Duplex Stainless Steel: Pengertian, Kelas 2205 dan Super Duplex 2507, Sifat, Pengelasan, dan Bedanya dengan 316

duplex 2205 stainless steel piping at an offshore industrial installation

Duplex stainless steel adalah stainless steel yang struktur mikronya terdiri dari dua fasa, austenit dan ferit, dalam jumlah yang kira-kira sama. Gabungan ini membuat duplex sekitar dua kali lebih kuat daripada stainless austenitik seperti 304 dan 316, dan jauh lebih tahan terhadap retak korosi tegangan akibat klorida. Kelas yang paling banyak dipakai adalah duplex 2205, sedangkan untuk lingkungan yang lebih berat dipakai super duplex 2507.

Artikel ini menjelaskan apa itu duplex stainless steel, komposisi dan peran unsurnya, keluarga kelasnya (lean, standar, super, dan hyper duplex), sifat mekanis dan ketahanan korosinya, perbandingannya dengan 316, cara mengelasnya, bahaya fasa sigma, standar produk, aplikasi, dan cara memilih kelas yang tepat. Gambaran umum semua jenis stainless steel ada di artikel induk stainless steel.

Apa Itu Duplex Stainless Steel?

Stainless steel dikelompokkan menurut struktur kristalnya. Stainless austenitik (304, 316) berstruktur kubus pusat muka, ulet, dan tidak magnetis. Stainless feritik (430) berstruktur kubus pusat badan, magnetis, dan lebih tahan retak korosi tegangan, tetapi kurang ulet dan sulit dilas tebal. Duplex menggabungkan keduanya: butir-butir austenit tersebar di dalam matriks ferit, dengan perbandingan sekitar 50:50.

Kata duplex berarti “rangkap dua”, merujuk pada dua fasa tersebut. Dalam bahasa Indonesia kadang disebut baja tahan karat dupleks, tetapi di industri istilah Inggrisnya jauh lebih umum, begitu juga sebutan kelas seperti “duplex 2205” atau “SS 2205”.

Struktur dua fasa ini memberi duplex kekuatan ferit dan ketahanan SCC ferit, sekaligus keuletan dan kemudahan las austenit. Stainless duplex tempa pertama kali diproduksi di Swedia pada 1930 untuk industri kertas sulfit. Kelas modern bernitrogen seperti 2205 baru berkembang luas sejak 1970-an dan 1980-an, setelah teknologi peleburan memungkinkan kadar nitrogen dan karbon dikendalikan dengan tepat.

Apakah duplex magnetis?

Ya. Karena sekitar separuh strukturnya ferit, duplex tertarik magnet dengan jelas, berbeda dengan 304 dan 316. Ini sering membuat pembeli mengira barangnya “bukan stainless asli”. Sifat magnet ini justru dipakai untuk memeriksa kadar ferit dengan alat ukur ferit (ferritscope).

Komposisi dan Peran Unsurnya

Dibandingkan 316, duplex memakai krom lebih tinggi, nikel jauh lebih rendah, dan nitrogen jauh lebih tinggi. Keseimbangan unsur pembentuk ferit dan pembentuk austenit inilah yang menghasilkan struktur setengah-setengah.

UnsurKadar khas pada 2205Peran
Krom (Cr)21–23%Membentuk lapisan pasif; pembentuk ferit
Nikel (Ni)4,5–6,5%Pembentuk austenit; dijaga cukup rendah agar ferit tetap sekitar separuh
Molibdenum (Mo)2,5–3,5%Menaikkan ketahanan sumuran dan celah; pembentuk ferit
Nitrogen (N)0,10–0,22%Pembentuk austenit yang kuat, menaikkan kekuatan dan ketahanan sumuran
Karbon (C)maksimal 0,03%Dijaga sangat rendah agar tidak terbentuk karbida

Karena nikelnya rendah, harga duplex lebih stabil daripada 316 saat harga nikel naik. Ketahanan terhadap korosi sumuran diperkirakan dengan PREN = %Cr + 3,3 × %Mo + 16 × %N. Rumus ini dijelaskan di artikel perbedaan stainless 304 dan 316.

Keluarga Duplex: Lean, 2205, Super, dan Hyper Duplex

Duplex dibagi menjadi beberapa kelompok menurut kadar paduan dan PREN-nya. Komposisi di tabel ini mengikuti EN 10088 dalam persen berat.

