InzApChem_2013_2

Prosimy cytować jako: Inż. Ap. Chem. 2013, 52, 2, 122-124

str. 122

Nr 2/2013

INŻYNIERIA I APARATURA CHEMICZNA

Krzysztof CIECHACKI

, Tomasz GIĘTKA

Marcin CHUDZIŃSKI

e-mail: krzysztofciechacki@utp.edu.pl

Zakład Inżynierii Materiałowej, Wydział Inżynierii Mechanicznej, Uniwersytet Technologiczno-Przyrodniczy, Bydgoszcz

MEKRO Sp. z o.o., Świecie

Zastosowanie stali dupleks w przemyśle spożywczym

Wprowadzenie

Istnieje szerokie spektrum gatunków stali odpornych na korozję (stali

nierdzewnych) o różnych własnościach antykorozyjnych, mechanicznych,
różnej podatności na przeróbkę i różnej spawalności.

Generalnie – prócz podstawowej cechy tych materiałów – odporności

na korozję, mają one również znaczną odporność na zmęczenie materiału,
odporność na obciążenia udarowe, na zużycie przez ścieranie i erozję.

Stal nierdzewna charakteryzuje się też czystą i gładką powierzchnią

w normalnych warunkach atmosferycznych. Ta właśnie cecha powoduje,
że stal nierdzewna jest idealna do zastosowań w kontakcie z jedzeniem
i farmaceutykami. Ważna jest też chemiczna obojętność i nietoksyczność
w kontakcie z wieloma rodzajami pożywienia i składnikami leków, a także
w kontakcie z różnorodnymi detergentami stosowanymi przy oczyszcza-
niu instalacji i urządzeń. Pozwala to realizować zasadę – czyszczenie na
miejscu CIP (Clean In Place), dzięki czemu instalacje mogą łatwo zostać
wyczyszczone i są proste w utrzymaniu, bez konieczności ich demontażu
[Euro Inox, 2006].

Cechy powyższe decydują o tym, że pożywienie i farmaceutyki przetwa-

rzane, magazynowane lub transportowane w urządzeniach wykonanych ze
stali nierdzewnej, nie będą skażone przez uwalniane związki metaliczne lub
produkty korozji. Już dawno stale nierdzewne ugruntowały swoją pozycję
jako materiał na prawie wszystkie urządzenia do przetwarzania i przecho-
wywania pożywienia oraz w przemyśle farmaceutycznym. Istotną cechą
zwykłych stali odpornych na korozję jest łatwość ich przeróbki w aspekcie
wytwarzania wydajnych i ekonomicznych instalacji [Euro Inox, 2006].

W bardzo agresywnych środowiskach korozyjnych, takich jak przy

produkcji musztardy, octu, fermentacji serów, przetwórstwie ryb, może
być konieczne zastosowanie stali o strukturze ferrytyczno-austenitycznej,
zwanych również stalami dupleks [Euro Inox, 2006]. Stale te stosowane
mogą być też w przemyśle farmaceutycznym, w środowiskach o zawartości
chlorków powyżej 500 mg/l [Euro Inox, 2009].

Celem pracy jest w przypadku stali dupleks a szczególnie super-dupleks,

ujawnienie, w porównaniu z pospolitymi stalami odpornymi na korozję,
szereg ograniczeń w ich skutecznym przetwórstwie.

Podział, skład chemiczny i własności stali dupleks

Stal dupleks zawiera (21÷28)% Cr, (3,5÷8)% Ni, do 4,5% Mo oraz mak-

symalnie 0,05% C i do 0,5% N [Avesta, 2007; Nowacki, 2009]. Oznacze-
nia, podział i typowy skład chemiczny stali dupleks, w porównaniu z popu-
larnymi stalami austenitycznymi pokazano w tab. 1.

