Duplex Edelstahl ist in der Industrie ein sehr beliebter Werkstoff. Es gibt jedoch verschiedene Duplex Güten mit unterschiedlicher chemischer Zusammensetzung. Wo die genauen Vor- und Nachteile liegen, erfahren Sie hier.
Duplex Edelstahl – Herstellung und Legierung
Die Bezeichnung „Duplex“ kommt von dem zweiphasigen Gefügeaufbau aus einer Ferrit-Phase und einer Austenit-Phase, zu ungefähr gleichen Anteilen.
Optimale Eigenschaften erreicht ein Duplex Edelstahl bei einem nahezu ausgeglichenen Verhältnis von Austenit zu Ferrit, also 50:50.
Der Chromgehalt bei Duplex Edelstählen liegt zwischen etwa 19,5 und 33 Prozent.
Im Vergleich zu austenitischen Stählen hat der Duplex Edelstahl einen Nickelgehalt von nur einem bis 9 Prozent.
Zusätzlich werden ca. 0,05 bis 0,60 Prozent Stickstoff zur Verbesserung der Schweisseigenschaften zulegiert. Weiterhin kann die Zugabe von 0,1 bis 5 Prozent Molybdän die Beständigkeit in chloridhaltigen Medien verbessern. Die Zulegierung von ungefähr ein bis 6 Prozent Mangan erhöht die Festigkeit. In einigen Duplex Güten wird auch Kupfer und Wolfram zulegiert.
Zur Verringerung der Gefahr von interkristalliner Korrosion wird der Kohlenstoffgehalt auf ca. 0,03 Prozent gesenkt.
Geschichte von Duplex Edelstahl
Die Anfänge der Produktion von Duplex Edelstahl gehen zurück in das Jahr 1930, wo in Schweden die erste kommerzielle Duplexlegierung mit 26 Prozent Chrom, 5 Prozent Nickel und 1,5 Prozent Molybdän produziert wurde. Diese Legierung ist auch als 1.4460 bekannt.
Mit dem wachsenden Bedarf an Erdöl und Erdgas Anfang der 1980er Jahre und dem damit verbundenen Ausbau der Förderanlagen stieg die Nachfrage nach nichtrostenden Stählen mit hoher Korrosionsbeständigkeit, hoher Festigkeit und guter Verarbeitbarkeit. Der damals am häufigsten eingesetzte Werkstoff war „2205“ – der auch als Werkstoff-Nr. 1.4462 (X2CrNiMoN 22-5-3) gemäss der EN 10088-2 und VdTÜV-Werkstoffblatt 418 oder UNS S31803 oder UNS S32205 nach ASTM/ASME (ASTM A240, ASTM A789/A790, ASTM A928) bekannt ist.
1.4462 ist heute noch die am häufigsten eingesetzte Duplex Güte mit einem Anteil von rund 75 bis 80 Prozent der gesamten Duplex Edelstahl-Produktion.
Weiterentwicklung von Duplex Edelstahl
Die Entwicklung von neuen Duplex Güten hat dazu geführt, dass man nunmehr zwischen fünf verschiedenen Duplex-Familien wählen kann:
- Lean Duplex Güten: niedriger legiert als die Ursprungsvariante 1.4462/2205
- Standard Duplex Güten: Chrom-Gehalte zwischen 19,5 und 23 Prozent, Nickel-Gehalte zwischen 3 und 6,5 Prozent
- Nomen est Omen: Duplex Güten mit 25 Prozent Chrom haben oft auch höhere Anteile von Nickel und Molybdän im Vergleich zu den Standard Duplex Güten
- Super Duplex Güten: Der Chrom-Gehalt liegt hier zwischen 24 und 30 Prozent, Nickel zwischen 3,5 und 8 Prozent, Molybdän zwischen 0,8 und 5 Prozent. Zusätzlich werden auch noch Kupfer (bis zu 2 Prozent) und Wolfram (bis zu 2,5 Prozent) hinzulegiert
- HyperDuplex Güten: eine weitere Steigerungsstufe mit einem Chrom-Gehalt von bis zu 33 Prozent, Nickel bis zu 9,5 Prozent, Molybdän bis zu 5 Prozent und auch mit Mangan und Kupfer legiert
Eigenschaften von Duplex Edelstahl
Duplex Stähle haben aufgrund des hohen Gehalts an Chrom eine ausgesprochen gute Korrosionsbeständigkeit.
Alle Duplex Edelstähle besitzen hohe Festigkeitswerte sowie hohe Zähigkeitswerte bei einem optimalen Verhältnis von Austenit zu Ferrit.
Vorteile der Duplex Edelstähle
Duplex Edelstahl zeichnet sich durch seinen hohen PRE-Werte aus. Der PRE-Wert, auch Pitting Resistance Equivalent genannt, ist ein Mass für die Lochfrassbeständigkeit eines nichtrostenden Edelstahls. Es gilt: je höher der PRE-Wert, desto korrosionsbeständiger ist der Stahl. Ab einem Wert von 32 gilt ein Stahl als meerwasserbeständig.
