2205 vs 2507 – Zusammensetzung, Wärmebehandlung, Eigenschaften und Anwendungen

Einleitung

Duplex-Edelstähle 2205 und 2507 werden häufig gegeneinander abgewogen, wenn Konstrukteure und Einkaufsteams Korrosionsbeständigkeit, mechanische Festigkeit, Schweißbarkeit und Lebenszykluskosten in Einklang bringen müssen. Typische Anwendungskontexte umfassen Offshore-Rohrleitungen und Aufbauten, Chemieanlagenkonstruktion, druckführende Bauteile und jegliche Anwendung, bei der Spannungsrisskorrosion oder Lochfraß in chloridhaltiger Umgebung eine Rolle spielen.

Der wesentliche praktische Unterschied liegt darin, dass 2507 eine „Super-Duplex“-Legierung mit einem höheren Legierungsgehalt (insbesondere Chrom, Molybdän und Stickstoff) sowie entsprechend höherer Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit ist, während 2205 ein weit verbreiteter Duplex-Stahl ist, der eine wirtschaftliche Balance zwischen Zähigkeit, Verformbarkeit und Korrosionsbeständigkeit bietet. Diese Unterschiede machen 2205 und 2507 zu gängigen Alternativen für ähnliche Einsatzbereiche, wobei die Auswahl von der relativen Bedeutung von Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit im Vergleich zu Kosten und Fertigungserleichterungen abhängt.

1. Normen und Bezeichnungen

• Gängige Normen und Bezeichnungen:
• ASTM/ASME: 2205 (UNS S32205 / S31803 Varianten), 2507 (UNS S32750 / S32760 je nach chemischer Zusammensetzung)
• EN: 1.4462 (2205), 1.4410 / 1.4501 werden teilweise für Super-Duplex-Varianten (2507-Familienäquivalente) herangezogen
• JIS/GB: nationale Äquivalente existieren, für internationale Beschaffung sind jedoch UNS/EN/ASTM maßgeblich
• Klassifikation:
• Beide, 2205 und 2507, sind Edelstähle, genauer gesagt Duplex-Edelstähle mit einer Mischstruktur aus Austenit und Ferrit. Sie sind keine Kohlenstoffstähle, Werkzeugstähle oder HSLA-Legierungen.

2. Chemische Zusammensetzung und Legierungsstrategie

Die nachfolgende Tabelle zeigt typische Bereichswerte der Hauptlegierungselemente, mit denen sich 2205 (Standard-Duplex) von 2507 (Super-Duplex) unterscheidet. Die Werte sind gewichtsprozentuale typische Bereichswerte und repräsentativ für den Industriebetrieb; genaue Grenzen hängen von Spezifikationen und Hersteller ab.

Einfluss der Legierungselemente auf die Eigenschaften: - Chrom erhöht die Stabilität der Passivschicht sowie die allgemeine und Lochfraßkorrosionsbeständigkeit. - Molybdän verbessert die Beständigkeit gegen Lochfraß- und Spaltkorrosion und trägt zum PREN bei. - Stickstoff ist ein starker Austenitstabilisator in Duplexlegierungen, erhöht die Streckgrenze, verbessert die Lochfraßbeständigkeit und reduziert den erforderlichen Nickelgehalt. - Nickel balanciert das Phasenverhältnis (fördert Austenit) und verbessert die Zähigkeit. - Der höhere Gehalt an Cr, Mo und N in 2507 führt zu verbesserter Korrosionsbeständigkeit und höherer Festigkeit (aber auch höherer Härtbarkeit).