KelompokKelasEN / UNSCr (%)Ni (%)Mo (%)N (%)PREN khas
Lean duplex21011.4162 / S3210121,0–22,01,35–1,900,10–0,800,20–0,2522–27 (kelompok)
Lean duplex23041.4362 / S3230422,0–24,53,5–5,50,10–0,600,05–0,2025–28
Duplex standar22051.4462 / S31803, S3220521,0–23,04,5–6,52,5–3,50,10–0,2235–36
Super duplex25071.4410 / S3275024,0–26,06,0–8,03,0–4,50,24–0,3540–43
Hyper duplex27071.4658 / S3270726,0–29,05,5–9,54,0–5,00,30–0,50di atas 45

Nilai PREN khas 2304, 2205, dan 2507 mengikuti panduan fabrikasi duplex dari IMOA. Bila dihitung dari batas bawah dan atas komposisinya, kisarannya lebih lebar, misalnya 2205 sekitar 31–38.

  • Lean duplex (2101, 2304) menggantikan 304 dan 316 di aplikasi struktural dan tangki, dengan kekuatan jauh lebih tinggi dan nikel lebih sedikit.
  • Duplex 2205 adalah kelas serba guna dan paling banyak dipakai. Ada dua nomor UNS: S31803 (yang lebih lama) dan S32205 (versi dengan batas bawah krom, molibdenum, dan nitrogen yang lebih tinggi sehingga ketahanan korosinya lebih terjamin). Banyak pelat dan pipa sekarang bersertifikat ganda S31803/S32205.
  • Super duplex 2507 (S32750) dan kelas sejenis seperti S32760 (dengan tembaga dan tungsten) dipakai untuk air laut dan lingkungan klorida berat. Super duplex didefinisikan dengan PREN minimal sekitar 40.
  • Hyper duplex (2707) memiliki PREN di atas 45, untuk kondisi yang sangat agresif seperti penukar panas air laut bersuhu tinggi.

Nama dagang seperti SAF 2205 dan SAF 2507 (Sandvik, sekarang Alleima) sering dipakai sebagai nama umum. Di Jepang, 2205 dikenal sebagai SUS 329J3L.

Sifat Mekanis

Keunggulan duplex yang paling mencolok adalah kekuatannya. Kekuatan luluh minimum duplex sekitar dua sampai tiga kali stainless austenitik.

KelasKekuatan luluh minimumKekuatan tarik minimumPerpanjangan minimum
304L / 316L170 MPa485 MPa40%
2304 (lean duplex)400 MPa600 MPa25%
2205450 MPa655 MPa25%
2507 (super duplex)550 MPa795 MPa15%

Nilai duplex mengikuti ASTM A240 untuk pelat; nilai 304L dan 316L adalah batas minimum ASTM A240 yang umum dipakai.

Kekuatan tinggi ini memungkinkan dinding pipa, tangki, dan bejana tekan dibuat lebih tipis, sehingga berat dan biaya bahan berkurang walaupun harga per kilogram duplex lebih tinggi daripada 304.

Sifat lain yang perlu diketahui:

  • Pemuaian termal lebih rendah daripada austenitik. Koefisien muai 2205 sekitar 13 × 10⁻⁶/K (20–100 °C), mendekati baja karbon, sedangkan 304 sekitar 16,4 × 10⁻⁶/K. Ini memudahkan penyambungan dengan baja karbon.
  • Batas suhu atas. Kode ASME membatasi pemakaian 2205 dan 2304 sampai sekitar 315 °C. Di atas itu, ferit mulai rapuh (lihat bagian fasa sigma).
  • Batas suhu bawah. Duplex tetap tangguh sampai sekitar −40 °C, suhu yang dipakai untuk uji ketangguhan ASTM A923. Untuk suhu kriogenik, seperti tangki gas alam cair, stainless austenitik tetap pilihan.
diagram struktur mikro duplex stainless steel dengan pulau austenit di dalam matriks ferit, serta perbandingan kekuatan luluh minimum dan PREN 304L, 316L, 2304, 2205, dan 2507

Ketahanan Korosi Duplex Stainless Steel

Retak korosi tegangan klorida

Inilah alasan utama orang beralih dari 304 atau 316 ke duplex. Stainless austenitik rentan terhadap retak korosi tegangan (SCC) klorida bila ada klorida, tegangan tarik, dan suhu di atas sekitar 60 °C. Fasa ferit di dalam duplex menghambat perambatan retak, sehingga duplex jauh lebih tahan. Mekanisme SCC dan contoh kegagalannya dibahas di artikel stress corrosion cracking.