Der PRE-Wert wird mittels folgender Formel berechnet: PRE = 1 x %Cr + 3,3 x %Mo + 16 x %N
Vorteile bietet ein Stahl mit einem Duplex-Gefüge im Bezug auf:
- Lochkorrosion
- Spannungsrisskorrosion
- Schwingungsrisskorrosion
Der besondere Vorteil von Duplex Edelstählen sind die hohen Festigkeitswerte und die gute Schweissbarkeit was bei anderen Stahlsorten nur bedingt der Fall ist.
Ausserdem haben einige Duplex Güten einen sehr hohen Widerstand gegenüber reibender Verschleissbeanspruchung.
Noch hervorzuheben sind die geringe Wärmeausdehnung sowie das grosse Potential an Gewichtsreduktion aufgrund der hohen Festigkeiten und die damit verbundenen Kosteneinsparungsmöglichkeiten.
Duplex Edelstahl im Vergleich zu austenitischen Stählen: einige Beispiele
Lean Duplex
| ASTM | EN-Nr. | C max. | Cr | Ni | Mo | N | Mn | Cu | W | PRE* |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| S32101 | 1.4162 | 0,04 | 21,0-22,0 | 1,35-1,7 | 0,1 – 0,8 | 0,20-0,25 | 4,0-6,0 | 0,1-0,8 | – | 26 |
| S32202 | 1.4062 | 0,03 | 21,5-24,0 | 1,0-2,8 | 0,45 | 0,18-0,26 | 2,0 | – | 26 | |
| S32304 | 1.4362 | 0,03 | 21,5-24,5 | 3,0-5,5 | 0,05-0,6 | 0,05-0,20 | 2,5 | 0,05-0,60 | – | 26 |
Standard Duplex
| ASTM | EN-Nr. | C max. | Cr | Ni | Mo | N | Mn | Cu | W | PRE* |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| S31803 | 1.4462 | 0,03 | 21,0-23,0 | 4,5-6,5 | 2,5-3,5 | 0,08-0,20 | 2,0 | – | – | 33 |
| S32205 | 1.4462 | 0,03 | 22,0-23,0 | 4,5-6,5 | 3,0-3,5 | 0,14-0,20 | 2,0 | – | – | 35 |
Duplex mit 25% Cr
| ASTM | EN-Nr. | C max. | Cr | Ni | Mo | N | Mn | Cu | W | PRE* |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| S32520 | 1.4507 | 0,03 | 24,0-26,0 | 5,5-8,0 | 3,0-4,0 | 0,20-0,35 | 1,5 | 0,5-2,0 | – | >40 |
| S32550 | 1.4507 | 0,04 | 24,0-27,0 | 4,5-6,5 | 2,9-3,9 | 0,10-0,25 | 1,5 | 1,5-2,5 | – | >40 |
Super Duplex
| ASTM | EN-Nr. | C max. | Cr | Ni | Mo | N | Mn | Cu | W | PRE* |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| S32750 | 1.441 | 0,03 | 24,0-26,0 | 6,0-8,0 | 3,0-5,0 | 0,24-0,32 | 1,2 | 0,50 | – | 43 |
| S32760 | 1.4501 | 0,03 | 24,0-26,0 | 6,0-8,0 | 3,0-4,0 | 0,20-0,30 | 1,0 | 0,5-1,0 | 0,5-1,0 | 42 |
Hyper Duplex
| ASTM | EN-Nr. | C max. | Cr | Ni | Mo | N | Mn | Cu | W | PRE* |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| S32707 | – | 0,03 | 26,0-29,0 | 5,5-9,5 | 4,0-5,0 | 0,30-0,50 | 1,5 | 1,00 | – | 49 |
| S33207 | – | 0,03 | 29,0-33,0 | 6,0-9,0 | 3,0-5,0 | 0,40-0,60 | 1,5 | 1,00 | – | 50 |
Austenitische Güten
| ASTM | EN-Nr. | C max. | Cr | Ni | Mo | N | Mn | Cu | W | PRE* |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 304L | 1.4307 | 0,03 | 17,5-19,5 | 8,0-10,5 | – | 0,11 | – | – | – | 18 |
| 316L | 1.4404 | 0,03 | 16,5-18,5 | 10,0-13,0 | 2,0-2,5 | 0,10 | – | – | – | 24 |
| 904L | 1.4539 | 0,02 | 19,0-21,0 | 24,0-26,0 | 4,0-5,0 | 0,15 | – | 1,20 | – | 34 |
| S31254 | 1.4547 | 0,2 | 19,5-20,5 | 17,5-18,5 | 6,0-7,0 | 0,18-0,25 | – | 0,5-1,0 | – | 43 |
Vielfältiger Einsatz von Duplex Edelstahl
Duplex Edelstahl ist für sehr unterschiedliche Anwendungen und in verschiedenen Branchen der Industrie ein erfolgreicher Werkstoff. Hauptsächlich kommt Duplex Edelstahl als Werkstoff in den folgenden Gebieten zur Anwendung:
- Lagertanks, Behälter, Kolonnen in der Papier- Zellstoff- Chemie- aber auch in der Lebensmittelindustrie
- Druckbehälter in allen Industriebereichen
- Rohrleitungen für die Öl- und Gasproduktion
- Rohrleitungen, welche Meerwasser und aggressiven Chemikalien ausgesetzt sind
- Wärmetauscher in petrochemischen Anlagen
- Rauchgasreinigungsanlagen
- Meerwasserentsalzungsanlagen
- Bauteile im Fahrzeugbau – zum Beispiel für Züge, Strassenbahnen aber auch für PKW
- Bauelemente für Brücken und Architekturprojekte – besonders für Projekte in Meeresnähe
- Jede Art von Profilen, die für oben aufgeführte Einsatzbereiche benötigt werden
Duplex Edelstahl kann in Temperaturbereichen von -40 Grad Celsius bis +280 Grad Celsius eingesetzt werden.
