1. Zavedenie
CD3MWCuN (US J93380, ASTM A890/A995 Stupeň 6A) je vysoko výkonná super duplexná nehrdzavejúca oceľ (SDSS) vyvinuté v polovici 80. rokov 20. storočia, špeciálne navrhnuté na riešenie problémov s koróziou v extrémnych prevádzkových prostrediach, ako sú podmorské ropné a plynové polia, chemické spracovateľské závody, a zariadenia na odsoľovanie morskej vody.
Na rozdiel od bežných duplexných nerezových ocelí (Dss) ako 2205, CD3MWCuN dosahuje prelomovú rovnováhu odolnosti proti korózii, mechanická pevnosť, a spracovateľnosť vďaka optimalizovanému dizajnu legovania, vyplnenie výkonnostnej medzery medzi štandardnými DSS a drahými zliatinami na báze niklu (Napr., Hastelloy C276).
2. Čo je to CD3MWCuN Duplex Stainless Steel?
CD3MWCuN je a super-duplex nehrdzavejúca oceľ zliatina navrhnutá tak, aby spájala veľmi vysokú odolnosť voči lokálnej korózii so zvýšenou mechanickou pevnosťou a praktickou vyrobiteľnosťou v liatych aj tvárnených formách.
Jeho označenie odráža dôraz na legovanie – vysoký Cr (chróm), významný Mí (molybdén) a W (volfrám), úmyselne N (dusík) úrovne pre stabilizáciu a spevnenie austenitu, a kontrolovaný Cu (meď) pridanie na zlepšenie správania v určitých redukčných alebo kyslých procesných médiách.
V inžinierskej praxi je CD3MWCuN špecifikovaný v prostrediach bohatých na chloridy, vysoké zaťaženie, a dlhé servisné intervaly sa zhodujú – napr, podmorský hardvér, čerpadlá a ventily na morskú vodu, olej & plynové rozvody, komponenty odsoľovacích zariadení a zariadenia na agresívne chemické procesy.
Typické funkčné vlastnosti (zhrnutie)
- Výnimočne vysoká odolnosť voči lokálnej korózii: konštruované vyváženie Cr–Mo–W–N poskytuje hodnoty PREN zvyčajne hlboko v „superduplexnom“ rozsahu (skríningový indikátor pre vynikajúcu odolnosť voči jamkám/štrbinám).
- Vysoká pevnosť: duplexná štruktúra poskytuje medzu klzu a pevnosť v ťahu podstatne vyššiu ako bežná austenitická (umožňujúci riedidlo, ľahšie tlakové časti).
- Zlepšená tolerancia SCC: znížená náchylnosť na chloridové korózne praskanie v porovnaní s austenitickými oceľami série 300 a mnohými nízkolegovanými duplexnými oceľami.
- Zlievateľnosť pre zložité geometrie: formulované na výrobu ako odliatky s vysokou integritou (s príslušnými zlievarenskými kontrolami) takže zložité komponenty môžu byť dodávané takmer čistému tvaru.
- Dobrá všeobecná korózna stabilita: stabilný pasívny film v oxidačných podmienkach; legovacia šírka poskytuje všestrannosť v mnohých procesných chémiách.
3. Chémia a metalurgická funkcia legujúcich prvkov
Výkon CD3MWCuN duplexná nehrdzavejúca oceľ sa riadi starostlivo vyváženým, viacprvkový zliatinový systém navrhnutý tak, aby stabilizoval dvojfázovú feritovo-austenitovú mikroštruktúru a zároveň maximalizoval lokálnu odolnosť proti korózii a mechanickú pevnosť.
