Duplex-teräs

Duplex-teräs on korroosiota kestävä teräs, jolla on austeniittis-ferriittinen mikrorakenne. Pääainesosat ovat kromi (Cr) ja nikkeli (Ni), mutta teräkseen voidaan lisätä erilaisia seosaineita, jotka parantavat teräksen korroosionkestoa ja antavat rakenteellista kestävyyttä. Tällaisia seosaineita ovat muun muassa typpi (N), molybdeeni (Mo), kupari (Cu), pii (Si) ja volframi (W). Duplex-teräksillä on erittäin hyvä jännitys- ja väsymiskorroosion kesto. Tämä mahdollistaa kyseisten terästen käyttämisen monissa eri sovelluskohteissa, joilta edellytetään hyvää korroosionkestokykyä. Duplex-teräkset voidaan luokitella niiden sisältämien seosaineiden ja korroosionkeston mukaan. Ryhmiä ovat Lean duplex, standard duplex, super duplex ja  hyper duplex. Duplex-teräksien ominaisuudet, kuten hyvä korroosionkesto, saavutetaan pienemmillä seosaineiden määrillä kuin vastaavien austeniittisten ruostumattomien terästen valmistaminen. Tämän takia duplex-teräkset ovat erittäin kustannustehokas vaihtoehto ruostumattomien teräksien käytölle.

Mikrorakenne 

Duplex-teräksillä on austeniittis-ferriittinen mikrorakenne. Mikrorakenteessa esiintyy ferriittirakeita austeniittisessa ruostumattomassa teräksessä. Tämän takia terästä kutsutaan ”duplex-teräkseksi”. Austeniitin ja ferriitin osuudet teräksessä ovat riippuvaisia seostuksesta ja käytetystä lämpökäsittelystä. Useasti austeniittia ja ferriittiä on mikrorakenteessa yhtä paljon. Duplex-teräksen sitkeys ja kovuus ovat riippuvaisia mikrorakenteessa esiintyvien ferriittirakeiden hienojakoisuudesta. Sitkeys esiintyy austeniittisten ja ferriittisten laatujen välissä. Tasapainopiirroksesta voidaan lukea, että duplex-teräkselle tyypillinen austeniittis-ferriittinen mikrorakenne saadaan aikaan kun kromipitoisuus on noin 21,5-25% ja nikkelipitoisuuden ollessa 1,5-7%. Kromi- ja nikkeliekvivalentit voidaan määrittää seuraavasti:

(Cr) eq = (%Cr) + 1,5(Si%) + (%Mo) + 0,5(%Nb) ja 
(Ni)eq = (% Ni) +0.5 (% Mn) +30 (% C).

Sulan faasin esiintyminen edellyttää noin >1500 °C:n lämpötilaa. Ternäärinen tasapainopiirros osoittaa myös, että pienet muutokset kromi-ja nikkelipitoisuudessa aiheuttavat suuret muutokset austeniitti-ja ferriittipitoisuuksiin.

Seosaineet 

Duplex-teräksissä on pääasiallisesti kromia (Cr) ja nikkeliä (Ni). Näiden lisäksi voidaan käyttää tiettyjä seosaineita tarvittavien ominaisuuksien saavuttamiseksi.

Kromi 
Kromia (Cr) on duplex-teräksissä pääasiallisesti noin 21-28%. Kromi muodostaa passiivisen kerroksen teräksen pinnalle, mikä tekee teräksestä ruostumattoman. Kromipitoisuuden on tällöin oltava vähintään 11%. Kromilla on myös ferriittifaasia stabiloiva vaikutus. Korkeissa lämpötiloissa lisätty kromi kasvattaa teräksen hapettumisenkestoa.

Nikkeli 
Nikkeliä (Ni) on duplex-teräksissä noin 1,5-7%. Nikkelin käyttö teräksessä lisää sen muokattavuutta ja hidastaa mahdollisesti jo alkanutta korroosiota. Nikkelillä on kromin tavoin puolestaan vaikutusta austeniittifaasin stabiloimisessa. Lisätty nikkeli edesauttaa ruostumattoman teräksen kiderakenteen muuttumista tilakeskeisestä kuutiollisesta pintakeskeiseen kuutiolliseen. Kiderakenteen muutos korreloi suoraan duplex-teräksen kovuuteen.

