1. Introduktion
CD3MWCuN (US J93380, ASTM A890/A995 Klass 6A) är ett högpresterande superduplex rostfritt stål (SDSS) utvecklades i mitten av 1980-talet, speciellt konstruerad för att hantera korrosionsutmaningarna i extrema servicemiljöer som undervattensolja och gasfält, kemiska bearbetningsanläggningar, och anläggningar för avsaltning av havsvatten.
Till skillnad från konventionella duplexa rostfria stål (DSS) som 2205, CD3MWCuN uppnår en banbrytande balans av korrosionsbeständighet, mekanisk styrka, och bearbetbarhet genom optimerad legeringsdesign, fyller prestandagapet mellan standard DSS och dyra nickelbaserade legeringar (TILL EXEMPEL., Hastelloy C276).
2. Vad är CD3MWCuN Duplex Rostfritt stål?
CD3MWCuN är en superduplex rostfritt stål legering konstruerad för att kombinera mycket hög lokal korrosionsbeständighet med förhöjd mekanisk hållfasthet och praktisk tillverkningsbarhet i både gjuten och smidd form.
Dess beteckning återspeglar legerings betoningen - hög Cr (krom), signifikant Mo (molybden) och W (volfram), överväga N (kväve) nivåer för austenitstabilisering och förstärkning, och en kontrollerad Cu (koppar) tillsats för förbättrat beteende i vissa reducerande eller sura processmedia.
I ingenjörspraktik specificeras CD3MWCuN där kloridrika miljöer, högmekaniska belastningar, och långa serviceintervall sammanfaller — till exempel, undervattenshårdvara, sjövattenpumpar och ventiler, olja & gasgrenrör, komponenter för avsaltningsanläggningar och aggressiv utrustning för kemisk process.
Typiska funktionella attribut (sammanfattning)
- Exceptionellt hög lokaliserad korrosionsbeständighet: konstruerad Cr–Mo–W–N-balans ger PREN-värden vanligtvis långt inom "super-duplex"-intervallet (avskärmningsindikator för utmärkt motstånd mot gropbildning/sprickor).
- Hög mekanisk styrka: duplexstruktur ger sträckgränser och draggränser som är väsentligt högre än vanliga austenitiska material (möjliggör tunnare, delar med lättare tryck).
- Förbättrad SCC-tolerans: minskad känslighet för kloridspännings-korrosionssprickor jämfört med 300-seriens austenitiska material och många lägre legerade duplexstål.
- Gjutbarhet för komplexa geometrier: formulerad för att tillverkas som gjutgods med hög integritet (med lämpliga gjuterikontroller) så att komplexa komponenter kan levereras i nästan nettoform.
- God allmän korrosiv stabilitet: stabil passiv film under oxiderande förhållanden; legeringsbredd ger mångsidighet över många processkemier.
3. Kemi och metallurgisk funktion hos legeringsämnen
Prestandan av CD3MWCuN duplex rostfritt stål styrs av en noggrant balanserad, multi-element legeringssystem designat för att stabilisera en tvåfas ferrit-austenitmikrostruktur samtidigt som den maximerar lokal korrosionsbeständighet och mekanisk styrka.
