Wat is roestvaststaal

Austenitisch roestvast staal

Algemeen

Austenitisch roestvast staal omvat een groot aantal ijzerlegeringen die 18% of meer chroom bevatten en voldoende nikkel om een volledig austenitische structuur te verzekeren. Deze staaltypen worden op grote schaal toegepast in de procesindustrie. Alleen koolstofstaal vindt een bredere toepassing.

Gebruik

De meest gebruikte legering in termen van industriële toepassing is 304, een basistype dat 18% chroom en 8% nikkel bevat en maximaal 0,08% koolstof.

De typen 301 en 302, die voornamelijk voor architectonische toepassingen wordt gebruikt, bevatten meer koolstof, waardoor de corrosieweerstand lager is en wel onder het niveau dat voor de meeste toepassingen in de chemische industrie vereist is.

De typen 321 en 347 komen overeen met 304, maar bevatten additionele elementen (Ti in 321 en Nb in 347) ter beheersing van carbideuitscheiding die anders tot sensitizering kan leiden.

Type 304L is een type met een laag koolstofgehalte (max. 0,03% C tegen max. 0,08% C) waarmee eveneens carbideuitscheiding kan worden beheerst.

Aan type 316 is molybdeen toegevoegd (bij een lichte reductie van het chroomgehalte en wat extra nikkel om de vereiste austenietstructuur te kunnen handhaven) ter verbetering van de weerstand tegen putcorrosie en spleetcorrosie.

Type 317 bevat meer molybdeen dan 316. Zowel 316 als 317 zijn leverbaar met een laag koolstofgehalte, te weten 316L en 317L.

Van sommige legeringen zijn het chroom- en nikkelgehalte verhoogd ter verbetering van hun sterkte en weerstand tegen oxidatie bij hoge temperatuur, zodat ze zijn te gebruiken onder omstandigheden waar oxidatie, opkoling enz. kunnen optreden. Voorbeelden zijn 309 en 310.

Voor gebruik bij processen die gepaard gaan met waterige oplossingen van zuren of andere lage-temperatuur corrosieve condities, wordt er gegrepen naar de werkpaarden 304, 304L, 321, 347, 316 en 316L.

Warmtebehandeling

Austenitisch roestvast staal wordt in het algemeen gebruikt in oplosgegloeide en snel afgekoelde toestand en ook wel in de oplosgegloeide, snel afgekoelde en koudvervormde toestand.

Langdurig verhitten op temperaturen tussen 315°C en 870°C kunnen sensitizering veroorzaken en verhoging van de gevoeligheid voor interkristallijne scheurvormende spanningscorrosie, zeker bij typen met een hoger koolstofgehalte die niet zijn gestabiliseerd.

Deze legeringen kunnen niet worden verstevigd door middel van een warmtebehandeling. Sommige austenitische-staaltypen worden gebruikt in de warmvervormde toestand, zonder bijkomende warmtebehandeling.

Mechanische eigenschappen

De lagergelegeerde austenitische roestvast-staaltypen, zoals 304 en 316, beschikken over een rekgrens van rond 200 MPa tot 275 MPa in de zachtgegloeide toestand. Sommige hogergelegeerde austenitische roestvast-staaltypen die stikstof bevatten beshikken over hogere rekgrenswaarden in de zachtgegloeide toestand. Koudvervormen wordt vaak toegepast ter verhoging van de mechanische sterkte, vooral bij hoger gelegeerd austenitisch roestvast staal.

Bewerking

Koudvervormen kan in sommige austenitische roestvast-staaltypen martensiet produceren, waardoor hun gevoeligheid voor waterstofverbrossing sterk toeneemt. Bewerking kan ook restspanningen opwekken die weer kunnen resulteren in scheurvormende spanningscorrosie, zelfs in afwezigheid van uitwendige spanningen.

Gietwerk

Gegoten werkstukken met samenstellingen die overeenkomen met die van smeedlegeringen kunnen een duplexstructuur vertonen en daardoor een afwijkend scheurgedrag onder invloed van de inwerking van het omringende milieu.

Opmerkingen

Warmtebehandeling in het temperatuursgebied van 315° tot 870°C, dit geldt ook voor warmtebeinvloede zones in geval van lassen, kunnen aanleiding geven tot sensitizering, hetgeen nadelig kan zijn voor de weerstand tegen scheurvormende spanningscorrosie.

Verspaanbare typen die hoge concentraties zwavel of seleen bevatten beschikken over lagere corrosieweerstand en zijn gevoeliger voor scheurvormende spanningscorrosie.In lassen wordt dikwijls een verhoogde gevoeligheid voor scheurvormende spanningscorrosie aangetroffen.

