Duplexstahl: vereint Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit

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Edelstahl ist eine der am häufigsten verwendeten Strukturlegierungen in verschiedenen Branchen. Allerdings sind nicht alle Edelstähle gleich. Einige, wie beispielsweise austenitische, weisen eine ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit, aber eine begrenzte mechanische Festigkeit auf. Andere, wie beispielsweise ferritische, weisen eine akzeptable Festigkeit auf, weisen jedoch eine geringere Duktilität und Korrosionsbeständigkeit auf. Um diese Einschränkungen zu überwinden, wurde eine spezielle Stahlklasse namens Duplex-Edelstähle entwickelt, die austenitische und ferritische Mikrostrukturen kombiniert.

Diese Legierungen weisen eine hohe Korrosionsbeständigkeit und ausgezeichnete mechanische Festigkeit auf , wodurch sie sich ideal für den Einsatz in der Öl- und Gasindustrie, der Petrochemie, der Entsalzung und in korrosiven Umgebungen eignen.

Was ist Duplexstahl?

Duplexstahl ist eine Art rostfreier Stahl, dessen mikroskopische Struktur aus zwei Hauptphasen besteht:

Das Verhältnis dieser beiden Phasen liegt normalerweise nahe bei 50/50 , das tatsächliche Verhältnis variiert jedoch zwischen 40 % und 60 % . Diese Kombination verleiht Duplexstahl die überlegenen Eigenschaften, die zwei verschiedene Stahlsorten (Austenit und Ferrit) unterscheiden.

Chemische Zusammensetzung von Duplexstahl

Die chemische Zusammensetzung von Duplexstählen ist auf ein ausgewogenes Verhältnis von Austenit und Ferrit ausgelegt. Die wichtigsten Legierungselemente dieser Gruppe sind:

Chrom (Cr): Der Gehalt beträgt 18 % bis 28 %, um die Korrosionsbeständigkeit zu verbessern.
Nickel (Ni): etwa 4–8 %, wird zur Stabilisierung der Austenitphase verwendet.
Molybdän (Mo): Sein Gehalt beträgt 2 % bis 5 % und wird verwendet, um die Beständigkeit gegen lokale Korrosion (Loch- und Spaltkorrosion) zu verbessern.
Stickstoff (N): Sein Gehalt ist sehr gering (etwa 0,2–0,3 %), aber er erhöht die Festigkeit und Stabilität von Austenit sehr effektiv.

Diese Kombination verleiht Duplexstahl eine hohe Beständigkeit gegen Chloride und korrosive Umgebungen.

Mikrostruktur und kristalline Eigenschaften

Ferritisch (BCC): hat eine hohe Festigkeit und Beständigkeit gegen Spannungsrisse.
Austenitisch (FCC): hat eine bessere Duktilität und höhere Korrosionsbeständigkeit.
Durch die Kombination dieser beiden Phasen weist Duplexstahl eine Zugfestigkeit auf, die etwa doppelt so hoch ist wie die von austenitischem Stahl, wobei jedoch eine akzeptable Duktilität erhalten bleibt.

Mechanische und chemische Eigenschaften von Duplexstahl

1. Mechanische Eigenschaften

Hohe Zugfestigkeit: etwa doppelt so hoch wie bei austenitischem Stahl der 300er-Serie.
Mittlere Härte: Allerdings etwas geringer als bei austenitischen Stählen.
Hervorragende Beständigkeit gegen Spannungsrisse durch Chloride (SCC).
Stärker als herkömmlicher Edelstahl.

2. Korrosionsbeständigkeit

Allgemeine Korrosionsbeständigkeit: Ähnlich oder besser als Stahl 316.
Beständigkeit gegen Loch- und Spaltkorrosion: durch das Vorhandensein von Molybdän und Stickstoff deutlich besser als bei austenitischen Stählen.
Spannungskorrosionsbeständigkeit: deutlich höher als bei austenitischem Stahl.

