Go to top

Super duplex roestvast staal voor warmtewisselaars

Duplex roestvast staal heeft in de loop der jaren de nodige verbeteringen ondergaan, met name op het gebied van de verwerkbaarheid en verdere verhoging van de weerstand tegen corrosie, en heeft inmiddels de status van super duplex roestvast staal verkregen. Het valt dan ook zeker te overwegen om dit materiaal toe te passen voor warmtewisselaars.

G. van Raam

Chemische eigenschappen


De chemische samenstelling van super duplex roestvast staal met 25% Cr, overeenkomend met UN5 532760 (commerciële benaming Fale 100 respectievelijk Zeron 100), is vermeld in tabel 1 samen met die van enkele andere roestvaststaaltypen die overeenkomstige eigenschappen bezitten. Verder kan de weerstand van roestvast staal worden getypeerd aan de hand van hun chemische samenstelling met behulp van de empirische formule

PREN = Cr + 3,3Mo + 16N

Als de PREN-waarde hoger is dan 40, dan is er sprake van toereikende weerstand tegen lokale corrosie in de vorm van putten en spleten en is het staal opgewassen tegen zeewater. Op afbeelding 1 is de statistische verdeling weergegeven die is verkregen aan de hand van 65 charges UN5 532760 [1]. Uit deze afbeelding valt af te leiden dat de laagste waarde nog altijd groter is dan 40.


Afbeelding 1 Statistische verdeling van PREN-waarden bij een populatie 65 charges UNS S32760.


Fysische eigenschappen


In vergelijking met austenitisch roestvast staal, worden de duplextypen gekenmerkt door iets hogere waarden van de warmtegeleidbaarheid (zie afbeelding 2 en 3) en wat belangrijker is een aanzienlijk geringere thermische uitzettingscoëfficiënt die aardig in de buurt komt van die van koolstofstaal (zie afbeelding 3). Deze eigenschappen kunnen van groot voordeel zijn voor buisvormige producten, met name als ze worden toegepast in warmte-wisselaars, waardoor problemen met betrekking tot thermische uitzetting makkelijker kunnen worden opgelost.


Afbeelding 2 Warmtegeleidend vermogen van een aantal legeringen.


Afbeelding 3 Uitzettingscoëfficiënt van een aantal legeringen.


Tabel1 Chemische samenstelling en PREN.


Mechanische eigenschappen


De mechanische eigenschappen van duplex roestvast staal zijn, dankzij hun mengstructuur en de aanwezigheid van stikstof in de matrix, aanzienlijk beter dan die van conventioneel austenitisch roestvast staal. Verder zijn de 25% Cr-houdende typen nog weer eens sterker dan het conventionelere duplex roestvast staal van het type 22Cr5NiMo. In tabel 2 zijn een aantal mechanische waarden weergegeven.


Tabel2 Mechanische eigenschappen.
 

Verbrossing


De aanwezigheid van ferriet is van invloed op de taaiheid van duplex roestvast staal. Deze invloed hangt natuurlijk af van de temperatuur en de afmetingen (dikte) van het materiaal. Bij metingen aan langs poeder- metallurgische weg vervaardigde buizen werden Charpy-V kerfslagwaarden gehaald van 150 J bij -10°C.
Toepassen van het staal tot een temperatuur van -1 0°C is dan ook heel goed mogelijk, vooral als het gaat om buizen met een wat geringere wanddikte (minder dan 10 mm). Bij verhoogde temperatuur, met name boven 350°C, wordt duplex roestvast staal gevoelig voor een vorm van brosheid die wordt veroorzaakt door de aanwezigheid van a'-fase. Hun gebruik bij temperaturen hoger dan 300°C moet dan ook worden afgeraden.


Afbeelding 4 CPT en CGT van een aantallegeringen [4].


Structuur
 

Duplex roestvast staal wordt zodanig gefabriceerd dat er ongeveer 50% austeniet en 50% ferriet aanwezig is met een strooiingsband van± 10%. Een dergelijke 50-50 structuur beschikt over de gunstigste weerstand tegen corrosie [1]. Bij hoge temperatuur (700°C tot 950°C) bevordert de aanwezigheid van ferriet en van molybdeen de vorming van intermetallische uitscheidingen en in het bijzonder van harde en brosse sigmafase. Deze uitscheidingen ontstaan al heel snel; rond 850°C ontstaan ze al na circa 3 minuten [2]. Het is dan ook noodzakelijk om dit temperatuurgebied zo snel mogelijk te verlaten en na behandelingen bij hoge temperatuur zoals buigen en vervormen zo snel mogelijk te beginnen met koelen.

Putcorrosie


De gelijktijdige aanwezigheid van hoge niveaus aan Cr, Mo en N verschaffen aan 25%Cr super duplex roestvast staal een zeer goede weerstand tegen putcorrosie. De weerstand tegen putcorrosie kan worden uitgedrukt in de zogenaamde kritische putcorrosietemperatuur (Eng.: critical pitting temperature of kortweg CPT). De CPT is de hoogste temperatuur waarbij geen putcorrosie optreedt op een proefmonster na 72 uur durende blootstelling in een FeCI3-houdend milieu. De proef wordt beschreven in ASTM G48 [3]. Op afbeelding 4 zijn de resultaten te zien voor een aantal duplexlegeringen. Uit deze afbeelding blijkt dat de hoogste CPT wordt behaald door super duplex UNS 532760 en austenitisch roestvast staal met 6%Mo.

