Ein spezielles Edelstahlmaterial - Duplex-Edelstahl

Duplex-Edelstahl kombiniert die Eigenschaften von austenitischem und ferritischem Edelstahl. Im Vergleich zu ferritischem Edelstahl hat er eine höhere Plastizität und Zähigkeit, keine Raumtemperatursprödigkeit, eine deutlich verbesserte interkristalline Korrosionsbeständigkeit und Schweißleistung. Gleichzeitig behält er die 475 Sprödigkeit und hohe Wärmeleitfähigkeit von ferritischem Edelstahl bei und hat Eigenschaften wie Superplastizität. Im Vergleich zu austenitischem Edelstahl hat er eine höhere Festigkeit und eine deutlich verbesserte Beständigkeit gegen interkristalline Korrosion und Chlorid-Spannungskorrosion. Duplex-Edelstahl hat eine hervorragende Beständigkeit gegen Lochkorrosion und ist auch ein nickelsparender Edelstahl.

1. Historische Entwicklung

Seit seiner Entstehung in den Vereinigten Staaten in den 1940er Jahren hat sich Duplex-Edelstahl zur dritten Generation entwickelt. Sein Hauptmerkmal ist, dass seine Streckgrenze 400-550 MPa erreichen kann, was doppelt so hoch ist wie die von gewöhnlichem Edelstahl, wodurch Materialien eingespart und die Herstellungskosten von Geräten gesenkt werden. In Bezug auf die Korrosionsbeständigkeit, insbesondere in rauen Umgebungen wie Meerwasser mit hohem Chloridgehalt, ist die Beständigkeit gegen Lochkorrosion, Spaltkorrosion, Spannungsrisskorrosion und Korrosionsermüdung von Duplex-Edelstahl deutlich besser als die von gewöhnlichem austenitischem Edelstahl und kann mit hochlegiertem austenitischem Edelstahl vergleichbar sein.

2. Leistungseigenschaften

Aufgrund der Eigenschaften der zweiphasigen Struktur kombiniert Duplex-Edelstahl durch die richtige Steuerung der chemischen Zusammensetzung und des Wärmebehandlungsprozesses die Vorteile von ferritischem und austenitischem Edelstahl. Er kombiniert die hervorragende Zähigkeit und Schweißbarkeit von austenitischem Edelstahl mit der hohen Festigkeit und Chlorid-Spannungskorrosionsbeständigkeit von ferritischem Edelstahl. Diese überlegenen Eigenschaften haben zur schnellen Entwicklung von Duplex-Edelstahl als schweißbares Strukturmaterial geführt. Seit den 1980er Jahren hat er sich zu einer Stahlklasse entwickelt, die mit martensitischen, austenitischen und ferritischen Edelstählen vergleichbar ist. Duplex-Edelstahl hat die folgenden Leistungseigenschaften:

(1) Molybdänhaltiger Duplex-Edelstahl zeigt unter geringer Belastung eine hervorragende Beständigkeit gegen Chlorid-Spannungskorrosion. Im Allgemeinen neigt 18-8 austenitischer Edelstahl in neutralen Chloridlösungen über 60 °C zu Spannungsrisskorrosion. Wärmetauscher, Verdampfer und andere Geräte aus diesem Edelstahl in industriellen Medien mit Spuren von Chlorid und Schwefelwasserstoff neigen zu Spannungsrisskorrosion, während Duplex-Edelstahl eine gute Beständigkeit aufweist.

(2) Molybdänhaltiger Duplex-Edelstahl hat eine gute Beständigkeit gegen Lochkorrosion. Bei gleichem Äquivalentwert der Lochkorrosionsbeständigkeit (PRE=Cr%+3,3Mo%+16N%) ist das kritische Lochkorrosionspotential von Duplex-Edelstahl ähnlich dem von austenitischem Edelstahl. Die Lochkorrosionsbeständigkeit von Duplex-Edelstahl und austenitischem Edelstahl ist vergleichbar mit der von AISI 316L. Die Beständigkeit gegen Loch- und Spaltkorrosion von hochchromhaltigem Duplex-Edelstahl mit 25% Cr, insbesondere Stickstoff, übertrifft die von AISI 316L.

(3) Hat eine gute Beständigkeit gegen Korrosionsermüdung und Verschleißkorrosion. Geeignet für die Herstellung von Kraftgeräten wie Pumpen und Ventilen unter bestimmten korrosiven Medienbedingungen.

(4) Gute umfassende mechanische Leistung. Er hat eine hohe Festigkeit und Ermüdungsfestigkeit, mit einer Streckgrenze, die doppelt so hoch ist wie die von 18-8 austenitischem Edelstahl. Die Dehnungsrate im Lösungsglühen erreicht 25%, und der Zähigkeitswert AK (V-förmige Kerbe) liegt über 100 J.