Stale dupleks mają strukturę austenityczno-ferrytyczną posiadającą kom-

binację cech stali ferrytycznych i austenitycznych. Dzięki stabilizatorom
ferrytu – chrom, azot i molibden, uzyskuje się dobrą odporność korozyjną.
Choć wspomagają one wydzielanie niepożądanych faz międzymetalicz-
nych. Dzięki austenitotwórczemu niklowi i manganowi stal dupleks ma
wymaganą udarność i ciągliwość. Własności mechaniczne stali dupleks
(wg norm EN, w temperaturze 20°C) obrazuje tab. 2.

Odporność korozyjna stali nierdzewnych charakteryzowana jest

przez wskaźniki (ich orientacyjne wartości zawiera tab. 3):

PRE (

–

Pitting Resistance Equivalent) – wskaźnik odporności na koro-

zję wżerową – liczony wg składu chemicznego,
CPT (

–

Critical Pitting Temperature) – krytyczną temperatura wystą-

pienia korozji wżerowej – wg ASTM G150 lub G48,
CCT (

–

Critical Crevice Temperature) – krytyczną temperaturą wystę-

powania korozji szczelinowej – wg ASTM G48.

Wykonuje się też próby ubytków korozyjnych w różnych środowiskach

(w układzie stężenie związku chemicznego – temperatura) [Avesta, 2007;
Sandvik; 2009].

Ograniczenia i wymagania w przetwórstwie stali dupleks

Z uwagi na własności (wysoka wytrzymałość, wysoka twardość) oraz

brak składników stopowych sprzyjających tworzeniu się wióra, cię-
cie stali dupleks na pile wymaga stosowania grubo uzębionych brzesz-
czotów, małych prędkości cięcia oraz znacznych posuwów. Niezbęd-
na jest też odpowiednio duża moc urządzenia i intensywne chłodzenie.
W praktyce parametry i warunki cięcia powinny być zbliżone do stosowa-
nych dla stali austenitycznej 316 [IMOA, 2009].

Cięcie na gilotynie, porównując ze stalami austenitycznymi 304 i 316,

wymaga dla tych samych grubości stosowania większych sił tnących (urzą-

Tab. 1. Grupy, oznaczenia i typowy skład chemiczny stali dupleks [Avesta, 2007]

Grupa

Nazwa

handlowa

Oznaczenie

Skład chemiczny, %

ASTM

Inne

Lean

dupleks

LDX
2101

1.4162

S32101

0,03

1,5

0,3

0,2 5,0Mn

2304

1.4362

S32304

0,02

4,5

0,3

0,1

0,5Cu

2,5Mn

Dupleks

2205

1.4462

S32205

0,02

5,5

3,1

0,2 2,0Mn

Super-

dupleks

SAF

2507

1.4410

S32750

0,02

4,0

0,3

0,5Cu

1,2Mn

Hyper-

dupleks

SAF

2707HD

S32707

0,02

0,4

1,0Cu

1,5Mn

Austen.

300

4307

1.4307

304L

0,02

8,3

4404

1.4404

316L

0,02

2,1

Tab. 2. Własności mechaniczne stali dupleks

[Avesta, 2007; Brytan 2010; Sandvik, 2009]

Grupa

Nazwa

handlowa

MPa

p0,2

MPa

Lean

dupleks

LDX 2101

650

450

≥30

≤225

2304

630

400

≥25

≤210

Dupleks

2205

640

460

≥25

≤250

Super-

dupleks

SAF 2507

730

530

≥20

≤250

Hyper-

dupleks

SAF

2707HD

1000

700

≥25

brak

danych

brak

danych

Austen

300

4307

500

200

≥45

≤200

4404

520

220

≥45

≤200

Tab. 3. Orientacyjne wartości wskaźników odporności korozyjnej

[Avesta, 2007; Sandvik, 2009]

Grupa

Nazwa

handlowa

PRE

CPT wg ASTM

G48, °C

CCT wg ASTM

G48, °C

Lean dupleks

LDX 2101

-10

2304

-4

Dupleks

2205

Super-dupleks

SAF 2507

Hyper-dupleks

SAF 2707HD

Austen 300

4307

4404

-10

Prosimy cytować jako: Inż. Ap. Chem. 2013, 52, 2, 122-124

str. 123

Nr 2/2013

INŻYNIERIA I APARATURA CHEMICZNA

dzeń większej mocy). Dla tej samej mocy urządzenia, maksymalna grubość
ciętej blachy SAF 2205 wynosi 85% maksymalnej grubości cięcia stali
304/316 a stali SAF 2507 65% tej grubości [IMOA, 2009].