| Prvok | Typický obsah (wt.%) | Hutnícka funkcia |
| Chróm (Cr) | 24.0 - 26.0 | Primárny pasivačný prvok; podporuje tvorbu stabilného Cr2O3 filmu; silný feritový stabilizátor |
| Nikel (V) | 6.0 - 8.5 | Austenitový stabilizátor; zlepšuje húževnatosť a ťažnosť |
| Molybdén (Mí) | 3.0 - 4.0 | Zvyšuje odpor voči jamkám a korózii trhliny; posilňuje ferit |
| Volfrám (W) | 0.5 - 1.0 | Dopĺňa Mo pri zlepšovaní lokálnej odolnosti proti korózii |
Dusík (N) |
0.18 - 0.30 | Výkonný austenitový stabilizátor; spevnenie tuhým roztokom; Zlepšuje rezistenciu na jamky |
| Meď (Cu) | 0.5 - 1.0 | Zlepšuje odolnosť voči niektorým redukčným kyselinám; zvyšuje všeobecnú odolnosť proti korózii |
| Uhlík (C) | ≤ 0.03 | Kontrolované tak, aby minimalizovali zrážky karbidu |
| Mangán (Mn) | ≤ 1.0 | Deoxidizér; podporuje rozpustnosť dusíka |
| Kremík (A) | ≤ 1.0 | Deoxidizér; zlepšuje plynulosť odlievania |
| Fosfor (P) | ≤ 0.03 | Zvyškový prvok; obmedzené na zachovanie húževnatosti |
| Síra (Siež) | ≤ 0.02 | Kontrola nečistôt |
| Žehlička (FE) | Vyvážiť | Prvok základnej matice |
4. Typické mechanické vlastnosti (stav rozpúšťacieho žíhania)
| Majetok | Typický rozsah / hodnotu | Skúšobná podmienka / komentovať |
| 0.2% dôkaz / Výnosová sila, Rp0.2 (MPA) | 450 - 700 | Variácia podľa formy produktu: odliatky smerom k dolnému koncu, kované/kované na hornom konci |
| Pevnosť v ťahu, Rm (MPA) | 700 - 950 | Izbová teplota, štandardná ťahová vzorka |
| Predĺženie pri pretrhnutí, A (%) | 20 - 35 | Vyššie pre tepané/kované; odliatky môžu smerovať k dolnej hranici |
| Zmenšenie plochy, Z (%) | 30 - 50 | Závisí od formy produktu a kvality tepelného spracovania |
Tvrdosť, HB (Brinell) |
220 - 350 | Typické pri dodávke; vyššie hodnoty môžu naznačovať prácu za studena alebo lokálne kalenie |
| Energia nárazu Charpyho V-zárezu (J) | ≥ 50 - 150 (teplota miestnosti) | Široký sortiment — závisí od kvality odliatku a tepelného spracovania; uveďte požadované minimum |
| Únava (rotačné ohýbanie, 10^7 cyklov) (MPA) | ~300 – 450 (závislé od aplikácie) | Silne povrchovo- a závislé na detailoch; na návrh použite kvalifikované údaje S–N |
| Výnos / ťahový pomer (Rp0.2 / Rm) | ~0,60 – 0.80 | Typické pre duplexnú mikroštruktúru |
5. Fyzikálne a tepelné vlastnosti CD3MWCuN duplexná nehrdzavejúca oceľ
| Majetok | Typická hodnota / rozsah | Skúšobná podmienka / komentovať |
| Hustota (g·cm⁻3) | 7.80 - 7.90 | Izbová teplota |
| Modul pružnosti, E (GPA) | 200 - 210 | Izbová teplota; znižuje s teplotou |
| Poissonov pomer, n | 0.27 - 0.30 | Inžiniersky odhad: využitie 0.28 Ak je to potrebné |
| Tepelná vodivosť, klimatizovať (W·m⁻¹·K⁻¹) | 14 - 18 | Na 20 ° C; nižšie ako feritické ocele, vyššie ako mnohé zliatiny niklu |
| Koeficient tepelnej rozťažnosti (20–200 ° C) (×10⁻⁶ K⁻¹) | 11.0 - 13.0 | Na presnú analýzu tepelného napätia použite krivku závislú od teploty |
| Špecifická tepelná kapacita, cp (J·kg⁻¹·K⁻¹) | 450 - 500 | Izbová teplota; zvyšuje s teplotou |
| Tepelná difúznosť (m²·s⁻¹) | ~4,5 – 7.0 × 10⁻⁶ | Vypočítané z k/(ρ·cp); závislé od produktu |
Elektrický odpor (Oh; m) |
~7,5 – 9.5 ×10⁻⁷ | Izbová teplota; závisí od presnej chémie |
| Magnetické správanie | Čiastočne magnetický | V dôsledku frakcie feritickej fázy; priepustnosť závisí od fázovej rovnováhy a práce za studena |
| Typická prevádzková teplota (nepretržitý) | −50 °C až ≈ 300 ° C (odporúčané) | Nad ~300 °C, riziko intermetalickej precipitácie a straty húževnatosti/odolnosti voči korózii; kvalifikácia potrebná na vyššie úväzky |
| SOLDUSU / tekutý (° C) | Závislý od zliatiny; obráťte sa na dodávateľa | Duplexné/superduplexné zliatiny tuhnú v určitom rozsahu; konzultovať údaje o mlyne pre prax odlievania/zvárania |
6. Odpor: Okrem konvenčných duplexných ocelí
Odolnosť CD3MWCuN proti korózii je jeho rozhodujúcou výhodou, podporované PREN (Take = cr + 3.3Mí + 30N + 16Cu) z nad 40, ďaleko presahujúce 2205 Dss (PREN≈32) a austenitickej ocele 316L (PREN≈34).
