Duplex roestvast staal: Eigenschappen en toepassingen

Ferritische en martensitische roestvaste chroomstalen zijn corrosievast bij goede mechanische eigenschappen en worden toegepast in corrosieve milieus waarbij slijtage optreedt en/of sterkte gewenst is. Austenitisch roestvaste stalen hebben een grotere corrosieweerstand maar een lage rekgrens tussen 180 en 280 N/mm2 en te gebruiken tot slechts circa 375 gr.C. Door in bestaande austenitische soorten Chroom, Nikkel en Molybdeen gehalte te verhogen wordt de corrosieweerstand verder opgevoerd maar sterkte en maximale werktemperatuur blijven relatief laag. Met de ontwikkeling van duplex heeft men de voordelen van de klassieke roestvaste stalen als uitgangspunt genomen zonder genoemde nadelen.

• Indeling roestvast staal
• De ferriet - austeniet balans
• Austenitisch roestvaststaal, mechanische eigenschappen
• Super austenitisch roestvaststaal, mechanische eigenschappen
• Duplex roestvast staal mechanische eigenschappen
• Austenitisch roestvast staal chemische samenstelling
• Super austenitisch roestvast staal, chemische samenstelling
• Duplex roestvast staal, chemische samenstelling
• Toelaatbare werktemperatuur
• Indeling corrosievormen
• Warmtebehandeling van duplex staal
• Bewerkingeigenschappen van duplex staal
• Toepassingen

Indeling roestvast staal

De indeling van roestvaste stalen gebeurt traditioneel aan de hand van hun structuur en sinds tachtiger jaren zijn de groepen uitgebreid met de Duplex roestvast staal groep.

• Ferritisch Chroom staal
• Martensitisch Chroom staal
• Austenitisch Chroom-Nikkel-staal
• Super austenitisch staal
• Duplex roestvaststaal
• Super Duplex roestvaststaal

Wat is duplex roestvast staal

Duplex staal is ontwikkeld in de tweede helft van de vorige eeuw en onderscheidt zich van het klassieke roestvast staal door grotere corrosievastheid en sterkte bij goede taaiheid en redelijke bewerkbaarheid. De chemische samenstelling is zo gekozen dat bij afschrikken van het gewalste staal in water vanaf 1050 gr.C een structuur ontstaat van circa 50% ferriet en 50% austeniet.

De structuur is half ferritisch en half austenitisch.Op de foto is wit austeniet en donkere delen ferriet. De rekgrens is tweemaal zo hoog als van austenitisch roestvast staal. De legering is moeilijker te vervaardigen en te bewerken dan austenitisch staal en dus duurder. Duplex RVS heeft een lagere koolstofgehalte en een goede weerstand tegen put-, spleet en spanningscorrosie.

Samenstelling van de duplex roestvast staal groep

• Chroom tussen 24% en 27%
• Nikkel tussen 4,5% en 7%
• Molybdeengehalte tussen 2% en 6%
• Laag koolstof max. 0,03%
• Kleine hoeveelheid stikstof, fosfor en soms koper en wolfram

Kenmerken van duplex staal samengevat

• Goede corrosievastheid
• Hoge mechanische eigenschappen slijtweerstand
• Goede lasbaarheid indien door vakmensen uitgevoerd
• Verspanen en vervormen is moeilijker en tweemaal zo duur als van de klassieke roestvaste stalen

De ferriet - austeniet balans

• Chroom (Cr) is ferrietvormer en zorgt door zijn oxide huid voor de corrosieweerstand. Meer chroom moet gecompenseerd worden met een austenietvormer, zoals nikkel en stikstof.
• Nikkel (Ni) is een austenietvormer.
• Stikstof (N) is een austenitvormer, en verbetert in duplex de weerstand tegen put- en spleetcorrosie.
• Molybdeen (Mo) is een ferrietvormer en versterkt de functie van chroom met name in een chloridenhoudende omgeving, waar spleet- en putcorrosie voorkomen. Die versterking werkt pas vanaf 18% chroom.
• Mangaan (Mn) is een goedkope austenietvormer, prijs is slechts 10% van de nikkelprijs.

Austenitisch roestvaststaal, mechanische eigenschappen

Super austenitisch roestvaststaal, mechanische eigenschappen

Duplex roestvast staal mechanische eigenschappen

Austenitisch roestvast staal chemische samenstelling

Super austenitisch roestvast staal, chemische samenstelling

Duplex roestvast staal, chemische samenstelling

Toelaatbare werktemperatuur

Nadeel van duplex staal is, zoals ook bij klassieke austenitsch roestvast staal, de beperkte toepassing bij hogere temperatuur, oorzaak is verbrossing die optreedt tussen 425 en 450°C. Gloeiproeven tonen aan, dat na 10.000 uur bij circa 300°C de kerftaaiheid afneemt. internationaal wordt voor duplex roestvaststaal een maximale werktemperatuur van 250°C voorgeschreven.

Indeling corrosievormen

• Putcorrosie
• Spleetcorrosie
• Spanningscorrosie

Putcorrosie

Onder ongunstige omstandigheden kan de chroomoxide laag herhaaldelijk beschadigd worden waardoor het materiaal, in een agressief milieu, plaatselijke aangetast wordt en putcorrosie ontstaat. Gevoeligheid voor putcorrosie stellen we vast met de reeds genoemde praktijkformule PREN = %Cr + 3,3 x %Mo + 16 x %N en door bepaling van de Critical Pitting Temperature (CPT).

Spleetcorrosie

Spleetcorrosie is plaatselijke aantasting door een stilstaand corrosief medium. De spleetcorrosie verloopt agressiever dan putcorrosie. De Duplex legeringen hebben een hogere weerstand tegen spleetcorrosie dan de klassieke roestvaste stalen.

