Duplex-Stähle

Duplex-Stähle gehören zur Gruppe der korrosionsbeständigen Stähle (Korrosionsbeständige Stähle) und spielen eine wichtige Rolle in der Technik.

Gefüge von Duplexstählen

Entsprechend seinem Namen haben diese Stähle ein Duplex-Gefüge, also ein Gefüge aus zwei Bestandteilen (Phasen), die etwa gleich groß sind und meist in gleichen Anteilen vorliegen. Im Falle der Duplex-Stähle sind es Ferrit und Austenit. So ein ferritisch-austenitisches Gefüge kann nur bei einer geeigneten Zusammensetzung entstehen, also bei bestimmten Gehalten von Chrom (Ferritbildner) und Nickel (Austenitbildner).

Eigenschaften von Duplexstählen

Duplex-Stähle vereinen viele der vorteilhaften Eigenschaften von ferritischen und austenitischen korrosionsbeständigen Stählen. Sie zeichnen sich durch eine Kombination aus hoher Festigkeit und guter Korrosionsbeständigkeit und so sind sie ein wahrhaftes „Allround“-Material für eine Vielzahl von Anwendungen. Die ersten Duplex-Stähle waren für den Einsatz in der chemischen Industrie und der Papierindustrie entwickelt worden. Später kam der Öl- und Gassektor hinzu. Und auch wenn diese Einsatzbereiche immer noch wichtige Märkte für Duplex-Edelstähle darstellen, bilden sie bei weitem nicht das Hauptsegment.
Die Weiterentwicklung der Duplex-Edelstähle hat ihnen auch den Einsatz als Strukturkomponenten ermöglicht. Sie weisen mindestens eine doppelt so hohe Festigkeit wie austentitische Stähle auf und können sich problemlos an Strukturelementen aus Baustahl messen lassen, sind dabei aber äußerst korrosionsbeständig. Ein wichtiger Vorteil bezüglich der Korrosionsbeständigkeit ergibt sich grade aus dem Duplex-Gefüge. An den Phasengrenzen, insbesondere beim Übergang von Ferrit auf den duktileren Austenit, kommen Risse, wie sie bei der Spannungsrisskorrosion entstehen, aus bruchmechanischen Gründen zum Stillstand, was eine gute Bruchzähigkeit bewirkt.
Sehr wichtig ist, dass Duplex-Stähle über eine gute Schweißbarkeit verfügen und können mit den meisten Schweißverfahren für austenitische Edelstähle geschweißt werden.
Aufgrund von hohen Gehalten an festigkeitssteigernden Legierungselementen, ist eine spanende Bearbeitung von Duplexstahl jedoch schwer bis sehr schwer.

Sorten der Duplexstähle

Duplex-Stähle bilden heute eine Familie mit mehreren Stahlsorten. Dazu gehören: die Lean-Duplexstähle, Standard-Duplexstähle, Super-Duplexstähle und Hyper-Duplexstähle.
Lean-Duplexstähle sind die preiswertesten Sorten mit reduzierten Legierungsanteilen von Nickel und Molybdän. Ihr PREN-Wert von 26 liegt jedoch noch im mittleren Bereich.
Der PREN-Wert steht für die Abkürzung „Pitting Resistance Equivalent Number“ und gibt Auskunft über die Korrosionsbeständigkeit eines Stahls. Je höher der Wert, desto korrosionsfester ist der Stahl. Ab einem PREN-Wert von 33 gelten korrosionsbeständige Stähle als meerwasserbeständig.
Bei den Standard-Duplexstählen handelt es sich um universelle Sorten mit einem PREN-Wert von ca. 34. Wenn man nur “Duplex” sagt, bezieht man sich oft auf die Stahlsorte 1.4462 mit einem Chromgehalt von 21-23% und einem Molybdängehalt von 2,5-3,5%. Der verhältnismäßig geringe Nickel-Gehalt von 4,0-6,0% führt zu einen relativ günstigen Preis. Die Kombination aus guter Korrosionsbeständigkeit und einem guten Preis macht diese Stahlsorte zum “Arbeitspferd” innerhalb der Duplexstähle und so stellt sie etwa die Hälfte der auf dem Markt erhältlichen Duplexstähle dar.
Die Super-Duplexstähle sind durch ihre erhöhten Legierungsanteile von Nickel, Molybdän und Stickstoff besonders beständig und zeichnen sich bereits einen PREN-Wert von über 40 aus. Die Stahlsorten 1.4410 und 1.4501 enthalten 25% Cr, 7% Ni und 4-5% Mo. Diese Stähle sind im Vergleich zur Sorte 1.4462 korrosionsbeständiger und werden am häufigsten für kritische Bauteile in der Ölindustrie eingesetzt – sowohl aufgrund der höheren Korrosionsbeständigkeit als auch der hohen mechanischen Festigkeit.
Hyper-Duplexstähle werden bei extremen Bedingungen eingesetzt. Sie haben sehr hohe Legierungsanteile von Nickel, Molybdän, Stickstoff und Kobalt und dadurch einen PREN-Wert von ca. 50 und mehr.
Der Anwendungsbereich der Duplexstähle ist aufgrund ihrer hervorragenden Eigenschaften sehr umfangreich. Heutzutage werden sie in der chemischen Industrie als auch für Offshore-, Rauchgasentschwefelungs-, Meerwasserentsalzungs- und Ölgewinnungsanlagen, sowie für petrochemische Anlagen verwendet. Duplex Stahl wird meist dort eingesetzt, wo eine hohe Korrosionsbeständigkeit und Festigkeit des Materials notwendig ist. Die niedriger legierten Lean-Duplexstähle finden bereits eine Anwendung in flexiblen Rohren, hochfesten Profilen oder Befestigungselementen. Standard Duplex findet beispielsweise in der Bauindustrie, dem Schiffsbau, der Lebensmittelindustrie und dem Maschinenbau Verwendung. Von den vielen Anwendungen sind zwei Beispiele in Abb. 1 gezeigt.

                              Abb. 1 Anwendung von Duplex-Stahl a) Wärmetauscher, b) Fußgängerbrücke in Madrid

Besonders vorteilhaft ist die Anwendung der Duplex-Stähle in Salzwasseranlagen, da sie eine hohe Beständigkeit gegen chloridinduzierte Korrosion aufweisen. Für diese Bereiche sind allerdings weniger die Lean-Duplexstähle sondern vor allem die Super- und Hyper-Duplexstähle geeignet.

Übrigens: Auch Dualphasen-Stähle (Dualphasenstähle) haben ein Duplex-Gefüge.
Duplex-Stahl und Dualphasen-Stahl unterscheiden sich durch die Gefügezusammensetzung und durch die Volumenanteile der Gefügephasen. Duplexstähle haben ein ferritisch-austenitisches Gefüge, wohingegen Dualphasenstähle ein ferritisch-martensitisches Gefüge aufweisen. Bei Duplexstählen sind die Volumenanteile an ferritischem und austenitischem Gefüge gleich, Dualphasenstähle bestehen zu etwa 80–90 % aus Ferrit und nur zu etwa 10–20 % aus Martensit.
An Duplex-Stählen wird weiter geforscht und ihre Variantenvielfalt und Leistungsfähigkeit werden sicher weiter zunehmen.<<