Дуплексная сталь: 2205 и 2507 — состав, свойства, где применяют

Что такое дуплексная сталь

Дуплексная, или аустенитно-ферритная, нержавейка — сталь, в структуре которой одновременно есть аустенит и феррит. ГОСТ 5632-2014 относит к аустенито-ферритному классу стали, в которых феррита больше 10 %. Промышленные дуплексы балансируют ближе к равным долям: по данным IMOA, свойства сохраняются, пока каждой фазы 30–70 %, а у современного 2205 феррита обычно 40–50 %.

Баланс фаз задают легированием. Хром и молибден стабилизируют феррит, никель и азот — аустенит. Хрома в дуплексе обычно не меньше 20 %, никеля — около 1,5–7 %, тогда как хромоникелевым сталям серии 300 нужно от 6 % никеля. Азот — самый сильный упрочнитель твёрдого раствора, к тому же он замедляет выделение вредных фаз при сварке. Чем дуплекс отличается от других классов в целом — в статье виды нержавеющей стали.

Первые дуплексы выплавили в Швеции в 1930 году для сульфитной целлюлозной промышленности. Второе поколение, легированное азотом, появилось в конце 1970-х, когда осваивали месторождения Северного моря: азот приблизил вязкость и коррозионную стойкость околошовной зоны к основному металлу. По данным IMOA, на 2205 приходится почти 60 % потребления дуплекса.

Состав 2205, 2507 и lean-дуплексов

Названия марок отражают номинальный состав: 2205 — около 22 % хрома и 5 % никеля, 2507 — 25 % хрома и 7 % никеля, 2304 — 23 % и 4 %. Это не номера AISI, а сложившиеся обозначения: «2205» может означать и S31803, и S32205, поэтому в заказе надёжнее указывать номер UNS или EN.

Кремния в дуплексах по ASTM A240 до 1,00 % (у 2507 — до 0,80 %), фосфора — до 0,030–0,040 %, серы — до 0,020–0,030 %. У 2205 две версии. Исходная S31803 допускает азот от 0,08 %, и, по данным IMOA, при азоте у нижней границы металл нестабильно вёл себя при термообработке и сварке. Практика показала, что для сварных конструкций нужно не меньше 0,14 % азота, — так появилась S32205 с более узкими диапазонами. Современный 2205 обычно выплавляют по составу S32205.

Европейские обозначения по EN 10088: 2205 — 1.4462 (X2CrNiMoN22-5-3), 2507 — 1.4410 (X2CrNiMoN25-7-4), 2304 — 1.4362 (X2CrNiN23-4), 2101 — 1.4162 (X2CrMnNiN21-5-1). По хрому (21–23 %) и молибдену (2,5–3,5 %) 1.4462 совпадает с S31803, азота допускает 0,10–0,22 %. Прокат по ASTM выпускают по отдельным стандартам: лист — A240, пруток — A276 и A479, трубы — A789 и A790, поковки и фланцы — A182 (F51 — S31803, F60 — S32205, F53 — S32750).

Российские аналоги по ГОСТ 5632-2014

В ГОСТ 5632-2014 к аустенито-ферритному классу отнесено 11 марок. Ближайший аналог 2205 — 03Х22Н5АМ3: по основным элементам, включая азот 0,08–0,20 %, её состав совпадает с S31803, а серы ГОСТ допускает меньше — до 0,015 %. Приложение А называет её сталью для трубных систем теплообменного оборудования атомных энергетических установок (АЭУ) с повышенной стойкостью в водных средах с хлор-ионами. Супердуплекса типа 2507 с 24–26 % хрома и 0,24–0,32 % азота в ГОСТ 5632-2014 нет — его заказывают по ASTM или EN.

В марках 03Х23Н6, 03Х22Н6М2 и сталях с титаном азот не нормирован, поэтому прямыми аналогами 2304 или 2205 их считать нельзя. В тот же класс ГОСТ относит и жаростойкие стали вроде 20Х23Н13 (аналог 309S) — к коррозионно-стойким дуплексам они не относятся.

Прочность: сравнение с 304L и 316L

По IMOA, предел текучести дуплекса после закалки более чем вдвое выше, чем у аустенитных сталей без азота. На практике это позволяет уменьшить толщину стенки сосуда, трубы или листа при той же нагрузке, если конструкцию не ограничивают устойчивость и жёсткость.