Duplex roestvast staal

Algemeen

Duplex roestvast staal heeft een gemengde austenitisch/ferritische structuur. Als er beperkte hoeveelheden nikkel en soms ook wel mangaan of stikstof aan ferritisch roestvast staal worden toegevoegd, is het mogelijk om een roestvast-staaltype te maken met een structuur die zowel austeniet als ferriet bevat.

Warmtebehandeling

Duplex roestvast staal wordt in het algemeen gebruikt in de zachtgegloeide of in de zachtgegloeide en koudvervormde toestand. Langdurig verhitten bij temperaturen tussen 315° en 925°C kunnen de uitscheiding van van een aantal fasen veroorzaken, waaronder sigmafase dat de taaiheid verlaagt. De taaiheid bij lage temperatuur neemt doorgaans af met afnemende afkoelsnelheden na zachtgloeien.

Mechanische eigenschappen

Deze legeringen kunnen worden koudvervormd zodat er een breed scala aan eigenschappen wordt verkregen. De sterkte wordt beperkt tot een maximum waarde vanwege de gevoeligheid voor spanningscorrosie. De sterkte in zachtgegloeide toestand kan sterk uiteenlopen afhankelijk van de legering.

Duplex roestvast staal beschikt over een aanzienlijk hogere rekgrens dan die van de gangbare austenitische typen. Deze hogere sterkte staat dunnere wanddiktes toe, hetgeen kan resulteren in aanzienlijke gewichtsbesparingen.

Bewerking

Koudvervormde legeringen worden doorgaans niet gelast omdat anders de sterkte ter plaatse van de las lager zou worden dan die elders in het metaal. Zachtgegloeide legeringen kunnen worden gelast. Het lastoevoegmetaal wordt zodanig gekozen dat de gewenste volumefracties ferriet en austeniet worden gevormd. Dit houdt in dat autogeen lassen (lassen zonder toevoegmetaal) kan resulteren in lassen met slechtere mechanische en corrosie eigenschapen.

De taaiheid neemt in het algemeen af met stijgende wanddikte en voor sommige van de legeringen geldt er een bovengrens voor de wanddikte.

Buisvormige producten die worden voorzien van draad vereisen een anti-vreetbehandeling.

Gieten

Giet- en smeedlegeringen met overeenkomstige samenstellingen kunnen aanzienlijk verschillende microstructuren vertonen en daardoor ook verschillen in mechanische en corrosieve eigenschappen.

Opmerkingen

Langdurige warmtebehandeling bij temperaturen boven 315°C kunnen de sterkte verlagen alsmede de weerstand tegen scheurvormende spanningscorrosie.

Bij gebruik van duplex roestvast staal moet er aandacht worden geschonken aan eventueel te verwachten hoge temperaturen (bijvoorbeeld als gevolg van laswerkzaamheden), vanwege de neiging van chroom en molybdeen zich te concentreren in respectievelijk de ferriet en de austeniet.

Commerciële typen

De bekendste is 329 (26%Cr - 4,5%Ni - 1,5%Mo), dat goede algemene corrosieweerstand biedt alsmede een weerstand tegen scheurvormende spanningscorrosie die wat beter is dan die van 304.

Sandvik 3RE60 is een overeenkomstige legering met een wat lager chroomgehalte.

Een ander klassiek type is de gietlegering CD-4MCu (25%Cr - 5%Ni - 2%Mo - 3%Cu).

Nieuwere duplextypen, zoals Ferralium 255, Fermanel, Zeron, CD-3MN, of 2205, bevatten in het algemeen meer Mo (2,5 tot 3,5%) en beheerste hoeveelheden N (0,15 tot 0,25%).

Terwijl de lasbaarheid van de oorspronkelijke typen (bijvoorbeeld 329) doorgaans onvoldoende was, is dat bij de nieuwere typen inmiddels verbeterd.

Ferritisch roestvast staal

Algemeen

De typen die deel uitmaken van deze groep zijn: het basistype 430 en de typen 405, 409, 429, 430F, 430FSe, 434, 436, 442, 444 en 446.

Warmtebehandeling

Ferritisch roestvast staal kan niet worden gehard door middel van warmtebehandeling. Ze worden gewoonlijk gebruikt in de zachtgegloeide toestand. De aanbevolen afkoelsnelheid vanaf de zachtgloeitemperatuur hangt af van de legering in kwestie. De legeringen met hoger chroomgehalte zijn gevoelig voor verbrossing door sigma of primaire alfa fase.

Mechanische eigenschappen

Lagergelegeerde typen bezitten mechanische eigenschappen die enigszins overeenkomen met die van 304. Legeringen met een hoger chroom-, molybdeen- en nikkelgehalte bezitten hogere sterkte.

Bewerking

Bij de legeringen met hoog chroomgehlate zoals 446, dient de lasprocedure gericht te zijn op een minimale opname van interstitiële elementen om een afname van de taaiheid tegen te gaan.

