Faktoren begrenzten die Betriebstemperaturen
Typische Anwendungen, bei denen Duplex-Materialien hohen Temperaturen ausgesetzt werden müssen, sind Druckbehälter, Lüfterflügel/Laufräder oder Abgaswäscher.Die Anforderungen an die Materialeigenschaften können von hoher mechanischer Festigkeit bis hin zu Korrosionsbeständigkeit reichen. Die chemische Zusammensetzung der in diesem Artikel behandelten Qualitäten ist in Tabelle 1 aufgeführt.
Spinodale Zerlegung
Spinodale Zersetzung (auch Entmischung oder historisch als 475 °C-Versprödung bezeichnet) ist eine Art Phasentrennung in der ferritischen Phase, die bei Temperaturen um 475 °C auftritt.Der stärkste Effekt ist eine Veränderung der Mikrostruktur, die zur Bildung der α´-Phase führt, was zu einer Versprödung des Materials führt.Dies wiederum schränkt die Leistung des Endprodukts ein.
Abbildung 1 zeigt das Temperatur-Zeit-Übergangsdiagramm (TTT) für die untersuchten Duplexmaterialien, wobei die spinodale Zersetzung im Bereich von 475 °C dargestellt ist.Es ist zu beachten, dass dieses TTT-Diagramm eine Abnahme der Zähigkeit um 50 % darstellt, gemessen durch Schlagzähigkeitstests an Charpy-V-Proben, was üblicherweise als Hinweis auf Versprödung angesehen wird.Bei manchen Anwendungen kann eine stärkere Abnahme der Zähigkeit akzeptabel sein, wodurch sich die Form des TTT-Diagramms ändert.Daher hängt die Entscheidung, einen bestimmten maximalen OT festzulegen, davon ab, was als akzeptables Maß an Versprödung, dh Reduzierung der Zähigkeit, für das Endprodukt angesehen wird.Es sollte erwähnt werden, dass TTT-Diagramme in der Vergangenheit auch mit einem festgelegten Schwellenwert wie 27J erstellt wurden.
Höher legierte Sorten
Abbildung 1 zeigt, dass die Erhöhung der Legierungselemente von der Sorte LDX 2101 zur Sorte SDX 2507 zu einer schnelleren Zersetzungsrate führt, während Lean Duplex einen verzögerten Beginn der Zersetzung zeigt.Der Einfluss von Legierungselementen wie Chrom (Cr) und Nickel (Ni) auf die spinodale Zersetzung und Versprödung wurde in früheren Untersuchungen gezeigt.5–8 Dieser Effekt wird in Abbildung 2 weiter veranschaulicht. Sie zeigt, dass die spinodale Zersetzung mit steigender Temperatur zunimmt wird von 300 auf 350 °C erhöht und verläuft bei der höher legierten Sorte SDX 2507 schneller als bei der weniger legierten Sorte DX 2205.
Dieses Verständnis kann von entscheidender Bedeutung sein, um Kunden bei der Entscheidung über den maximalen OT zu unterstützen, der für die ausgewählte Sorte und Anwendung geeignet ist.
Maximale Temperatur ermitteln
Wie bereits erwähnt, kann die maximale OT für Duplex-Material entsprechend dem akzeptablen Abfall der Schlagzähigkeit festgelegt werden.Typischerweise wird der OT angenommen, der einem Wert von 50 % Zähigkeitsreduzierung entspricht.
OT hängt von Temperatur und Zeit ab
Die Steigung an den Enden der Kurven im TTT-Diagramm in Abbildung 1 zeigt, dass die spinodale Zersetzung nicht nur bei einer Schwellentemperatur auftritt und unterhalb dieses Niveaus stoppt.Es handelt sich vielmehr um einen ständigen Prozess, wenn Duplexmaterialien Betriebstemperaturen unter 475 °C ausgesetzt werden.Es ist jedoch auch klar, dass die Zersetzung aufgrund der geringeren Diffusionsgeschwindigkeit bei niedrigeren Temperaturen später einsetzt und deutlich langsamer abläuft.Daher dürfte die Verwendung von Duplex-Material bei niedrigeren Temperaturen über Jahre oder sogar Jahrzehnte hinweg keine Probleme verursachen.Derzeit besteht jedoch die Tendenz, eine maximale OT ohne Berücksichtigung der Belichtungszeit festzulegen.Die entscheidende Frage ist daher, welche Temperatur-Zeit-Kombination verwendet werden sollte, um zu entscheiden, ob die Verwendung eines Materials sicher ist oder nicht.Herzman et al.10 fassen dieses Dilemma gut zusammen: „…Die Verwendung wird dann auf Temperaturen beschränkt, bei denen die Kinetik der Entmischung so niedrig ist, dass sie während der geplanten technischen Lebensdauer des Produkts nicht auftritt…“.
