Duplex-Edelstahl ist ein technischer Werkstoff mit hoher Festigkeit, ausgezeichneter Korrosionsbeständigkeit und hoher Wirtschaftlichkeit. Er wird häufig in der Petrochemie, der Schiffstechnik, der Kernkraft, der Lebensmittelverarbeitung und anderen Bereichen eingesetzt. In diesem Blog werden die Definition, die Eigenschaften, die Klassifizierung, die Anwendung und die Materialauswahlmethode von rostfreiem Duplexstahl vorgestellt, um Ihnen bei der Auswahl der geeigneten Edelstahlsorte zu helfen.
Grundlegende Eigenschaften von nichtrostendem Duplexstahl
Das bemerkenswerte Merkmal von nichtrostendem Duplexstahl ist die Koexistenz von zwei Kristallstrukturen, Ferrit (α-Fe) und Austenit (γ-Fe), im Mikrogefüge, wobei die beiden normalerweise in einem Volumenverhältnis von nahezu 1:1 koexistieren. Dieses Duplexgefüge wird durch die genaue Steuerung des Verhältnisses von Elementen wie Chrom (Cr), Nickel (Ni) und Molybdän (Mo) erreicht: Chrom ist ein ferritbildendes Element und Nickel ist ein Austenitstabilisator. Die Ausgewogenheit der beiden sorgt dafür, dass das Verhältnis der beiden Phasen annähernd 50:50 beträgt. Durch die Zugabe von Stickstoff wird die Austenitphase weiter stabilisiert und gleichzeitig die Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit verbessert.
Unter dem Gesichtspunkt der Leistungsfähigkeit verleiht die Ferritphase dem Werkstoff eine hohe Festigkeit und Beständigkeit gegen Chlorid-Spannungsrisskorrosion, während die Austenitphase für Zähigkeit und Säurebeständigkeit sorgt. Dieser Synergieeffekt ermöglicht es dem nichtrostenden Duplexstahl, ein optimales Gleichgewicht zwischen Festigkeit, Korrosionsbeständigkeit und Zähigkeit zu erreichen. Gewöhnlicher austenitischer rostfreier Stahl (wie 304) neigt beispielsweise in chloridhaltigen Umgebungen zu Spannungsrisskorrosion, während ferritischer Stahl mit hohem Chromgehalt eher spröde ist. Der nichtrostende Duplexstahl überwindet die Nachteile beider Werkstofftypen. Testdaten zeigen, dass die Streckgrenze von rostfreiem Duplexstahl 400-550 MPa erreichen kann, was mehr als doppelt so hoch ist wie die von rostfreiem Stahl 304 (ca. 205 MPa), während die Dehnung bei 25%-40% bleibt, was deutlich höher ist als bei hochfestem niedrig legiertem Stahl.
In Bezug auf die Korrosionsbeständigkeit kann das Lochfraßäquivalent (PREN) von nichtrostendem Duplexstahl nach folgender Formel berechnet werden:
PREN= %Cr + 3,3 ×%Mo + 16 ×%N
Die Sorte 2205 (Cr 22%, Mo 3%, N 0,15%) hat einen PREN-Wert von 33-34, der weit über dem von Edelstahl 304 (PREN≈18) und Edelstahl 316 (PREN≈24) liegt. Noch wichtiger ist, dass nichtrostender Duplexstahl eine hohe Beständigkeit gegen Chlorid-Spannungsrisskorrosion (SCC) aufweist - in einer Meerwasserumgebung, die Chloridionen enthält, kann gewöhnlicher austenitischer nichtrostender Stahl innerhalb weniger Monate reißen, während nichtrostender Duplexstahl jahrzehntelang sicher verwendet werden kann.
Klassifizierung und typische Sorten von nichtrostendem Duplexstahl
Derzeit wird nichtrostender Duplexstahl hauptsächlich in vier Generationen unterteilt. Die Merkmale und typischen Güten der einzelnen Generationen sind wie folgt:
Die erste Generation der repräsentativen Sorte 2205 (S31803) enthält Cr 22%, Ni 5%, Mo 3% und N 0,15%. Die klassische Formel bietet ein ausgewogenes Verhältnis zwischen Korrosionsbeständigkeit und Festigkeit und wird häufig in chemischen Anlagen und Meerwasserleitungen verwendet. Der Superduplexstahl der zweiten Generation 2507 (S32750) enthält Cr 25%, Ni 6%, Mo 3,5% und N 0,25%. Der PREN-Wert liegt bei ≥40, und die Korrosionsbeständigkeit ist höher. Es eignet sich für Offshore-Plattformen und LNG-Anlagen. Die dritte Generation 2507Cu fügt dem Werkstoff 2507 Cu-Elemente hinzu, um die Spaltkorrosionsbeständigkeit zu verbessern. Sie ist für hochkonzentrierte Salzsäure und die Papierindustrie geeignet. Die vierte Generation der wirtschaftlichen Sorte LDX 2101 enthält wenig Nickel (1,5%), viel Mangan (5,5%), Cr 21%, Mo 0,3% und einen PREN-Wert von 26-28. Es wird in Bau- und Umweltschutzausrüstungen verwendet.
