Welke schadelijke fasen worden binnen bepaalde temperatuurbereiken gemakkelijk neergeslagen in duplexstaal

Duplex roestvrij staal (DSS) wordt veel gebruikt in de olie- en gas-, chemische en offshore-engineeringsector vanwege zijn hoge sterkte en uitstekende corrosieweerstand. De hoge prestaties van DSS zijn echter afhankelijk van de nauwkeurig uitgebalanceerde microstructuur van austeniet (γ) en ferriet (δ). Wanneer DSS wordt blootgesteld aan of gedurende langere perioden binnen bepaalde temperatuurbereiken wordt gebruikt, valt de ferrietfase uiteen, waardoor verschillende "schadelijke fasen" ontstaan. Deze neerslagen tasten de mechanische taaiheid en corrosieweerstand van het materiaal ernstig aan en vormen een aanzienlijke bedreiging voor de betrouwbaarheid van technische toepassingen.

1. Brosheidsmoordenaar: neerslag van σ- en χ-fasen

Van alle schadelijke fasen is de σ-fase ongetwijfeld de meest bekende en destructieve.

Neerslagtemperatuurbereik: De σ-fase precipiteert voornamelijk tussen 600°C en 950°C, waarbij de neerslagkinetiek een piek bereikt rond 800°C tot 880°C.

Chemische samenstelling: σ-fase is een intermetallische verbinding die rijk is aan chroom (Cr) en molybdeen (Mo). Het ontstaat door de ontleding van δ-ferriet of de eutectoïde-ontledingsreactie op het grensvlak tussen δ-ferriet en γ-austeniet.

Prestatie-impact: De precipitatie van de σ-fase heeft een tweeledige impact op de technische eigenschappen van DSS. Ten eerste is de σ-fase zelf een harde en broze fase. De aanwezigheid ervan vermindert de slagvastheid van het materiaal sterk, waardoor het gevoelig wordt voor brosse breuk bij lage temperaturen of onder omstandigheden van spanningsconcentratie. Ten tweede verbruikt de σ-fase tijdens neerslag aanzienlijke hoeveelheden Cr en Mo uit de omringende δ-ferrietmatrix, wat resulteert in Cr- en Mo-verarmde gebieden rond de σ-fase. Deze uitgeputte gebieden verminderen de corrosieweerstand aanzienlijk en worden kwetsbaar voor putcorrosie en intergranulaire corrosie.

De Chi-fase is ook een Cr- en Mo-rijke intermetallische verbinding die zich doorgaans vormt binnen een vergelijkbaar temperatuurbereik als de σ-fase (700°C tot 900°C). De χ-fase precipiteert echter doorgaans bij voorkeur als een metastabiele fase aan het begin van de veroudering, en transformeert pas later in de stabielere σ-fase. De negatieve impact op de eigenschappen is vergelijkbaar met die van de σ-fase, wat leidt tot verbrossing en verminderde corrosieweerstand.

2. Verbrossing bij 475°C: een verborgen bedreiging bij lage temperaturen

Naast de σ-fase in gebieden met hoge temperaturen ervaart duplex roestvrij staal ook een gevarenzone bij lagere temperaturen, bekend als 475°C-verbrossing.

Neerslagtemperatuurbereik: Dit fenomeen doet zich voor tussen 350°C en 550°C, met een piek rond de 475°C.

Micromechanisme: Binnen dit temperatuurbereik ondergaat de delta-ferrietfase spinodale ontleding en valt uiteen in twee ferrietstructuren op nanoschaal: een chroomrijke α′-fase (Cr-rijke α′) en een chroomarme α-fase (Cr-arme α).

Prestatie-impact: Deze fasescheiding op nanoschaal verhoogt de hardheid en sterkte van het materiaal aanzienlijk, maar vermindert de impacttaaiheid scherp. Hoewel deze verbrossing bij lage temperaturen minder ernstig en diepgaand is dan precipitatie in de σ-fase op het gebied van corrosieweerstand, kan de chroomrijke α'-fase ook leiden tot een verhoogde gevoeligheid voor corrosie in bepaalde media. Het is vermeldenswaard dat spinodale ontleding doorgaans een lange verouderingsperiode vereist, maar de precipitatiekinetiek kan worden versneld in koud bewerkt materiaal.

3. Carbonitriden en secundair austeniet

Naast de hierboven genoemde primaire neerslagen kunnen zich onder bepaalde omstandigheden andere schadelijke fasen vormen:

Carbiden en nitriden: Tussen 550°C en 750°C kunnen chroomcarbiden (Cr23​C6​) of nitriden neerslaan. Hoewel het koolstofgehalte (C) van moderne DSS doorgaans op extreem lage niveaus wordt gehouden (≤0,03%), kunnen deze neerslagen zich nog steeds vormen aan de korrelgrenzen, waardoor Cr wordt verbruikt en een risico op intergranulaire corrosie ontstaat.

Secundair austeniet (γ2​): Tijdens de precipitatie van de σ-fase vormt de ontleding van δ-ferriet tegelijkertijd nikkelrijk secundair austeniet (γ2​). Hoewel γ2 zelf geen direct schadelijke fase is, is het vormingsmechanisme ervan nauw verbonden met het neerslaan van de σ-fase. De aanwezigheid ervan signaleert de ontbinding van δ-ferriet, wat indirect een verslechtering van de materiaaleigenschappen aangeeft.