По EN 10088-2 для горячекатаного листа требования близкие: 1.4362 — σ0,2 от 400 МПа и σв от 630 МПа, 1.4462 — от 460 и 640 МПа, 1.4410 — от 530 и 730 МПа. Удлинение у 1.4362 и 1.4462 — от 25 %, у 1.4410 — от 20 %.

У прочности есть обратная сторона. Пластичность дуплекса примерно вдвое ниже, чем у аустенита: при гибке нужны большие радиусы и усилия, пружинение сильнее. Предельная толщина реза на гильотине, по IMOA, — около 75 % от толщины для 304 и 316, для супердуплекса — около 65 %. Ударную вязкость дуплекс хорошо сохраняет до −40 °C, но в отличие от аустенита у него есть переход в хрупкое состояние.

• Физические свойства. По данным Outokumpu, у 2101, 2304, 2205 и 2507 плотность 7,8 г/см³, модуль упругости 200 ГПа, теплопроводность около 15 Вт/(м·К). Коэффициент теплового расширения при 20–100 °C — 13 × 10⁻⁶ 1/К против 16,4 × 10⁻⁶ у AISI 304 (IMOA), поэтому локальные термические напряжения у сварных швов ниже, чем у аустенита.
• Магнитность. Из-за феррита дуплекс ферромагнитен и притягивает магнит. Отличить им 2205 от ферритной стали или от 2507 нельзя. Долю феррита в шве измеряют ферритометром в единицах FN по AWS A4.2 или EN ISO 8249.

Коррозионная стойкость: PREN, КРН, кислоты

Стойкость к питтингу и щелевой коррозии определяют хром, молибден и азот. Для сравнения марок используют индекс PREN — формула и критическая температура питтинга разобраны в статье питтинговая коррозия. Здесь — только цифры по дуплексам.

По оценке Outokumpu, в растворах хлоридов 2101 стойче 304L, а в отдельных случаях не уступает 316L; 2304 в большинстве случаев равноценна 316L; 2205 и 2507 заметно выше. Для погружения в морскую воду со щелями нужен PREN больше 40, то есть супердуплекс. Какая марка нужна для атмосферы, брызг и погружения — в статье нержавейка для морской воды.

• Коррозионное растрескивание под напряжением. Главное преимущество дуплекса перед 304 и 316. Если феррита в структуре не меньше 30 %, сталь намного устойчивее аустенита к хлоридному КРН (IMOA). В испытании каплями раствора NaCl при 120 °C дуплекс растрескивается при напряжениях, составляющих гораздо большую долю предела текучести, чем 316. Поэтому его рассматривают там, где 304 и 316 уже трескались, например для горячих поверхностей под теплоизоляцией.
• Кислоты. В серной кислоте 2205 и 2507 при концентрации примерно до 15 % превосходят многие высоконикелевые аустенитные стали и лучше 316 и 317 минимум до 30 % при 20 °C. Высокий хром помогает в окислительных кислотах. В серной кислоте средней концентрации и в соляной кислоте никеля для дуплекса не хватает.
• Межкристаллитная коррозия. Углерода в современных марках не больше 0,030–0,040 %, и двухфазная структура хорошо сопротивляется МКК (Outokumpu).
• Водород. Феррит склонен к водородному охрупчиванию, поэтому в средах с наводороживанием дуплекс применяют только после оценки условий. Самый известный пример — высокопрочные скважинные трубы для газа с небольшим содержанием сероводорода и рассола: для 2205 здесь есть диаграммы допустимых температур и давлений H₂S.

Сварка дуплексной стали

Главная задача при сварке — сохранить баланс фаз в шве и околошовной зоне и не допустить выделения сигма-фазы и нитридов хрома. Слишком малая погонная энергия даёт шов и зону термического влияния с избытком феррита: падают вязкость и коррозионная стойкость. Слишком большая — повышает риск интерметаллидов. Поэтому режим задают диапазоном.

• Подогрев не нужен и может навредить. Допустим только чтобы убрать влагу — равномерно, примерно до 100 °C.
• Присадка «перелегирована» никелем: в ней на 2–4 % больше никеля, чем в основном металле, чтобы в шве образовалось достаточно аустенита. Шов без присадки получается почти ферритным — после такой сварки нужна закалка. Исключение — 2101: по Outokumpu, в ряде случаев её варят без присадки.
• Защитный газ — аргон. Добавка азота (1–2 % по Outokumpu для TIG и плазмы, до 3 % по IMOA) помогает удержать азот в шве. Водород в защитный и поддувочный газ не добавляют из-за риска водородного охрупчивания феррита, кислород и CO₂ снижают стойкость шва.
• Поджиги дуги вне разделки дают участки с очень быстрым охлаждением и избытком феррита — их делают только в самом шве.
• Термообработка после сварки для снятия напряжений не нужна и вредна: нагрев выше 315 °C грозит выделением вредных фаз. Если термообработка необходима — только полная закалка с быстрым охлаждением в воде.
• Разнородные соединения. С углеродистой сталью дуплекс варят присадками 309L, 309LMo или дуплексной 2209, с аустенитом 304 и 316 — чаще всего 309LMo (IMOA, Outokumpu).