Klassifizierung von Duplexstahl

Je nach Gehalt an Legierungselementen wird Duplexstahl in mehrere Kategorien unterteilt:

Niedrig legierter Duplex-Edelstahl (niedrig legiert):
- Reduzieren Sie den Nickel- und Molybdängehalt.
- Wirtschaftlicher.
- Geeignet für Gebäudestrukturen und allgemeine Anwendungen.
Standard-Duplex:
- Gute Balance zwischen mechanischen Eigenschaften und Verschleißfestigkeit.
- Der am häufigsten verwendete Typ.
Super Duplex:
- Es enthält 25 bis 28 % Chrom, 3 bis 5 % Molybdän und eine große Menge Stickstoff.
- Hohe Beständigkeit gegenüber aggressiven Umgebungen.
- Wird in der Öl-, Gas- und Wasserentsalzungsindustrie verwendet.
Super Duplex:
- Produkte der neuesten Generation mit der höchstmöglichen Mineralzusammensetzung.
- Hervorragende Beständigkeit in hochaggressiven Chloridumgebungen.

Vorteile von doppelwandigem Stahl

Zugfestigkeit und Streckgrenze sind doppelt so hoch wie bei austenitischem Stahl.
Besitzt eine ausgezeichnete Beständigkeit gegen Spannungsrisse durch Chloride.
Sehr hohe Beständigkeit gegen lokale Korrosion.
Geringe Nachfrage nach Nickel → Die Herstellung ist günstiger als bei hochlegiertem austenitischem Stahl.
Akzeptable Schweiß- und Bearbeitungskenntnisse.

Einschränkungen und Nachteile

Die Härte bei niedrigen Temperaturen ist geringer als die von austenitischem Stahl.
Der Schweißprozess ist aufgrund der Möglichkeit der Bildung schädlicher Phasen wie Sigma empfindlicher.
Bei hohen Temperaturen (über 300 °C) kann die Kristallstruktur instabil werden.
Es ist teurer als normaler Kohlenstoff- oder Edelstahl.

Industrielle Anwendungen von Duplexstahl

1. Öl- und Gasindustrie

Pipelines, die saures Öl und Gas (mit H₂S) transportieren.
Ausrüstung für Offshore-Bohrungen.
Druckbehälter und Wärmetauscher .

2. Wasserversorgung und Abwasserentsorgung

Thermische und Umkehrosmose-Entsalzungsanlagen.
Meerwasserleitung.
Ausrüstung für Behandlungsanlagen.

3. Chemische und petrochemische Industrie

Säurereaktoren und Lagertanks.
Anlagen zur Herstellung von Düngemitteln und ätzenden Chemikalien.

4. Maritime Angelegenheiten und Schiffbau

Schiffsschraube.
Säulen und Lager.
Land- und Meeresstrukturen.

5. Zellstoff- und Papierindustrie

Geräte, die mit Chlor und Bleichmittel in Berührung gekommen sind.

Wärmebehandlung von Duplexstahl

Bei der Herstellung dieser Stähle spielt die Wärmebehandlung eine wichtige Rolle. Zu den wichtigsten Verfahren zählen:

Glühen in fester Lösung: Erhitzen auf 1040–1100 °C, anschließend schnelles Abkühlen → Homogenisierung der Mikrostruktur.
Spannungsabbau: Reduziert Restspannungen nach dem Schweißen.
Hinweis: Das Glühen bei moderaten Temperaturen (400–900 °C) wird nicht empfohlen, da es zur Bildung von Sigma-Phasen und verringerten Korrosionseigenschaften führen kann.

Vergleich von Duplexstahl mit austenitischem und ferritischem Stahl

Besonderheit	Austenit	Ferrit	zweiphasig
Zugfestigkeit	Hälfte	Hälfte	sehr groß
Korrosionsbeständigkeit	Großartig	Hälfte	sehr gut.
Beständigkeit gegen Spannungsrisskorrosion	schwach	Ja	Großartig
Tieftemperaturhärte	Großartig	schwach	Hälfte
Es lohnt sich	höher	weniger	Hälfte
Anwendung in chloridhaltigen Umgebungen	schwach	schwach	Großartig

Endlich

Duplex-Edelstahl ist eine geschickte Kombination aus Ferrit und Austenit, die hervorragende Eigenschaften wie hohe mechanische Festigkeit , ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit und lange Lebensdauer in aggressiven Umgebungen aufweist . Daher nimmt diese Stahlsorte einen wichtigen Platz in der Öl- und Gasindustrie, der Petrochemie, der Entsalzung, der Schifffahrt und der chemischen Industrie ein.

Obwohl die Kosten und die Schweißempfindlichkeit dieser Stähle höher sind als bei herkömmlichen Stählen, ist ihr Einsatz in vielen strategischen Projekten aufgrund der längeren Lebensdauer der Ausrüstung und der geringeren Wartungskosten sehr kosteneffizient .