Stahl Duplex-Stähle mit Edelstahleigenschaften profilieren sich im Großanlagenbau

Korrosions- und hitzebeständige Duplex-Stähle haben an Wettbewerbsfähigkeit gewonnen. Sie ermöglichen eine Reduzierung von Bauteilwanddicken aufgrund der höheren Festigkeit oder – als „Lean-Werkstoff“ – eine deutliche Verringerung des Legierungsanteils an teurem Nickel- und Molybdän. Bei optimierter Wärmebehandlung erhält man vorteilhafte Stähle mit Edelstahleigenschaften.

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Nickel und Molybdän sind – zusammen mit Chrom – die am häufigsten verwendeten Legierungselemente für die Herstellung von Edelstahl. Sie machen Stahl mit besonders hohem Reinheitsgrad widerstandsfähig gegen Säuren. Nickel ist zudem ein Austenitbildner. Das heißt: Je nach Legierungsanteil erweitert es den Zustandsbereich von Austenit bis hinab unter Raumtemperatur.

Preiswerte Alternativen zu Nickel und Molybdän gesucht

Zusammen mit Chrom und Molybdän sorgt Nickel für hohe Warmfestigkeit, Korrosions- und Zunderbeständigkeit. Nickel und Molybdän sind jedoch teuer geworden. Daher forscht man bei der Thyssen-Krupp Stainless AG nach Ersatzlegierungen mit Edelstahleigenschaften.

Ein Ansatz dazu ist die Herstellung ferritischer, korrosionsbeständiger Stähle. So ließ sich ein solcher Werkstoff hinsichtlich der Verarbeitbarkeit bei einem Kunden verbessern.

Erhöhte Werkstofffestigkeit bei gesenktem Legierungsanteil

Ein anderer Ansatz basiert auf der Herstellung von hochfesten Stählen aus etwa 50% ferritischem und 50% austenitischem Gefüge. Der Vorteil dieser so genannten Duplex-Stähle liegt nicht nur in einem niedrigeren Legierungsanteil, sondern auch in der hohen Werkstofffestigkeit, die eine Reduzierung der Wanddicke im Vergleich zu Bauteilen aus konventionellem Edelstahl ermöglicht (Bild 1).

Ein Ergebnis dieser Entwicklung ist der Lean-Duplex-Stahl Nirosta 4362 (Tabelle). Er wird von der Stainless-Tochter Thyssen-Krupp Nirosta vor allem als Kaltband hergestellt und hat eine vergleichbare Korrosionsbeständigkeit wie konventionelle, molybdänhaltige Edelstähle. Dieser Werkstoff kann bei bestimmten Anwendungen herkömmliche Duplex- oder höherlegierte Edelstähle ersetzen: zum Beispiel bei längsnahtgeschweißten Rohren, bei hochfesten Profilen, Befestigungselementen und Heißwasserbehältern.

Lean-Duplex-Stahl Nirosta 4362 ersetzt herkömmliche Duplex-Stähle

Somit wird er bei Thyssen-Krupp Nirosta als kostengünstige Alternative zum Duplex-Stahl 1.4462 angesehen (Tabelle). Diesen Stahl, dessen Nachfrage derzeit steigt, hat die Stainless-Tochter unter dem Namen Nirosta 4462 am Markt etabliert. Zunehmender Bedarf an Duplex-Stählen herrscht in der Öl- und Gasindustrie. Sie benötigt feste und flexible Rohrleitungen, die auf dem Meeresgrund verlaufen und mit Plattformen und Tankschiffen verbunden sind.

Dabei werden sie in Tiefen bis zu 3000 m Strömungen, einem hohen Außendruck und dem Salzgehalt des Meerwassers ausgesetzt. Im Innern der Rohre greifen Erdöl- oder -gas Rohrverbindungselemente wie Dichtungen an. Dieses Bündel an Anforderungen kann laut Nirosta nur Duplex-Stahl erfüllen. So liefert die Stainless-Tochter immer mehr Duplex-Stahl in die Offshore-Industrie.

Korrosionsbeständigkeit ähnlich wie bei Edelstählen

Der Duplex-Stahl Nirosta 4462 hat einen Nickelgehalt von etwa 5,5%. Der Molybdängehalt beträgt rund 3,2%. Damit liegt er im Mittel der korrosionsbeständigen Stähle nach DIN EN 10088-2 und ASTM A240 für Bleche und Bänder [1 und 2]. Jedoch sind die Erzeugungsrichtwerte für Dehngrenze, Zugfestigkeit und Bruchdehnung deutlich höher.

Diese Steigerung fällt beim Lean-Duplex-Stahl Nirosta 4362 nicht ganz so deutlich aus. Bei diesem Werkstoff, den Thyssen-Krupp Nirosta im vergangenen Jahr am Markt eingeführt hat, ist der Nickelgehalt mit 3,7% wesentlich niedriger und der Molybdängehalt sogar auf 0,15% reduziert. Dennoch wird eine Lochkorrosionsbeständigkeit wie bei den Edelstählen Nirosta 4404 und 4571 erreicht. Das haben potentiostatische 24-h-Messungen (50 mV) in 0,5%-iger Natriumchloridlösung mit pH 7 bei 50 °C ergeben (Bild 2).

Noch besser war dabei nur noch das Ergebnis beim Duplex-Stahl Nirosta 4462, der laut der Stainless-Tochter generell gegen abtragende und lokale Korrosion in chloridhaltigen Medien hochbeständig ist. Aus diesem Grund finde er auch in der chemischen Verfahrenstechnik – zum Beispiel bei bewegten Maschinenteilen wie Rührern, Pumpenrotoren und -wellen – einen großen Absatz.

Warmbbanddicke von mindestens 5 mm für Duplex-Stahl Nirosta 4462

Dieser Duplexstahl mit Nickel-, Molybdän- und Chromanteil auf dem Niveau korrosions- und hitzebeständiger Edelstähle wird als Warmband mit 6 bis 8 mm Dicke hergestellt. Eine Banddicke mit 5 mm als Minimum ist möglich. Darunter lassen sich Warmbanddicken nur noch mit rein austenitischen Werkstoffen erreichen. Zu den weiteren Besonderheiten von Duplex-Stählen gehört die so genannte 475°-Versprödung. Sie muss bei der Gefügeausbildung möglichst vermieden werden. Ein hoher Chromgehalt ist der Auslöser. Er kann zu relativ großen spröden Gefügephasen führen.

Bei den Duplex-Stählen Nirosta 4362 und 4462 ist der Chromgehalt höher als 22%. Durch optimierte Wärmebehandlung lässt sich bei diesen Stählen die Neigung zur Werkstoffversprödung minimieren. Wer diesen Prozess beherrsche, erhalte Werkstoffe mit sehr vorteilhaften Eigenschaften, heißt es bei Thyssen-Krupp Nirosta.

Literatur

[1] DIN 10088-2: Nichtrostende Stähle, Teil 2: Technische Lieferbedingungen für Blech und Band aus korrosionsbeständigen Stählen für die allgemeine Verwendung. September 2005.

[2] ASTM A240: Standard Specification for Chromium and Chromium-Nickel Stainless Steel Plate, Sheet, and Strip for Pressure Vessels and for General Applications. West Conshohocken/Philadelphia (USA): American Society for Testing and Materials.

Weitere Informationen: Dr. Georg Uhlig, Produktmanager bei der Thyssen-Krupp Nirosta GmbH in 47807 Krefeld

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