Дуплексная нержавеющая сталь аналог

Дуплексные нержавеющие стали.

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

  • Высокая прочность, позволяющая сократить вес изделий
  • Высокая коррозионная стойкость, особенно к коррозионному растрескиванию

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.

Но несмотря на весь этот интерес доля дуплексных сталей на мировом рынке составляет, по самым оптимистичным оценкам, от 1 до 3%. Цель этой статьи – простыми словами объяснить особенности этого типа стали. Будут описаны как преимущества, так и недостатки изделий из дуплексной нержавеющей стали .

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:

  • Сосуды под давлением и баки
  • Строительные конструкции, например мосты

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:

  • Баки для горячей воды
  • Пивоваренные баки
  • Обогатительные установки
  • Каркасы бассейнов

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

C

Si

Mn

P

S

N

Cr

Ni

Mo

Ферритная

430

1,4016

0,08

1,00

1,00

0,040

0,015

16,0-18,0

Аустенитная

304

1,4301

0,07

1,00

2,00

0,045

0,015

0,11

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

Тип:

Примерное содержание

Cr

Ni

Mo

N

Mn

W

Cu

LDX 2101

1.4162/
S32101

Малолегированная

21,5

1,5

0,3

0,22

5

DX 2202

1.4062/ S32202

Малолегированная

23

2,5

0,3

0,2

1,5

RDN 903

1.4482/
S32001

Малолегированная

20

1,8

0,2

0,11

4,2

2304

1.4362/
S32304

Малолегированная

23

4,8

0,3

0,10

2205

1.4462/
S31803/
S32205

Стандартная

22

5,7

3,1

0,17

2507

1.4410/
S32750

Супер

25

7

4

0,27

Zeron 100

1.4501/
S32760

Супер

25

7

3,2

0,25

0,7

0,7

Ferrinox255/
Uranus 2507Cu

Читайте также:  Основание сталь отверстие сквозное

1.4507/
S32520/
S32550

Супер

25

6,5

3,5

0,25

1,5

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

Тип:

Ориентировочный PREN

430

1.4016/
S43000

Ферритная

16

304

1.4301/
S30400

Аустенитная

19

441

1.4509/
S43932

Ферритная

19

RDN 903

1.4482/
S32001

Дуплексная

22

316

1.4401/
S31600

Аустенитная

24

444

1.4521/
S44400

Ферритная

24

316L 2.5 Mo

1.4435

Аустенитная

26

2101 LDX

1.4162/
S32101

Дуплексная

26

2304

1.4362/
S32304

Дуплексная

26

DX2202

1.4062/ S32202

Дуплексная

27

904L

1.4539/
N08904

Аустенитная

34

2205

1.4462/
S31803/
S32205

Дуплексная

35

Zeron 100

1.4501/
S32760

Дуплексная

41

Ferrinox 255/
Uranus 2507Cu

1.4507/
S32520/
S32550

Дуплексная

41

2507

1.4410/
S32750

Дуплексная

43

6% Mo

1.4547/
S31254

Аустенитная

44

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.

Коррозионное растрескивание (SCC — Stress Corrosion Cracking )

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

  • Растягивающее напряжение
  • Коррозионная среда
  • Достаточно высокая температура Обычно это 50 градусов Цельсия, но в некоторых случаях, например, в плавательных бассейнах, она может проявляться и при температуре около 25 градусов Цельсия.

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:

  • Ферритные нержавеющие стали
  • Дуплексные нержавеющие стали
  • Аустенитные нержавеющие стали с высоким содержанием никеля

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

  • В водонагревателях
  • В пивоваренных баках
  • В опреснительных установках

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.

С другой стороны есть ограничение по минимальной температуре эксплуатации дуплексных сталей, для которых она выше, чем у аустенитных. В отличие от аустенитных сталей, у дуплексных при испытаниях на удар имеет место хрупко-вязкий переход. Стандартная температура испытаний сталей, использующихся в конструкциях для шельфовой добычи нефти и газа, составляет минус 46º С. Обычно дуплексные стали не используются при температурах ниже минус 80 градусов Цельсия.

Читайте также:  Листья стали опадать птицы стали

Краткий обзор свойств дуплексных сталей

  • Расчетная прочность в два раза выше, чем у аустенитных и ферритных нержавеющих сталей
  • Широкий диапазон значений коррозионной стойкости, позволяющий подобрать марку под конкретную задачу
  • Хорошая ударная прочность до минус 80 º С , ограничивающая применение в криогенных средах.
  • Исключительная стойкость к коррозионному растрескиванию
  • Хорошая свариваемость больших сечений
  • Большая сложность при механической обработке и штамповке чем у аустенитных сталей
  • Максимальная температура эксплуатации ограничена 300 градусами Цельсия

Источник

Дуплексная сталь: описание, характеристики и особенности

Сегодня дуплексная сталь получает все большую популярность. Производством этого типа нержавеющего сплава занимаются практически все компании в области металлургии. Подробнее о том, что такое дуплексная сталь, и какими преимуществами она обладает, вы сможете прочитать в этой статье.

