Ensimmäinen duplex-teräs kehitettiin Ruotsissa noin 80 vuotta sitten, jotta päästiin eroon silloisten runsashiilisten austeniittisten laatujen ongelmasta, raerajakorroosiosta. Ensimmäiset duplex-valut tehtiin Suomessa ja ensimmäinen patentti tähän luokkaan kuuluville laaduille myönnettiin Ranskassa. Tämä ensimmäinen patentoitu laatu tunnetaan, tai tunnettiin, nimellä Uranus 50. Sitä ei varmaankaan tänä päivänä ylen määrin käytetä. Nykyään erilaisia laatuja on jo melko runsaasti ja käyttö lisääntyy jatkuvasti.
Austeniittis-ferriittisissä laaduissa on yleensä kromia 20-27 %, nikkeliä enintään noin 8 %, molybdeenia 1-5 % ja typpeä muutama prosentin kymmenys. Nykyään valmistetaan myös niin sanottuja lean-duplexeja, joiden seostus ei ole niin runsasta kuin perinteisesti ollaan duplexeissa totuttu näkemään. Lean-duplexien ominaisuudet ovat kuitenkin hyvät ja niiden hinta on hyvin samaa luokkaa kuin perinteisten austeniittisten laatujen, jopa alhaisempi. Alla on kuva siitä, mihin duplex-teräkset sijoittuvat kromi-nikkelipitoisuuden suhteen mikrorakenteet jakavassa kuviossa.
Kuva 1. Duplex-laatujen sijoittuminen suhteessa kromin ja nikkelin määrään on kuvattu oranssilla värillä.
Duplex-teräkset ovat monessa suhteessa erittäin käyttökelpoisia ominaisuuksiensa ansiosta. Ne ovat lujia tai erittäin lujia (myötölujuus noin 400 – 600 MPa), kestävät hyvin korroosiota eivätkä ole alttiita myöskään jännityskorroosiolle. Kylmämuokattavuus on hyvä ja ne ovat vieläpä hyvin hitsattavia, koska esimerkiksi varsinaista kuumahalkeiluvaaraa ei ole (tosin pitää tietää mitä tekee) – ominaisuudet ovat siis kaiken kaikkiaan erinomaiset. Huono puoli duplex-teräksissä on metallienvälisien yhdisteiden, karbidien ja nitridien syntyminen jo melko alhaisissa lämpötiloissa. Suositeltu korkein käyttölämpötila on esimerkiksi ASME-painelaitestandardien mukaan 315°C. Tämän lämpötilan yläpuolella on riski lähinnä molybdeenipohjaisten alfa-, sigma-, chi- ja lavesfaasien syntymiselle, jotka ovat erittäin hauraita ja aiheuttavat syntyessään ongelmia todellisissa sovelluksissa. Yleensä puhutaan vain yhteisnimityksellä sigmafaasin syntyminen ja/tai erikseen ns. 475°C-hauraus.
Alla on esitetty duplex-terästen kehittelypuu (kuva 2), johon on merkitty osa duplex-teräksistä. Punaisella kirjoitetut laadut luokitellaan usein super-duplex-teräksiksi ja vihreällä merkityt ovat lean-duplex laatuja. Laatikot, joissa on pelkkä USA:n standardimerkintä, esim. S33207, ovat hyper-duplex (punaisella) tai lean-duplex (vihreä) -laatuja, joita ei ole standardoitu Euroopassa. Lisäksi on olemassa joitakin kokonaan standardoimattomia ja melko tuntemattomia laatuja, esimerkkeinä Outokummun uudet FDX 25 & FDX 27, AK Steelin Nitronic D19 ja vaikkapa joustavaksi, merenpohjaan asennettavaksi putkimateriaaliksi kehitetty AL 2003™. Sinisellä värillä esitetyt laadut ovat ensimmäisen sukupolven teräksiä, joita käytetään nykyään jo melko vähän.
