2205双相不锈钢在制药和生物技术领域的应用

▲配置了不锈钢设备的洁净室

无锡不锈钢板厂家无锡汉能不锈钢2019年11月29日讯 制药和生物技术行业的卫生要求相对较高，用于制造加工容器和管道系统的材料必须证明具有卓越的耐腐蚀性和清洁性，以确保药物产品的纯度和品质。材料必须能够耐受生产环境以及消毒和清洁工序中的温度、压力和腐蚀性。此外，材料必须具有良好的焊接性，必须能够满足行业对表面光洁度的要求。

制药和生物技术行业工艺设备的主要制造材料为316L（ UNS S31603，EN 1.4404）奥氏体不锈钢。316L不锈钢所具有的耐腐蚀性、焊接性、电解抛光特性以及供货方便的特点，使其成为绝大多数制药应用的理想候选材料。尽管316L不锈钢在许多工艺环境下表现良好，但用户仍然通过审慎选择特定的316L不锈钢化学成份以及采用改进的生产工艺如电渣重熔（ESR），来提高316L不锈钢的性能表现。

如果对于316L不锈钢而言，工艺介质条件腐蚀性过强的话，用户若能接受维护成本的增加可以继续使用316L不锈钢，也可以转而选用合金成份更高的6%钼超级奥氏体不锈钢，如AL-6XN®（UNS N08367）或254 SMO®（UNS S31254，EN 1.4547）。而生物技术行业已经认识到了采用2205（UNS S32205，EN 1.4462）双相不锈钢制造工艺设备的好处。（注：AL-6XN®为ATI Properties公司的商标，254SMO®是Outokumpu Stainless的商标。）

▲采用厚度标号为10的2205双相不锈钢板和3/16英寸（4.8毫米）厚的2205双相不锈钢板制造的制药行业用研发容器。与产品接触的表面经电解抛光使光洁度达到ASME BPE - SF4。（照片来源：Genentech）

316L不锈钢的显微组织中包括了奥氏体相和非常少量的铁素体相。这主要是通过向合金中添加足够量的镍来稳定奥氏体相而形成的。锻轧316L不锈钢的镍含量一般为10-11%。双相不锈钢的化学成份经过调整，形成了一种含有大致等量的铁素体相和奥氏体相的显微组织（如下图）。2205双相不锈钢是通过减少镍含量至约5%并调整锰和氮的添加量至形成约40-50%的铁素体而形成的。2205双相不锈钢的化学成份是平衡的，因此奥氏体相和铁素体相具备大至相当的耐腐蚀性。“双相”指具有奥氏体/铁素体两相的显微组织。

(A) 放大倍数 ≈ 200X

(B) 放大倍数 ≈ 400X

（A）锻轧316L不锈钢的显微组织显示出奥氏体晶粒以及偶尔可见的铁素体长条。(B) 锻轧2205双相不锈钢显微组织显示出奥氏体（浅色相）和铁素体（深色相）的数量大致相等。

2205双相不锈钢氮含量的增加及其细晶粒的显微组织使其具有比304L和316L等常见奥氏体不锈钢更高的强度。在固熔退火条件下，2205双相不锈钢的屈服强度大约是316L不锈钢的两倍。由于这一较高的强度, 2205双相不锈钢的许用应力可以高得多,这取决于工艺设备制造所采用的设计规范。在许多应用中，可以减薄壁厚，从而减轻重量，节约成本。

耐点蚀性能

在制药和生物科技应用中，不锈钢最常见的腐蚀形式是在含氯化物的环境中的点蚀。2205双相不锈钢较高的铬、钼和氮含量，达到了显著优于316L不锈钢的耐点蚀和缝隙腐蚀性能。通过在6%三氯化铁标准试验溶液中测量发生点蚀所需要的温度（临界点蚀温度），可确定不锈钢的相对耐点蚀性能。如下图所示，2205双相不锈钢的临界点蚀温度（CPT）界于316L不锈钢与6% 钼超级奥氏体不锈钢之间。应当注意，在三氯化铁溶液中测得的CPT数据是材料耐氯离子点蚀性能的一个可靠排名，但不应用于预测材料在其它氯化物环境中的临界点蚀温度。

▲在6% FeCl3试验溶液中测得的临界点蚀温度比较（根据参考文献1中所报告的数据绘制）

应力腐蚀开裂

当温度高于150°F（60°C），在拉伸应力和氯离子的共同作用下，316L不锈钢容易出现裂纹，这种灾难性的腐蚀形式被称为氯化物应力腐蚀开裂（SCC）。在热工艺流体条件下选用材料时，必须考虑这种腐蚀。应当避免将316不锈钢用于存在氯离子及150°F（60°C）或以上温度的应用中。如下图所示，2205双相不锈钢在简单盐溶液中耐SCC 的温度可达至少250°F（120°C）。