Если вязкость и стойкость шва подтверждены испытаниями, IMOA считает приемлемой долю феррита в нём 25–75 %, по магнитным измерениям — FN 30–90. Отсутствие интерметаллидов проверяют коррозионным испытанием по ASTM A923, метод C: основной металл 2205 испытывают при 25 °C, шов — при 22 °C, основной металл 2507 — при 40 °C. Общие правила сварки нержавейки — в статье как варить нержавейку.

Ограничения по температуре

Верхний предел у дуплекса низкий из-за охрупчивания 475 °C. При 300–525 °C в феррите выделяется α-штрих-фаза: сначала растёт твёрдость, затем падает ударная вязкость. Благодаря аустениту эффект слабее, чем у чисто ферритных сталей, но он затрагивает все дуплексы, сильнее — молибденовые. При 700–1000 °C за минуты образуются сигма- и хи-фазы: они снижают и вязкость, и стойкость к питтингу, а убрать их можно только повторной закалкой.

У lean-дуплекса 2304 предел TÜV — 300 °C, при сварке присадкой 2205/2209 — 250 °C. Российский ГОСТ 5632-2014 для 08Х22Н6Т ограничивает рабочую температуру сварной аппаратуры 300 °C. Для печей, выхлопа и других горячих узлов дуплекс не подходит — там работают жаростойкие аустенитные марки.

Прокат дуплекса поставляют закалённым: толстый лист после нагрева охлаждают в воде, тонкий рулонный — на воздухе. Чем быстрее металл проходит интервал 700–1000 °C, тем меньше риск сигма-фазы. После горячей гибки или штамповки деталь снова закаливают, а в печь её загружают горячей, чтобы не греть медленно через опасный интервал (IMOA).

Где применяют дуплексную сталь

• Нефтегаз. Промысловые и технологические трубопроводы, сепараторы, скрубберы, насосы; на шельфе — насосно-компрессорные трубы, манифольды, узлы фонтанной арматуры. 2205 широко применяли на морских платформах для промысловых газопроводов и технологических линий: высокая прочность позволила уменьшить толщину стенок и массу. Из супердуплекса делают прутки, поковки, крепёж и трубки управляющих шлангокабелей.
• Опреснение. Корпуса испарителей установок MSF и MED. В 2003 году 2205 выбрали для цельнодуплексных испарителей станций Melittah и Zuara в Ливии. С 2004 года испарители собирают из двух марок: 2205 — для самых агрессивных зон, более экономный lean-дуплекс — для остальных. По такой схеме из 2205 и S32101 построены Taweelah B (Абу-Даби), Jebel Ali L2 (Дубай) и Ras Abu Fontas B2 (Катар).
• Химия и перевозка химгрузов. Грузовые танки химовозов, сосуды, теплообменники, насосы, фланцы и арматура.
• Целлюлозно-бумажная промышленность. Варочные котлы, отбельное оборудование, резервуары для щёлоков. Дуплекс заменил здесь аустенит и углеродистую сталь: при том же давлении стенка тоньше, меньше сварки.
• Мосты и архитектура. На мост Стоункаттерс в Гонконге в 2006 году ушло 2000 т листа и труб 2205, на мост Helix в Сингапуре — 570 т 2205. Кровлю нового аэропорта Дохи площадью около 195 000 м² сделали из lean-дуплекса S32003 — примерно 1600 т. Дуплекс применяют и как арматуру для мостовых плит.
• Пищевые ёмкости. Lean-дуплекс S32101 и 2304 ставят в резервуары для продуктов и вина как более дешёвую замену 304 и 304L.

Логика выбора простая. Lean-дуплекс заменяет 304L и 316L там, где важна прочность или есть риск КРН. 2205 берут, когда 316L не хватает стойкости к хлоридам или нужна вдвое большая прочность при рабочей температуре до 250–315 °C. 2507 — для морской воды со щелями, горячих рассолов и других сред, где требуется PREN больше 40.