- Что такое дуплексная и супердуплексная сталь
- Химический состав и взаимодействие элементов
- Характеристики дуплексных и супердуплексных сплавов
- Сфера применения
- Коррозионная стойкость
- Обработка
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
Дуплекс – это двухфазный стальной сплав Cr-Ni-Mo, содержащий 20-29% хрома, 3,5-8% никеля, 0 -4,5% молибдена и добавку азота.
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 <2%. Следует отметить, что наличие меди в стали значительно увеличивает коррозионную стойкость металла в неокисляющих средах и склонность к коррозионному растрескиванию под напряжением.
Характеристики дуплексных и супердуплексных сплавов
- Дуплексные и супердуплексные марки сохраняют соответствующие механические свойства в диапазоне температур 250 – 300 градус.
- Ударная вязкость при комнатной температуре аналогична аустенитным сортам, но при температурах ниже нуля эксплуатационные характеристики равномерно ухудшаются. При температуре более -50 градусов дуплексный сплав становится хрупким.
- Двухфазные стали характеризуются пределом текучести, который вдвое выше, чем у кислотостойких аустенитных марок, демонстрируют отличную свариваемость даже при использовании заготовок большой толщины, и сопротивление к разрушению.
- Они устойчивы к износу, истиранию и эрозии.
- Проявляют стойкость в средах, содержащих ионы хлорида, сероводород, фосфорную кислоту, нафталин, пентаны, гипохлорит натрия, гидроксид калия, муравьиную кислоту, уксусную кислоту, соляную кислоту, карбонат натрия, в зависимости от рабочей температуры и концентрации вещества.
- Дуплексные сорта стали считаются стойкими к коррозионному растрескиванию под напряжением и проявляют коррозионную стойкость вдоль границ зерен, вызванную выделением карбидов хрома.
Сфера применения
Дуплексная нержавеющая сталь используется, когда требуется сочетание высокой механической прочности и коррозионной стойкости, именно поэтому ферритно-аустенитные сплавы применяются во многих сферах жизнедеятельности человека:
- В средах с большим содержанием хлора, например, при изготовлении установок для опреснения воды, в качестве смесителей для очистных сооружений и труб.
- В сфере экологии: при изготовлении биоустановок для производства биотоплива – биоэтанола. Из-за более низкой стоимости и повышенной коррозионной стойкости дуплексные стали используются для десульфуризации (удаление серы) дымовых газов. Специальные современные установки (изготовленные из дуплекса) отвечают за промывку дымовых газов SO2 и снижение их содержания до 90%.
- В гидравлике, особенно в нефте- и газопроводах, где дуплексные стали хорошо работают в качестве соединительного элемента.
- В судостроении при строительстве судов, перевозящих агрессивные химические вещества (танкеры-химовозы), в которых, помимо резервуаров для хранения химически-активных веществ, из дуплексной стали изготавливают внутренние днища и палубы.
- В качестве замены аустенитной стали в различных типах конструкций и проектах в пищевой, фармацевтической, криогенной, химической и горнодобывающей промышленности. Эти марки особенно подходят для сред, где требуется повышенная коррозионная стойкость.
- Другие области применения: теплообменники в виде бесшовных труб, морские установки, платформы и трубопроводы для добычи нефти и газа, части машин и оборудования для бумажной промышленности, резервуары, вентиляторы, роторы, обжимные валки и так далее.
- В последнее время стало популярным использовать стали Duplex и Super Duplex на крупных и престижных строительных площадках. Так, к примеру, при строительстве портового моста в Гонконге использовалось 570 тонн дуплексной стали, и 1700 тонн дуплекса при возведении крыши терминала в аэропорту Доха в Катаре.
- Еще одной сферой, в которой в последние годы начали активно использовать стали дуплекс, является автомобилестроение. Сплав позволяет производителям создавать транспорт, отвечающий основным требованиям защиты, при этом снижает его массу. Использование данного материала не влияет на удорожание конечного продукта.
Коррозионная стойкость
Еще одна вещь, которая отличает дуплексные стали от аустенитных нержавеющих и кислотостойких сталей – это гораздо лучшая коррозионная стойкость. Благодаря смеси с высоким содержанием хрома, никеля и молибдена дуплекс демонстрирует хорошую коррозионную стойкость в условиях сильного подкисления. В свою очередь, присутствие таких элементов, как азот, хром или молибден, делает дуплекс редко подверженным образованию трещин в конструкции или точечной коррозии. Высокое содержание хрома также позволяет дуплексным сталям значительно снижать коррозию при умеренных температурах.
Обработка
Физические свойства дуплексных сталей делают их обработку несколько отличной от обработки аустенитных сплавов. Для резки требуются гораздо более мощные станки, с прочными, желательно зубчатыми лезвиями и довольно большим расходом охлаждающей жидкости. Из-за повышенного предела прочности на сдвиг, металл требует более высокого усилия сдвига. По той же причине штамповка требует больше усилий и работы.
Сварка дуплексной нержавеющей стали, благодаря высокому содержанию феррита, осуществляется гораздо проще чем у аустенитных сплавов. Материал имеет хорошую вязкость разрушения, поэтому при высоких температурах (например, при сварке) трещины образуются редко.