Typpi 
Typpi (N) lisää duplex-teräksen lujuutta ja hidastaa erityisesti pistekorroosion muodostumista. Typellä on myös austeniittifaasia stabiloivia ominaisuuksia. Hyvä hitsattavuus perustuu pääasiallisesti typen käyttöön seosaineena.

Molybdeeni 
Molybdeeniä (Mo) on duplex-teräksissä noin 1,5-3,5%. Molybdeeni seosaineena parantaa teräksen korroosionkestoa erityisesti kloridi-pitoisessa ympäristössä.

Kupari 
Kuparia (Cu) on duplex-teräksessä pääasiallisesti noin 0,5-2,0%. Kupari vähentää korroosiota erityisesti happopitoisessa ympäristössä esimerkiksi rikkihapon läsnä ollessa. Liian suuri kuparipitoisuus vaikeuttaa kuumamuokattavuutta teräksen kovettuvuutta.

Ominaisuudet 

Yleisesti hyvä korroosionkesto
Hyvä rako-ja piilokorroosionkesto
Hyvä jännitys-ja väsymiskorroosionkesto
Kestää hyvin hankausta ja kulutusta
Hyvä energian absorboimiskyky
Alhainen lämpölaajeneminen
Hyvä hitsattavuus

Duplex-teräksillä jännityskorroosionkesto on parempi kuin austeniittisilla laaduilla. Kaikilla austeniittisilla laaduilla on taipumusta jännityskorroosioon.

Käyttökohteet 

Duplex-teräksiä voidaan käyttää useissa eri sovelluksissa niiden hyvien mekaanisten ja kemiallisten ominaisuuksien vuoksi. Duplex-teräksien käyttöä kuitenkin rajoittaa lämpötila. Lämpötilan noustessa yli 250 °C:een voi duplex-teräksessä ilmetä haurastumista. Tyypillisimpiä käyttökohteita ovat mm:

Sellu-ja paperiteollisuudessa käytettävien laitteiden komponentit
Suolanpoistolaitoksissa
Öljyteollisuudessa esimerkiksi palamiskaasujen poistolaitteissa
Kemiallisia aineita kuljettavien tankkereiden säiliöissä ja putkistoissa
Rakenteet, jotka ovat meriveden kanssa vuorovaikutuksissa esimerkiksi sillat
Öljynporaslauttojen rakenteet
Rakennuselementit
Painekattilat
Säiliöt
Lämmönvaihtimet ja vedenlämmittimet

Valmistaminen 

Duplex-terästä valmistettaessa on tavoitteena valmistaa seos, jossa on n. 50% austeniittia ja 50% ferriittiä. Kaupallisten seosten suhde voi olla myös 40/60, eli 40% austeniittia ja 60% ferriittiä. Valmistusprosessi noudattaa yleistä ruostumattomien terästen valmistusta. Työstön vaiheita ovat mm. sulatus, valaminen, muotoilu, lämpökäsittely, leikkaus ja viimeistely. Lämpökäsittely on teräkselle välttämätön työstövaihe. Lämpökäsittelyssä (hehkutus) terästä kuumennetaan ja jäähdytetään valvotuissa olosuhteissa sisäisten jännitysten laukaisemiseksi. Lämpökäsittelyssä tulee ottaa huomioon haurautta aiheuttavan sigmafaasin muodostuminen. Sigmafaasi on kromin ja raudan välinen faasi, joka ilmenee työstölämpötilan ollessa 600-950 °C.  Sigmafaasilla on tetragonaalinen kiderakenne, jonka syntyä edesauttavat ferriitin stabiloijat Si ja Mo. Käytetty lämpökäsittely riippuu käytetyn materiaalin mikrorakenteesta.

Valmistajat 

Suomessa duplex-teräksiä valmistava yritys on Outokumpu Oyj.

Lähteet 
1.	http://www.outokumpu.com/applications/upload/pubs_610183542.pdf                    (viitattu 29.9.2010)

2.	http://www.outokumpu.com/applications/upload/pubs_322111122.pdf                 (viitattu 29.9.2010)

3.	http://www.imoa.info/moly_uses/moly_grade_stainless_steels/duplex_stainless_steel.html  (viitattu 29.9.2010)

4.	http://www.imoa.info/_files/stainless_steel/Duplex_Stainless_Steel_2d_Edition.pdf  (viitattu 29.9.2010)

Rakennusmateriaalit
Teräs