Cięcie termiczne – plazmowe i laserowe przebiega podobnie jak podsta-

wowych gatunków stali austenitycznej. Używane mogą być te same urzą-
dzenia i technologia. Pozwala to uzyskać akceptowalną jakość mimo nie-
wielkich zakłóceń powodowanych wyższą przewodnością cieplną i niższą
zawartością siarki w porównaniu ze stalami 304/316 [IMOA, 2009].

Podczas przeróbki plastycznej istotna jest wysoka wytrzymałość, znacz-

na sprężystość (stale dupleks posiadają o około 2-krotnie wyższą granicę
plastyczności niż stale 304/316) i niską plastyczność (wydłużenie względne
stali dupleks jest około 2-krotnie mniejsze niż stali 304/316). Wymagana
jest w związku z tym odpowiednio wysoka moc urządzeń stosowanych do
formowania, przy czym należy uwzględniać też sprężynowanie (Rys. 1).
Obrazowym przybliżeniem jest stwierdzenie, że stale dupleks poddają się
procesowi formowania w sposób zbliżony do stali 304/316 o dwukrotnie
większej grubości ścianki. W związku ze swoją niższą plastycznością, stale
dupleks wymagają łagodniejszych promieni gięcia niż stale austenityczne
[IMOA, 2009].

kąt natarcia krawędzi płytki skrawającej nie powinien być większy

–

niż to konieczne,
stosować powlekane płytki z węglika spiekanego o geometrii łamiące

–

wióry oraz z możliwie ostrą krawędzią, o odpowiedniej wytrzyma-
łości,
dobierać kolejne operacje tak żeby za każdym razem głębokość

–

skrawania była większa niż strefa utwardzona w operacji poprzedza-
jącej,
używać odpowiednich (niewysokich – patrz tabele) prędkości skra-

–

wania aby uniknąć powstawania narośli na krawędzi płytki oraz jej
szybkiego zużywania się,
zmieniać narzędzia w zalecanych odstępach czasowych,

–

stosować intensywny przepływ chłodziw/smarów.

–

Dodatkowe wytyczne dotyczące frezowania [

–

IMOA, 2009]:

do obróbki zgrubnej stosować należy płytki powlekane lub o wyso-

–

kiej wytrzymałości mechanicznej przeznaczone do obróbki zgrubnej;
twardsze płytki mogą być stosowane do operacji wykończających
szczególnie gdy wymagania dotyczące stanu powierzchni są bardzo
wysokie,
należy stosować frezowanie stopniowe ze średnią grubością wióra co

–

najmniej 0,1 mm; przyjąć należy posuw proporcjonalnie 1,0÷0,7 przy
zwiększeniu kąta natarcia z 45 do 90°,
nie należy używać chłodziwa dla ułatwienia usuwania wiórów z na-

–

rzędzia, zwłaszcza dla obróbki zgrubnej.

Dodatkowe wytyczne dotyczące wiercenia [IMOA, 2009]:

zalecany kąt punktowy wiertła 130°; zalecana jest samocentrująca

–

geometria wiertła,
dla dużych średnic otworów zaleca się stosowanie wierteł o zwęża-

–

jącym się kształcie,
należy stosować chłodzenie emulsją z obfi tym przepływem w kie-

–

runku osi obrotu wiertła; dla głębokości otworów większej od dwóch
średnic wiertła należy usuwać wióry poprzez okresowe wyjmowanie
wiertła i przepłukiwanie otworu chłodziwem
powłoki T i N pozwalają na zwiększenie szybkości wiercenia o 10%

–

Parametry i wytyczne toczenia, frezowania i wiercenia stali dupleks

zawierają odpowiednio tab. 4, 5 i 6.