Schweissen von Duplex Edelstahl
Duplex Stähle sind mit den üblichen Schweissverfahren für hochlegierte Stähle zu schweissen.
Zu diesen Verfahren zählen: Unterpulver-, Wolfram Inertgas-, Plasma-, Metall Aktivgas-, Laserstrahl- und Elektronenstrahlschweissen.
Darauf muss beim Schweissen von Duplex geachtet werden
Die nach dem Schweissen folgende Abkühlung hat einen sehr grossen Einfluss auf das sich bei Raumtemperatur einstellende Austenit-Ferrit-Verhältnis.
So führt eine verzögerte Abkühlung zu einem höheren Austenit-Gehalt und ein Abschrecken zu niedrigeren Austenit-Gehalten.
Mit passend gewähltem Schweissverfahren und passender Nahtgeometrie kann man das Verhältnis Austenit-Ferrit relativ genau einstellen.
Dabei ist im Bereich zwischen 1100 Grad Celsius und 1000 Grad Celsius verzögert abzukühlen. Der Temperaturbereich von 950 Grad Celsius bis 700 Grad Celsius sollte innerhalb von zwei Minuten durchlaufen sein, da sonst die Gefahr von unerwünschten Ausscheidungen besteht. Eine schnelle Abkühlgeschwindigkeit sollte bis zu einer Temperatur von 300 Grad Celsius beibehalten werden.
Auch ein Super Duplex Edelstahl ist ähnlich zu schweissen wie ein hochlegierter Stahl, folglich ebenfalls gut schweissbar.
Verarbeitung von Duplex Edelstahl
Duplex Edelstahl, aber auch Lean Duplex Edelstahl, sowie Super Duplex Edelstahl werden hauptsächlich zu Blechen oder Stabstahl gewalzt. Daraus werden unterschiedliche Produkte gefertigt wie: Duplex Rohre, Profile wie Träger aus Duplex Edelstahl oder U-Profile, sowie Rechteckrohre und Vierkantrohre.
Einige Duplexstähle sind zum Kaltumformen geeignet, doch aufgrund der hohen Festigkeit sind hohe Verformungskräfte nötig. Ausserdem muss auf die hohen Rückfedereigenschaften geachtet werden. Sie sind auch zum Warmumformen geeignet, jedoch sollte das in Temperaturbereichen von 1000 Grad Celsius bis 1100 Grad Celsius vorgenommen werden und eine rasche Abkühlung folgen.
Verarbeitung von Super Duplex Edelstahl
Auch Super Duplex Stähle sind zum Kaltumformen geeignet, jedoch besitzen diese eine noch höhere Festigkeit und daraus folgende Rückfedereigenschaften, auf die Rücksicht genommen werden muss. Die Warmumformung von Super Duplex Stählen muss zwischen 1080 Grad Celsius und 1280 Grad Celsius passieren. Der Bereich von 1000 Grad Celsius bis 700 Grad Celsius muss vermieden werden, da es sonst zur Ausscheidung einer unerwünschten σ-Phase kommt. σ-Phasen sind intermetallische Phasen die einen negativen Einfluss auf die Eigenschaften des Stahles haben. Der Nachteil ist: Sie sind hart, spröde und besitzen schlechte Korrosionsbeständigkeit. Aufgrund des Entstehens weiterer unerwünschter Phasen sollte das weitere Abkühlen bis auf 300 Grad Celsius so schnell wie möglich erfolgen.
Oberflächenbehandlung von Duplex Edelstahl
Hochlegierte Stähle haben eine optimale Korrosionsbeständigkeit, aber nur bei metallisch blanker Oberfläche. Um diese Oberfläche herzustellen, ist als abschliessende chemische Oberflächenbehandlung das Tauch- oder Sprühbeizen für Duplex Edelstahl geeignet. Andere Wege für eine saubere und korrosionsbeständige Oberfläche ist die Entfernung eventuell vorhandener Oxidationsschichten. Diese können durch Schleifen, Strahlen oder Bürsten entfernt werden. Das Beizen wird als geeignetstes Verfahren für rostfreie Stähle angesehen. Bei festhaftendem Zunder kann aber ein Strahlvorgang dem Beizprozess vorgezogen werden.