3. Mikrostruktur und Wärmebehandlung

• Typische Mikrostrukturen:
• Beide Güten sind auf eine zweiphasige Mikrostruktur von ca. 50 % Ferrit und 50 % Austenit im lösungsgeglühten Zustand ausgelegt. Das genaue Phasenverhältnis hängt von Chemie und Wärmebehandlung ab.
• 2205 erreicht typischerweise mit konventionellen Schmelzverfahren ein stabiles Duplex-Gleichgewicht; 2507 erfordert eine engere Kontrolle von Zusammensetzung und thermischer Bearbeitung, um übermäßigen Ferritgehalt zu vermeiden und ausreichende Austenitbildung sicherzustellen.
• Wärmebehandlung und Verarbeitung:
• Standard-Aufarbeitung/Lösungsgeglühter Zustand: Erhitzen im Lösungsanlassbereich (üblich ≈ $1020–1100^\circ\text{C}$), gefolgt von Schnellabschreckung (Wasserabschrecken), um Duplex-Balance wiederherzustellen und intermetallische Phasen aufzulösen.
• Thermo-mechanische Verarbeitung (kontrolliertes Walzen, Schmieden) beeinflusst Phasengröße und -verteilung; beide Güten können als Bleche und Stäbe mit gewünschten mechanischen Eigenschaften durch kontrollierte Walz- und Glühzyklen hergestellt werden.
• Auslagerung oder langsames Abkühlen durch den Bereich $300–1000^\circ\text{C}$ fördert intermetallische Phasen (Sigma, Chi) und Nitridbildung, die das Material verspröden – 2507 benötigt aufgrund des höheren Legierungsgrades strenge Temperaturkontrolle, um diese Ausscheidungen zu vermeiden und Zähigkeit zu erhalten.
• Härtbarkeit:
• Der höhere Legierungsgehalt und Stickstoffgehalt von 2507 erhöhen die Härtbarkeit; dies beeinflusst das Schweiß-Zonengebiet (HAZ) und fördert höhere Festigkeit in den ausgekühlten Zonen.

4. Mechanische Eigenschaften

Nachfolgend sind repräsentative Bereiche mechanischer Eigenschaften für lösungsgeglühte Produktformen (Blech, Stab oder Rohr) dargestellt. Tatsächliche Werte hängen von Produktform, Verarbeitung und Prüfnorm ab.

Interpretation: - Festigkeit: 2507 ist signifikant fester in Streck- und Zugfestigkeit aufgrund des höheren Mo/Cr/N-Gehalts und Stickstoffs; dies macht es attraktiv bei hohen Auslegungsbeanspruchungen oder dünneren Bauteilen. - Zähigkeit & Verformbarkeit: 2205 bietet generell bessere Verformbarkeit und behält tendenziell höhere Kerbschlagzähigkeit, insbesondere nach der Fertigung. 2507 kann weniger duktil sein und ist empfindlicher gegenüber Versprödung durch intermetallische Phasen bei unsachgemäßer Verarbeitung. - Das Verhältnis von Festigkeit zu Zähigkeit ist zentral: 2507 bringt Festigkeits- und Korrosionsbeständigkeitsvorteile auf Kosten einer etwas schwereren Bearbeitung und potenziell geringerer Kerbschlagzähigkeit bei niedrigen Temperaturen, sofern nicht korrekt verarbeitet.

5. Schweißbarkeit

Bei der Schweißbarkeit von Duplex-Edelstählen sind Kohlenstoffäquivalent/Härtbarkeit und Kontrolle der Phasenbalance zu berücksichtigen.

Nützliche Schweißbarkeitsindizes: - Kohlenstoffäquivalent (IIW):
$$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Pitting Resistant Equivalent Number (PREN), häufig für Edelstahl genutzt:
$$\text{PREN} = \text{Cr} + 3,3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ - Deformationssensitive Formel zur Neigung zu Schweißrissen:
$$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

