Under sent 1920 tal och tidigt 1930-tal uppfanns och utvecklades de första rostfria duplexa stålen av Avesta Järnverk här i Sverige (i dag Outokumpu).
I september 2020 var det 90 år sedan den första lanseringen på marknaden. De moderna rostfria duplexa stålen uppvisar fantastisk korrosionsbeständighet och hög hållfasthet. Sträckgränsen är i princip dubbelt så hög som motsvarande austenitiskt rostfria.
Under de senaste trettio-fyrtio åren har duplex rostfria stål vunnit marknadsandelar från de mer använda austenitiska rostfria stålkvaliteterna men även applikationer som tidigare byggdes i vanliga olegerade konstruktionstål byggs i dag i rostfria duplexa stål. Duplexa rostfria stål används övervägande i dag inom exempelvis papper och massa, avgasning av rökgaser (FGD Plants), avsaltningsanläggningar, konstgödselanläggningar, tankfartyg för kemikalier, olje- och gasindustrin men även för tillverkning av broar och andra svetsade strukturer.
Duplex har lägre nickelhalt
Trenden med att ta marknadsandelar kommer troligen också att accelerera kraftigt på grund av ökade råvarukostnader för bland annat nickel. Faktum är att moderna bilbatterier innehåller mycket av denna metall, en siffra man hittar på nätet är att ett batteri i en modern Tesla innehåller hela 46 kg nickel. Vissa experter förutspår att det år 2030 kommer att säljas 25 miljoner rena elbilar i världen, (exklusive eventuella så kallade laddhybrider). Matematiken och med framtidsspaning om ett kraftigt ökande världsmarknadspris på nickel blir med detta relativt logisk.
När detta är ett faktum och priserna rusar kommer den globala stålmarknaden som så många gånger förr att leta efter alternativ som innehåller mindre nickel för att ersätta de vanligare austentiska rostfria stålet. I många applikationer är det bästa alternativet just duplexa rostfritt stål.
Svetsbara moderna duplexa stål
De tidiga duplexa rostfria stålen var i princip inte svetsbara men under åren av utveckling hittade metallurgerna tekniker för att minska kolhalten samt legera med kväve för att kontrollera seghet och svetsbarhet. Enkelt förklarat förbättra kvävet bildandet av austenit. Kväve förhindrar att duplexmikrostrukturen återgår till full ferrit i den värmepåverkade zonen efter svetsning eller varmbearbetning. Kväve hjälper också materialen att motstå punktfrätning (pitting), spaltkorrosion, spänningskorrosion samt att öka hållfastheten. (läs mer om korrosion i svetsen nr 4 2017)
Generellt kan man säga att de duplexa rostfria stålen har bättre svetsbarhet än de Ferritiska rostfria stålen men inte lika bra som de vanliga austenitiska rostfria stålen. Som redan nämnts har de moderna kvävelegerade duplexa stålen bra svetsbarhet. Under svetsprocessen stelnar de duplexa stålen ferritiskt där austeniten växer till under svalning. Om avsvalningshastigheten är för snabb kommer ferrithalten att bli för hög vilket påverkar egenskaperna negativt. Tillsatsmaterialen är av denna anledning designade till att ge ett svetsgods med högre halt av nickel för att fasbalansen (austenit/ferrit) skall bli ungefär samma som hos grundmaterialet trots den snabba avsvalningen som sker vid svetsning. Av samma anledning bör inte de duplexa rostfria stålen svetsas utan tillsatsmaterial.
Bilder: Outokumpu
Tips och råd
Några tips och goda råd för att lyckas med svetsningen av duplexa rostfria stål.
En av de viktigaste skillnaderna är att inträngningen är sämre varvid fogberedningen bör anpassas med större vinkel, vanligen extra 10°, samt att rot/ spaltöppning alltid används, vanligen två till tre millimeter. Rätkanten ska även denna vara mindre och i de flesta fall används ingen rätkant alls. Många har genom året gjort misstaget att använda samma fogberedning för duplex som för austenitiska rostfria.
Tänk även på den höga hållfastheten hos materialet vid upphäftning, använd gärna lite större och fler häftor.
Korrekt sträckenergi
Man bör naturligtvis följa sina svetsprocedurer vilket inkluderar att använda korrekt sträckenergi, vanligen rekommenderas 0.5-2.5 kJ/mm för standard duplex och 0.2-1.5 kJ/mm för lean och superduplex. En annan viktig detalj som det ibland slarvas med är mellansträngstemperaturen. De duplexa rostfria stålen är lite känsligare än exempelvis austenitiska rostfria stål, vanliga rekommendationer är max 150° C för standard och lean och max 100° C för superduplex.
Temperaturintervallet 700-900° C är farligt för duplex då det kan bildas intermetalliskafaser som påverkar både slagseghet och korrosionsmotstånd.
Vid vanlig svetsning är tiden i detta temperaturintervall vanligen för kort för att standard duplex och lean duplex skall hinna bilda dessa faser men för de högre legerade, exempelvis flersträngsförfarande vid svetsning av superduplex är detta ett vanligt misstag. Minimera risken genom att svetsa en stor rotsträng med nära maximal heatinput, för efterföljande strängar används bara 70-80 procent i heatinput. Genom detta förfarande minimeras uppvärmingen av underliggande svetsgods och främst rotsträngen varvid risken minskar.
Små värmedeformationer
Risken för varmsprickor är också lägre jämfört med austenitiska rostfria stål eftersom stelnandet är ferritiskt och eftersom det finns austenit är risken för vätesprickor även den liten. En annan positiv skillnad man märker direkt när man duplexa rostfria stål är att värmeutvidgningskoefficienten är mycket mindre än i austenitiska rostfria stål, den ligger i nivå med vanligt kolstål för vilket medför att värmedeformationerna blir mindre.
Tillsatser av kväve i skyddsgasen motverkar bland annat bildningen av kromnitrider i den värmepåverkade zonen, (HAZ). Detta förbättrar förbandets korrosionmotstånd, seghet och hållfasthet. En vanlig blandning för TIG är Ar+2 procent N2+10-30 procent. He som skyddsgas där helium ökar energin i ljusbågen. Som rotgas har 90 procent N2+10 procent H2 uppvisat det bästa resultatet. Vid MIG svetsning används även Ar+30-40 procent He+1-3 Co2. Många gånger är det fördelaktigt att använda pulsning eller använda någon annan passande mer avancerad vågformstyrning på sin svetsströmkälla.
Det högre kväveinnehållet i grundmaterialet men även i svetsgodset ger högre känslighet mot porositet jämfört med svetsning av austenitiska rostfria stål. För tunna eller för tjocka strängar och fel utförd fogberedning som ökar uppblandningen med grundmaterialet ökar bland annat risken för porositet.
Artikeln har tidigare publicerats i tidningen Svetsen nr 2-2021
Författare
Johan Ingemansson, Lincoln Electric Nordic
