Der Einsatz von ferritisch-austenitischen Duplexstählen …storck-verlag.de/gtt/2008/13_busch.pdf · Innovative Tanktechnik Fachhochschule Bielefeld Prof.Dr.Busch 1 Edelstähle 11

Innovative Tanktechnik

FachhochschuleBielefeld

1Prof.Dr.Busch

Edelstähle

11. Gefahrgut Technik-Tage, Berlin20.-22. November 2008

Ein Edelstahl ist unvergänglich (?)

Der Einsatz von ferritisch-austenitischenDuplexstählen im Tankbau

Wolf-Berend Busch, EWE



2Prof.Dr.Busch

Edelstähle

Was sind Edelstähle?

Sind Edelstähle wirklich unvergänglich?

Was sind austenitisch ferritische Duplexstähle?

Welche Vor- und Nachteile haben Duplexstähle

Wie lassen sich Duplexstähle be-und verarbeiten

Vorschriften für Duplexstähle



3Prof.Dr.Busch

Edelstähle

Wir wollen hier unter Edelstähle verstehen:Nichtrostende Stähle, Def. nach DIN EN 10020:2000:

Nichtrostende Stähle sind Stähle mit einem MassenanteilChrom von mindestens 10,5 % und höchstens 1,2%Kohlenstoff (Abschnitt 3.2.2)

Nichtrostende Stähle werden weiterhin nach folgendenKriterien unterteilt:

nach Nickelgehalt inweniger als 2,5 % Nickel2,5 % Nickel oder mehr

nach Haupteigenschaften inkorrosionsbeständighitzebeständigwarmfest



4Prof.Dr.Busch

Edelstähle

Korrosionsbeständig sind nichtrostende Stähle durch eine

- dünne

- transparente

- dichte

- fest haftende

Schicht aus Chromoxid.

Dieses Chromoxid bildet sich durch einen Korrosionsprozessmit Sauerstoff, z.B. aus der Luft.

Als Folge dieser Schicht verhält sich der Stahl passiv.

Fehlt der Sauerstoff, kann sich die Chromoxidschicht nicht ausbilden und der Stahl ist nicht passiv, sondern aktiv.



5Prof.Dr.Busch

Edelstähle









6Prof.Dr.Busch

EdelstähleUnvergänglich?

Innenansicht eines kleinen Wassertanks aus 1. 4571



7Prof.Dr.Busch

EdelstähleKornzerfall (IK) durchselektive Korrosion der Korngrenzen

(Montanuniversität Leoben)



8Prof.Dr.Busch

Edelstähle

Die dünne, transparente Oxidschichtkann durch

einenmechanischen

oder einen chemischen Angriff von

innen oder außendauerhaft zerstört werden.



9Prof.Dr.Busch

Edelstähle



Was sind austenitisch-ferritische Duplexstähle?






10Prof.Dr.Busch

Edelstähle

Duplexstähle sindnichtrostende Stähle.

Sie sind genormt in DIN EN 10088-1:2005.

Diese Norm weist neun Duplexstähle aus,deren Gehalte an Chrom zwischen 18 -30 %

undGehalte an Nickel zwischen 3,5 – 8,0 % liegen.

Die Zusammensetzung bewirkt, dass das Gefüge etwa zu ca. 50% aus Austenit und

zu etwa 50% aus Ferrit besteht.



11Prof.Dr.Busch

EdelstähleGefüge von Duplexstählen

Austenit (δ)-Ferrit



12Prof.Dr.Busch

Edelstähle




Welche Vor- und Nachteile haben Duplexstähle?





13Prof.Dr.Busch

Edelstähle

Vergleich von Mechanische Eigenschaften undKorrosionsbeständigkeit von

austenitischen Stählen und Duplexstählen 700

600

500

400

300

200

100

020 25 30 35 40 45

Wirksumme WSWS = % Cr + 3,3 x % Mo+16 x % N)

Austenit1.4401

X5CrNiMo 17-12-2

Austenit1.4539

X1NiCrMoCu 25-20-5

Voll-Austenit1.4529

X1NiCrMoCuN 25-20-7

Lean-Duplexstahl1.4362 / X2CrNiN 23-4

Duplex-Stahl (22%Cr)(1.4462

X2CrNiMoN 22-5-3)

Superduplexstahl1.4501

X1CrNiMoCuWN 27-7-4

Deh

ngre

nze

R in

MPa

p0,2



14Prof.Dr.Busch

Edelstähle

Mechanische Eigenschaften von Duplexstählen

3001.4547

2201.4571

2201.4404

2101.4301

3001.4529

Rp0,2 MPamind.Werkstoff

5301.4410

4601.4462

4001.4362

4301.4162

550Zeron100

Rp0,2 MPamind.Werkstoff

austenitische Stähle ferritisch-austenitische Stähle

nach Z-30.3-6 ohne Verfahrensprüfung verwendbar nur mit Verfahrensprüfung verwendbar

spezieller Zulassungsbescheid durch DIBT bislang noch nicht zugelassen

Zusätzlich besteht noch die Möglichkeit der Kaltverfestigung.



