Что такое дуплексные стали

Дуплексная сталь

История дуплексной стали возвращает нас к 20 веку, когда в 1936 году во Франции был зарегистрирован первый патент на ее изготовление. Сегодня дуплексное семейство состоит из более чем 40 видов стали, и, более того, оно постоянно совершенствуется. Первоначально дуплексная сталь использовалась в основном для производства резервуаров, насосов и теплообменников. Однако со временем популярность материала росла, и в 1970-х и 1980-х годах он «процветал» при прокладке морских трубопроводов и газопроводов. Его лучшая (в сравнении с аустенитными сталями) коррозионная стойкость и большая прочность позволяют использовать трубы с более тонкими стенками (чем у труб из стали AISI 316), благодаря чему они легче, проще в установке и дешевле.

Что такое дуплексная и супердуплексная сталь

Дуплексные стали – это кислотоупорные марки, которые сохраняют высокую стойкость к коррозии – атмосферной, точечной, межкристаллитной, напряженной. Доля аустенита в сталях Duplex и Super Duplex обычно находится в диапазоне примерно 40-60%, а остальная часть структуры состоит из феррита. Сплавы Duplex сохраняют высокие прочностные свойства ферритных нержавеющих сталей и относительно низкий коэффициент теплового расширения по сравнению с аустенитными кислотостойкими металлами. Термин «двухфазная» является синонимом наличия «смеси» аустенитных и ферритных структур данной марки в общепринятом соотношении 50/50. Однако деление строения – 50/50 не всегда ровное и меняется в зависимости от вида. Многие свойства и характеристики дуплексных марок зависят от доли феррита и аустенита в структуре сплава. Когда относительный объем аустенита выше в марке, дуплексные материалы демонстрируют большую ударную вязкость, пластичность и коррозионную стойкость. Для сплавов, в которых феррит превышает присутствие аустенита по объему, дуплексные изделия характеризуются повышенными прочностными свойствами – твердостью, пределом текучести и пределом прочности.

Так, если в стандартном аустенитном нержавеющем сплаве, в котором содержится 18% хрома и 8% никеля, повысить содержание хрома до 20%, его аустенитная структура превратится в смешанную ферритно-аустенитную. Добавки молибдена, ванадия, титана, алюминия и кремния вместе с основным элементом хромом будут способствовать расширению α-фазы. С другой стороны, при повышении содержания никеля получится противоположный эффект – расширение диапазона γ-фазы. Повышение концентрации никеля в двухфазных сталях с содержанием хрома 20%, вызывает образование аустенитной структуры в кислотостойкой стали. Когда сумма элементов, расширяющих интервалы α-фазы, превышает эквивалентный интервал содержания, сталь приобретает ферритно-аустенитную структуру. Интересным фактом является то, что стали со смешанной структурой, из-за появления в структуре феррита, являются магнитными.

Супердуплексные стали по сравнению с дуплексной нержавеющей сталью демонстрирует повышенную стойкость к точечной коррозии, щелевой коррозии и коррозии под напряжением при контакте с хлоридами и кислотами. Это отличная альтернатива другим маркам из-за более низкой стоимости производства материала, без снижения качества и механических свойств.

Химический состав и взаимодействие элементов

Дуплексные стали, в отличие от большой группы мартенситных нержавеющих сплавов, имеют пониженное содержание углерода. В большинстве сплавов этот уровень не превышает 0,03%. Это значительно улучшает коррозионную стойкость дуплексных марок. Низкий углеродный диапазон снижает выделение карбидов хрома, которые истощают участки хрома, прилегающие к границам зерен, что ухудшает стойкость к межкристаллитной коррозии.

Никель в дуплексных сталях повышает стойкость к органическим и неорганическим кислотам и положительно влияет на пассивность стали.

Марганец увеличивает стойкость изделий к истиранию, снижает пластичность и увеличивает сопротивление адгезионному износу, но его слишком высокая концентрация может способствовать снижению критической температуры точечной коррозии.

Вольфрам дополнительно увеличивает стойкость к точечной коррозии и коррозии под напряжением, стабилизирует феррит.

