decapaggio e la rimozione dei colori di rinvenimento sono più impegnativi per l'acciaio inossidabile duplex rispetto all'acciaio inossidabile austenitico.
Molibdeno
Il molibdeno migliora significativamente la resistenza alla vaiolatura e alla corrosione interstiziale nell'acciaio inossidabile. In ambienti clorurati, il molibdeno è tre volte più efficace del cromo quando l'acciaio ne contiene almeno 18% cromo.
Molibdeno, un elemento che forma ferrite, aumenta anche la tendenza a formare fasi intermetalliche.
Perciò, gli acciai inossidabili austenitici solitamente ne contengono meno di 7.5% molibdeno, mentre gli acciai inossidabili duplex ne contengono meno 4%.
Azoto
L’azoto aumenta la resistenza alla vaiolatura e alla corrosione interstiziale degli acciai inossidabili austenitici e duplex e ne aumenta significativamente la resistenza.
È l'elemento rinforzante in soluzione solida più efficace e un elemento di lega a basso costo.
La migliore tenacità dell'acciaio inossidabile duplex contenente azoto deriva da un maggiore contenuto di austenite e da una ridotta formazione di fasi intermetalliche.
Sebbene l'azoto non impedisca la precipitazione della fase intermetallica, lo ritarda, concedendo tempo sufficiente per la lavorazione e la fabbricazione.
Agli acciai inossidabili austenitici e duplex ad elevata resistenza alla corrosione con elevato contenuto di cromo e molibdeno viene aggiunto azoto per contrastare la tendenza alla formazione della fase σ.
Azoto, un forte elemento che forma austenite, può sostituire parte del nichel negli acciai inossidabili austenitici.
Riduce l'energia dei difetti di impilamento e aumenta il tasso di incrudimento dell'austenite.
Migliora anche la resistenza dell'austenite attraverso il rafforzamento della soluzione solida.
Gli acciai inossidabili duplex contengono tipicamente azoto e il loro contenuto di nichel viene regolato per ottenere l'appropriato equilibrio di fase.
Bilanciamento degli elementi formanti ferrite (cromo e molibdeno) con elementi formanti austenite (nichel e azoto) è essenziale per ottenere una struttura duplex.
Nichel
Il nichel stabilizza l'austenite, favorendo la trasformazione della struttura cristallina da cubica a corpo centrato (BCC) ferrite a cubica a facce centrate (FCC) austenite.
Gli acciai inossidabili ferritici contengono poco o nessun nichel, mentre gli acciai inossidabili duplex hanno un contenuto di nichel da basso a moderato, tipicamente 1.5% A 7%.
Gli acciai inossidabili austenitici nel 300 le serie contengono almeno 6% nichel.
L'aggiunta di nichel ritarda la formazione di fasi intermetalliche dannose negli acciai inossidabili austenitici, sebbene questo effetto sia meno significativo negli acciai inossidabili duplex rispetto all'azoto.
Il cubico a facce centrate (FCC) La struttura conferisce all'acciaio inossidabile austenitico un'eccellente tenacità.
Poiché quasi la metà della struttura in acciaio inossidabile duplex è austenite, l'acciaio duplex è significativamente più resistente dell'acciaio inossidabile ferritico.