Duplex tidak kebal sepenuhnya. Pada suhu dan kadar klorida yang sangat tinggi, atau di lingkungan H₂S (minyak dan gas sour service), duplex tetap punya batas pemakaian dan harus dipilih sesuai standar seperti NACE MR0175/ISO 15156.

Korosi sumuran dan celah

Dengan PREN sekitar 35, ketahanan sumuran 2205 jauh di atas 316L (PREN sekitar 24–25). Super duplex dengan PREN di atas 40 cukup tahan untuk air laut pada suhu kamar. Ketahanan ini sering dinyatakan dengan suhu sumuran kritis (CPT), suhu di atas mana sumuran mulai terjadi dalam larutan uji standar; makin tinggi CPT, makin tahan. Suhu celah kritis (CCT) biasanya 15–20 °C lebih rendah daripada CPT. Penjelasan korosi sumuran ada di artikel korosi sumuran.

Korosi merata dan erosi

Duplex juga tahan terhadap banyak asam organik dan larutan kaustik, serta tahan erosi dan abrasi lebih baik daripada austenitik karena kekuatannya. Ini membuatnya cocok untuk pompa, impeler, dan pipa yang mengalirkan cairan berpartikel. Jenis-jenis korosi lainnya dirangkum di artikel jenis-jenis korosi pada logam.

Duplex vs 316: Mana yang Dipilih?

Aspek316LDuplex 2205
StrukturAustenitAustenit + ferit (sekitar 50:50)
Kekuatan luluh minimum170 MPa450 MPa
PREN khas24–2535–36
Ketahanan SCC kloridaRentan di atas sekitar 60 °CJauh lebih tahan
MagnetisTidakYa
Batas suhu pakaiSampai suhu tinggi dan kriogenikSekitar −40 °C sampai 315 °C
PengelasanMudah, toleranPerlu prosedur ketat (keseimbangan ferit)
Pembentukan dinginMudahLebih berat karena kekuatan tinggi
Harga per kgLebih rendahLebih tinggi, tetapi dinding bisa lebih tipis

Ringkasnya, pilih duplex bila ada klorida dengan suhu di atas sekitar 60 °C, bila beban atau tekanan tinggi membuat dinding 316 harus tebal, atau bila ada erosi. Tetap pilih 316L untuk suhu di atas sekitar 300 °C, untuk suhu kriogenik, untuk barang yang dibentuk dalam (deep drawing), dan bila tidak ada prosedur las yang terkendali. Perbandingan 304 dan 316 sendiri dibahas di artikel perbedaan stainless 304 dan 316.

Pengelasan Duplex Stainless Steel

Duplex bisa dilas dengan las busur biasa (SMAW, GTAW/TIG, GMAW/MIG, SAW), tetapi butuh kendali yang lebih ketat daripada 316. Tujuannya menjaga keseimbangan ferit-austenit di logam las dan daerah terpengaruh panas (HAZ), sekaligus mencegah terbentuknya fasa sigma.

Masalah utama

  • Pendinginan terlalu cepat (masukan panas terlalu kecil, pelat tebal) membuat ferit terlalu banyak. Akibatnya ketangguhan turun, dan nitrida krom bisa terbentuk sehingga ketahanan korosi turun.
  • Pendinginan terlalu lambat (masukan panas terlalu besar, suhu antar-lintasan terlalu tinggi) memberi waktu fasa sigma dan fasa intermetalik lain untuk terbentuk. Fasa ini rapuh dan menyerap krom serta molibdenum.

Pedoman umum

HalPedoman
Kawat dan elektroda untuk 2205ER2209 / E2209, berlebih nikel sekitar 1,5–3% dibanding logam induk agar logam las cukup austenit
Kawat untuk super duplex 2507ER2594 / E2594
Menyambung duplex dengan baja karbonER309L atau ER309LMo (juga bisa 2209)
Pemanasan awalTidak diperlukan; pemanasan ringan hanya untuk menghilangkan embun
Suhu antar-lintasan maksimumSekitar 150 °C untuk lean duplex dan 2205; sekitar 100 °C untuk super duplex
Masukan panasSedang, umumnya sekitar 0,5–2,5 kJ/mm untuk 2205; lebih sempit untuk super duplex
Gas pelindung dan gas pelapis akarArgon dengan sedikit nitrogen membantu pembentukan austenit; gas akar nitrogen atau argon
Kadar ferit logam lasUmumnya diterima 25–75% (sekitar 30–90 FN) bila uji ketangguhan dan korosi lulus
Perlakuan panas setelah lasUmumnya tidak diperlukan; kalau perlu, anil larutan penuh, bukan pelepasan tegangan
PembersihanBersihkan warna bekas las dengan pickling atau pasivasi