Rozsiahle testovacie údaje potvrdzujú jeho výkon v extrémnych prostrediach:
Odolnosť proti korózii jamiek a štrbín
V 6% roztok FeCl3 (ASTM G48 metóda A), CD3MWCuN vykazuje mieru bodkovania ≤0,015 g/(m²·h), s kritickou teplotou bodkovania (Cpt) ≥40℃ a kritická štrbinová korózna teplota (CCCT) ≥35℃.
Poľné testy v morskej vode (slanosť 35‰) vykazujú rýchlosť korózie ≤0,003 mm/rok, vhodné pre dlhodobú prevádzku v membránových plášťoch RO na odsoľovanie morskej vody.
Praskanie korózie stresu (Scc) Odpor
V médiách obsahujúcich chloridy, Kritický faktor intenzity napätia CD3MWCuN KISCC ≥30 MPa·m¹/², výstupný 2205 Dss (KISCC≈25 MPa·m¹/²).
Vyhovuje normám NACE MR0175 pre kyslé ropné a plynové polia, toleruje parciálny tlak H₂S až 20 kPa bez iniciácie SCC.
Odolnosť proti korózii voči kyselinám a zmiešaným médiám
V 10% H₂so₄ (25℃), rýchlosť korózie ≤0,05 mm/rok, vďaka čomu je vhodný pre vložky chemických reaktorov.
Pri odsírovaní spalín (FGD) systémy (Cl⁻ + SO₃²⁻ zmiešané médiá), udržuje stabilný výkon bez viditeľnej korózie 5,000 hodiny služby.
7. Odlievacie charakteristiky CD3MWCuN
Byť vysokozliatinou, liata super-duplexná zliatina predstavuje špecifické odlievanie výziev:
- Široký rozsah mrazenia a segregácia: vysoký obsah zliatin zvyšuje rozsah likvidus-solidus, zvýšenie pravdepodobnosti medzidendritickej segregácie a zachytenia zvyškovej tekutiny s nízkym obsahom PREN, ak je kŕmenie nedostatočné.
- Intermetalické zrážanie: pomalé ochladzovanie alebo nadmerná tepelná expozícia počas čistenia/zvárania môže podporovať σ a χ fázy v interdendritických oblastiach a α/γ rozhrania – tieto fázy krehnú materiál a znižujú odolnosť voči korózii.
- Pórovitosť plynu a citlivosť na oxidy: prísna čistota taveniny, odplynenie a keramická filtrácia sú kritické – pórovitosť znižuje efektívnu pevnosť a korózne vlastnosti.
- Kŕmenie & dizajn stúpača: smerová tuhosť, správne dimenzované podávače a chladiace boxy sú nevyhnutné, aby sa predišlo chybám pri zmrašťovaní; simulácia odlievania sa odporúča pre zložité geometrie.
Požiadavky na zlieváreň: tavenie vákuom alebo riadenou atmosférou (Eaf + AOD/VOD), dôsledná deoxidácia/tavenie, keramická penová filtrácia, a overené žíhacie pece dimenzované pre najväčšiu sekciu sú najlepším postupom pri výrobe odliatkov CD3MWCuN.