Qualitative Interpretation: - 2205: Gute Schweißbarkeit für eine Duplexgüte bei Verwendung geeigneten Zusatzwerkstoffs und kontrollierter Schweißparameter. Niedrigerer Legierungsgehalt und mittlerer Stickstoffanteil erleichtern das Erreichen eines akzeptablen Ferrit-/Austenitverhältnisses im Wärmeeinflussbereich (HAZ) gegenüber Super-Duplex. Vorerwärmung oft nicht notwendig; Kontrolle von Wärmeinput und Zwischenlagentemperatur ist wichtig. - 2507: Anspruchsvollere Schweißbarkeit. Höherer Legierungs- und Stickstoffgehalt erhöht Härtbarkeit und Neigung zur Bildung von übermäßigem Ferrit oder intermetallischen Phasen in der HAZ. Schweißen erfordert qualifizierte Verfahren, häufig höheren Wärmeinput oder kontrollierte Techniken, um Austenitanteil wiederherzustellen, sowie Auswahl passender Zusatzwerkstoffe (passend oder überlegend für Super-Duplex). Wärmebehandlung nach dem Schweißen ist bei großen Bauteilen selten praktikabel; Schwerpunkt liegt auf Schweißpraxis, die akzeptable Phasenbalance erhält und Sigma-Phase vermeidet. - Bei beiden Güten sind Wasserstoffkontrolle, Sauberkeit und Qualifikation des Schweißverfahrens essentiell, um Risse zu vermeiden und Korrosionsbeständigkeit sicherzustellen.

6. Korrosion und Oberflächenschutz

• Für Edelstahl-Duplexgüten (sowohl 2205 als auch 2507) ist die Korrosionsbeständigkeit intrinsisch und korreliert mit dem PREN: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3,3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ (höhere PREN-Werte stehen für höhere Lochfraßbeständigkeit in chloridhaltigen Umgebungen).
• Beispiel (nur zur Veranschaulichung): typische mittlere Chemiezusammensetzungen ergeben PREN-Werte um die mittleren 30er für 2205 und niedrige 40er für 2507, was eine deutlich höhere Lochfraßbeständigkeit von 2507 in aggressiven Chloridmedien anzeigt.
• Praktische Hinweise:
• 2205: Hervorragende allgemeine Korrosionsbeständigkeit sowie gute Beständigkeit gegen Lochfraß und Spannungsrisskorrosion (SCC) bis zu bestimmten Chloridkonzentrationen und Temperaturen. Weit verbreitet in Meerwasser- und Prozessumgebungen, in denen eine moderate bis hohe Korrosionsbeständigkeit erforderlich ist.
• 2507: Überlegene Beständigkeit gegen Loch- und Spaltkorrosion sowie höhere Beständigkeit gegenüber Chlorid-Spannungsrisskorrosion und Schwefelwasserstoff-Umgebungen; geeignet für die aggressivsten Meerwasserbedingungen, Offshore-Spritzbereiche, Unterwasseranlagen und Meerwasser-Entsalzungsanlagen.
• Alternativen ohne Edelstahl: Wenn keiner der genannten Werkstoffe gewählt wird und Kohlenstoff-/legierte Stähle verwendet werden, ist eine Oberflächenschutzmaßnahme (Galvanisieren, Epoxidbeschichtungen, Polymerauskleidungen, kathodischer Schutz) notwendig – diese Schutzstrategien ersetzen jedoch nicht die Leistung von Duplex-Edelstahl in chloridreichen oder sauren Umgebungen.