Jangan melakukan pelepasan tegangan (stress relief) pada duplex di kisaran sekitar 300–1.000 °C. Kisaran ini justru memicu rapuh 475 °C dan fasa sigma. Kalau perlakuan panas memang dibutuhkan, lakukan anil larutan di atas suhu minimumnya lalu celup air.

Pengujian kadar ferit dengan ferritscope bisa dipakai sebagai pemeriksaan cepat, tetapi tidak menggantikan pemeriksaan metalografi dan uji ASTM A923 untuk pekerjaan penting. Metode uji tak rusak untuk lasan dibahas di artikel metode uji tanpa rusak (NDT).

Fasa Sigma dan Rapuh 475 °C

Duplex punya dua “zona bahaya” suhu yang harus dihindari saat fabrikasi dan pemakaian.

  • Rapuh 475 °C (alfa prima). Pada sekitar 300–525 °C, ferit membentuk endapan halus kaya krom yang disebut alfa prima. Ketangguhan turun walaupun kekuatan naik. Proses ini lambat, jadi jarang terjadi saat fabrikasi, tetapi menjadi alasan batas suhu pakai sekitar 315 °C.
  • Fasa sigma. Pada sekitar 700–950 °C untuk 2205, dan sekitar 700–1.000 °C untuk 2507, terbentuk fasa intermetalik sigma yang keras, rapuh, dan kaya krom dan molibdenum. Fasa ini bisa terbentuk dalam hitungan menit pada super duplex, misalnya akibat pendinginan lambat setelah anil, pengelasan dengan masukan panas berlebih, atau pemotongan dengan panas yang lama.

Karena fasa sigma tidak magnetis, pembacaan ferit yang terlalu rendah bisa menjadi tanda adanya fasa ini. ASTM A923 dipakai untuk mendeteksi fasa intermetalik merugikan pada 2205 dan 2507, dengan tiga metode: A (pemeriksaan metalografi untuk penerimaan), B (uji impak Charpy pada −40 °C, batas penerimaan minimum 54 J), dan C (uji korosi dalam larutan feri klorida). Untuk lean duplex dipakai ASTM A1084.

Anil larutan yang benar (2205 minimal sekitar 1.040 °C, 2507 sekitar 1.025–1.125 °C) diikuti celup air melarutkan kembali fasa-fasa tersebut. Prinsip anil dibahas di artikel proses annealing.

Standar dan Bentuk Produk

Bentuk produkStandar ASTM yang umumCatatan
Pelat, lembaran, stripASTM A240S32101, S32304, S31803/S32205, S32750, S32760
Pipa dan tabungASTM A790 (pipa), A789 (tabung), A928 (pipa las)Banyak dipakai di industri minyak dan gas, kimia, dan desalinasi
Batang dan profilASTM A276, A479Poros pompa, baut, komponen mesin
Tempaan, flens, fittingASTM A182 (F51 = S31803, F60 = S32205, F53 = S32750, F55 = S32760), A815Flens dan fitting pipa
CoranASTM A890 dan A995 (misalnya CD4MCuN, CD3MN, CE3MN)Badan pompa, katup, impeler
Logam lasAWS A5.9 (ER2209, ER2594), A5.4 (E2209, E2594)Kawat dan elektroda

Di Eropa, standar utamanya EN 10088 dengan nomor bahan seperti 1.4462 (2205) dan 1.4410 (2507). Untuk komponen duplex cor, prinsip pengecoran dan perlakuan panasnya sama dengan baja cor lain, yang dibahas di artikel baja cor.

Aplikasi Duplex Stainless Steel

  • Minyak dan gas: pipa alir (flowline), manifold, riser, bejana pemisah, pompa, dan katup di anjungan lepas pantai.
  • Desalinasi dan air laut: pipa, bejana evaporator, dan penukar panas.
  • Industri kimia dan pupuk: bejana tekan, tangki, dan penukar panas yang terkena klorida atau asam.
  • Kapal tanker kimia: dinding tangki muatan, salah satu pemakaian duplex terbesar sejak lama.
  • Pulp dan kertas: digester dan bejana pemutihan, tempat duplex pertama kali dipakai.
  • Konstruksi dan infrastruktur: jembatan, terowongan, dan tulangan beton di daerah pantai, terutama lean duplex.
  • Transportasi: tangki truk dan rangka kendaraan rel.