Общие сведения

Дуплексная сталь получила признание во всем мире. Какими характеристиками она обладает? Во-первых, высокая прочность этого материала позволяет сократить конечный вес любого изделия. Во-вторых, она славится огромной устойчивостью к коррозии. Особенно это заметно при рассмотрении устойчивости к коррозионному растрескиванию.

Стоит сказать, что на настоящий момент сырье все еще не стало привычным для производителей, а потому раз в несколько лет проводятся конференции, на которых рассматриваются технические статьи, посвященные всем особенностям дуплексной стали. Пока что, несмотря на достаточно высокий интерес к этому виду изделия, доля на мировом рынке составляет всего 1-3%.

История возникновения

Стоит отметить, что идея создания дуплексной стали родилась еще в 1920 году. Но на свет первый материал появился лишь в 1930 году в Швеции. Широкое распространение и применение этого вида сырья началось лишь в последнем десятилетии. Основная причина этого кроется в том, что в эти годы технология производства была сильно усовершенствована. В частности, производители получили возможность более точного регулирования содержания азота.

Чтобы понять преимущества и причину появления на свет нержавеющей стали duplex, следует разобраться в двух других основных видах.

Аустенитные сплавы, которые представлены маркой AISI 304 или 08Х18Н10, а также ферритные марки AISI 430 или 12Х17 достаточно просты в производстве. Как понятно из их названия, состоят они в основном из аустенита или же феррита. Несмотря на достаточно широкое применение, у них имеются технические недостатки.

Недостатки традиционных сталей

Если говорить об аустенитных сталях, то к недостаткам можно отнести низкий показатель прочности, а также маленькую устойчивость к коррозионному растрескиванию. Что же касается ферритного материала, то его прочность чуть выше, но все равно «не дотягивает» до идеала. Кроме того, свариваемость стали сильно ухудшается с повышением толщины материала, а при низких температурах становится достаточно хрупкой.

Еще один небольшой недостаток аустенитного сплава — содержание никеля в составе. Это приводит к более высокой стоимости продукта, чему, естественно, не рад ни один конечный потребитель.

Преимущества duplex

Идея создания нержавеющей стали duplex появилась из желания уравнять ферритную и аустенитную основу для того, чтобы получить новый, более качественный материал. Приблизительное одинаковое количество ферритной и аустенитной стали привело к получению следующих преимуществ:

  • Высокий показатель прочности. Диапазон предела текучести при 0,2% будет составлять от 400 до 450 МПа, что больше на 150-200 МПа показателя, который можно наблюдать у аустенитных или ферритных сплавов. Это и привело к тому, что можно уменьшить толщину изделия, при этом не потеряв прочности. А уменьшение толщины вызвало снижение конечной массы. Это очень важно в области строительных конструкций, баков и сосудов, подвергающихся давлению.
  • Какими преимущества обладает дуплексная сталь помимо прочности? Свариваемость металла достаточно хорошая даже при большой толщине.
  • Высокие показатели ударной вязкости. Намного лучше, чем у ферритных сплавов. Особенно это касается случаев, когда окружающая температура воздуха сильно опускается до -50, а иногда и до — 80 градусов по Цельсию.
  • Высокий показатель устойчивости к коррозионному растрескиванию. К этому дефекту очень склонны аустенитные материалы. Этот параметр играет важную роль в таких сферах производства, как пивоваренные баки, установки обогатительного типа, каркасы для бассейнов.
  • Бойлеры из дуплексной стали гораздо надежнее, чем из аустенита.

Растрескивание

В настоящее время обычная сталь подвержена такому дефекту, как коррозионное растрескивание или SCC — Stress Corrosion Cracking. Данный вид коррозии обычно возникает при определенных условиях. Возбудителем может стать сильное растягивающее напряжение, повышенная температура (50 градусов по Цельсию выше нуля). А если говорить о бассейнах, то из-за постоянного воздействия воды такой вид коррозии может проявляться и при 25 градусах.

Аустенитные марки стали достаточно сильно подвержены влиянию этого дефекта. Большей надежностью в этом плане обладает ферритный сплав, а также дуплексная нержавеющая сталь а890 3а по ASTM и других марок. Большой коэффициент сопротивления позволяет применять этот материал в производстве водонагревателей, пивоваренных баков, опреснительных установок. То есть там, где наблюдается повышенная температура и соприкосновение с жидкостями.

Изготавливать каркасы бассейнов из обычных аустенитных сталей и вовсе запрещается из-за данного дефекта. Ранее приходилось использовать сплав с сильно повышенным содержанием никеля, что приводило к удорожанию изделия. На сегодняшний же день можно применять дуплексную или супердуплексную сталь.

Читайте также:  Механический фильтр нержавеющая сталь

«Супер» и «гипер» дуплексный материал

Стоит сказать, что если добавить в ферритную хромовую сталь никель, то можно получить структуру смешанной основы. То есть она будет содержать и аустенит, и феррит. Как уже стало понятно, именно такую смесь стали называть дуплексным материалом. Приставки «супер» или «гипер» дуплексная сталь указывают на то, что в сырье содержится повышенное количество леггирующих компонентов. Это говорит о еще большем сопротивлении коррозии, чем у обычных материалов.