| Element | Typiskt innehåll (wt.%) | Metallurgisk funktion |
| Krom (Cr) | 24.0 - 26.0 | Primärt passiverande element; främjar bildningen av en stabil Cr2O3-film; stark ferritstabilisator |
| Nickel (I) | 6.0 - 8.5 | Austenitstabilisator; förbättrar seghet och duktilitet |
| Molybden (Mo) | 3.0 - 4.0 | Förbättrar motståndet mot pitting och sprickkorrosion; stärker ferriten |
| Volfram (W) | 0.5 - 1.0 | Kompletterar Mo för att förbättra lokaliserad korrosionsbeständighet |
Kväve (N) |
0.18 - 0.30 | Kraftfull austenitstabilisator; solid-lösning förstärkning; Förbättrar gropmotståndet |
| Koppar (Cu) | 0.5 - 1.0 | Förbättrar motståndskraften mot vissa reducerande syror; förbättrar den allmänna korrosionsbeständigheten |
| Kol (C) | ≤. 0.03 | Kontrolleras för att minimera karbidutfällning |
| Mangan (Mn) | ≤. 1.0 | Deoxidizer; hjälper kvävelösligheten |
| Kisel (Och) | ≤. 1.0 | Deoxidizer; förbättrar flytbarheten vid gjutning |
| Fosfor (P) | ≤. 0.03 | Restelement; begränsad för att bevara segheten |
| Svavel (S) | ≤. 0.02 | Föroreningsstyrning |
| Järn (Fe) | Balans | Basmatriselement |
4. Typiska mekaniska egenskaper (lösningsglödgat tillstånd)
| Egendom | Typiskt sortiment / värde | Testtillstånd / kommentar |
| 0.2% bevis / Avkastningsstyrka, RP0.2 (MPA) | 450 - 700 | Variation efter produktform: gjutgods mot nedre änden, smidd/smidd i övre änden |
| Dragstyrka, Rm (MPA) | 700 - 950 | Rumstemperatur, standard dragprov |
| Förlängning vid brott, En (%) | 20 - 35 | Högre för smidda/smidda; gjutgods kan vara mot nedre gräns |
| Minskning av arean, Z (%) | 30 - 50 | Beroende på produktform och värmebehandlingskvalitet |
Hårdhet, Hb (Brinell) |
220 - 350 | Typiskt vid leverans; högre värden kan indikera kallt arbete eller lokal härdning |
| Charpy V-notch slagenergi (J) | ≥ 50 - 150 (rumstemperatur) | Brett utbud – beror på gjutkvalitet och värmebehandling; ange erforderligt minimum |
| Trötthetsstyrka (roterande böjning, 10^7 cykler) (MPA) | ~300 – 450 (applikationsberoende) | Stark yta- och detaljberoende; använda kvalificerad S–N-data för design |
| Avkastning / dragförhållande (RP0.2 / Rm) | ~0,60 – 0.80 | Typiskt för duplex mikrostruktur |
5. Fysiska och termiska egenskaper hos CD3MWCuN duplex rostfritt stål
| Egendom | Typiskt värde / räckvidd | Testtillstånd / kommentar |
| Densitet (g · cm⁻³) | 7.80 - 7.90 | Rumstemperatur |
| Elastisk modul, E (Gpa) | 200 - 210 | Rumstemperatur; minskar med temperaturen |
| Poissons förhållande, n | 0.27 - 0.30 | Teknisk uppskattning: använda 0.28 vid behov |
| Termisk konduktivitet, k (W·m⁻1·K⁻1) | 14 - 18 | På 20 ° C; lägre än ferritiska stål, högre än många nickellegeringar |
| Termisk expansionskoefficient (20–200 ° C) (×10⁻⁶ K⁻¹) | 11.0 - 13.0 | Använd temperaturberoende kurva för noggrann termisk töjningsanalys |
| Specifik värmekapacitet, cp (J·kg⁻1·K⁻1) | 450 - 500 | Rumstemperatur; ökar med temperaturen |
| Termisk diffusivitet (m²·s⁻¹) | ~4,5 – 7.0 × 10⁻⁶ | Beräknat från k/(ρ·cp); produktberoende |
Elektrisk resistivitet (Åh; m) |
~7,5 – 9.5 ×10⁻⁷ | Rumstemperatur; beror på exakt kemi |
| Magnetiskt beteende | Delvis magnetisk | På grund av ferritisk fasfraktion; permeabilitet beror på fasbalans och kallt arbete |
| Typisk drifttemperatur (kontinuerlig) | −50 °C upp till ≈ 300 ° C (rekommenderad) | Över ~300 °C, risk för intermetallisk utfällning och förlust av seghet/korrosionsbeständighet; kvalifikation krävs för högre vikarier |
| Gulnus / flytande (° C) | Legeringsberoende; hänvisa till leverantören | Duplex/superduplexlegeringar stelnar över ett intervall; konsultera bruksdata för gjutning/svetsning |
6. Korrosionsmotstånd: Utöver konventionella duplexstål
CD3MWCuNs korrosionsbeständighet är dess avgörande fördel, stöds av en PREN (Ta = cr + 3.3Mo + 30N + 16Cu) av över 40, vida överstigande 2205 DSS (PREN≈32) och 316L austenitiskt stål (PREN≈34).
Omfattande testdata bekräftar dess prestanda i extrema miljöer:
Pitting och sprickkorrosionsmotstånd
I 6% FeCl3-lösning (ASTM G48 Metod A), CD3MWCuN uppvisar en punktfrätningshastighet ≤0,015 g/(m²·h), med Critical Pitting Temperature (CPT) ≥40℃ och kritisk spaltkorrosionstemperatur (CCCT) ≥35℃.
