Onderstaand artikel is een vertaling van dit artikel van de BSSA:
https://www.bssa.org.uk/topics.php?article=668&featured=1
Duplex RVS wordt steeds vaker toegepast. Het product wordt om een aantal redenen door alle belangrijke RVS-fabrieken aangeboden:
• Hogere sterkte, wat leidt tot gewichtsbesparing
• Grotere corrosieweerstand, met name spanningscorrosie
• Betere prijsstabiliteit
• Lagere prijs
Volgens schattingen is het wereldwijde marktaandeel van duplex tussen 1 en 3% van de totale RVS-markt. Het doel van dit artikel is om een eenvoudige handleiding te bieden, waarin ook de voor- en nadelen worden beschreven.
Principe van duplex RVS
De oorsprong van duplex RVS dateert uit de jaren ’20 van de vorige eeuw. De eerste productie vond plaats in Avesta in Zweden in 1930. Pas in de afgelopen 30 jaar begint duplex staal populair te worden vanwege innovatie in de productie van RVS, met name met betrekking tot de beheersing van het stikstofgehalte.
De standaard austenitische RVS-soorten als 304 (1.4301) en ferritische soorten als 430 zijn relatief eenvoudig te maken. Zoals hun namen impliceren, bestaan ze voornamelijk uit één fase: austeniet of ferriet. Hoewel deze typen prima zijn voor een breed scala aan toepassingen, zijn er enkele belangrijke technische zwakheden in beide typen:
• Austenitisch: lage sterkte (200 MPa 0,2% PS), lage weerstand tegen spanningscorrosie.
• Ferritisch: lage sterkte (een beetje hoger dan austenitisch, 250 MPa 0,2% PS), slechte lasbaarheid in dikke secties, slechte taaiheid bij lage temperatuur.
Bovendien leidt het hoge nikkelgehalte van de austenitische typen tot prijsvolatiliteit die niet gewenst is voor veel eindgebruikers.
Het basisidee van duplex is om een chemische samenstelling te produceren die leidt tot een ongeveer gelijk mengsel van ferriet en austeniet. Deze balans van fasen biedt het volgende:
• Hogere sterkte: Het bereik van 0,2% PS voor de huidige duplexkwaliteiten is van 400 - 550 MPa. Dit kan leiden tot verminderde sectiediktes en dus tot een lager gewicht. Dit voordeel is vooral belangrijk voor toepassingen als drukvaten/opslagtanks en structurele toepassingen (bijv. bruggen).
• Goede lasbaarheid in dikke secties: Niet zo goed als bij austenieten, maar veel beter dan ferrieten.
• Goede taaiheid: Veel beter dan ferrieten, vooral bij lage temperaturen, meestal -50° C tot -80° C.
• Weerstand tegen spanningscorrosie: De gebruikelijke austenitische RVS-soorten zijn bijzonder gevoelig voor dit soort corrosie. Het soort toepassingen waarbij dit voordeel belangrijk is, zijn warmwatertanks, brouwtanks, procesinstallaties en zwembadstructuren.
Hoe de austeniet / ferrietbalans wordt bereikt
Om te begrijpen hoe duplexstaal werkt, moet je eerst de samenstelling van twee bekende staalsoorten austenitisch 304 (1.4301) en ferritisch 430 (1.4016) vergelijken.
De belangrijke elementen in roestvrij staal kunnen worden ingedeeld in ‘ferritisers’ en ‘austenitizers’. Elk element versterkt de ene structuur of de andere:
• Ferritisers: Cr (chroom), Si (silicium), Mo (molybdeen), W (wolfraam), Ti (titanium), Nb (niobium)
• Austenitizers: C (koolstof), Ni (nikkel), Mn (mangaan), N (stikstof), Cu (koper).
Kwaliteit 430 bevat vooral ‘ferritisers’ en is dus ferritisch van structuur. Kwaliteit 304 wordt austenitisch door het gebruik van ongeveer 8% nikkel. Om te komen tot een duplexstructuur met ongeveer 50% van elke fase, moet er een balans zijn tussen de ‘austenitizers’ en de ‘ferritisers’. Dit verklaart waarom het nikkelgehalte van duplexstaal in het algemeen lager is dan voor austenieten.
Hier zijn enkele typische varianten van duplex RVS:
In sommige van de recent ontwikkelde soorten duplex worden stikstof en mangaan samen gebruikt om het nikkelgehalte op een zeer laag niveau te brengen. Dit heeft een gunstig effect op de prijsstabiliteit.
Op dit moment bevinden we ons nog steeds in de ontwikkelingsfase van duplexstaal. Daarom verkoopt elke fabriek zijn eigen specifieke merk. Over het algemeen is men het erover eens dat er te veel kwaliteiten zijn ontwikkeld. Dit zal waarschijnlijk doorgaan totdat de 'winnaars' tevoorschijn komen.