Spleetcorrosie


De gevoeligheid voor deze vorm van corrosie is bepaald aan de hand van twee beproevingsmethodes: de kritische spleettemperatuur (Eng.: critica! erevice temperature of kortweg CCT). Deze beproevingsmethode komt overeen met die voor putcorrosie (CPT) en de bepaling van de pH-waarde waarbij depassivering optreedt.
De CCT proeven zijn uitgevoerd in een milieu zoals ook wordt gebruikt voor de CPT-proeven. Uit de buizen zijn vlakke stukken gesneden en in een teflon opstelling geplaatst die is voorzien van een groot aantal spleten. De kritische spleettemperatuur is de hoogste temperatuur waarbij na 72 uur verblijf in de proefoplossing nog geen aantasting is waar te nemen. De resultaten zijn weergegeven op afbeelding 5, waar is te zien dat austenitisch roestvast staal met 6%Mo en super duplex de hoogste weerstand bezitten tegen spleetcorrosie. Daarbij is de austenitische soort nog weer iets bestendiger dan de super duplex.
De depassiveringsproeven bestaan uit het aanbrengen van een flinke potentiaalverschuiving aan een proefstuk in een milieu bestaande uit 2M Na Cl, dat is aangezuurd met wat HCI tot een bepaalde vast ingestelde pH-waarde. De depassiverings- pH is de laagste pH-waarde waarbij de maximale oplosstroomdichtheid niet hoger wordt dan 10 jlA/cm2. De beste waarden, dat wil zeggen de laagste pH, werden behaald met het austenitische roestvaststaaltype met 6%Mo en het super duplex roestvaststaaltype bij een pH-niveau van 0,3 - 0,4, waarbij zij opgemerkt dat de super duplex het bij 25°C er iets beter vanaf bracht.


Afbeelding 5 Depassiverings-pH in 2N NaCI oplossing, aangezuurd met HCI [4].
 

Spanningscorrosie

 
De resultaten van kookproeven in een kokende geconcentreerde chlorideoplossing zijn te zien op de afbeeldingen 6 en 7. Op basis van de spanningsverhouding in de 4-puntsbuigproef, die is uitgedrukt als een
percentage van de rekgrens, vertoont het super duplex roestvast staal een gedrag dat sterk overeenkomt met dat van austenitisch roestvast staal met 6%Mo.


Afbeelding 6 4-punts buigproef in 110 gil kokend Na Cl. Drempelspanning die nog juist geen scheuring veroorzaakt [4].


Afbeelding 7 4-punts buigproef in 40% kokend CaCl2. Drempelspanning die nog juist geen scheuring veroorzaakt [4].
 

Conclusies


In vergelijking met austenitisch roestvast staal met 6%Mo heeft super duplex roestvast staal het voordeel dat het makkelijker is te lassen dankzij zijn austeniet!ferriet mengstructuur. Verder beschikt super duplex roestvast staal over superieure mechanische eigenschappen en een aanzienlijk betere weerstand tegen spanningscorrosie in chloridehoudende milieus. Het beschikt ook over interessante fysische eigenschappen.
Bij verder gelijkblijvende afmetingen zijn ze goedkoper in gebruik, temeer als in aanmerking wordt genomen dat de betere mechanische eigenschappen wanddiktereductie mogelijk maken.

De nadelen zijn echter ook bekend: hogere gevoeligheid voor uitscheiding van intermetallische fasen rond 800° tot 950°C. Alles bij elkaar genomen biedt super duplex roestvast staal echter veelbelovende mogelijkheden, zolang ze worden gebruikt onder goed gecontroleerde omstandigheden en de gebruikstemperatuur de aanbevolen waarden net overschrijdt.

Referenties
1. B. Heritier en medewerkers. Influence of the austenite/ferrite ratio on the mechanica! properties and corrosion resistance of duplex stainless steel. Paper 158, CORROSION/86, NACE Houston Tx.
2. W.G. Wang, C. Dumontier, Y. Riquier. Structural evolution of Zeron 100 duplex stainless steel between 550 and 1100°C. Duplex Stainless Steel, Beaune 1991.
3. Annual Books of ASTM Standards, Volume 03.02: Wear and Erosion; Metal Corrosion. ASTM, Philadelphia, PA.
4. M. Gérard, F. Blanchard. Applications of Stainless Steel '92, Vol. 1. Ed. H. Nordberg, J. Björklund. Jernkontoret, The lnstitute of Metals ASM International, 9-11 June 1992, Stockholm, p. 390- 397.
 

Nieuwsbrief

Schrijf u nu in voor onze nieuwsbrief en blijf op de hoogte van alle niet te missen ontwikkelingen in de Aluminium en Roestvast Staal branche.

Velden met een * zijn verplicht