3. Struktur und Typ

Duplex-Edelstahl hat aufgrund seiner zweiphasigen Struktur aus Austenit und Ferrit die Eigenschaften sowohl von austenitischem als auch von ferritischem Edelstahl, und der Gehalt der beiden Phasen ist im Wesentlichen gleich. Die Streckgrenze kann 400 MPa~550 MPa erreichen, was doppelt so hoch ist wie die von gewöhnlichem austenitischem Edelstahl. Im Vergleich zu ferritischem Edelstahl hat Duplex-Edelstahl eine höhere Zähigkeit, eine niedrigere spröde Übergangstemperatur, eine deutlich verbesserte interkristalline Korrosionsbeständigkeit und Schweißleistung; Gleichzeitig behält es einige Eigenschaften von ferritischem Edelstahl bei, wie 475 Sprödigkeit, hohe Wärmeleitfähigkeit, niedriger linearer Ausdehnungskoeffizient, Superplastizität und Magnetismus. Im Vergleich zu austenitischem Edelstahl hat Duplex-Edelstahl eine höhere Festigkeit, insbesondere eine deutlich verbesserte Streckgrenze, und signifikante Verbesserungen in Eigenschaften wie Lochkorrosionsbeständigkeit, Spannungsrisskorrosionsbeständigkeit und Korrosionsermüdungsbeständigkeit.

Duplex-Edelstahl kann basierend auf seiner chemischen Zusammensetzung in vier Typen klassifiziert werden: Cr18-Typ, Cr23-Typ (ohne Mo), Cr22-Typ und Cr25-Typ. Für Cr25-Duplex-Edelstahl kann er in gewöhnlichen Typ und Super-Duplex-Edelstahl unterteilt werden, wobei Cr22-Typ und Cr25-Typ häufiger verwendet werden. Der in China verwendete Duplex-Edelstahl wird meist in Schweden produziert, mit spezifischen Graden wie 3RE60 (Cr18-Typ), SAF2304 (Cr23-Typ), SAF2205 (Cr22-Typ) und SAF2507 (Cr25-Typ).

4. Klassifikation

Der erste Typ gehört zum niedriglegierten Typ, vertreten durch den Grad UNS S32304 (23Cr-4Ni-0.1N), der kein Molybdän im Stahl enthält und einen PREN-Wert von 24-25 hat. Er kann AISI304 oder 316 in Bezug auf Spannungsrisskorrosion ersetzen.

Der zweite Typ gehört zum mittleren Legierungstyp, vertreten durch den Grad UNS S31803 (22Cr-5Ni-3Mo-0.15N), mit einem PREN-Wert von 32-33. Seine Korrosionsbeständigkeit liegt zwischen AISI 316L und 6% Mo+N austenitischem Edelstahl.

Der dritte Typ gehört zum hochlegierten Typ, enthält allgemein 25% Cr sowie Molybdän und Stickstoff, und einige enthalten auch Kupfer und Wolfram. Der Standardgrad ist UNSS32550 (25Cr-6Ni-3Mo-2Cu-0.2N), mit einem PREN-Wert von 38-39. Die Korrosionsbeständigkeit dieses Stahls ist höher als die von Duplex-Edelstahl mit 22% Cr.

Der vierte Typ gehört zum Super-Duplex-Edelstahltyp, enthält hohes Molybdän und Stickstoff. Der Standardgrad ist UNS S32750 (25Cr-7Ni-3.7Mo-0.3N), und einige enthalten auch Wolfram und Kupfer. Der PREN-Wert ist größer als 40, was in rauen Mediumbedingungen verwendet werden kann und eine gute Korrosionsbeständigkeit und mechanische Gesamtleistung hat, vergleichbar mit super austenitischem Edelstahl.

5. Schweißeigenschaften

Duplex-Edelstahl hat gute Schweißeigenschaften. Im Vergleich zu ferritischem Edelstahl und austenitischem Edelstahl hat er nicht die Schweißwärmeeinflusszone von ferritischem Edelstahl, was die Plastizität und Zähigkeit aufgrund starker Kornvergröberung erheblich reduziert, noch ist er empfindlich gegenüber Schweißheißrissen wie austenitischer Edelstahl.

Aufgrund seiner einzigartigen Vorteile wird Duplex-Edelstahl in Industriebereichen wie petrochemischen Anlagen, Meerwasser- und Abwasserbehandlungsanlagen, Öl- und Gasleitungen, Papiermaschinen usw. weit verbreitet eingesetzt. In den letzten Jahren wurde er auch für den Einsatz in Brückenlaststrukturen untersucht und hat große Entwicklungsperspektiven.

