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
Ферритная									16,0-18,0
Аустенитная									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		Примерное содержание
LDX 2101	1.4162/ S32101	Малолегированная
	1.4062/ S32202	Малолегированная
	1.4482/ S32001	Малолегированная
	1.4362/ S32304	Малолегированная
	1.4462/ S31803/ S32205	Стандартная
	1.4410/ S32750	Супер
Zeron 100	1.4501/ S32760	Супер
Ferrinox 255/ Uranus 2507Cu	1.4507/ S32520/ S32550	Супер

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		Ориентировочный PREN
	1.4016/ S43000	Ферритная
	1.4301/ S30400	Аустенитная
	1.4509/ S43932	Ферритная
	1.4482/ S32001	Дуплексная
	1.4401/ S31600	Аустенитная
	1.4521/ S44400	Ферритная
316L 2.5 Mo		Аустенитная
2101 LDX	1.4162/ S32101	Дуплексная
	1.4362/ S32304	Дуплексная
	1.4062/ S32202	Дуплексная
	1.4539/ N08904	Аустенитная
	1.4462/ S31803/ S32205	Дуплексная
Zeron 100	1.4501/ S32760	Дуплексная
Ferrinox 255/ Uranus 2507Cu	1.4507/ S32520/ S32550	Дуплексная
	1.4410/ S32750	Дуплексная
	1.4547/ S31254	Аустенитная

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.

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 80º 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

Материал взят с сайта Британской Ассоциации Нержавеющей Стали www.bssa.org.uk

Универсальная нержавеющая сталь AISI 304 и AISI 304L.

Марка AISI304 является наиболее универсальной и наиболее широко используемой из всех марок нержавеющих сталей. Её химический состав, механические свойства, свариваемость и сопротивление коррозии/окислению обеспечивает лучший выбор в большинстве случаев за относительно низкую цену. Эта сталь также имеет превосходные низко-температурные свойства.

Область применения
Коррозионностойкая, аустенитная, свариваемая, нестабилизированная сталь. Она пригодна для изготовления химических реакторов, включая сосуды высокого давления. Она подходит для сред окислительного характера, для сильных неорганических кислот только при низких концентрациях и в области низких температур. Она подходит для слабых органических кислот в случае средних температур и в случаях контакта с воздухом. Ее применяют в производстве запчастей и оборудования в пищевой, химической и бродильной промышленности (при температурах до 300 С). Возможно, использование стали AISI 304 для сред в которых требуется соблюдение гигиенической чистоты продукта – пищевая промышленность и элементы охлаждающих и морозильных устройств (кроме соляного раствора).
Сталь отличается очень хорошими полировочными способностями и особенно хорошей пластичностью и способностью к глубокой вытяжке. Она является пригодной для провода воды, водяного пара, пищевых кислот. Эту сталь чаще всего применяют в молочной промышленности, пивоварении, косметической промышленности, но также и в химической и фармацевтической промышленности.

Развитие пищевой промышленности привело к тому, что материалы 304 и 316Ti на сегодняшний день практически полностью заменены материалами 304L и 316L.

Соответсвие европейских стандартов на сталь

304 1.4301 X2CrNi18-10
304L 1.4306 X2CrNi19-11
304L 1.4307 X2CrNiTi18-10

316L 1.4404 X2CrNiMo17-12-2
316L 1.4435 X2CrNiMo18-14-3
316L 1.4571 X6CrNiMoTi17-12-2

Сталь A2 (AISI 304 = 1.4301 = 08Х18Н10) – нетоксичная, немагнитная, незакаливаемая, устойчивая к коррозии сталь. Легко поддается сварке и не становится при этом хрупкой. Может проявлять магнитные свойства в результате механической обработки (шайбы и некоторые виды шурупов). Это наиболее распространенная группа нержавеющих сталей. Ближайшие аналоги – 08Х18Н10 ГОСТ 5632, AISI 304 и AISI 304L (с пониженным содержанием углерода).

Нержавеющая сталь для пищевой промышленности

Существует множество марок нержавеющих сталей, используемых в качестве конструкционных материалов для пищевого оборудования. Их выбор зависит от коррозионных свойств выпускаемого продукта или химических средств, контактирующих с данным материалом. Наиболее широко распространенными марками сталей являются аустенитные нержавеющие стали (AISI 304, AISI 316 и AISI 316L по классификации Американского института международных стандартов, AISI) с хорошими механическими и технологическими свойствами и имеющие привлекательный внешний вид.
AISI 304 (по DIN № 1.4301) представляет собой наиболее дешевую сталь, широко применяющуюся в пищевой промышленности и в индустрии напитков благодаря своей хорошей коррозионной стойкости в различных средах, а также простоте формирования и сварки.
AISI 316 (по DIN № 1.4401) характеризуется добавкой молибдена (2-3 г/100 г), что увеличивает коррозионную стойкость.
AISI 316L (по DIN № 1.4404) - это низкоуглеродистая сталь (максимальное содержание углерода - 0,03 г/100 г) по сравнению с AISI 316, у которой максимальное содержание углерода составляет 0,08 г/100 г. Меньшее содержание углерода облегчает сварку, благодаря чему эту марку стали зачастую рекомендовать для изготовления трубопроводов и емкостей.

Все нержавеющие стали в присутствии хлора подвержены коррозии - точечной, трещинной или усталостной, которая четко локализуется и степень которой зависит от воздействия химического состава среды, значения pH, температуры, методов производства стали, ее прочности при растяжении, концентрации кислорода и качества обработки поверхности.
Для эксплуатации в условиях агрессивных сред разработаны и другие материалы, в частности Инколой 825 (жаропрочный никелехромовый сплав), титановая сталь и сталь, выплавленная с применением дуплекс-процесса, но они намного дороже.