«Супер» и «гипер» дуплексная сталь в оборудовании для газодобычи используется достаточно активно. Кроме этого, сырье применяют в пищевой, химической, строительной и даже медицинской отраслях.

Сварка материала

Несмотря на хорошую свариваемость этого продукта, следует соблюдать определенные правила. Перед началом сварочных работ нужно обратить внимание на следующее:

  • чтобы обеспечить хорошее качество проплавления материала, следует зазор в корне стыковки и угол разделки кромок сделать несколько больше, чем для обычной стали;
  • место стыка, а также металл вокруг этого места рекомендуется тщательно очистить от любых загрязнений;
  • применять при этом можно лишь щетки из металлической проволоки со стойкостью к коррозии;
  • электрод для сварки обязательно должен быть сухим.

Во время сварки дуплексной стали следует придерживаться таких правил:

  • Очень важно следить за таким параметром, как тепловложение. Он не должен быть слишком низкими или, наоборот, слишком высокими. Для обычной дуплексной стали во время сварки следует придерживаться диапазона в 0,5-2,5 кДж/мм. Кроме того, межпроходная температура должна составлять не более 200 градусов по Цельсию.
  • На обратной стороне сварочного шва не должна появляться окалина. Здесь очень важно правильно выбрать газ, который будет защищать корень шва. Чаще всего для защитных целей используется такая смесь газов, как высокочистый аргон и водород или азот.
  • Сварка должна выполняться лишь специалистом с высокой квалификацией. Это обусловлено тем, что в местах прожогов у металла сильно повысится склонность к появлению коррозии, а также велика вероятность появления трещин.
  • Во время проведения сварочных работ не следует делать широких поперечных колебаний электрода. Это может привести к слишком большому тепловложению, что перечит правилам.

Работа после сварки

Есть определенные рекомендации, которым стоит следовать и после проведения сварочных работ.

  • Чтобы обеспечить высокую защиту от коррозии у наплавленного металла, его следует тщательно почистить. Нужно полностью удалить оксидную пленку и снять все остатки шлака.
  • Работа по зачистке выполняется только вручную и только щеткой из проволоки со свойствами устойчивости к коррозии. Если использовать механические приспособления, то это может привести к появлению микронадрывов в области шва, что снизит его прочность.
  • Чаще всего никакая термообработка шва после сварки уже не требуется.

Недостатки сырья

Несмотря на распространение материала и его, казалось бы, очевидные и весомые преимущества, он все еще не получил всеобщего признания и, скорее всего, никогда не будет занимать лидирующие строчки на рынке. Это обусловлено несколькими недостатками, о которых стоит знать. Из-за них такой сплав всегда будет «нишевым».

Сразу стоит начать с высокой прочности материала. Казалось бы, весомое преимущество, однако именно оно становится огромным недостатком, когда возникает необходимость обработки металла механическими способами или давлением. Еще один минус высокой прочности — это сильное снижение возможности к пластической деформации. По этой причине дуплексное сырье фактически не пригодно для производства любых изделий, которые должны обладать высокой пластичностью.

Даже в тех случаях, когда пластичность, казалось бы, находится на приемлемом для работы уровне, все равно приходится прикладывать огромные усилия. По этой причине дуплексные стали и сплавы для нефтегазовой арматуры применяются не слишком часто.

Следующий недостаток — это большая технологическая сложность выплавки нержавеющей стали дуплексного типа. Аустенитный и ферритный материал намного проще выплавлять. Если нарушить технологию изготовления, особенно в процессе термической обработки, в материале помимо аустенита и феррита будут образовываться и другие фазы, что вовсе нежелательно. Чаще всего образуется сигма-фаза или 475-градусная хрупкость.

Нежелательные фазы в сырье

Сигма-фаза образуется в таком продукте при 1000 градусах по Цельсию и выше. Обычно такие температуры возникают в тех случаях, если процесс охлаждения после сварки или в процессе производства протекает недостаточно быстро. К тому же, чем больше легирующих элементов будет содержаться в составе, тем выше вероятность появления такой фазы. Другими словами, создать супердуплексную или гипердуплексную сталь крайне сложно.

Что касается 475-градусной хрупкости, то она появляется в случае образования фазы с названием альфа-штрих. Как следует из названия, наиболее опасная температура — это 475 градусов по Цельсию, но проблема может появиться и при гораздо более низких показателях, примерно 300 градусов. Из-за этого накладывается максимальное температурное ограничение на применение изделий из такого типа сырья. Естественно, из-за этого еще сильнее сужается круг применения стали.

Исходя из всего вышесказанного, можно сделать такой вывод. Марки дуплексных сталей являются хорошим решением и заменой стандартным материалам, но в очень узкой сфере.

Итоги

Дуплексный сплав имеет гораздо менее широкое распространение, чем другие виды металлов. Тем не менее он пользуется популярностью в определенных сферах. Чаще всего его используют в нефтехимической области, автомобилестроении и в производстве бассейнов. Отличная свариваемость, устойчивость к коррозии и большая износостойкость делают этот материал настоящей находкой для многих.

Источник