Ensimmäisissä duplex-teräksissä ongelmina olivat korroosionkeston menetys sekä haurastunut vyöhyke hitsauksen yhteydessä. Vuonna 1968 kehitetty AOD-tekniikka teräksen valmistukseen mahdollisti esimerkiksi typen käytön seosaineena ja syntyi ns. toisen sukupolven duplex-laadut. Noin kymmenen vuotta AOD-tekniikan keksimisen jälkeen kehitettiin vielä nykyäänkin ylivoimaisesti käytetyin laatu, 1.4462 (2205), joka on tummennettu kuvassa 2. Tämän laadun käyttö kattaa noin 70 % valmistettavasta duplexista. Austeniittis-ferriittisten terästen käyttö on toistaiseksi melko vähäistä ruostumattomien terästen kokonaiskäytön kannalta, ehkäpä muutamia prosentteja, mutta tullee varmasti lähivuosina kasvamaan huomattavasti. Alla olevassa kuvassa on käytetty pääasiassa standardoituja merkintöjä. Usein käytetään kuitenkin merkintöjä, joissa ilmoitetaan kromin ja nikkelin määrät peräkkäin prosentteina, esim. 2205 (22 % Cr + 05 % Ni), 2507 (25 % Cr + 07 % Ni), 2001 (20 % Cr + 01 % Ni).
Kuva 2. Duplex-laatujen kehittelypuu. Keskellä ylivoimaisesti käytetyin laatu 1.4462 (2205).
Duplex-teräkset voidaan jakaa esimerkiksi karkeasti kahteen eri luokkaan; duplex-teräkset & super-duplex-teräkset. Joskus jako tehdään kolmeen ryhmään, jolloin lisäksi käsitellään erikseen lean duplex-laatuja. Jossain saattaa nähdä jaon myös neljään luokkaan, jolloin laatu 2205 (1.4462) nostetaan aivan omaksi ryhmäkseen, koska sen käyttö on toistaiseksi niin ylivoimaista verrattuna muihin laatuihin.
Tavallisilla duplex-teräksillä tarkoitetaan pääosin laatuja 1.4462 ja 1.4460. Näistä kahdesta ehdottomasti yleisempi on nykyään laatu 1.4462, kuten jo aiemmin mainittiin. Syy siihen on melko yksiselitteinen – laadulla 1.4462 on paljon parempi hitsattavuus, eikä se kärsi juurikaan hitsauksen yhteydessä syntyvästä hauraasta vyöhykkeestä. Laatua 1.4460 on perinteisesti käytetty valutarkoituksiin ja se omaa hyvän tai jopa erinomaisen lastuttavuuden, joten sitä käytetään edelleen runsaasti lastuamista vaativissa tuotteissa – tosin 1.4462 on vallannut alaa myös sillä osa-alueella. Muita ns. tavallisia duplex-teräksiä ovat kuvassa esiintyvät sinisellä merkityt laadut tai niistä kehityt, päivitetyt versiot, esimerkiksi Sandvik 3RE60. Hinnaltaan normaalit duplex-teräkset ovat perusausteniittisia laatuja hieman kalliimpia, mutta usein lujuuden tuoman edun kautta kokonaiskustannukset saadaan hyvin samalle tasolle tai jopa alhaisemmiksi. Saatavuus on laadulla 1.4462 hyvä. Levymateriaalia on varastoituna 3 mm paksuudesta ylöspäin ja lisäksi on saatavissa sekä neliö- että pyöreää putkea sekä runsaasti putkiosia. Laatua 1.4460 on saatavissa lähinnä tankoina ja ainesputkina, mutta Euroopasta sitä levytavaranakin saa tilattua.