Медь в высоких концентрациях ухудшает пластичность и свариваемость, поэтому ее концентрация ограничена Заказать услугу

Источник

Сталь Дуплекс

Важно обратить внимание, что двухфазной эту сталь называют потому, что она имеет в себе аустенитную и ферритную фазы.

Дуплексная нержавеющая сталь достаточно востребована. В последнее время она приобрела еще большую популярность. Ее производством занимаются многие производители. Этому предшествуют определенные причины:

Примерно каждые два или три года проводятся конференции, посвященные дуплексу. На них происходит презентация интересных статей с глубоким техническим содержанием. Сегодня сталь дуплекс активно продвигают на рынке товаров, услуг. Регулярно на рынке появляются новые бренды, выпускающие этот продукт.

Общие сведения

Впервые идея создания продукта возникла в начале прошлого столетия. В 30-е годы осуществлена первая плавка. Заметный прирост доли применения материала заметен в последние годы. Это происходит благодаря усовершенствованию технологических процессов производства. Ранее было урегулировано содержание в продукции азота.

Из-за повышенного содержания никеля в составе аустенитные нержавейки дорогие. Это делает продукт менее востребованным.

Идея создания рассматриваемого продукта состоит в выборе подходящего химического состава, при котором образуется похожий объем феррита, аустенита. Фазовый состав дает такие положительные качества:

Посредством чего достигается равновесие дуплексных нержавеющих сталей?

Главные составляющие материалов можно подразделить на ферритизирующие, аустенизирующие. Каждый из них помогает формированию определенной структуры.

Ферритизирующие элементы выступают в виде Cr (хрома), Si (кремния), Mo (молибдена), W (вольфрама), Ti (титана), Nb (ниобия).

Аустенизирующие компоненты: C (углерод), Ni (никель), Mn (марганец), N (азот), Cu (медь).

Марка AISI 430 имеет ферритизирующие элементы. Ее структура ферритная. Марка AISI 304 отличается аустенитной структурой за счет присутствия в составе никеля в количестве восьми процентов. Для получения дуплекса с присутствием каждой фазы около пятидесяти процентов нужен баланс аустенизирующих и ферритизирующих составляющих. В этом и состоит главная причина, почему концентрация никеля в таких нержавейках значительно ниже, чем в аустенитных.

Некоторые, недавно появившиеся на современном рынке марки, для существенной минимизации присутствия никеля задействуют соединение марганца, азота. Это благотворно сказывается на формировании стоимости продукции.

По сей день технология производства таких нержавеек постепенно набирает обороты. Каждый производитель предлагает свою марку. Брендов, которые занимаются изготовлением, реализацией дуплексных сталей очень много. Немного позднее можно будет увидеть, как на рынок выходят производители-лидеры.

Устойчивость дуплекса к коррозионным процессам

Благодаря большому разнообразию материала при выявлении коррозионной устойчивости их приводят вместе с аустенитными, ферритными марками. Одинаковой меры стойкости к коррозии нет. Для классификации производителей можно пользоваться эквивалентом стойкости к питтинговой коррозии (PREN).

При выборе вида стали нужно обращать внимание на то, насколько она подходит для эксплуатации в той или иной коррозионной среде.

Сталь дуплекс, например, аустенитная, такая как AISI 304 и AISI 316 отличается восприимчивостью к коррозионному растрескиванию. Следующие материалы обладают более внушительной сопротивляемостью к растрескиванию:

Сопротивление коррозионному растрескиванию дает возможность использовать дуплекс во многих видах процессов, осуществляемых при высоких температурных режимах:

Конструкции каркасов бассейнов из стали также известны своей склонностью к коррозионному растрескиванию. Применение для сварки простых аустенитных нержавеющих сталей категорически запрещено. Для этой процедуры подходят аустенитные стали, известные высокой концентрацией никеля в составе. Отличной альтернативой этому материалу является супер дуплексная сталь.