Tab. 4. Parametry i wytyczne toczenia stali dupleks [IMOA, 2009]

Gatunek stali

Obróbka zgrubna

Obróbka wykończająca

Prędkość, m·min

-1

Prędkość, m·min

-1

LDX 2101

170 ÷ 240

200 ÷ 280

2304

120 ÷160

150 ÷ 210

2205

90 ÷120

120 ÷160

SAF 2507

50 ÷70

70 ÷105

Parametry obróbki

Obróbka zgrubna

Obróbka wykończająca

Posuw (na obrót)

0.3 ÷ 0.6 mm

0.05 ÷ 0.3 mm

Głębokość skrawania

2 ÷ 5 mm

0.5 ÷ 2 mm

Gatunek płytki

2101, 2304, 2205:

ISO P20÷P35

SAF 2507:

ISO P30÷P50

2101, 2304, 2205:

ISO P10÷P15

SAF 2507:

ISO P25÷P35

Tab. 5. Parametry i wytyczne frezowania stali dupleks [IMOA, 2009]

Gatunek stali

Obróbka

zgrubna

Obróbka

wykończająca

Prędkość, m·min

-1

Prędkość, m ·min

-1

LDX 2101

180 ÷ 230

200 ÷ 250

2304

100 ÷ 130

130 ÷ 150

2205

50 ÷ 80

80 ÷ 110

SAF 2507

30 ÷ 50

50 ÷ 70

Parametry obróbki

Obróbka zgrubna

Obróbka wykończająca

Posuw (na obrót)

0,2 ÷ 0.4 mm

0,1 ÷ 0.2 mm

Głębokość skrawania

2 ÷ 5 mm

1 ÷ 2 mm

Gatunek płytki

2101, 2304, 2205:

ISO P20÷P40

SAF 2507:

ISO P25÷P40

2101, 2304, 2205:

ISO P10÷P25

SAF 2507:

ISO P20÷P30

Na własności stali dupleks silny wpływ ma stopień zgniotu. Obrazuje

to rys. 2. Zjawiska te szczególnie ważne są w procesach głębokiego
tłoczenia. Znane są przypadki występowania mikropęknięć na po-
wierzchni blach ze stali dupleks tłoczonych w tych samych matrycach,
w których przetwarzane stale austenityczne nie wykazywały żadnych
uszkodzeń [IMOA, 2009].

Stal dupleks ma około

dwukrotnie wyższą grani-
cę plastyczności od stali
austenitycznych. Nie za-
wiera składników popra-
wiających skrawalność
(S). Występują trudności
w formowaniu się wióra.
Stosowane są większe siły
skrawania. Wszystko to
sprawia, że stale dupleks
są znacznie trudniejsze
w obróbce mechanicznej
niż stale austenityczne
grupy 300 [IMOA, 2009].

Ogólne wytyczne

dotyczące obróbki me-
chanicznej stali dupleks
[IMOA, 2009]:

używać obrabiarek dużej mocy, o dużej sztywności, z bardzo sztyw-

–

nym mocowaniem narzędzi oraz obrabianego detalu (z uwagi na
znacznie większe siły skrawania niż dla stali austenitycznych),
utrzymywać jak najkrótsze ramie narzędzia skrawającego (minima-

–

lizacja wibracji),

Rys. 1. Zależność kąta gięcia i uzyskanego końcowego kąta gięcia [IMOA, 2009]

Rys. 2. Wpływ stopnia zgniotu na własności mecha-

niczne stali 2205 [Avesta, 2007]

Prosimy cytować jako: Inż. Ap. Chem. 2013, 52, 2, 122-124

str. 124

Nr 2/2013

INŻYNIERIA I APARATURA CHEMICZNA

Tab. 6. Parametry i wytyczne wiercenia stali dupleks [IMOA, 2009]