8. Tepelné spracovanie, Roztokové žíhanie a tepelná stabilita
Žíhanie
- Účel: rozpustiť intermetalické látky a odstrániť segregáciu, obnoviť duplexnú fázovú rovnováhu a maximalizovať odolnosť proti korózii.
- Typické okno:približne. 1,050–100 ° C (presný cyklus závisí od hrúbky rezu), nasledovaný rýchle uhasenie (vodou alebo rýchlym ochladzovaním vzduchom) aby nedošlo k opätovnému vyzrážaniu.
- Čas namáčania: zmenšené na maximálnu veľkosť sekcie; hrubé odliatky vyžadujú predĺžené máčanie, aby sa úplne homogenizovali.
Tepelná stabilita & fázové zrážky
- Sigma fáza a iné intermetalické látky sa môže tvoriť pri dlhšej expozícii v 600–900 ° C rozsah, krehnutie zliatiny a zníženie odolnosti proti korózii. Vyhnite sa teplotným výkyvom v tomto rozsahu na dlhší čas.
- Zrážanie nitridov a tvorba karbidu chrómu vyvoláva obavy, ak cykly chladenia/ohrievania nie sú kontrolované – nízkouhlíkové a vhodné postupy pece znižujú citlivosť.
9. Zváranie, Najlepšie postupy pri výrobe a obrábaní
Zváranie
- Spotrebný materiál: použite zodpovedajúce alebo mierne prebytočné prídavné kovy určené pre superduplexné zloženie, ktoré pomôže obnoviť odolnosť zvarového kovu proti korózii.
- Regulácia prívodu tepla: minimalizujte prívod tepla a regulujte teplotu medzi prechodmi, aby ste sa vyhli nadmerným lokálnym tepelným cyklom, ktoré podporujú tvorbu σ/χ v HAZ.
- Pred/po ošetrení: pre kritické komponenty, rozpúšťacie žíhanie po zváraní sa bežne špecifikuje na obnovenie homogénnej mikroštruktúry; na terénne opravy, TIG s nízkym tepelným príkonom s kvalifikovaným PQR/WPS a miestnym riešením po zváraní tam, kde je to možné.
- Kontrola vodíka: platia štandardné opatrenia — suché elektródy, procesy s nízkym obsahom vodíka, ak je to vhodné.
Obrábanie
- Machináovateľnosť: duplexné/superduplexné ocele sú tvrdšie a tvrdšie ako austenitické – použite robustné karbidové nástroje, pozitívny rake, pevné upevnenie, a chladiacej kvapaliny. Očakávajte nižšie rezné rýchlosti ako pri nereze 304/316.
- Závitovanie a vložky: na opakovanú montáž, zvážte nerezové orustenitické/bronzové vložky, ak je to potrebné na opotrebovanie; podľa toho špecifikujte záber závitu.
Poradenstvo pri výrobe
- Vyhnite sa kyslíkovo-palivovému tepelnému rezaniu kritických odliatkov pred rozpúšťacím žíhaním – lokálne zahrievanie môže vyzrážať intermetalické látky a spôsobiť krehké praskliny na koreňoch stúpačiek.
Ak je nevyhnutné tepelné rezanie, uprednostňujte mechanické/bezpečnejšie rezanie (pílenie) nasleduje rozpúšťacie žíhanie.
10. Možnosti povrchovej úpravy a ochrany proti korózii
- Uvarenie & pasivácia: štandardná pasivácia kyseliny dusičnej/fluorovodíkovej alebo kyseliny citrónovej prispôsobená pre duplexnú chémiu odstraňuje kontaminanty a podporuje stabilný pasívny film.
- Mechanická úprava: výstrel, brúsenie a leštenie zlepšuje stav povrchu a únavovú životnosť; vyhýbajte sa nadmernej práci za studena, ktorá zvyšuje zvyškové napätie.
- Povlaky: polymérne farby, epoxidové obklady alebo špeciálne nátery poskytujú dodatočnú ochranu v extrémne agresívnych médiách alebo na zmiernenie rizika štrbinovej korózie.