▲316L不锈钢和2205双相不锈钢发生氯离子应力腐蚀开裂的临界值对比（据参

考文献2，Sandvik在线2205数据表）

红锈

暴露在高纯度水介质中的不锈钢，表面可能出现薄薄的锈迹或沉积物，这被称为红锈。这锈迹主要由氧化铁或氢氧化铁颗粒物构成，有多种颜色，包括红色、金黄色、蓝色、灰色和深褐色等色调。形成红锈的原因尚未明了，但材料的差异如特定的不锈钢牌号和表面处理可能影响红锈的形成。在制药和生物科技行业中， 注射用水（WFI）系统所处的清洁蒸汽环境和高纯度水环境，经常会出现红锈现象。蒸馏装置、贮罐、工艺过程容器、泵、阀门和管道等部件均可能受到影响。

▲剖开的不锈钢管内壁上呈现金黄色（A）和灰黑色（B）红锈

2205双相不锈钢的加工制作在许多方面与316L是类似的，但是仍存在一些重要差异。冷成形加工操作必须考虑到双相不锈钢较高的强度和较高的加工硬化特性。成形设备可能要求具备更高的负荷能力，而且在成形操作中，2205不锈钢将会表现出比标准奥氏体不锈钢牌号更高的回弹。2205双相不锈钢较高的强度使其比316L更难进行切削加工。

2205双相不锈钢的焊接可以采用316L不锈钢的焊接方法。但是， 必须对热输入量和层间温度进行严格控制， 以保持所希望的奥氏体－铁素体相比例， 并避免有害金属间相的析出。焊接用气内含有少量的氮气有助于避免这些问题。在进行双相不锈钢焊接工艺评定时，常用的方法是采用铁素体测定仪或通过金相检验来评估奥氏体－铁氧体比率。在典型情况下，ASTM A 923试验方法用于验证是否存在有害金属间相。

推荐的焊缝填充金属为ER2209（UNSS39209，EN 1600），只有在焊接之后能够进行焊缝固溶退火处理以恢复耐腐蚀性的情况下，才推荐采用不使用填充金属的自熔焊。进行固溶退火处理时,将部件加热到至少1900°F（1040°C）的温度,然后快速冷却。

▲不锈钢管道的自动轨道焊接（照片来源：ArcMachines公司）

双相不锈钢如2205的熔透性和流动性比316L不锈钢差，所以焊接速度较慢。因为2205双相不锈钢熔透性差，所以需要修改接头的形状。2205双相不锈钢需要比316L不锈钢更宽的坡口角度、更大的根部间隙和更小的钝边,以便获得完全熔透的焊缝。

如果焊接设备允许使用填充焊丝，则采用2209填充焊丝可进行2205不锈钢管的轨道焊接。也可以不用填充焊丝，而使用成分适当地过合金化的自耗嵌块。表3汇总了焊接2205双相不锈钢管道所使用的嵌块材料。

许多制药和生物科技应用都要求与产品接触的表面经过电解抛光处理。因此，能够提供高质量电解抛光表面的能力就成为了一项重要的材料特性。2205双相不锈钢可以电解抛光至15微英寸（0.38微米）或更高的光洁度，这样的光洁度满足或超过了ASME BPE标准（6）对电解抛光表面的表面光洁度要求。尽管2205双相不锈钢能够轻易满足制药和生物科技行业对表面光洁度的要求，但经电解抛光的2205不锈钢表面并不像电解抛光后316L不锈钢表面那样光亮。这种差异是因为在电解抛光过程中，铁素体相比奥氏体相的金属溶解率略高。

▲电解抛光的2205双相不锈钢板（样品来源：DCI公司）

北美和欧洲的很多行业和国家标准都包含了2205双相不锈钢。ASTM A 240标准目前列出了2205双相不锈钢的两种牌号S31803和S32205。S32205的铬、钼和氮最低含量要求稍微高一些， 但仍然在S31803的化学成份范围内。开发这个牌号的目的，是为了解决某些S31803焊缝热影响区（ HAZ） 潜在的耐腐蚀性和韧性损失的问题。因此，推荐用户指定S32205牌号。如果要求使用S31803，有些时候是因为此牌号包含在ASME标准当中，用户应当要求所有S31803牌号的化学成份也满足S32205牌号的成分要求，以便获得预期的一致特性。

表4给出了2205双相不锈钢重要的ASTM产品和质量控制标准，表5列出了双相不锈钢的一些相关国际标准。最新的ASME BPE-2009标准包括了2205双相不锈钢。双相不锈钢还包括在API 650标准中，此标准规定了立式、圆柱型及地上贮罐的设计、材料、加工制造、安装和测试要求。