Fältförsök i havsvatten (salthalt 35‰) visa en korrosionshastighet ≤0,003 mm/år, lämplig för långtidsanvändning i havsvattenavsaltning RO membranskal.
Stresskorrosionsprickor (SCC) Motstånd
I kloridhaltiga medier, CD3MWCuN:s kritiska spänningsintensitetsfaktor KISCC ≥30 MPa·m¹/², överträffande 2205 DSS (KISCC≈25 MPa·m¹/²).
Den uppfyller NACE MR0175-standarderna för sura olje- och gasfält, tolererar H₂S-partialtryck upp till 20 kPa utan SCC-initiering.
Korrosionsbeständighet mot syra och blandade medier
I 10% H₂so₄ (25℃), dess korrosionshastighet ≤0,05 mm/år, vilket gör den lämplig för kemiska reaktorfoder.
Vid rökgasavsvavling (Fgd) system (Kl. + SO3²⁻ blandade media), den bibehåller stabil prestanda utan synlig korrosion efteråt 5,000 timmars tjänst.
7. Casting-egenskaper för CD3MWCuN
Att vara en höglegering, gjuten super-duplex legering introducerar specifika gjutning utmaningar:
- Brett frysområde och segregation: högt legeringsinnehåll ökar intervallet liquidus-till-solidus, ökar sannolikheten för interdendritisk segregation och fångad låg-PREN-restervätska om utfodringen är otillräcklig.
- Intermetallisk nederbörd: långsam nedkylning eller överdriven termisk exponering under rengöring/svetsning kan främja σ- och χ-faser i interdendritiska områden och α/γ-gränssnitt — dessa faser gör materialet spröda och försämrar korrosionsbeständigheten.
- Gasporositet och känslighet för oxidinneslutning: strikt smältrenhet, avgasning och keramisk filtrering är kritiska — porositet minskar effektiv styrka och korrosionsprestanda.
- Matning & stigande design: riktningsstelning, rätt dimensionerade matare och frossa är viktiga för att undvika krympningsdefekter; gjutsimulering rekommenderas för komplexa geometrier.
Gjuterikrav: vakuum eller kontrollerad atmosfärssmältning (Eaf + AOD/VOD), rigorös deoxidation/fluxning, keramiskt skumfiltrering, och validerade lösningsglödgningsugnar dimensionerade för den största sektionen är bästa praxis vid tillverkning av CD3MWCuN-gjutgods.
8. Värmebehandling, Lösningsglödgning och termisk stabilitet
Lösning glödgning
- Ändamål: lösa upp intermetaller och eliminera segregation, återställ duplex fasbalans och maximera korrosionsbeständigheten.
- Typiskt fönster:ca. 1,050–1 100 ° C (exakt cykel beror på snitttjockleken), följt av snabb släckning (vatten eller snabb luftsläckning) för att undvika återfall.
- Blötläggningstid: skalas till maximal sektionsstorlek; tjocka gjutgods kräver förlängd blötläggning för att helt homogenisera.
Termisk stabilitet & fasutfällning
- Sigma fas och andra intermetalliska material kan bildas vid långvarig exponering i 600–900 ° C räckvidd, spröda legeringen och minska korrosionsbeständigheten. Undvik termiska utflykter i detta område under längre perioder.
- Nitridutfällning och kromkarbidbildning är oroande om kylnings-/värmecykler inte kontrolleras — lågt kolhalt och lämplig ugnspraxis minskar känsligheten.
9. Svetsning, Bästa metoder för tillverkning och bearbetning
Svetsning
- Förbrukningsvaror: använd matchande eller något övermatchande tillsatsmetaller designade för superduplexkomposition för att hjälpa till att återställa korrosionsbeständigheten i svetsmetall.
- Styrning av värmetillförsel: minimera värmetillförseln och kontrollera interpass-temperaturen för att undvika alltför stora lokala termiska cykler som uppmuntrar σ/χ-bildning i HAZ.
- För/efter behandlingar: för kritiska komponenter, eftersvetslösningsglödgning är vanligtvis specificerad för att återställa homogen mikrostruktur; för fältreparationer, låg värmetillförsel TIG med kvalificerad PQR/WPS och lokal eftersvetslösning där det är praktiskt rekommenderat.