Самый подробный обзор нержавеющей стали AISI304

Нержавеющая сталь AISI 304 (EN 1.4301)

Европейское обозначение (1)
X5CrNi18-10
1.4301

Американское обозначение (2) AISI 304
Отечественные аналоги
08Х18Н10, 12Х18Н9

(1) В соответствии с NF EN 10088-2
(2) В соответствии с ASTM A 240

Дифференциация марки 304

При производстве стали могут быть заданы следующие особые свойства, что предопределяет ее применение или дальнейшую обработку:
— Улучшенная свариваемость
— Глубокая вытяжка, Ротационная вытяжка —
Формовка растяжением -Повышенная прочность,
Нагартовка -Жаростойкость C, Ti (углерод, титан) —
Механическая обработка

Обычно производители стали разделяют марку на три основных класса (сорта) по способности к волочению:
AISI 304 Основной сорт
AISI 304 DDQ Normal and deep drawing Сорт глубокой вытяжки
AISI 304 DDS Extra deep drawing Сорт особо глубокой вытяжки

Химический состав (% к массе)

стандарт	марка	C	Si	Mn	P	S	Cr	Ni
EN 10088-2	1.4301	<0,070	<1,0	<2,0	<0,045	<0,015	17,00 — 19,50	8,00 — 10,50
ASTM A240	304	<0,080	<0,75	<2,0	<0,045	<0,030	18,00 — 20,00	8,00 — 10,50

Основные характеристики

Главные особенности 304:
— хорошее общее сопротивление коррозии
— хорошая пластичность
— превосходная свариваемость
— хорошая полируемость
— хорошая способность к волочению для DDQ и DDS сортов

304L — аустенитная нержавеющая сталь с хорошей холодной формуемостью, сопротивлением коррозии, прочностью и хорошими механическими свойствами. Она имеет более низкое содержание углерода по сравнению с 304, что улучшает ее сопротивление межкристаллитной коррозии в сварных швах и зонах медленного охлаждения.

Типичное применение

— Предметы домашнего обихода
— Раковины
— Каркасы для металлоконструкций в строительной промышленности
— Кухонная утварь и оборудование для общепита
— Молочное оборудование, пивоварение
— сварные конструкции
— Резервуары судовые и наземные танкеры для продовольствия, напитков и некоторых химических веществ.

Применяемые стандарты и одобрения

AMS 5513 ASTM
A 240 ASTM A
666

Физические свойства

Плотность	d	—	4°C	7,93
Температура плавления		°C		1450
Удельная теплоемкость	c	J/kg.K	20°C	500
Тепловое расширение	k	W/m.K	20C	15
Средний коэффициент теплового расширения	а	10″.K»	0-100°C 0-200°C	17.5 18
Электрическое удельное сопротивление	Р	Omm2/m	20°C	0.80
Магнитная проницаемость	М	в 0.8 kA/m DC или в/ч AC	20°C M M разряж.возд,	01.фев
Модуль упругости	E	MPa x 10	20°C	200
Коэффициент поперечного сжатия:

Коррозиеустойчивость

304 стали имеют хорошее сопротивление к общим коррозийным средам, но — не рекомендованы, где есть риск межкристаллитной коррозии. Они хорошо приспособлены для эксплуатации в пресной воде и городской и сельской атмосфере. Во всех случаях, регулярная очистка внешних поверхностей необходима для сохранения их первоначального состояния. 304 сорта имеют хорошее сопротивление различным кислотам:
— фосфорной кислоте во всех концентрациях при температуре окружающей среды,
— азотной кислоте до 65 %, между 20 и 50°C?
— муравьиной и молочной кислоте при комнатной температуре,
— уксусной кислоте между 20 и 50°C.

Кислотные среды

Атмосферные воздействия

Сравнение 304-й марки с другими металлами в различных окружающих средах (Скорость коррозии рассчитана при 10-летнем воздействии).

Сварка нержавеющей стали AISI304

Свариваемость — очень хорошая, легко свариваемая.

Нет необходимости в термической обработке после сварки.

Однако где есть риск МКК, отжиг должен быть выполнен при 1050-1100°C.

18-9 L — низкоуглеродистый сорт или 18-10 T — стабилизированный сорт предпочтительнее в этом случае.

Сварные швы должны быть механически или химически очищены от окалины, затем пассивируемы.

Термообработка

Отжиг
Диапазон температуры отжига 1050°C ± 25°C сопровождается последующим быстрым охлаждением на воздухе или в воде. Лучшее сопротивление коррозии получено, когда отжиг при 1070 °C., и быстром охлаждении. После отжига необходимо травление и пассивирование.

Отпуск
Для 304L — 450-600 °C. в течение одного часа с небольшим риском сенситизации. Для 304 -должна использоваться более низкая температура отпуска — 400 °C максимум.

Интервал ковки
Начальная температура: 1150 — 1260°C.
Конечная температура: 900 — 925°C.
Любая горячая обработка должна сопровождаться отжигом.
Обратите внимание: Для нержавеющей стали для однородного прогрева требуется время в 2 раза превышающее время для той же самой толщины углеродистой стали.

Травление
Смесь Азотной кислоты и фтористоводородной/плавиковой кислоты (10 % HNO3
+ 2% HF) при комнатной температуре или 60°C. Серно-азотная кислотная смесь
(10 % H2SO4 + 0.5 % HNO3) при 60°C. Паста для очистки от окалины в зоне
Пассивация
20-25 % раствор HNO3 при 20°C. Пассивирующие пасты для зоны сварки.