Präzise Analyse von Duplex-Stählen

Die Entwicklung von Duplex-Stählen begann in den 1970er Jahren. Seither hat die Verbreitung dieser Stähle stetig zugenommen. Insbesondere in der Öl- und Gasindustrie, in der Papierindustrie, beim Bau von Chemietankwagen oder Wassersystemen führt der Einsatz von Duplex-Stählen zu Kosteneinsparungen, denn bei diesen Stählen kann durch die Zugabe von Stickstoff der Anteil des teuren Legierungsmittels Nickel in der Schmelze gesenkt werden. In den vergangenen zehn Jahren hat sich die Produktion von Duplex-Stählen mehr als verdoppelt. Da diese Stähle vielfach in sicherheitsrelevanten Bereichen eingesetzt werden, muss in jedem Fall eine strenge Qualitätskontrolle sichergestellt werden. Die optische Emissionsspektrometrie (OES) ermöglicht hier einen hochgenauen Materialnachweis und eine positive Materialindentifikation (PMI). Werkstoffverwechslungen und die möglicherweise daraus entstehenden fatalen Folgen können mit dieser Prüfmethode vermieden werden.

Duplex-, Super-Duplex- und Hyper-Duplex-Stähle weisen ein zweiphasiges Gefüge (austenitisch und ferritisch) auf – daher ihre Bezeichnung als „Duplex“- Stähle. Sie werden den nichtrostenden Stählen zugeordnet und zeichnen sich durch hohe Gefügestabilität, beste Schweißeigenschaften und hervorragende Korrosionsbeständigkeit aus.

Elemente

C %

Cr %

Ni %

Mo %

N %

Duplex

<0,03

~20

~5

~3

0,08 – 0,22

Super-duplex

<0,03 

~25

~7

 ~4

0,15 – 0,4

Hyper-duplex

<0,03 

~30

~7,5

 ~4

0,3 – 0,6

Durchschnittliche Zusammensetzung von typischen Duplex-, Super-Duplex- und Hyper-Duplex-Stählen.

Die besondere Bedeutung der OES-Technik

Eine Besonderheit der Duplex-Stähle ist ihr erhöhter Stickstoffanteil, der die Korrosionsbeständigkeit dieser Stähle und die Mischkristallverfestigung aufgrund der ausgeprägten Austenitbildung deutlich erhöht. Duplex-Stähle lassen sich leicht über den Stickstoffgehalt identifizieren. Vor Ort kann dies nur die OES-Technik leisten. Im Labor bietet die OES-Analyse im Vergleich zur Verbrennungsmethode den Vorteil einer deutlich weniger aufwendigen Probenaufbereitung, die Möglichkeit zur Komplettanalyse und wesentlich geringere Betriebskosten.
In Fällen, in denen eine Analyse im Labor nicht möglich ist (z. B. aufgrund der Bauteilgröße oder bei petrochemischen Anwendungen) können mit dem tragbaren Funkenspektrometer PMI-MASTER Smart in Kombination mit der intelligenten UVTouch-Sonde von Hitachi High-Tech Analytical Science vor Ort hochgenaue Analysen, einschließlich Stickstoffmessungen, durchgeführt werden. Mit der patentierten Optik in Leichtbauweise, der dynamischen Auswertung des Emissionsspektrums und der optimierten Anregung lassen sich ähnliche Analysegenauigkeiten wie im Labor erzielen.

Das kleinste stationäre OES-Gerät für Laboranwendungen, der FOUNDRY-MASTER Optimum von Hitachi High-Tech Analytical Science, bietet einen Analysebereich von 0,05 – 1,2% und eine Genauigkeit, die man bisher nur von deutlich größeren Funken-Spektrometern kennt.

Die wesentlichen Bestandteile von Duplex-Stählen

Für die Eigenschaften der Duplex-Stähle sind vier Legierungselemente verantwortlich: Chrom (Cr), Molybdän (Mo), Stickstoff (N) und Nickel (Ni). Chrom ist ein Ferritbildner, der dem Werkstoff die notwendige Korrosionsbeständigkeit - auch im Hochtemperaturbereich - verleiht. Molybdän unterstützt die Wirkung des Chroms und verstärkt maßgeblich die Beständigkeit gegen Loch- und Spaltkorrosion unter chloridhaltigen Umgebungsbedingungen. Auch Molybdän hat ferrit-bildende Eigenschaften. Sein Anteil liegt jedoch in der Regel bei maximal 7,5%.
Stickstoff zeichnet sich nicht nur durch seinen günstigen Preis aus, sondern auch durch seine Fähigkeit, die Werkstoffeigenschaften des Stahls maßgeblich zu bestimmen. Stickstoff fördert die Korrosionsbeständigkeit und erhöht die Zugfestigkeit und Zähigkeit von Duplex-Stählen. Darüber hinaus erfüllt Stickstoff eine wichtige Funktion bei der Verarbeitung: Er verzögert die intermetallische Phasenbildung und erhält so das zweiphasige Gefüge während der Verarbeitung aufrecht. Dank seiner ausgeprägten Austenit-bildenden Eigenschaften kann Stickstoff einen Teil des teuren Nickels in der Legierung ersetzen.
Außerdem ist Stickstoff ein Austenit-stabilisierendes Element, das den Übergang von der kubisch raumzentrierten Kristallstruktur (ferritisch) in die kubisch flächenzentrierte Kristallstruktur (austenitisch) fördert. Als Beispiel hier eine typische chemische Zusammensetzung von Duplex-Stahl (1.4462, S32205): C 0,03% Cr 22,5% Ni 5,0% Mo 3,25% N 0,18%.

Guido Odenthal vom Ingenieurbüro Odenthal, einem akkreditierten Prüflabor, erklärt: „Aufgrund ihrer besseren Korrosionsbeständigkeit und höheren Festigkeit finden Duplex- und Super-Duplex zunehmend Verwendung im Apparate- und Rohrleitungsbau, nicht nur als Basiswerkstoff sondern auch für komplette Schweißkonstruktionen. Da Duplex-Stahl sehr leicht anhand seines Stickstoffgehaltes zu identifizieren ist, verwenden wir für unsere Prüfverfahren das Funkenspektrometer FOUNDRY-MASTER Optimum von Hitachi High-Tech.“

Erfahren Sie mehr über unsere FOUNDRY-MASTER-Serie oder vereinbaren Sie eine Produktdemonstration. Gerne analysieren wir gemeinsam mit Ihnen, welches unserer Produkte am besten Ihre individuellen Anforderungen erfüllt.

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Datum: 13 June 2018

Autor: Hitachi High-Tech Analytical Science

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