Corrosieweerstand van duplexstaal
Het bereik van duplex RVS zorgt ervoor dat ze op corrosieweerstand kunnen worden vergeleken met de austenitische en ferritische RVS-soorten. Het is handig om het PREN-getal te gebruiken om corrosieweerstand uit te drukken, alhoewel er meerdere maateenheden zijn. De formule is als volgt:
PREN =% Cr + 3,3 x% Mo + 16 x% N
De volgende tabel laat zien hoe de duplex staalsoorten zich verhouden tot sommige austenitische en ferritische kwaliteiten.
Deze tabel is slechts een richtlijn voor materiaalkeuze. Het is altijd belangrijk om de geschiktheid van een bepaald product te beoordelen met volledige kennis van de corrosieve omgeving.
Stress Corrosion Cracking (SCC)
SCC is een vorm van corrosie die optreedt bij een bepaalde combinatie van factoren:
• Trekspanning
• Corrosieve omgeving
• Voldoende hoge temperatuur: meestal 50° C, maar kan ook optreden bij lagere temperaturen (rond 25° C) in specifieke omgevingen als zwembaden.
Helaas zijn de standaard austenitische staalsoorten zoals 304 (1.4301) en 316 (1.4401) het meest vatbaar voor SCC. De volgende materialen zijn veel minder vatbaar voor SCC:
• Ferritisch RVS
• Duplex RVS
• Nikkelrijk austenitisch RVS
De resistentie tegen SCC maakt duplex RVS geschikt voor vele processen die bij hogere temperaturen werken, zoals boilers voor warm water, brouwtanks en ontziltingsinstallaties.
Van RVS-constructies in zwembaden is bekend dat ze vatbaar zijn voor SCC. Het gebruik van standaard austenitische roestvaste staalsoorten zoals 304 en 316 is in deze toepassing sterk af te raden. De beste staalsoorten voor dit doel zijn de nikkelrijke austenitische staalsoorten zoals de 6% Mo-kwaliteiten. In sommige gevallen kunnen duplex RVS-soorten zoals 2205 (1,44462) en de superduplex-kwaliteiten worden overwogen.
Beperkingen bij het gebruik van duplex RVS
De aantrekkelijke combinatie van hoge sterkte, een breed scala aan corrosiebestendigheid en redelijke lasbaarheid lijkt een groot potentieel te bieden voor het vergroten van het marktaandeel van duplex RVS. Het is echter belangrijk om de beperkingen van duplex RVS te begrijpen en waarom het waarschijnlijk altijd een 'nichespeler' zal blijven.
Het voordeel van hoge sterkte wordt een nadeel, zodra vormbaarheid en bewerkbaarheid een rol gaan spelen. De hoge sterkte wordt ook vergezeld met lagere taaiheid dan austenitische RVS-soorten. Daarom is elke toepassing die een hoge vormbaarheid vereist, bijvoorbeeld een gootsteen, uitgesloten voor duplexkwaliteiten. Zelfs wanneer de taaiheid voldoende is, zijn hogere krachten vereist om het materiaal te vormen, bijvoorbeeld bij het buigen van buizen. Er is één uitzondering op de normale regel van slechtere bewerkbaarheid: klasse 1.4162.
Naast ferriet en austeniet kunnen duplexstalen ook een aantal ongewenste fasen vormen als het staal niet de juiste verwerking krijgt, met name bij warmtebehandeling. Twee van de belangrijkste fasen worden geïllustreerd in het onderstaande schema:
Beide fasen leiden tot verbrossing: verlies aan slagtaaiheid.
De vorming van de sigmafase is het meest waarschijnlijk als de koelsnelheid tijdens de productie of het lassen niet hoog genoeg is. Hoe hoger het gehalte van het staal, hoe hoger de kans op sigma-fase-vorming. Daarom zijn superduplex-staalsoorten het meest vatbaar voor dit probleem.
475° broosheid is het gevolg van de vorming van een fase genaamd α '(alpha prime). Hoewel de slechtste temperatuur 475° C is, kan deze zich nog steeds vormen bij temperaturen zo laag als 300° C. Dit leidt tot een beperking van de maximale bedrijfstemperatuur voor duplex. Deze beperking verkleint het potentiële bereik van toepassingen nog verder.
Aan het andere einde van de schaal is er een beperking op het gebruik bij lage temperatuur van duplex RVS. In tegenstelling tot austenitische RVS-soorten vertonen duplex RVS-soorten een ductiel-brosse overgang in de botstest. Een typische testtemperatuur is min 46° C voor offshore toepassingen in de olie- en gasindustrie. Minus 80° C is de laagste temperatuur die normaal wordt aangetroffen voor duplexstaal.
Samenvatting van de kenmerken van duplex RVS:
• Dubbele ontwerpsterkte ten opzichte van austenitische en ferritische roestvaste staalsoorten
• Breed scala aan corrosiebestendigheid
• Goede taaiheid tot -80° C, maar geen echte cryogene toepassingen
• Bijzonder goed bestand tegen scheuren door spanningscorrosie
• Tot op zekere hoogte in dikke secties lasbaar
• Moeilijker te vormen en te bewerken dan austenieten
• Beperkt tot maximaal 300° C