Die Auswirkungen des Schweißens
In den meisten Anwendungen werden Bauteile durch Schweißen verbunden.Es ist bekannt, dass die Schweißmikrostruktur und ihre Chemie vom Grundmaterial 3 abweichen.Je nach Zusatzwerkstoff, Schweißtechnik und Schweißparametern unterscheidet sich die Mikrostruktur von Schweißnähten meist vom Massenmaterial.Die Mikrostruktur ist normalerweise gröber, und dazu gehört auch die Hochtemperatur-Wärmeeinflusszone (HTHAZ), die sich auf die spinodale Zersetzung in den Schweißkonstruktionen auswirkt.Die Variation der Mikrostruktur zwischen Massen- und Schweißkonstruktionen ist ein Thema, das hier behandelt wird.
Limitierende Faktoren zusammenfassen
Die vorherigen Abschnitte führen zu folgenden Schlussfolgerungen:
- Alle Duplex-Materialien unterliegen dem Vorbehalt
zur spinodalen Zersetzung bei Temperaturen um 475 °C. - Je nach Legierungsgehalt ist mit einer schnelleren oder langsameren Zersetzungsgeschwindigkeit zu rechnen.Ein höherer Cr- und Ni-Gehalt fördert eine schnellere Entmischung.
- So stellen Sie die maximale Betriebstemperatur ein:
– Eine Kombination aus Betriebszeit und Temperatur muss berücksichtigt werden.
– Es muss ein akzeptables Maß an Zähigkeitsabnahme, also ein gewünschtes Maß an Endzähigkeit, eingestellt werden - Wenn zusätzliche mikrostrukturelle Komponenten wie Schweißnähte eingeführt werden, wird die maximale OT durch den schwächsten Teil bestimmt.
Globale Standards
Für dieses Projekt wurden mehrere europäische und amerikanische Standards überprüft.Sie konzentrierten sich auf Anwendungen in Druckbehältern und Rohrleitungskomponenten.Im Allgemeinen lässt sich die Diskrepanz hinsichtlich der empfohlenen maximalen OT zwischen den überprüften Standards in einen europäischen und einen amerikanischen Standpunkt unterteilen.
Die europäischen Materialspezifikationsnormen für Edelstähle (z. B. EN 10028-7, EN 10217-7) sehen eine maximale OT von 250 °C vor, da Materialeigenschaften nur bis zu dieser Temperatur gegeben sind.Darüber hinaus geben die europäischen Konstruktionsnormen für Druckbehälter und Rohrleitungen (EN 13445 bzw. EN 13480) keine weiteren Informationen über die maximale OT im Vergleich zu den Angaben in ihren Materialnormen.
Im Gegensatz dazu enthält die amerikanische Materialspezifikation (z. B. ASME SA-240 oder ASME Abschnitt II-A) überhaupt keine Daten zu erhöhten Temperaturen.Diese Daten werden stattdessen im ASME-Abschnitt II-D, „Eigenschaften“, bereitgestellt, der die allgemeinen Bauvorschriften für Druckbehälter, ASME-Abschnitt VIII-1 und VIII-2, unterstützt (letztere bieten einen fortgeschritteneren Entwurfsweg).In ASME II-D wird die maximale OT für die meisten Duplexlegierungen explizit mit 316 °C angegeben.