15Prof.Dr.Busch

Edelstähle

6010025730-9305301.4501X2CrNiMoCuWN25-7-4

6010025640-8404601.4462X2CrNiMoN22-5-3

6010025630-8004001.4362D4X2CrNiN23-4

--6030~ 6804301.4162D2(X2CrMnNi21-5-2)

JJ%MPaMPaW.-Nr.ZeichenKurzname

querlängsARmRp0,2

Kerbschlag-arbeit AV

Statische Kennwerteim ZugversuchStahlbezeichnung

Mechanische Eigenschaften vonDuplexstählen

bei Raumtemperatur



16Prof.Dr.Busch

Edelstähle

3954004054454801.4501X2CrNiMoCuWN25-7-4

--3003153353601.4462X2CrNiMoN22-5-3

----2803003301.4362X2CrNiN23-4

--3203303503801.4162(X2CrMnNi21-5-2)

300 °C250 °C200 °C150 °C100 °CW-Nr.Kurzname

Mindestwerte der RP0,2-Grenze bei erhöhtenTemperaturen in MPaStahlbezeichnung

Mechanische Eigenschaften vonDuplexstählen

bei erhöhten Temperaturen

Temperaturobergrenze für Langzeiteinsatz: 270 °C



17Prof.Dr.Busch

Edelstähle

Einfluss einer Glühung bei 1300 °C

Zustand Ferritgehalt

Anlieferung 45%

Abgeschreckt 51%

Ofenabkühlung 25%

Kerbschlagarbeit-40 °C 100°C

230 J

300 J

5 J 6,5 J



18Prof.Dr.Busch

Edelstähle

Anlieferungszustand Geglüht bei 1300°C, abgeschreckt in H2O

Geglüht bei 1300°C, Ofenabkühlung

Gefügeausbildung vom Duplexstahl 1.4462nach unterschiedlichen Vorbehandlungen



19Prof.Dr.Busch

Edelstähle

900800

700

600

1000

500

400

300 0,03 0,1 0,3 1 3 10 30

475°C-Versprödung

σ-PhaseCr N,-Phase, M C

2

23 6χ

Lösungsglühbehandlung: 1050°C, 30 min / Wasser

Glühdauer in h

ZTU-Diagremm desDuplexstahls 1.4462



20Prof.Dr.Busch

Edelstähle

Duplexstahl 1.4462, geglüht & Ofenabkühlung

σ-Phasen zwischen den Ferritkörnern verspröden dasGefüge extrem



21Prof.Dr.Busch

Edelstähle

Was teuer sind Duplexstählen?

Beispiel: 4 mm Blech, Oberfläche 1D (warmgewalzt)

Werkstoff Preis€/kg effektiv Korrosions- ohne MWST klasse

1.4301 2,20 II 1.4162 (D) 3,80 II 1.4362 (D) 3,80 III 1.4401 6,70 III 1.4404 6,70 III 1.4571 3,80 III 1.4462 (D) ca. 5,00 IV 1.4529 ca. 20,50 IV



22Prof.Dr.Busch

Edelstähle

ca. 41,9IV / starknein???Blech, Band(Patentgesch.)

(UNS) S32760Superduplex

Stahl

Zeron100

ca. 42,5IV / starknein???Blech, Band,

Rohre(Patentgesch.)

X2CrNiMoN25-7-4Superduplex Stahl1.4410

30,8 - 38,0(IV / stark)*²jaWerkst.-Nr.Blech, Band,Rund, Draht,

Rohre

X2CrNiMoN22-5-3Standard Duplex

Stahl1.4462

26,7 - 32,3III / mittelnein???Blech, Band(Patentgesch.)

(UNS) S32003Lean Duplex

StahlAL2003

WAZ i.d.R26,5

23,1 - 29,1III / mittelja(D4)

Blech, Band,Rund, Draht,

Rohre

X2CrNiN23-4Lean Duplex Stahl1.4362

ca. 26,0

II / mäßig(herabgestuft

wegen 5 %Mangan)*

nein(D2)Blech, Band(Patentgesch.)

(UNS) S32101Lean Duplex

Stahl1.4162

PREWirksumme

Korrosions-widerstands-

klasse

Bauaufsichtlichfür tragende

Konstruktionenzugelassen ?