- Vätgaskontroll: standardförsiktighetsåtgärder gäller – torra elektroder, lågväteprocesser där så är lämpligt.
Bearbetning
- Bearbetbarhet: duplex/superduplexstål är segare och hårdare än austenitiska - använd robusta hårdmetallverktyg, positiv rake, styv fixtur, och kylvätska. Räkna med lägre skärhastigheter än för rostfritt 304/316.
- Gängning och skär: för upprepad montering, överväg insatser av rostfritt stål eller rustenitiska/brons om det behövs för slitage; specificera trådingrepp i enlighet med detta.
Tillverkningsråd
- Undvik termisk skärning med syrebränsle på kritiska gjutgods innan lösningsglödgning - lokal uppvärmning kan fälla ut intermetalliska ämnen och orsaka spröda sprickor vid stigarrötterna.
Om termisk skärning är oundviklig, föredrar mekanisk/säkrare skärning (sågning) följt av lösningsglödgning.
10. Alternativ för ytbehandling och korrosionsskydd
- Saltning & passivering: standardpassivering av salpeter/fluorvätesyra eller citronsyra skräddarsydd för duplexkemi tar bort föroreningar och främjar en stabil passiv film.
- Mekanisk efterbehandling: skjuten, slipning och polering förbättrar yttillståndet och utmattningslivslängden; undvika överdrivet kallt arbete som ökar kvarvarande spänningar.
- Beläggningar: polymera färger, epoxifoder eller specialiserade beläggningar ger extra skydd i extremt aggressiva medier eller för att minska risken för spaltkorrosion.
- Katodisk skydd: i massiva undervattensstrukturer katodiskt skydd (offeranoder eller imponerad ström) kompletterar CD3MWCuNs medfödda motstånd i svåra marina miljöer.
11. Typiska tillämpningar av CD3MWCuN rostfritt stål
- Subsea komponenter: grenrör, anslutningar, klämmor, fästelement (där hög PREN och styrka krävs).
- Ventiler & beslag: ventilkroppar, motorhuvar och trim för havsvatten och producerad vattenservice.
- Pumphöljen & impeller: havsvatten- och brinepumpar där erosion-korrosion och gropfrätning är risker.
- Avsaltning & RO-system: komponenter som utsätts för saltlösningar med hög kloridhalt.
- Kemisk bearbetningsutrustning: värmeväxlare, reaktorer, och rörledningar i kloridhaltiga strömmar.
- Olja & gas ovansida / rör på ovansidan: där hög hållfasthet och korrosionsbeständighet lägre antal delar och vikt.
12. Fördelar och begränsningar
Fördelar med CD3MWCuN rostfritt stål
- Högt grop-/spaltmotstånd för kloridmiljöer (PREN ofta > 40 för vällegerade värmer).
- Hög mekanisk styrka — tillåter tunnare sektioner och viktbesparingar jämfört med austenitik.
- Bra SCC-beständighet i förhållande till 300-seriens rostfria stål.
- Gjutbar för komplexa geometrier med noggrann gjuteriövning, möjliggör konsolidering av delar.
Begränsningar för CD3MWCuN rostfritt stål
- Kosta: högre legering (Mo, W, N) ökar material- och smältkostnaden i förhållande till vanliga kvaliteter.
- Gjutning & värmebehandlingskomplexitet: kräver noggrann gjuterikontroll, möjlig lösningsglödgning och NDT; stora delar kan vara svåra att värmebehandla enhetligt.
- Svets-/reparationskänslighet: svetsning kräver kvalificerade förbrukningsvaror och kontroller; risk för sigma eller andra skadliga faser om det hanteras fel.
- Bearbetningshårdhet: hårdare att bearbeta än austenitiska kvaliteter — verktyg & cykeldesign måste ta hänsyn till det.