Für Druckrohranwendungen sind sowohl Konstruktionsregeln als auch Materialeigenschaften in ASME B31.3 angegeben.In diesem Code werden mechanische Daten für Duplexlegierungen bis 316 °C ohne klare Angabe des maximalen OT bereitgestellt.Dennoch können Sie die Informationen so interpretieren, dass sie den Angaben in ASME II-D entsprechen, und daher beträgt die maximale OT für die amerikanischen Standards in den meisten Fällen 316 °C.
Zusätzlich zu den maximalen OT-Informationen implizieren sowohl die amerikanischen als auch die europäischen Normen, dass bei erhöhten Temperaturen (>250 °C) und längeren Einwirkungszeiten die Gefahr einer Versprödung besteht, die dann sowohl in der Konstruktions- als auch in der Servicephase berücksichtigt werden sollte.
Für Schweißnähte machen die meisten Normen keine eindeutigen Aussagen zu den Auswirkungen der spinodalen Zersetzung.Einige Normen (z. B. ASME VIII-1, Tabelle UHA 32-4) weisen jedoch auf die Möglichkeit hin, spezielle Wärmebehandlungen nach dem Schweißen durchzuführen.Diese sind weder erforderlich noch verboten, sollten aber bei der Durchführung nach in der Norm vorgegebenen Parametern erfolgen.
Was die Branche sagt
Die von mehreren anderen Herstellern von Duplex-Edelstahl erstellten Informationen wurden überprüft, um zu sehen, was sie über die Temperaturbereiche ihrer Güten kommunizieren.2205 wird von ATI auf 315 °C begrenzt, Acerinox setzt den OT für die gleiche Note jedoch auf nur 250 °C.Dies sind die oberen und unteren OT-Grenzwerte für die Sorte 2205, während dazwischen weitere OT-Grenzwerte von Aperam (300 °C), Sandvik (280 °C) und ArcelorMittal (280 °C) kommuniziert werden.Dies zeigt, wie weit verbreitet die empfohlenen maximalen OTs nur für eine Sorte sind, die von Hersteller zu Hersteller sehr vergleichbare Eigenschaften aufweisen.
Die Hintergründe, warum ein Hersteller eine bestimmte OT festgelegt hat, werden nicht immer offengelegt.In den meisten Fällen basiert dies auf einem bestimmten Standard.Unterschiedliche Standards kommunizieren unterschiedliche OTs, daher die Streuung der Werte.Die logische Schlussfolgerung ist, dass amerikanische Unternehmen aufgrund der Aussagen in der ASME-Norm einen höheren Wert ansetzen, während europäische Unternehmen aufgrund der EN-Norm einen niedrigeren Wert ansetzen.
Was brauchen Kunden?
Je nach Endanwendung sind unterschiedliche Belastungen und Belastungen der Materialien zu erwarten.In diesem Projekt war die Versprödung durch spinodale Zersetzung von größtem Interesse, da sie sehr gut auf Druckbehälter anwendbar ist.
Allerdings gibt es verschiedene Anwendungen, bei denen Duplex-Sorten nur mittleren mechanischen Belastungen ausgesetzt sind, wie zum Beispiel Wäscher11–15.Eine weitere Anfrage bezog sich auf Lüfterflügel und Laufräder, die Ermüdungsbelastungen ausgesetzt sind.Die Literatur zeigt, dass sich die spinodale Zersetzung bei Einwirkung einer Ermüdungslast anders verhält15.An dieser Stelle wird deutlich, dass die maximale OT dieser Anwendungen nicht auf die gleiche Weise wie für Druckbehälter festgelegt werden kann.
Eine weitere Klasse von Anfragen betrifft ausschließlich korrosionsbezogene Anwendungen, beispielsweise Abgaswäscher in der Schifffahrt.In diesen Fällen ist die Korrosionsbeständigkeit wichtiger als die OT-Begrenzung bei mechanischer Belastung.Beide Faktoren wirken sich jedoch auf die Funktion des Endprodukts aus, was bei der Angabe der maximalen OT berücksichtigt werden muss.Auch hier unterscheidet sich dieser Fall von den beiden vorherigen Fällen.