Причины, которые влияют на медленное повсеместное распространение дуплексных сталей

Повышенная степень прочности считается одним из недостатков, когда дело касается технологичности обрабатывания сырья давлением. Это говорит о более низкой, чем у аустенитных сталей, способности к деформационным процессам. По этой причине материал непригоден для изготовления изделий, которым нужна высокая степень пластичности. Когда способность к данному виду деформации находится на допустимом уровне, для придания подходящей формы сырью, к примеру, при гибке труб, необходимо достаточное усилие. В отношении неудовлетворительной обрабатываемости резкой присутствует одно исключение из правил: марка LDX 2101, производитель Outokumpu.

Процесс плавки дуплексных сталей является достаточно сложным, трудоемким. При нарушении технологии производства может появляться больше количество нежелательных фаз.

Формирование сигма-фазы отмечается при дефиците скорости охлаждения во время производства, сварки. Если в стали преобладает большое количество легирующих элементов, то возрастает вероятность образования этой фазы. В данном случае самыми уязвимыми являются супер дуплексные стали.

Как правило, 475-градусная хрупкость отмечается во время образования фазы, которая носит название α′ (альфа-штрих). Этот температурный режим является опасным. Стоит отметить, что хрупкость может появляться и при температуре в 300 градусов по Цельсию. Это провоцирует появление определенных ограничений на максимальную температуру использования этого сырья. Нередко данное ограничение еще больше сужает круг возможных сфер использования.

Обзор основных свойств дуплекса

Цена этого материала доступна, поэтому его можно купить в нашей стране по хорошей стоимости. Он обладает множеством преимуществ. К примеру, стоимость двухфазного сырья значительно ниже, чем цена других нержавеющих металлов. Прочностные характеристики значительно выше, чем у продукта класса AISI 300. Это дает возможность использовать гораздо меньше сырья для одного и того же вида оборудования.

Сталь дуплекс активно применяется для автомобилестроения. Многие предприятия задействуют именно этот материал. Это позволяет создать модель транспорта, которая отвечает основным требованиям защиты, без увеличения массы изделия. При задействовании современных технологий и материалов, как правило, вес авто становится больше примерно на треть. Именно поэтому стоит применять двухфазные стали для значительного снижения веса транспортных средств. Одновременно с этим решается проблема безопасности. Дуплекс позволяет производить автомобили, которые отвечают всем основным нормам безопасности. При этом никакого удорожания конечного продукта благодаря использованию этого вида сырья не происходит.

Поставки на территорию стран Таможенного Союза

Источник

Дуплексные нержавеющие стали.

Дуплексные нержавеющие стали получают все большее распространение. Их изготавливают все основные производители нержавеющей стали – и на то есть целый ряд причин:

Каждые 2-3 года проводятся посвященные дуплексным сталям конференции, на которых презентуются десятки глубоких технических статей. Идет активное продвижение этого типа сталей на рынке. Постоянно появляются новые марки этих сталей.

Общие сведения о дуплексных нержавеющих сталях

Идея создания дуплексных нержавеющих сталей возникла в 1920-х, а первая плавка была произведена в 1930 году в Авесте, Швеция. Тем не менее заметный рост доли использования дуплексных сталей приходится только на последние 30 лет. Объясняется это в основном усовершенствованием технологии производства стали, особенно процессов регулирования содержания азота в стали.

Традиционные аустенитные стали, такие как AISI 304 (аналоги DIN 1.4301 и 08Х18Н10), и ферритные стали, такие как AISI 430 (аналоги DIN 1.4016 и 12Х17), довольно просты в изготовлении и легко обрабатываются. Как следует из их названий, они состоят преимущественно из одной фазы: аустенита или феррита. Хотя эти типы имеют обширную сферу применения, у обоих этих типов есть свои технические недостатки:

У аустенитных – низкая прочность (условный предел текучести 0,2% в состоянии после аустенизации 200 МПа), низкое сопротивление коррозионному растрескиванию

У ферритных – низкая прочность (немного выше, чем у аустенитных: условный предел текучести 0,2% составляет 250 МПа), плохая свариваемость при больших толщинах, низкотемпературная хрупкость

Кроме того, высокое содержание никеля в аустенитных сталях приводит к их удорожанию, что нежелательно для большинства конечных потребителей.