13. Jämförande analys — CD3MWCuN kontra liknande legeringar
Detta avsnitt jämför CD3MWCuN med allmänt övervägda alternativ för kloridbärande och strukturella tillämpningar: duplex- 2205, superduplex 2507, och 316L (austenitisk).
| Egendom | CD3MWCuN (representativ gjuten superduplex) | Duplex 2205 (dekorerad) | Superduplex 2507 (dekorerad) | 316L (austenitisk / gjutna ekv.) |
| Representativ kemi (wt%) | Cr ≈ 25.0; I ≈ 4.0; Mo ≈ 3.6; W ≈ 0.5; N ≈ 0.30 | Cr ≈ 22.0; I ≈ 5.0; Mo ≈ 3.1; N ≈ 0.17 | Cr ≈ 25.0; I ≈ 6.5; Mo ≈ 4.0; N ≈ 0.28 | Cr ≈ 17.0; I ≈ 10.0; Mo ≈ 2.5; N ≈ 0.03 |
| Trä (beräkn. = 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 |
| Typisk draghållfasthet (UTS), MPA | 700 - 900 | 620 - 850 | 800 - 1000 | 480 - 650 |
| Avkastning (0.2%), MPA | 450 - 700 | 450 - 550 | 650 - 800 | 200 - 300 |
| Förlängning (A5) | 10 - 25% (sektionsberoende) | 15 - 30% | 10 - 20% | 35 - 50% |
| Densitet (g · cm⁻³) | ~7,8 – 8.0 | ~7,8 – 7.9 | ~7,8 – 7.9 | ~ 7.9 - 8.0 |
| Kastbarhet | Bra (konstruerad för gjutning) | Måttlig (gjuten duplex möjlig men krävande) | Utmaning (super-duplex gjutning kräver expertkontroll) | Excellent (cast-ekvivalenter som CF8M finns) |
Svetbarhet |
Bra när du använder matchade duplex-förbrukningsmaterial; behovskontroll | Bra med kvalificerade rutiner | Mer krävande; kräver noggrann kontroll | Excellent |
| SCC / kloridmotstånd | Hög för många havsvatten/saltlösningstjänster (Trä ≈ 42) | Måttlig-hög (bra för många tjänster) | Mycket hög (Trä ≈ 41–45) | Lågmåttlig; mottaglig för gropfrätning/SCC i klorider |
| Typiska applikationer | Gjutna ventilkroppar, undervattenskomponenter, pumphus för havsvatten/saltlösning | Värmeväxlare, tryckkärl, rörledningar där duplexstyrka behövs | Kritisk subsea, mycket aggressiva kloridmiljöer | Allmän kemisk process, mat, farma, milda kloridtjänster |
| Relativ materialkostnad | Hög (legering + smälta komplexitet) | Medium | Mycket hög | Lågmedelsmedium |
14. Slutsats
CD3MWCuN är en gjuten superduplex rostfritt stålfamilj som erbjuder en attraktiv kombination av högstyrka och utmärkt lokal korrosionsbeständighet för krävande kloridhaltiga miljöer.
Dess lämplighet för komplexa gjutna delar gör den till ett utmärkt alternativ vid integration, viktbesparing och korrosionsprestanda krävs samtidigt.
Framgångsrik användning beror på rigorös gjuteripraxis (stelningskontroll, smälta renlighet, ferritkontroll), lämplig värmebehandling, och kvalificerade tillverknings-/svetsprocedurer.
När specificerat och bearbetat korrekt, CD3MWCuN ger hållbar, högpresterande gjutgods för subsea, avsaltning, olja & gas- och kemisk industri.
Vanliga frågor
Vad gör PREN > 40 betyder i praktiken?
Trä > 40 indikerar starkt grop- och spaltmotstånd. I praktiken, det betyder att legeringen kommer att motstå lokalt angrepp i havsvatten och många processströmmar med hög kloridhalt vid temperaturer och flödesförhållanden som skulle bryta ner material med lägre PREN.
Är CD3MWCuN lämplig för undervattensanvändning?
Ja — när gjutna/smidda och tillverkade enligt kvalificerade procedurer, och med kontrollerad ytfinish och inspektion, CD3MWCuN används i stor utsträckning i undervattenskomponenter och havsvattenexponerad hårdvara.
Kan CD3MWCuN svetsas utan eftersvets värmebehandling?
Svetsning är möjlig utan PWHT om procedurerna är kvalificerade och värmetillförseln är noggrant kontrollerad; dock, för de mest kritiska komponenterna eller där HAZ-prestanda är av största vikt, eftersvetslösningsglödgning (eller andra validerade avhjälpande åtgärder) kan krävas.
Hur jämför CD3MWCuN med superaustenitiska legeringar?
Superaustenitics kan matcha eller överträffa PREN i vissa kemier och erbjuda bättre duktilitet/formbarhet, men CD3MWCuN ger generellt högre hållfasthet och ofta en mer fördelaktig livscykelkostnad i kloriddominerade, mekaniskt krävande service.