- Katódová ochrana: v masívnych podmorských štruktúrach katódová ochrana (obetné anódy alebo priložený prúd) dopĺňa vrodenú odolnosť CD3MWCuN v náročných morských prostrediach.
11. Typické aplikácie nehrdzavejúcej ocele CD3MWCuN
- Podmorské komponenty: potrubie, konektory, sponky, ochranca (kde sa vyžaduje vysoký PREN a pevnosť).
- Ventily & príslušenstvo: telá ventilu, kapoty a čalúnenie pre morskú vodu a úžitkovú vodu.
- Pump & obaly: čerpadlá morskej vody a soľanky, kde je riziko erózie, korózie a jamkovej korózie.
- Odsoľovanie & RO systémy: komponenty vystavené vysokým chloridovým soľankám.
- Chemické spracovanie: výmenník tepla, reaktory, a potrubia v prúdoch obsahujúcich chloridy.
- Olej & vrchná strana plynu / horné rúrky: kde vysoká pevnosť a odolnosť proti korózii znižuje počet dielov a hmotnosť.
12. Výhody a obmedzenia
Výhody nehrdzavejúcej ocele CD3MWCuN
- Vysoká odolnosť voči jamkám/štrbinám pre chloridové prostredie (PREN často > 40 pre dobre legované teplo).
- Vysoká pevnosť — umožňuje tenšie profily a úsporu hmotnosti v porovnaní s austenitikou.
- Dobrá odolnosť voči SCC v porovnaní s nehrdzavejúcou oceľou radu 300.
- Odlievateľné pre zložité geometrie so starostlivou zlievarenskou praxou, umožňujúce konsolidáciu dielov.
Obmedzenia nehrdzavejúcej ocele CD3MWCuN
- Náklady: vyššie legovanie (Mí, W, N) zvyšuje náklady na materiál a taveninu v porovnaní s bežnými druhmi.
- Odlievanie & zložitosť tepelného spracovania: vyžaduje starostlivú kontrolu zlievarne, možné rozpúšťacie žíhanie a NDT; veľké časti môžu byť náročné na rovnomerné tepelné spracovanie.
- Citlivosť zvaru/opravy: zváranie vyžaduje kvalifikovaný spotrebný materiál a ovládacie prvky; riziko sigma alebo iných škodlivých fáz pri nesprávnom zaobchádzaní.
- Tvrdosť obrábania: ťažšie opracovateľné ako austenitické druhy — nástroje & s tým musí počítať dizajn cyklu.
13. Porovnávacia analýza — CD3MWCuN verzus podobné zliatiny
Táto časť porovnáva CD3MWCuN s bežne zvažovanými alternatívami pre chloridové a konštrukčné aplikácie: duplexný 2205, super-duplex 2507, a 316L (austenitický).
| Majetok | CD3MWCuN (reprezentatívny obsadenie super-duplex) | Duplexný 2205 (vyvolaný) | Super-duplex 2507 (vyvolaný) | 316L (austenitický / obsadenie ekv.) |
| Reprezentatívna chémia (7%) | Cr ≈ 25.0; V ≈ 4.0; Po ≈ 3.6; W ≈ 0.5; N ≈ 0.30 | Cr ≈ 22.0; V ≈ 5.0; Po ≈ 3.1; N ≈ 0.17 | Cr ≈ 25.0; V ≈ 6.5; Po ≈ 4.0; N ≈ 0.28 | Cr ≈ 17.0; V ≈ 10.0; Po ≈ 2.5; N ≈ 0.03 |
| Drevo (calc. = Cr + 3.3·Mo + 16·N + 0.5·W) | 41.93 (25.00 + 11.88 + 4.80 + 0.25) ≈ 42 | 34.95 (22.00 + 10.23 + 2.72) ≈ 35 | 42.68 (25.00 + 13.20 + 4.48) ≈ 42.7 | 25.73 (17.00 + 8.25 + 0.48) ≈ 25.7 |
| Typická pevnosť v ťahu (Uts), MPA | 700 - 900 | 620 - 850 | 800 - 1000 | 480 - 650 |
| Výnos (0.2%), MPA | 450 - 700 | 450 - 550 | 650 - 800 | 200 - 300 |
| Predĺženie (A5) | 10 - 25% (sekcia závislá) | 15 - 30% | 10 - 20% | 35 - 50% |
| Hustota (g·cm⁻3) | ~7,8 – 8.0 | ~7,8 – 7.9 | ~7,8 – 7.9 | ~ 7,9 - 8.0 |