Основная идея дуплексных сталей заключается в подборе такого химического состава, при котором будет образовываться примерно одинаковое количество феррита и аустенита. Такой фазовый состав обеспечивает следующие преимущества:

1) Высокую прочность – диапазон условного предела текучести 0,2% для современных дуплексных марок сталей составляет 400-450 МПа. Это позволяет уменьшать сечение элементов, а следовательно и их массу.

Это преимущество особенно важно в следующих областях:

2) Хорошая свариваемость больших толщин – не настолько простая, как у аустенитных, но намного лучше, чем у ферритных.

3) Хорошая ударная вязкость – намного лучше, чем у ферритных сталей, особенно при низких температурах: обычно до минус 50 градусов Цельсия, в некоторых случаях – до минус 80 градусов Цельсия.

4) Сопротивление коррозионному растрескиванию (SCC) – традиционные аустенитные стали особенно расположены к данному типу коррозии. Это достоинство особенно важно при изготовлении таких конструкций, как:

За счет чего достигается равновесие аустенита/феррита

Чтобы понять, как получается дуплексная сталь, можно сначала сравнить состав двух хорошо известных сталей: аустенитной – AISI 304 (аналоги DIN 1.4301 и 08Х18Н10) и ферритной – AISI 430 (аналоги DIN 1.4016 и 12Х17).

Структура

Марка

Обозначение по EN

Ферритная

1,4016

0,040

0,015

16,0-18,0

Аустенитная

1,4301

0,045

0,015

17,5-19,5

8,0-10,5

Основные элементы нержавеющих сталей можно разделить на ферритизирующие и аустенизирующие. Каждый из элементов способствует образованию той или иной структуры.

Ферритизирующие элементы – это Cr (хром), Si (кремний), Mo (молибден), W (вольфрам), Ti (титан), Nb (ниобий)

Аустенизирующие элементы – это C (углерод), Ni (никель), Mn (марганец), N (азот), Cu (медь)

В стали AISI 430 преобладают ферритизирующие элементы, поэтому ее структура ферритная. Сталь AISI 304 имеет аустенитную структуру в основном за счет содержания около 8% никеля. Для получения дуплексной структуры с содержанием каждой фазы около 50% необходим баланс аустенизирующих и ферритизирующих элементов. В этом заключается причина, почему содержание никеля в дуплексных сталях в целом ниже, чем в аустенитных.

Ниже приведен типичный состав дуплексной нержавеющей стали:

Марка

Номер по EN/UNS

Примерное содержание

LDX 2101

1.4162/
S32101

Малолегированная

DX 2202

1.4062/ S32202

Малолегированная

RDN 903

1.4482/
S32001

Малолегированная

2304

1.4362/
S32304

Малолегированная

2205

1.4462/
S31803/
S32205

Стандартная

2507

1.4410/
S32750

Супер

Zeron 100

1.4501/
S32760

Супер

Ferrinox255/
Uranus 2507Cu

1.4507/
S32520/
S32550

Супер

В некоторых из недавно разработанных марок для значительного снижения содержания никеля используется сочетание азота и марганца. Это положительно сказывается на стабильности цен.

В настоящее время технология производства дуплексных сталей еще только развивается. Поэтому каждый производитель продвигает собственную марку. По общему мнению, марок дуплексной стали сейчас слишком много. Но судя по всему, такую ситуацию мы будем наблюдать, пока среди них не выявятся «победители».

Коррозионная стойкость дуплексных сталей

Из-за многообразия дуплексных сталей при определении коррозионной стойкости их обычно приводят вместе с аустенитными и ферритными марками сталей. Единой меры коррозионной стойкости пока не существует. Однако для классификации марок сталей удобно пользоваться числовым эквивалентом стойкости к питтинговой коррозии (PREN).

PREN = %Cr + 3,3 x %Mo + 16 x %N

Ниже приведена таблица коррозионной стойкости дуплексных сталей в сравнении с аустенитными и ферритными марками.