KennzeichnungStahlgruppe

vergl. ISO 3506vergl. Z-30.3-6

Verfügbarkeit

KurzbezeichnungStahlart

Unified NumberingSystem

Wst.Nr.

Werks-bezeichn.

PRE -Wert (Wirksumme) = %Cr + 3,3x%Mo + 16x%N*wegen der Gefahr von Mangansulfideinschlüssen und der höheren Oberflächensprödigkeit*² nicht als tragendes Bauelement in Schwimmbädern !

Duplex Rostfrei – derzeit am Markt verfügbare Güten (ohne Gußwerkstoffe)



23Prof.Dr.Busch

Edelstähle

Klassische Anwendungsfelderbesondere Eignung

1.4362 Korrosionswiderstandsklasse III (DIBT)Chemie, Petrochemie

1.4462 Korrosionswiderstandsklasse IV (DIBT)Chemie und Petrochemie, Meerwasserent-salzungsanlagen, Schiffbau, Offshore-und Sauergasanwendungen

1.4501 Korrosionswiderstandsklasse IV (DIBT)Höhere Festigkeit und höhere Korrosions-beständigkeit vor allem in chloridhaltigenMedien im Vergleich zu 1.4462



24Prof.Dr.Busch

Edelstähle





Wie lassen sich Duplexstähle be-und verarbeiten?




25Prof.Dr.Busch

Edelstähle

Verarbeiten wie „weiße Stähle“

- d.h. getrennt von Schwarzstählen

- aber höhere Festigkeit beachten

- Schweißen mit geringem Wärmeeintrag

- Anlauffarben beseitigen

- auf Freiheit von Belegen achten, damit sichdie Passivschicht korrekt ausbildet



26Prof.Dr.Busch

Edelstähle









27Prof.Dr.Busch

Edelstähle

Tanks werden drucklos betrieben,weshalb die Druckgeräterichtlinie nicht zutrifft,

auch sind Tanks keine Einrichtungen,die dem bauaufsichtlichen Bereich zugeordnet

werden können.

Es gelten aber insbesondere für dieschweißtechnische Verarbeitung

die üblichen Vorschriften.



28Prof.Dr.Busch

Edelstähle

Allgemeine bauaufsichtliche ZulassungZ-30.3-6 vom Dezember 2003

1. Herstellerqualifikationuneingeschränkt schweißbar nur mit „D“„B“ mit Erweiterung auf nichtrostende Stähle nur 1.4301/1.4307, 1.4541, 1.4401/1.4404 und 4571in den Festigkeitsklasse S235

2. Verfahrensprüfungenerforderlich für alle oben nicht aufgeführten Stähle

3. Schweißerprüfbescheinigungenerforderlich, aber Geltungsbereiche beachten Gruppe 7: ferritische oder martensitische rostfreie StähleGruppe 8: austenitische rostfreie StähleGruppe 10: austenitisch-ferritische rostfreie Stähle

4. der Duplexstahl 1.4362 ist (noch) nicht allgemein zugelassen



29Prof.Dr.Busch

Edelstähle

Wo kann ich das nachlesen?

DVS-Merkblatt 0946, Ausgabe Februar 2004

Verarbeitung von nichtrostenden Duplex-StählenInformationsstelle Edelstahl Rostfrei, D 881

Allgemeine bauaufsichtliche Zulassung Z-30.3-6 v. 5. Dezember 2008„Erzeugnisse, Verbindungsmittel und Bauteileaus nichtrostenden StählenInformationsstelle Edelstahl Rostfrei, SD 862

Diverse Firmenschriften



30Prof.Dr.Busch

Edelstähle

Beispiele zum Einsatz von Duplexstählen



31Prof.Dr.Busch

Edelstähle

Anwendungen von Duplex-StählenBeispiel: Rauchgasentschwefelung (1.4462 und 1.4501)

Quelle: ThyssenKrupp Nirosta



32Prof.Dr.Busch

Edelstähle

Anwendungen von Duplex-StählenBeispiel: Chemikalientanker (1.4462)




33Prof.Dr.Busch

Edelstähle

Anwendungen von Duplex-StählenBeispiel: Chemikalientanker (1.4462)




34Prof.Dr.Busch

Edelstähle

Anwendungen von Duplex-StählenBeispiel: Chemische Anlagen (1.4462)

Quelle: Butting



35Prof.Dr.Busch

Edelstähle

Anwendungen von Duplex-StahlBeispiel: Behälter (1.4462)

Quelle: Butting



36Prof.Dr.Busch

Edelstähle

Fehler beim Einsatz von Duplex-StählenBeispiel: Spannungsrisskorrosion an einem Behälter aus 1.4462

durch feuchtes, verunreinigtes (stark säurehaltiges) Chlorbenzol bei 130°C

GefügebildQuelle: Bayer AG

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