Cara Memilih Kelas Duplex

KebutuhanPilihan yang umum
Pengganti 304/316 untuk struktur, tangki, dan bejana dengan kekuatan lebih tinggiLean duplex 2101 atau 2304
Lingkungan klorida dengan risiko SCC, suhu sampai sekitar 300 °CDuplex 2205
Air laut, klorida pekat, atau suhu dan tekanan tinggiSuper duplex 2507 atau S32760
Penukar panas air laut bersuhu tinggi, lingkungan sangat agresifHyper duplex atau paduan nikel
Suhu di atas sekitar 300 °C atau kriogenikBukan duplex; pilih stainless austenitik yang sesuai
Komponen cor (pompa, katup)Duplex cor seperti CD3MN (setara 2205) atau CE3MN (setara 2507)

Kesalahan Umum

  • Mengira duplex palsu karena tertarik magnet. Duplex memang magnetis karena kandungan feritnya.
  • Mengelas duplex seperti 316. Masukan panas dan suhu antar-lintasan yang tidak terkendali menghasilkan ferit berlebih atau fasa sigma.
  • Memakai kawat 2205 sendiri untuk mengelas 2205. Gunakan 2209 yang berlebih nikel agar logam las cukup austenit.
  • Melakukan pelepasan tegangan pada suhu menengah. Kisaran sekitar 300–1.000 °C memicu fasa rapuh; yang benar adalah anil larutan penuh atau tanpa perlakuan panas sama sekali.
  • Memakai duplex di atas sekitar 315 °C. Ketangguhan turun karena rapuh 475 °C.
  • Mengabaikan pembersihan warna bekas las. Lapisan oksida bekas las mengurangi ketahanan korosi di sekitar lasan.

Prinsip pencegahan korosi secara umum ada di artikel cara mencegah korosi pada logam.

Pertanyaan yang Sering Diajukan

Apa itu duplex stainless steel? Duplex stainless steel adalah stainless steel dengan struktur campuran austenit dan ferit dalam jumlah kira-kira sama. Strukturnya membuat duplex sekitar dua kali lebih kuat daripada 304 dan 316 dan jauh lebih tahan terhadap retak korosi tegangan klorida.

Apakah duplex stainless steel magnetis? Ya. Karena sekitar separuh strukturnya ferit, duplex tertarik magnet. Ini bukan tanda kualitas rendah.

Apa perbedaan duplex 2205 dan 316? 2205 punya kekuatan luluh minimum sekitar 450 MPa, jauh di atas 316L (170 MPa), PREN lebih tinggi (sekitar 35 dibanding 24–25), dan jauh lebih tahan SCC klorida. 316 lebih mudah dilas dan dibentuk, dan bisa dipakai pada suhu tinggi dan kriogenik.

Apa itu super duplex? Super duplex adalah kelompok duplex dengan PREN minimal sekitar 40, misalnya 2507 (S32750) dan S32760. Kadar krom, molibdenum, dan nitrogennya lebih tinggi, sehingga cocok untuk air laut dan lingkungan klorida berat.

Bagaimana cara mengelas duplex 2205? Gunakan kawat ER2209 atau elektroda E2209, tanpa pemanasan awal, dengan masukan panas sedang dan suhu antar-lintasan maksimum sekitar 150 °C. Gas pelindung dengan sedikit nitrogen membantu menjaga keseimbangan ferit dan austenit. Bersihkan warna bekas las setelahnya.

Kesimpulan

Duplex stainless steel menggabungkan austenit dan ferit dalam satu bahan, sehingga kekuatannya sekitar dua kali stainless austenitik dan ketahanannya terhadap retak korosi tegangan klorida jauh lebih baik. Kelas 2205 adalah pilihan serba guna, lean duplex menggantikan 304 dan 316 untuk struktur, dan super duplex 2507 dipakai untuk air laut dan lingkungan berat. Kuncinya ada pada fabrikasi: jaga keseimbangan ferit saat mengelas, hindari kisaran suhu yang membentuk fasa sigma dan rapuh 475 °C, dan batasi suhu pakai sampai sekitar 315 °C.

Baca Juga