Duplex

In der Metallurgie bezeichnet Duplex einen nichtrostenden Stahl oder eine Nickellegierung, die aus annähernd gleichen Anteilen zweier unterschiedlicher Kristallphasen besteht: Austenit und Ferrit. Diese Zweiphasen-Mikrostruktur wird typischerweise durch kontrollierte Abkühlung und Zusammensetzungsausgleich erreicht und verleiht Duplex-Edelstählen Eigenschaften, die keine der beiden Phasen allein besitzt. Gängige Duplex-Sorten enthalten 22, 26% Chrom, 5, 8% Nickel und 3, 5% Molybdän, wobei Stickstoff zur Stabilisierung des Austenits und zur Verfestigung des Stahls zulegiert wird.

Die Duplex-Struktur bietet eine praktische Kombination aus Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit. Die Streckgrenze liegt typischerweise zwischen 450 und 550 MPa, etwa doppelt so hoch wie bei standardmäßigen austenitischen Edelstählen wie 304. Die Lochkorrosionsresistenzäquivalentzahl (PREN) erreicht 35 oder höher bei schlanken Duplex-Sorten und übersteigt 40 bei Super-Duplex-Formulierungen, was diese Legierungen für Meerwasserumgebungen und chloridhaltigen industriellen Einsatz geeignet macht, wo einphasige austenitische Stähle versagen.

Varianten und Anwendungen

Schlanke Duplex-Stähle (22% Chrom, ~3% Molybdän) balancieren Kosten und Leistung für Zellstoffmühlen, Wasseraufbereitungsanlagen und Wärmetauscher. Super-Duplex-Sorten (25, 26% Chrom, 4, 5% Molybdän) werden in der Öl- und Gassubseeindustrie, in hochtemperatur-korrosiven Rohrleitungen und in Entsalzungsanlagen eingesetzt. Hyper-Duplex-Varianten existieren für extreme Umgebungen, sind aber in der Produktion selten.

Die Herausforderung der Duplex-Metallurgie liegt in Schweißen und Wärmebehandlung. Schnelle Abkühlung fördert Ferrit gegenüber Austenit, hinterlässt spröde ferritische Phasen und mindert die Zähigkeit. Intermetallische Sigma-Phase kann oberhalb von 700°C ausfallen und das Metall verspröden. Kontrollierte Wärmeeingabe, Vorwärmen und Nachwärmen um 1080°C sind erforderlich. Kaltverformung und Lösungsglühen erfordern ebenfalls Präzision, um das beabsichtigte Phasengleichgewicht zu bewahren.

Duplex-Edelstahl kam in den 1930er Jahren in industriellen Gebrauch, blieb aber nischenhaft, bis in den 1970er Jahren Fortschritte in der Stickstofflegierung und Schweißtechnik die Produktion zuverlässig machten. Der Name spiegelt die Mikrostruktur direkt wider: zwei unterschiedliche Kristallstrukturen, die unter optischem Mikroskop sichtbar sind und jeweils etwa die Hälfte des Volumens einnehmen. Dies unterscheidet sich von austenitischen Edelstählen, die einphasig sind, und ferritischen Edelstählen, die ebenfalls einphasig sind. Duplex-Legierungen nehmen eine Mittelposition ein und haben einen wachsenden Anteil am korrosionsbeständigen Edelstahlmarkt erobert, besonders in der Offshore- und Entsalzungsindustrie.