Średnica

wiertła

(mm)

Prędkość, m·min

-1

Posuw, mm ·obrót

-1

2304

2205

SAF

2507

2304 / 2205

SAF

2507

1 ÷ 3

6÷10

6÷8

5÷9

0,05

0,04

6÷10

10÷12

9÷11

0,10

0,08

12÷15

10÷12

9÷11

0,20

0,15

12÷15

10÷12

9÷11

0,25

0,20

12÷15

10÷12

9÷11

0,30

0,25

12÷15

10÷12

9÷11

0,35

0,30

12÷15

10÷12

9÷11

0,40

0,35

Podczas spawania mamy do czynienia z wieloma zmiennymi, wpły-

wającymi na wynik tego procesu. Jednakże spawanie jest tzw. proce-
sem specjalnym, więc takim, którego efektów nie można przewidzieć
wyłącznie zadając wartości zmiennych i oceniając ogólnie dostępnymi
metodami jakość uzyskanego złącza. Zawsze występuje ryzyko niespeł-
nienia wymaganego wyniku spawania, którego redukcję do akcepto-
walnego poziomu uzyskuje się przez poprzedzającą spawanie walidację
zasobów: sprzętowych (kontrola urządzeń spawalniczych), ludzkich
(kontrola umiejętności i egzaminowanie spawaczy) oraz technolo-
gicznych (kwalifi kowanie procedur spawalniczych). Poniżej opisane
wytyczne należy traktować jako wskazówki do opracowania procedur
spawalniczych, wymagających późniejszej walidacji.

Stale dupleks spawać można wszystkimi popularnymi metodami spa-

wania łukowego (111, 121, 135, 136, 141 wg EN ISO 4063) a także la-
serowego i plazmowego [IMOA, 2009; Nowacki 2009; Brytan, 2010].

W przypadku spawania tych materiałów, utrudnienia występują głów-

nie w strefi e wpływu ciepła (SWC). Poświęca się temu wiele uwagi,
szczególnie gdy mamy do czynienia ze spawaniem stali super-dupleks
lub hyper-dupleks. Typowe zagrożenia to utrata odporności korozyjnej
oraz udarności i obniżenie własności mechanicznych, powodowane ni-
ską lub wysoką zawartością ferrytu w strukturze (Rys. 3) i występo-
waniem w niej faz międzymetalicznych [IMOA, 2009; Nowacki 2009;
Avesta, 2004].

Na rys. 3 przestawiono

krzywe w układzie czas-
temperatura, obrazują-
ce obszary 50% utraty
udarności, związanej
z wystąpieniem w struk-
turze nieznacznej ilości
faz międzymetalicznych
(głównie fazy sigma). Za-
uważyć należy, że np. dla
stali SAF 2507, (podczas
spawania), wytrzymanie
jej przy chłodzeniu kilka-
dziesiąt sekund w tempe-
raturze 850÷950°C skut-
kować będzie znacznym
spadkiem udarności.

Wpływ udziału ferrytu na własności mechaniczne, udarność i odpor-

ność korozyjną pokazano na rys. 4 i 5.

Ogólne wytyczne, po-

zwalające uniknąć niepo-
żądanych zjawisk w wy-
niku spawania zawiera
tab. 7.

Zalecane jest zawsze

stosowanie znacznej ilości
spoiwa (o podwyższonej,
w stosunku do spawane-
go materiału ilości Ni).
W zakresie przygotowania
wskazuje się konieczność
większych odstępów blach
(1÷4 mm) oraz więk-
szych kątów ukosowa-
nia (60÷70)° niż dla stali
z grupy 300. Zaleca się
też wykonywanie ściegu
kolejnego, po graniowym,
energią linową obniżoną
o około 25%.