Der springende Punkt ist, dass die erste und zweite Generation zu den Hauptanwendungssorten gehören. Die zweite Generation verbessert die Korrosionsbeständigkeit durch Erhöhung des Chrom-, Molybdän- und Stickstoffgehalts erheblich; die dritte Generation ist für bestimmte korrosive Umgebungen (z. B. hochkonzentrierte Salzsäure) optimiert; die vierte Generation ermöglicht eine Kostenkontrolle durch Reduzierung des Nickelgehalts.
Anwendung und Werkstoffauswahl von nichtrostendem Duplexstahl
Die Öl- und Gasindustrie ist der Hauptanwendungsbereich für nichtrostenden Duplexstahl. Für das Verteilersystem von Tiefsee-Ölförderplattformen wird nichtrostender Duplexstahl (z. B. 2507) verwendet, um der Meerwasserkorrosion (PREN≥40) und dem hohen Druck (≥600 MPa) standzuhalten; für die Auskleidung von LNG-Lagertanks wird 2205 oder 2507 verwendet, wobei die Tieftemperaturzähigkeit (-50℃) und die Beständigkeit gegen Schwefelwasserstoff-Spannungskorrosion berücksichtigt werden. In der chemischen Industrie und im Energiesektor werden für Nassentschwefelungsanlagen und Kühlmittelleitungen für Kernkraftwerke 2205 oder 2507 verwendet, um der Korrosion durch Schwefelsäure und Phosphorsäure sowie der Sulfid-Spannungskorrosion bei hohen Temperaturen standzuhalten. Im Bauwesen und im Umweltschutz wird LDX 2101 für Brückengeländer und Kläranlagen verwendet, da es aufgrund seiner niedrigen Nickelkosten (1,5%) und seiner guten Beständigkeit gegen atmosphärische Korrosion und Abwasserkorrosion die Wartungskosten senkt.
Bei der Werkstoffauswahl sollten die korrosive Umgebung (z. B. Meerwasser, Säure, Chloridionenkonzentration), die mechanischen Eigenschaften (Druckbeständigkeit, Schlagfestigkeit), die Kosten (Nickelgehalt und Materialeinsatz) sowie die Verarbeitungs- und Schweißanforderungen berücksichtigt werden. So wird z. B. 2507 mit PREN ≥ 40 in Meerwasserumgebungen bevorzugt; in chemischen Anlagen muss je nach Konzentration des Mediums 2205 oder 2507 gewählt werden; und das kostengünstige LDX 2101 kann für Gebäudegeländer verwendet werden. Typische Problemlösungen sind: Steuerung der Wärmezufuhr beim Schweißen zur Vermeidung von Versprödung (Verwendung von passendem Schweißdraht und mehrlagigem Mehrlagenschweißverfahren); Oberflächenbehandlung (Ra ≤ 0,8μm) und konstruktive Gestaltung (Vermeidung von Lücken) zur Vermeidung von Lochfraß.
Produktionsprozess und Qualitätspunkte
Die Herstellung von nichtrostendem Duplexstahl beginnt mit dem Schmelzen. Die Rohstoffe werden in einem Elektrolichtbogenofen (EAF) geschmolzen und dann zur Entkohlung in einen Argon-Sauerstoff-Entkohlungsofen (AOD) überführt, wobei der Kohlenstoffgehalt auf ≤0,03% (Superduplexstahl erfordert ≤0,02%) kontrolliert wird. Durch Vakuum-Sauerstoffentkohlung (VOD) werden Verunreinigungen weiter reduziert, und nach dem Stranggießen in Brammen werden Warmwalzen (1050-1150℃) und Kaltwalzen durchgeführt, und schließlich wird ein Glühen (1020-1100℃ Wasserabschrecken) durchgeführt, um das Duplexgleichgewicht wiederherzustellen.
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