Lean-duplex laatuja on tullut viime vuosien aikana markkinoille melko runsaasti. Niiden pääasiallinen tarkoitus on syrjäyttää perinteiset austeniittiset laadut paremmilla mekaanisilla ominaisuuksillaan, kilpailukykyisellä hinnallaan sekä myös hintavakaudellaan. Lean-duplex laaduissa nikkelin määrä on pyritty minimoimaan seostamalla tilalle esimerkiksi mangaania tai typpeä. Näiden laatujen korroosionkesto on yleensä hyvin samalla tasolla kuin laatujen AISI 304 tai AISI 316. Esimerkiksi 1.4162 (LDX 2101) on korvannut molempia edellä mainittuja laatuja jo hyvin monessa kohteessa. Saatavuus ei kuitenkaan ole vielä ihan samalla tasolla kuin perinteisten laatujen, mutta lean-duplexeja varastoidaan Suomessa jo jonkin verran. Levytavarassa aivan ohuimmilla paksuuksilla (alle 3 mm) saatavuus on vielä heikohko. Jos tilattava määrä alle 3 mm vahvuudella on minimissään noin 11 tonnia, saa lean-laatuja jo kilpailukykyiseen hintaan haponkestävään laatuun AISI 316 verrattuna. Putkea on jo hyvin saatavilla ja myös neliöputkia valmistetaan lean-laaduista.
Superduplex-laatuja käytetään verrattaen vähän, koska niiden käyttökohteet rajoittuvat paikkoihin ja sovelluksiin joissa suurella lujuudella ja vaativalla korroosionkestolla on erittäin suuri merkitys. Super-duplex-laadut ovat yleisesti ottaen melko kalliita ja niiden saatavuus on hyvin tapauskohtainen. Esimerkiksi tuotemuoto, määrä ja tarvittava toimitusaika vaikuttavat vahvasti siihen, paljonko nämä laadut tulevat maksamaan. Usein esimerkiksi yksinkertaiset putkiosat, esimerkiksi hitsinipat, joudutaan valmistamaan tangosta tai ainesputkesta, koska valmiita osia on erittäin huonosti saatavilla. On myös kehitetty ja valmistettu niin kutsuttuja hyper-duplex-laatuja (kuvassa 2 punaisella, pelkkä ASTM-standardi), joiden käyttö on toistaiseksi rajoittunut tutkimuskäyttöön tai yksittäisiin erikoistapauksiin. Seosaineita näissä laaduissa on erittäin paljon – kromia vähintään 25 %, nikkeliä 6 – 8 %, molybdeeniä 3 – 5 % ja lisäksi typpiseostus lisäämään korroosionkestoa, lisäämään lujuutta ja ehkäisemään hauraiden faasien syntymistä. Lisäksi seosaineina voi olla volframia, kuparia tai muita metalleja tuomaan tiettyjä ominaisuuksia.
Kaiken kaikkiaan duplex-teräksien kehittämiseen panostetaan tällä hetkellä paljon ja vaikuttaa siltä, että niiden käyttö lisääntyy lähivuosina tai viimeistään lähivuosikymmeninä huomattavasti. Tärkeimpinä etuina voidaan luetella erinomainen lujuus-paino-suhde yhdistettynä hyvään tai erinomaiseen korroosionkestoon, unohtamatta kylmämuovattavuutta ja hyvää hitsattavuutta.
—
Lähteet:
[1] Cunat P-J., The Euro Inox Handbook of Stainless Steel. 2002, Brysseli: Euro Inox.
[2] Dunn J. J. & Hasek D. R., AL 2003™ (S32003) Lean Duplex Case Study: Flexible Flowlines for an Offshore Oil Field Development. 2007 (viitattu 24.3.2014). Konferenssijulkaisu, saatavissa http://www.atimetals.com/markets/oilandgas/Documents/Flexible%20Flowlines.pdf
[3] Gagnepain J-C., Duplex Stainless Steels: Success Story and Growth Perspectives. 2008, Ranska: ArcelorMittal.
[4] International Molybdenum Association, Practical Guidelines for the Fabrication of Duplex Stainless Steels. 2009, Lontoo: IMOA
[5] International Molybdenum Association, Duplex Stainless Steel. (viitattu 24.3.2014) http://www.imoa.info/molybdenum_uses/moly_grade_stainless_steels/duplex_stainless_steel.php
[6] Lukkari J., Kyröläinen A., Ruostumattomat teräkset ja niiden hitsaus. 2002, Helsinki: Metalliteollisuuden keskusliitto, MET
[7] Outokumpu, Duplex Stainless Steel. 2013 (viitattu 24.3.2014) http://www.outokumpu.com/SiteCollectionDocuments/Outokumpu-Duplex-Stainless-Steel-Data-Sheet.pdf