Spanningcorrosie

Spanningscorrosie is scheurvorming als gevolg van plaatselijk geconcentreerde materiaal spanningen in een corrosief milieu. Austenitisch roestvast staal AISI 316 is in een chloridehoudend milieu op 120ºC zeer gevoelig voor spanningscorrosie, Duplex staal en 904L hebben een vergelijkbare weerstand. Super Duplex scoort het hoogst.

Corrosievastheid algemeen (PREN waarde)

In vergelijking met gewoon austenitisch RVS heeft duplex staal een hogere corrosieweerstand. Met name tegen spannings-en putvormige corrosie. Corrosieweerstand wordt uitgedrukt in het PREn-getal. Des te hoger het getal des te groter de corrosieweerstand. PREn waarde (Pitting Resistant Equivalent} geeft de corrosieweerstand van roestvast staal tegen o.a. pittingcorrosie.

PREn=%Cr+3,3%Mo+16%N

Invloed van Mo en N is volgens de formule groot. Staal met een PREn waarde hoger dan 40 noemen we superduplex staal, zoals UNS S32750 en USN S32760, beide ca 25%Chroom, 7%Nikkel, 4%Molybdeen, koolstofgehalte resp. 0,03 en 0,05%. Stikstof resp. 0,1-0,2% en 0,2 en 0,3%. UNS S32760 bevat ook nog 0,5% koper en 0,75% Wolfram. Bij een PREn waarde vanaf 40 is er geen gevaar voor pitting in chloorhoudende omgeving zoals in zwembaden, waar de laatste tijd ongelukken zijn gebeurd door spleet- en put corrosie van het klassieke roestvast staal.

Warmtebehandeling van duplex staal

Duplex roestvast staal wordt in het algemeen gebruikt in de zachtgegloeide of in de zachtgegloeide en koudvervormde toestand. Langdurig verhitten bij temperaturen tussen 315° en 925°C kunnen de uitscheiding van elementen veroorzaken die de taaiheid verlagen.

Warmtebehandeling gebeurt bij hogere temperatuur. Bij laag stikstofhoudend materiaal gloeien bij 1050°C en afschrikken in water. Bij stikstofhoudend materiaal of bij lasverbindingen waarin lasmetaal voorkomt met verhoogd nikkelgehalte, moet men opwarmen naar 1150°C, aan de lucht naar 1050°C voor een evenwichtige ferriet/austeniet-balans en vanaf 1050gr.C afschrikken in water.

Bewerkingeigenschappen van duplex staal

• Plasma en lasersnijden: De Duplex-metalen zijn wat snijden betreft vergelijkbaar met de austenitische metalen.
• Perforeren/stansen: Door hoge sterkte en snelle stans beweging is het moeilijk om Duplex-metalen te perforeren. De dikte van Duplex vraagt zelfde vermogen en krachten als 2x deze dikte voor het stansen van AISI 316 plaat.
• Knippen: Maximale plaatdikte voor duplex is circa 85% van de plaatdikte die voor van AISI 316 geldt. Voor Super Duplex is maximale plaatdikte 65% is van de maximale plaatdikte voor AISI 316.
• Zagen: Duplex staal is moeilijker te zagen dan staal, zaagsnelheid en voeding instellen als bij AISI 316L.
• Verspanen: Moeilijker te verspanen dan AISI 316L. Bij dezelfde snedediepte en voeding is de
• snijsnelheid ca. 20% lager. De lagere snijsnelheden bij Duplex-kwaliteiten worden veroorzaakt door hogere mechanische eigenschappen en de afwezigheid van zwavel die als spaanbreker fungeert.
• Kouddeformatie: Het vermogen nodig voor koudvervorming is tweemaal zo groot als bij austenische AISI 316.

Lassen van duplex staal

Samenstelling lasmateriaal is ongeveer gelijk aan die van het moedermateriaal. In het algemeen is het lasmateriaal iets hoger gelegeerd dan het basismateriaal. Lasmateriaal heeft minder onzuiverheden (zwavel, fosfor) om het risico op warmscheuren te vermijden. Toevoeging mangaan en verlaging siliciumgehalte aan lasmateriaal verkleind kans op warmscheuren.

Bij het lassen van duplex varieert de temperatuur in en naast de las van smeltpunt (lasmetaal) tot werkstuk temperatuur. De duur van plaatselijke temperaturen is afhankelijk van de lasconstructie. Bij te snelle afkoeling tussen 1200 en 800gr.C neemt ferriet aandeel toe waardoor taaiheid en weerstand tegen put- spleet- en spanningcorrosie verslechtert en dat moet gecompenseerd worden door austenietvormend nikkel en/of stikstof. Vandaar dat het nikkelgehalte in het toegevoerde lasmetaal een paar procent hoger is dan het moeder materiaal. Bij te lage afkoelsnelheid ontstaan chroomcarbiden, die de taaiheid en corrosieweerstand verslechteren.

Door voorverwarmen van het werkstuk beïnvloedt de lasser de afkoelsnelheid. Als gevolg van plaatselijk aanhouden van bepaalde temperaturen kan in en naast het lasmetaal ongewenste structuurverandering plaatsvinden. Deze ongecontroleerde verandering heeft een negatief invloed op de eigenschappen. De afkoelprocedure rond de las is dus complex maar een ervaren geschoolde lasser legt met juiste toevoegmateriaal en zijn beheersing van de warmtestroom, een lasverbinding kwalitatief gelijkwaardig aan het moedermateriaal.

Toepassingen

Schepen voor transport van chemicaliën, in de chemische industrie en in de offshore (oliewinning)wordt duplex staal gebruikt. Er kan lichter geconstrueerd worden en de gewichtsbesparing met behoud van corrosievastheid (onderhoud-arm) geeft de doorslag.