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Duplex-Edelstahl (DSS) wird aufgrund seiner hohen Festigkeit und hervorragenden Korrosionsbeständigkeit häufig in den Bereichen Öl und Gas, Chemie und Offshore-Technik eingesetzt. Die hohe Leistung von DSS beruht jedoch auf seiner präzise ausgewogenen Mikrostruktur aus Austenit (γ) und Ferrit (δ). Wenn DSS über einen längeren Zeitraum bestimmten Temperaturbereichen ausgesetzt oder betrieben wird, zersetzt sich die Ferritphase und es entstehen verschiedene „schädliche Phasen“. Diese Ausscheidungen beeinträchtigen die mechanische Zähigkeit und Korrosionsbeständigkeit des Materials erheblich und stellen eine erhebliche Bedrohung für die Zuverlässigkeit technischer Anwendungen dar.
1. Sprödigkeitskiller: Ausfällung von σ- und χ-Phasen
Von allen schädlichen Phasen ist die σ-Phase zweifellos die bekannteste und destruktivste.
Niederschlagstemperaturbereich: Die σ-Phase fällt hauptsächlich zwischen 600 °C und 950 °C aus, wobei die Niederschlagskinetik ihren Höhepunkt bei etwa 800 °C bis 880 °C erreicht.
Chemische Zusammensetzung: Die σ-Phase ist eine intermetallische Verbindung, die reich an Chrom (Cr) und Molybdän (Mo) ist. Es entsteht durch die Zersetzung von δ-Ferrit oder die eutektoide Zersetzungsreaktion an der Grenzfläche zwischen δ-Ferrit und γ-Austenit.
Auswirkungen auf die Leistung: Die Ausfällung der σ-Phase hat einen zweigleisigen Einfluss auf die technischen Eigenschaften von DSS. Erstens ist die σ-Phase selbst eine harte und spröde Phase. Sein Vorhandensein verringert die Schlagzähigkeit des Materials erheblich und macht es bei niedrigen Temperaturen oder unter Spannungskonzentrationsbedingungen anfällig für Sprödbruch. Zweitens verbraucht die σ-Phase während der Ausfällung erhebliche Mengen an Cr und Mo aus der umgebenden δ-Ferritmatrix, was zu Cr- und Mo-armen Regionen rund um die σ-Phase führt. Diese verarmten Bereiche verringern die Korrosionsbeständigkeit erheblich und werden anfällig für Lochfraß und interkristalline Korrosion.
Die Chi-Phase ist ebenfalls eine Cr- und Mo-reiche intermetallische Verbindung, die sich typischerweise in einem ähnlichen Temperaturbereich wie die σ-Phase (700 °C bis 900 °C) bildet. Allerdings fällt die χ-Phase typischerweise zu Beginn der Alterung bevorzugt als metastabile Phase aus und wandelt sich erst später in die stabilere σ-Phase um. Sein negativer Einfluss auf die Eigenschaften ähnelt dem der σ-Phase und führt zu Versprödung und verminderter Korrosionsbeständigkeit.
2. Versprödung bei 475 °C: Eine versteckte Gefahr bei niedrigen Temperaturen
Zusätzlich zur σ-Phase in Hochtemperaturbereichen weist Duplex-Edelstahl auch bei niedrigeren Temperaturen eine Gefahrenzone auf, die als Versprödung bei 475 °C bekannt ist.
Niederschlagstemperaturbereich: Dieses Phänomen tritt zwischen 350 °C und 550 °C auf, wobei der Höhepunkt bei etwa 475 °C liegt.
Mikromechanismus: Innerhalb dieses Temperaturbereichs unterliegt die Delta-Ferrit-Phase einer spinodalen Zersetzung und zerfällt in zwei nanoskalige Ferritstrukturen: eine chromreiche α′-Phase (Cr-reiches α′) und eine chromarme α-Phase (Cr-armes α).
Auswirkungen auf die Leistung: Diese nanoskalige Phasentrennung erhöht die Härte und Festigkeit des Materials erheblich, verringert jedoch seine Schlagzähigkeit erheblich. Während diese Niedertemperaturversprödung weniger schwerwiegend und weitreichend auf die Korrosionsbeständigkeit einwirkt als die Ausfällung der σ-Phase, kann die chromreiche α′-Phase in bestimmten Medien auch zu einer erhöhten Korrosionsanfälligkeit führen. Es ist zu beachten, dass die spinodale Zersetzung typischerweise eine lange Alterungszeit erfordert, die Ausfällungskinetik jedoch in kaltverformtem Material beschleunigt sein kann.
3. Carbonitride und Sekundäraustenit
Zusätzlich zu den oben genannten Primärniederschlägen können sich unter bestimmten Bedingungen weitere schädliche Phasen bilden:
Karbide und Nitride: Zwischen 550 °C und 750 °C können sich Chromkarbide (Cr23C6) oder Nitride ausscheiden. Obwohl der Kohlenstoffgehalt (C) moderner DSS typischerweise auf einem extrem niedrigen Niveau (≤ 0,03 %) gehalten wird, können sich diese Ausscheidungen dennoch an den Korngrenzen bilden, wodurch Cr verbraucht wird und die Gefahr einer interkristallinen Korrosion besteht.
Sekundäraustenit (γ2): Bei der Ausscheidung der σ-Phase entsteht durch die Zersetzung von δ-Ferrit gleichzeitig nickelreicher Sekundäraustenit (γ2). Während γ2 selbst keine direkt schädliche Phase ist, ist sein Bildungsmechanismus eng mit der Ausfällung der σ-Phase verknüpft. Sein Vorhandensein signalisiert die Zersetzung von δ-Ferrit, was indirekt auf eine Verschlechterung der Materialeigenschaften hinweist.