Die Schweißleistungsprobleme, die oft bei "wirtschaftlichem Duplex-Stahl" auftreten, sind kein Problem. Das Schweißen von Standard-Duplex-Stahl ist jedoch kein Problem, und unabhängig vom verwendeten Verfahren gibt es Schweißmaterialien, die für diese Anwendungen geeignet sind. Aus metallografischer Sicht ist das Schweißen von 2101 (1.4162) überhaupt kein Problem. Tatsächlich ist es sogar einfacher zu schweißen als Standard-Duplex-Stahl, da dieses Material tatsächlich mit dem Acetylen-Schweißverfahren geschweißt werden kann. Für Standard-Duplex-Stahlmaterialien muss dieses Verfahren immer vermieden werden. Das eigentliche Problem beim Schweißen von 2101 besteht darin, dass die Viskosität des Schmelzbades unterschiedlich ist, sodass die Benetzbarkeit etwas schlechter ist. Dies zwingt die Bediener dazu, während des Schweißprozesses mehr Lichtbogenschweißen zu verwenden, was genau das Problem ist. Obwohl es durch die Auswahl von Superlegierungen kompensiert werden kann, möchten wir oft passende Schweißmaterialien wählen.

6. Material und Grad

Viele Duplex-Edelstahlgrade wurden in den neuen Standard GB/T 20878-2007 "Edelstahl- und hitzebeständige Stahlgrade und chemische Zusammensetzung" in China aufgenommen. Zum Beispiel: 14Cr18Ni11Si4AlTi 022Cr19Ni5Mo3Si2N, 12Cr21Ni5Ti. Weitere Grade finden sich im Standard.

Darüber hinaus entspricht der berühmte 2205 Duplex-Stahl dem chinesischen 022Cr23Ni5Mo3N.

Schließlich bezeichnen einige Webseiten und sogar Artikel fälschlicherweise Duplex-Edelstahl als Duplex-Edelstahl. Biphase bezieht sich auf das Vorhandensein von zwei Arten von metallografischen Strukturen, anstatt auf eine gerichtete "Orientierung".

Chemische Zusammensetzung

7. Anforderungen an die Auswahl von Schweißmaterialien

Das für Duplex-Edelstahl verwendete Schweißmaterial ist durch eine Duplexstruktur gekennzeichnet, die im Schweißnahtbereich von Austenit dominiert wird, wobei die Hauptkorrosionsbeständigkeitselemente (Chrom, Molybdän usw.) einen Gehalt aufweisen, der dem des Grundmaterials entspricht, um eine vergleichbare Korrosionsbeständigkeit zum Grundmaterial zu gewährleisten. Um den Gehalt an Austenit in der Schweißnaht sicherzustellen, ist es in der Regel erforderlich, den Nickel- und Stickstoffgehalt zu erhöhen, das heißt, das Nickeläquivalent um etwa 2 % bis 4 % zu erhöhen. In Duplex-Edelstahl-Grundmaterialien ist in der Regel eine gewisse Menge an Stickstoffgehalt vorhanden, und es ist auch wünschenswert, einen bestimmten Stickstoffgehalt in Schweißmaterialien zu haben, aber er sollte nicht zu hoch sein, da sonst Porosität auftritt. Dies macht den hohen Nickelgehalt zu einem wesentlichen Unterschied zwischen dem Schweißmaterial und dem Grundmaterial.

Wählen Sie Schweißelektroden, die der chemischen Zusammensetzung des Grundmetalls entsprechen, je nach unterschiedlichen Anforderungen an die Korrosionsbeständigkeit und die Zähigkeit der Verbindung. Beispielsweise können beim Schweißen von Cr22-Duplex-Edelstahl Cr22Ni9Mo3-Schweißelektroden wie E2209-Schweißelektroden verwendet werden. Bei der Verwendung von sauren Schweißelektroden ist die Schlackenentfernung hervorragend und die Schweißnaht ist ästhetisch ansprechend, aber die Schlagzähigkeit ist gering. Wenn eine hohe Schlagzähigkeit des Schweißguts und das Schweißen in allen Positionen erforderlich sind, sollten alkalische Schweißelektroden verwendet werden. Beim Schweißen des Wurzelbodens werden in der Regel alkalische Schweißelektroden verwendet. Wenn besondere Anforderungen an die Korrosionsbeständigkeit des Schweißguts bestehen, sollten auch alkalische Elektroden mit Super-Duplex-Stahlzusammensetzung verwendet werden.

Für Massivdraht zum Schutzgasschweißen sollte neben der Gewährleistung einer guten Korrosionsbeständigkeit und mechanischen Eigenschaften des Schweißguts auch auf die Schweißprozessleistung geachtet werden. Für Fülldraht kann bei Anforderungen an eine schöne Schweißnahtbildung rutil- oder titankalziumhaltiger Fülldraht verwendet werden. Bei hohen Anforderungen an die Schlagzähigkeit oder beim Schweißen unter hohen Zwangsbedingungen sollte Fülldraht mit hoher Alkalität verwendet werden.

Für das Unterpulverschweißen ist es ratsam, Schweißdrähte mit kleineren Durchmessern zu verwenden, um Mehrlagen- und Mehrlagenschweißen unter kleinen und mittleren Schweißspezifikationen zu erreichen, um die Versprödung der Schweißwärmeeinflusszone und des Schweißguts zu verhindern, und passende alkalische Flussmittel zu verwenden.