| Odlievateľnosť | Dobre (skonštruované na odlievanie) | Mierny (liaty duplex možný ale náročný) | Náročný (super-duplexné odlievanie vyžaduje odbornú kontrolu) | Vynikajúci (existujú liate ekvivalenty ako CF8M) |
Zvárateľnosť |
Dobré pri použití vhodného duplexného spotrebného materiálu; potrebuje kontrolu | Dobré s kvalifikovanými postupmi | Náročnejšie; vyžaduje prísnu kontrolu | Vynikajúci |
| Scc / odpor | Vysoký pre mnohé služby s morskou vodou/soľankou (Drevo ≈ 42) | Stredne vysoké (dobré pre mnohé služby) | Veľmi vysoký (Drevo ≈ 41–45) | S nízkym obsahom; náchylné na jamkovanie/SCC v chloridoch |
| Typické aplikácie | Liate telesá ventilov, podmorské zložky, telesá čerpadiel na morskú vodu/soľanku | Výmenník tepla, tlakové plavidlá, potrubia tam, kde je potrebná duplexná pevnosť | Kritické podmorie, vysoko agresívne chloridové prostredie | Všeobecný chemický proces, jedlo, farmácia, mierne chloridové služby |
| Relatívne náklady na materiál | Vysoký (leňavý + zložitosť taveniny) | Médium | Veľmi vysoký | S nízkym strediskom |
14. Záver
CD3MWCuN je rodina liatej super duplexnej nehrdzavejúcej ocele, ktorá ponúka atraktívnu kombináciu vysoká sila a vynikajúca odolnosť voči lokálnej korózii pre náročné prostredia s obsahom chloridov.
Jeho vhodnosť pre zložité odliate diely z neho robí vynikajúcu možnosť integrácie, úspora hmotnosti a korózny výkon sú potrebné súčasne.
Úspešné použitie závisí od rigorózna zlievarenská prax (kontrola tuhnutia, čistota taveniny, feritové ovládanie), vhodné tepelné spracovanie, a kvalifikované postupy výroby/zvárania.
Pri správnom zadaní a spracovaní, CD3MWCuN poskytuje odolnosť, vysokovýkonné odliatky pre podmorskú oblasť, odsoľovanie, olej & plynárenský a chemický priemysel.
Časté otázky
Čo znamená PREN > 40 v praxi znamená?
Drevo > 40 označuje silnú odolnosť voči jamkovej a štrbinovej oblasti. Prakticky, to znamená, že zliatina odolá lokalizovanému napadnutiu v morskej vode a mnohým procesným prúdom s vysokým obsahom chloridov pri teplotách a podmienkach prúdenia, ktoré by spôsobili preliačenie materiálov s nižším obsahom PREN..
Je CD3MWCuN vhodný na podmorské použitie?
Áno – pri odlievaní/kovaní a výrobe podľa kvalifikovaných postupov, a s kontrolovanou povrchovou úpravou a kontrolou, CD3MWCuN sa široko používa v podmorských komponentoch a hardvéri vystavenom morskej vode.
Je možné zvárať CD3MWCuN bez tepelného spracovania po zváraní?
Zváranie je možné bez PWHT, ak sú postupy kvalifikované a prívod tepla je prísne kontrolovaný; však, pre najkritickejšie komponenty alebo tam, kde je prvoradá výkonnosť HAZ, roztokové žíhanie po zváraní (alebo iné overené nápravné opatrenia) môže byť požadované.
Ako je CD3MWCuN v porovnaní so superaustenitickými zliatinami?
Superaustenitika sa môže v niektorých chemikáliách zhodovať alebo prevyšovať PREN a ponúka lepšiu ťažnosť/tvarovateľnosť, ale CD3MWCuN vo všeobecnosti poskytuje vyššiu pevnosť a často priaznivejšie náklady na životný cyklus v prípade, že dominuje chlorid, mechanicky náročný servis.