Марка

Номер по EN/UNS

Ориентировочный PREN

1.4016/
S43000

Ферритная

1.4301/
S30400

Аустенитная

1.4509/
S43932

Ферритная

RDN 903

1.4482/
S32001

Дуплексная

1.4401/
S31600

Аустенитная

1.4521/
S44400

Ферритная

316L 2.5 Mo

1.4435

Аустенитная

2101 LDX

1.4162/
S32101

Дуплексная

2304

1.4362/
S32304

Дуплексная

DX2202

1.4062/ S32202

Дуплексная

904L

1.4539/
N08904

Аустенитная

2205

1.4462/
S31803/
S32205

Дуплексная

Zeron 100

1.4501/
S32760

Дуплексная

Ferrinox 255/
Uranus 2507Cu

1.4507/
S32520/
S32550

Дуплексная

2507

1.4410/
S32750

Дуплексная

6% Mo

1.4547/
S31254

Аустенитная

Следует отметить, что данная таблица может служить только ориентиром при выборе материала. Всегда необходимо рассматривать, насколько подходит определенная сталь для эксплуатации в конкретной коррозионной среде.

SCC – это один из видов коррозии, возникающий при наличии определенного набора внешних факторов:

К сожалению, обычные аустенитные стали, такие как AISI 304 (аналоги DIN 1.4301 и 08Х18Н10) и AISI 316 (аналог 10Х17Н13М2) наиболее подвержены SCC. Следующие материалы обладают намного более высокой стойкостью к КР:

Сопротивление SCC позволяет использовать дуплексные стали во многих процессах, проходящих при высоких температурах, в частности:

Каркасы бассейнов из нержавеющей стали известны своей склонностью к SCC. Использование в их изготовлении обычных аустенитных нержавеющих сталей, таких как AISI 304 (аналог 08Х18Н10) и AISI 316 (аналог 10Х17Н13М2) запрещено. Для этой цели лучше всего подходят аустенитные стали с высоким содержанием никеля, такие как марки с 6% Mo. Однако в некоторых случаях в качестве альтернативы можно рассматривать дуплексные стали, такие как AISI 2205 (DIN 1.4462), и супер дуплексные стали.

Факторы, препятствующие распространению дуплексных сталей

Привлекательное сочетание высокой прочности, широкий диапазон значений коррозионной стойкости, средняя свариваемость, по идее, должны нести в себе большой потенциал для увеличения доли дуплексных нержавеющих сталей на рынке. Однако необходимо понимать, какие у дуплексных нержавеющих сталей недостатки и почему они, судя по всему, будут оставаться в статусе «нишевых игроков».

Такое преимущество как высокая прочность мгновенно превращается в недостаток, как только дело доходит до технологичности обработки материала давлением и механической обработки. Высокая прочность также означает более низкую, чем у аустенитных сталей, способность к пластической деформации. Поэтому дуплексные стали практически непригодны для производства изделий, в которых требуется высокая пластичность. И даже когда способность к пластической деформации на приемлемом уровне, все равно для придания необходимой формы материалу, как например при гибке труб, требуется большее усилие. В отношении плохой обрабатываемости резанием есть одно исключение из правил: марка LDX 2101 (EN 1.4162) производитель Outokumpu.

Процесс выплавки дуплексных нержавеющих сталей намного более сложен, чем аустенитных и ферритных сталей. При нарушении технологии производства, в частности термообработки, помимо аустенита и феррита в дуплексных сталях может образовываться целый ряд нежелательных фаз. Две наиболее значимые фазы изображены на приведенной ниже диаграмме.

Для увеличения нажмите на изображение.

Обе фазы приводят к появлению хрупкости, то есть потере ударной прочности.

Образование сигма-фазы (более 1000º С) чаще всего происходит при недостаточной скорости охлаждения в процессе изготовления или сварки. Чем больше в стали легирующих элементов, тем выше вероятность образования сигма-фазы. Поэтому наиболее подвержены этой проблеме супер дуплексные стали.

475-градусная хрупкость появляется в результате образования фазы, носящей название α′ (альфа-штрих). Хотя наиболее опасна температура 475 градусов Цельсия, она может образовываться и при более низких температурах, вплоть до 300º С. Это накладывает ограничения на максимальную температуру эксплуатации дуплексных сталей. Это ограничение еще более сужает круг возможных областей применения.

Краткий обзор свойств дуплексных сталей

Источник