Insgesamt ist bei der Beratung eines Kunden über den geeigneten maximalen OT für seine Duplex-Klasse die Art der Anwendung von entscheidender Bedeutung für die Festlegung des Wertes.Dies verdeutlicht die Komplexität der Festlegung eines einzelnen OT für eine Sorte, da die Umgebung, in der das Material eingesetzt wird, einen erheblichen Einfluss auf den Versprödungsprozess hat.
Was ist die maximale Betriebstemperatur für Duplex?
Wie bereits erwähnt, wird die maximale Betriebstemperatur durch die sehr niedrige Kinetik der spinodalen Zersetzung bestimmt.Aber wie messen wir diese Temperatur und was genau versteht man unter „niedriger Kinetik“?Die Antwort auf die erste Frage ist einfach.Wir haben bereits darauf hingewiesen, dass Zähigkeitsmessungen üblicherweise durchgeführt werden, um die Geschwindigkeit und den Fortschritt der Zersetzung abzuschätzen.Dies ist in den von den meisten Herstellern befolgten Standards festgelegt.
Die zweite Frage, was unter niedriger Kinetik zu verstehen ist und auf welchen Wert wir eine Temperaturgrenze festlegen, ist komplexer.Dies liegt zum Teil daran, dass die Randbedingungen der Maximaltemperatur sowohl aus der Maximaltemperatur (T) selbst als auch aus der Betriebszeit (t) zusammengestellt werden, über die diese Temperatur aufrechterhalten wird.Um diese Tt-Kombination zu validieren, können verschiedene Interpretationen der „niedrigsten“ Zähigkeit verwendet werden:
• Die untere Grenze, die historisch festgelegt wurde und für Schweißnähte angewendet werden kann, beträgt 27 Joule (J).
• In den Normen wird meist 40J als Grenzwert festgelegt.
• Zur Festlegung der unteren Grenze wird häufig auch eine Verringerung der Anfangszähigkeit um 50 % angewendet.
Das bedeutet, dass eine Aussage zur maximalen OT auf mindestens drei vereinbarten Annahmen basieren muss:
• Temperatur-Zeit-Exposition des Endprodukts
• Der akzeptable Mindestwert der Zähigkeit
• Endgültiger Einsatzbereich (nur Chemie, mechanische Belastung ja/nein etc.)
Zusammengeführtes experimentelles Wissen
Nach einer umfassenden Untersuchung experimenteller Daten und Standards konnten Empfehlungen für die vier untersuchten Duplex-Typen zusammengestellt werden, siehe Tabelle 3. Es sollte berücksichtigt werden, dass die meisten Daten aus Laborexperimenten stammen, die mit Temperaturschritten von 25 °C durchgeführt wurden .
Es ist auch zu beachten, dass sich diese Empfehlungen auf eine verbleibende Zähigkeit von mindestens 50 % bei RT beziehen.Wenn in der Tabelle „längerer Zeitraum“ angegeben ist, wurde kein signifikanter Rückgang bei RT dokumentiert.Zudem wurde die Schweißnaht nur bei -40 °C geprüft.Abschließend ist zu beachten, dass für DX 2304 angesichts seiner hohen Zähigkeit nach 3.000 Teststunden mit einer längeren Belichtungszeit zu rechnen ist.Inwieweit die Exposition erhöht werden kann, muss jedoch durch weitere Tests überprüft werden.
Es sind drei wichtige Punkte zu beachten:
• Aktuelle Erkenntnisse deuten darauf hin, dass bei vorhandenen Schweißnähten die OT um etwa 25 °C sinkt.
• Kurzfristige Spitzen (zig Stunden bei T=375 °C) sind für DX 2205 akzeptabel. Da es sich bei DX 2304 und LDX 2101 um niedriger legierte Sorten handelt, sollten vergleichbare kurzfristige Temperaturspitzen ebenfalls akzeptabel sein.
• Wenn das Material aufgrund von Zersetzung versprödet, hilft eine mildernde Wärmebehandlung bei 550 – 600 °C für DX 2205 und 500 °C für SDX 2507 für 1 Stunde dabei, die Zähigkeit um 70 % wiederherzustellen.
Zeitpunkt der Veröffentlichung: 04.02.2023