Czyszczenie po spawa-

niu (usuwanie z warstwy
tlenków spoiny i SWC)
odbywa się w sposób po-
dobny do stosowanego
dla stali z grupy 300. Sto-
sowane może być czysz-
czenie mechaniczne i che-
miczne.

Podsumowanie

Stale dupleks są i mogą być z powodzeniem stosowane w najbardziej

agresywnych środowiskach podczas produkcji i przechowywania po-
żywienia i farmaceutyków. Wyższa wytrzymałość pozwala redukować
grubości elementów i w efekcie zmniejszać masę, co przekłada się na
koszty konstrukcji. Wyższa niż dla powszechnie stosowanych stali au-
stenitycznych odporność korozyjna pozwala dłużej eksploatować kon-
strukcje w środowiskach agresywnych chemicznie.

Przy przetwórstwie stali dupleks, a szczególnie super-dupleks, wy-

stępują jednak pewne ograniczenia. Utrudnienia występujące w proce-
sach cięcia i obróbki plastycznej są w pewien sposób kompensowane
redukcją grubości ścianek elementów konstrukcji. Realne utrudnienia
występują w ich obróbce mechanicznej (niskie prędkości i posuwy)
oraz spawaniu (wymagane jest zwłaszcza kontrolowanie energii linio-
wej spawania, która decyduje o szybkości chłodzenia, ta z kolei wpływa
na kształtowanie mikrostruktury i własności SWC, a przez to całego
złącza).

LITERATURA

Avesta, 2004. The Avesta Welding Manual. (02.2013: http://ebookbrowse.com/

avesta-welding-manual-2008-pdf-d244440446

Avesta, 2007. Outokumpu, Research Centre. Duplex Stainless Steel, (02.2013):

http://www.outokumpu.com/en/Products/Grades/duplex-stainless-steel-
grades/Pages/default.aspx

Brytan Z., 2010. Stal duplex - rozwój mikrostruktury, własności mechaniczne,

odporność korozyjna; METALFORUM

Euro Inox, 2006. Stainless Steel in the Food and Beverage Industry, (02.2013):

http://www.euro-inox.org/pdf/map/StSt_in_FoodandBeverage _PL.pdf

Euro Inox, 2009. Stainless Steel – When Health Comes First. (02.2013): http://

www.outokumpu.com/SiteCollectionDocuments/WhenHealthComesFirst_
EN.pdf

IMOA, 2009. Practical Guidelines for the Fabrication of Duplex Stain-

less Steels. (02.2013): http://www.imoa.info/_fi les/stainless_steel/Duplex_
Stainless_Steel_2d_Edition.pdf

Nowacki J., 2009. Stal dupleks i jej spawalność. WNT, Warszawa
Sandvik, 2009. Sandvik duplex stainless steels, Sandvik Materials Technology.

(02.2013): http://www.smt.sandvik.com/en/products/tube-pipe-fi ttings-and-
fl anges/high-performance-materials/ duplex-stainless-steel/

Rys. 3. Krzywe czas-temperatura obszarów utraty

50% udarności stali dupleks [Avesta, 2007]

Rys. 4. Wpływ udziału ferrytu na odporność koro-

zyjną i udarność stali dupleks [Brytan, 2010]

Rys. 5. Wpływ udziału ferrytu w strukturze stali

dupleks na własności mechaniczne

[Brytan, 2010]

Tab. 7. Parametry i wytyczne spawania stali dupleks

[Nowacki, 2009, Sandvik 2009]

Grupa

Nazwa

handlowa

Spoiwo

EN ISO 14343

Energia liniowa,

kJ·mm

-1

Temperatura

międzyściegowa

°C

Lean

dupleks

LDX 2101

23 7 N L

22 9 3 N L

0,2÷2,5

250

2304

0,5÷2,5

250

Dupleks

2205

22 9 3 N L

0,5÷2,5

250

Super-

dupleks

SAF 2507

25 9 3 Cu N L

25 10 4 L

0,2÷1,5

150

Hyper-

dupleks

SAF 2707HD

27 9 5 L

0,2÷1,5

100