7. Bearbeitung, Zerspanbarkeit und Umformbarkeit

• Zerspanbarkeit:
• Duplex-Legierungen härten bei der Bearbeitung (Kaltverfestigung); sie erfordern stabile Aufspannungen, scharfe Werkzeuge und konservative Schnittparameter.
• 2205 ist aufgrund seiner geringeren Festigkeit und geringeren Kaltverfestigungstendenz im Allgemeinen leichter zu zerspanen als 2507.
• Die höhere Festigkeit und Zähigkeit von 2507 erhöhen den Werkzeugverschleiß und erfordern möglicherweise langsamere Vorschübe, höhere Leistung und spezialisiertes Werkzeug bzw. Beschichtungen.
• Umformen und Biegen:
• 2205 besitzt eine bessere Kaltumformbarkeit; es toleriert engere Biegeradien und komplexere Umformungen mit weniger Rückfederungsverhalten als 2507.
• Die Kaltumformbarkeit von 2507 ist begrenzter – größere Biegeradien, höhere Kräfte und sorgfältige Prozessplanung sind erforderlich, um Rissbildung zu vermeiden. Warmumformen und inkrementelle Umformverfahren werden teilweise eingesetzt.
• Oberflächenbearbeitung:
• Beide Werkstoffe eignen sich für gängige Edelstahl-Finishverfahren (Schleifen, Elektropolieren). Die höhere Härte von 2507 kann mechanische Oberflächenbearbeitung verlangsamen.
• Fertigungskontrolle:
• Bei beiden Güten muss die Wärmeeinbringung beim Schweißen kontrolliert und eine längere Exposition bei intermetallisch bildenden Temperaturen vermieden werden; 2507 ist hierbei empfindlicher.

8. Typische Anwendungen

Auswahlkriterien: - Wählen Sie 2205, wenn ein ausgewogenes Verhältnis von Festigkeit, Zähigkeit, Korrosionsbeständigkeit und Kosten für die meisten Meerwasser-/Prozessanwendungen benötigt wird. - Wählen Sie 2507, wenn die Umgebungsbedingungen oder die Auslegungslasten die höchstmögliche Kombination aus Lochfraß-/SCC-Beständigkeit und Festigkeit erfordern und die Lebenszykluskosten höhere Material- und Fertigungskosten rechtfertigen.

9. Kosten und Verfügbarkeit

• Relative Kosten: 2507 ist erheblich teurer als 2205 aufgrund höherem Legierungsanteil und strengeren Produktionskontrollen. Materialkosten pro kg sowie Gesamtkosten inkl. Schweißen/Fertigung sind höher.
• Verfügbarkeit: 2205 ist in Form von Blechen, Rohren, Fittings und Stäben bei vielen Herstellern breit verfügbar. 2507 ist verfügbar, jedoch bei weniger Werken, längeren Lieferzeiten und mit möglicherweise eingeschränkterem Produktgrößen-/Dickenangebot.
• Beschaffungsaspekte: Für große Mengen oder Standardabmessungen ist 2205 oft die kostengünstigere und leichter verfügbare Wahl. Für Spezialgrößen oder Super-Duplex-Anforderungen sollten Lieferantenauswahl und Lieferzeiten frühzeitig geplant werden.

10. Zusammenfassung und Empfehlung

Empfehlung: - Wählen Sie 2205, wenn: - Sie einen kosteneffizienten Duplex-Edelstahl mit starker allgemeiner Korrosionsbeständigkeit und guter Fertigbarkeit für Rohrleitungen, Wärmetauscher, Wellen und allgemeine Meerwasser-/Prozessanwendungen benötigen. - Fertigungsfreundlichkeit, kürzere Lieferzeiten oder bessere Kaltumformbarkeit wichtig sind. - Wählen Sie 2507, wenn: - Einsatzbedingungen hohe Chloridkonzentrationen, erhöhte Temperaturen, saure (H2S) Umgebungen umfassen oder das Design höhere Streck- und Zugfestigkeiten sowie maximale Beständigkeit gegen Lochfraß und SCC erfordert. - Das Projekt höhere Materialkosten, strengere Schweiß-/Fertigungssteuerung und potenzielle Lieferzeiten zulässt.

Abschließende Anmerkung: Beide Legierungen sind bei korrekter Spezifikation und Verarbeitung sehr leistungsfähig. Die richtige Wahl erfordert die Abstimmung auf die Schwere der Korrosionsumgebung, mechanische Lastanforderungen, Fertigungskapazitäten und Gesamtkosten über den Lebenszyklus. Für kritische Systeme sind anwendungsspezifische Korrosionstests, Schweißverfahrensqualifikationen und Lieferkettenprüfungen vor der endgültigen Auswahl empfehlenswert.