Deze legeringen vertonen een verlies aan taaiheid bij toenemende wanddikte en voor elke legering is een maximum dikte vastgesteld afhankelijk van de taaiheidseisen. Bij hoog-chroomhoudende legeringen wordt voor dit doel het gehalte aan interstitiëlen zorgvuldig gecontroleerd. De maximum dikte kan ongeveer 2,5 mm bedragen voor legeringen met een laag interstitiëlengehalte.

Deze legeringen worden hoofdzakelijk gebruikt voor dunwandige buisvormige producten.

Opmerkingen

Onjuiste warmtebehandeling van deze legeringen kan aanleiding geven tot verbrossende fasen.

Onjuiste laspraktijken kunnen eveneens leiden tot verbrossing van deze legeringen.

Deze legeringen kunnen lage taaiheid vertonen in geval van hoge wanddiktes.

Beschrijving

De 3 basistypen 430, 430F en 430FSe tezamen met de beide modificaties 434 en 436, representeren het klassieke 17-Cr roestvast staal.

Type 430F is de verspaanbare variant van 430; het bevat voor dit doel zwavel en fosfor.

Type 430FSe is eveneens een verspaanbare variant en bevat daartoe selenium.

Type 434 bevat evenveel chroom als 430 plus 1% Mo waardoor zijn corrosieweerstand hoger is in tal van media.

Type 436 is in feite gelijk aan type 434, maar bevat tot 0,7% Nb plus Ta ten behoeve van carbidestabilisatie.

Type 429 is beter lasbaar dan 430. Beide staaltypen bevatten evenveel C, maar 429 bevat minder chroom (14 - 16%). Vanwege deze C/Cr verhouding behoudt 429 zijn ferritische toestand.

Type 409 bevat nagenoeg het miniumum aan chroom (10,5 - 11,75%) om het nog als roestvast te kwalificeren en het is gestabiliseerd met Ti.

Type 405 heeft een nominaal Cr gehalte van 12,5% en bevat maximaal 0,08% C. Toevoeging van 0,1 tot 0,3% Al (een krachtige ferrietvormer) verhindert de vorming van austeniet in enige hoeveelheid van betekenis bij welke tempertauur dan ook. Hierdoor is het een zeer geschikt type voor laswerk. Vanwege zijn uitstekende lasbaarheid en lage prijs alsmede zijn goede maatvastheid, wordt 405 vaak gebruikt als bekleding in koolstof stalen vaten.

De typen 442 (18 - 23% Cr), 444 en 446 (23 - 27% Cr) worden vanwege hun hoge Cr gehalte ook wel chroom-ijzer genoemd. Naast chroom bevatten ze een aantal andere legeringselementen waaronder Mo, ter verbetering van de corrosieweerstand (type 444). Ze worden voornamelijk gebruikt voor hoge-temperatuurstoepassingen, waar weerstand tegen scalevorming van groter belang is dan sterkte en hardheid.

Super ferritisch roestvast staal

Algemeen

Hoog-zuiver ferritisch roestvast staal of "super" ferritisch roestvast staal werd geitroduceerd in de jaren 1970-1980. De oudste en bekendste is E-Brite 26-1, een legering die 26% Cr en 1% Mo bevat.

E-Brite wordt met een elektronebundel (EB)S gezuiverd ter reductie van de hoeveelheid koolstof en stikstof tto zeer lage niveaus. Dit proces wordt niet langer gebruikt vanwege fabricagemoeilijkheden.

E-Brite wordt nu gefabriceerd door middel van vacuümsmelten. Er zijn inmiddels ook andere super ferritische legeringen met ongeveer dezelfde Cr en Mo gehalten en met toevoeging van Ti voor stabilisatie op de markt verschenen.

Andere typen

Vanwege de weerstand van deze hoog-zuivere ferritische legeringen tegen tal van agressieve milieus, zijn er vele samenstellingen ontwikkeld, waaronder 18Cr-2Mo, 29Cr-4Mo, 29Cr-4Mo-2Ni en 27Cr-3,5Mo-2Ni.

Vanwege problemen met lassen en het beheersen van de taai-bros overgangstemperatuur, worden deze legeringen toegapst in plaatdiktes onder 3,2 mm en voor buizen.

Materiaal en corrosie eigenschappen

De 26-1 legering heeft een corrosieweerstand die gelijk is of beter is dan die van 304 en 316. Bovendien is 26-1 beter bestand tegen scheurvormende spanningscorrosie. De hoger gelegeerde super ferrieten kunnen in principe beschikken over superieure corrosieweerstand.

Bewerking

Er zijn speciale lasprocedures ontwikkeld oor de staalfabrikanten, die nauwgezet moeten worden opgevolgd.

Om de corrosieweerstand van de super ferrieten te handhaven moet alles in het werk worden gesteld om verontreiniging met stikstof of koolstof tijdens lassen te vermijden.

Super ferrieten bezitten na lassen slechte taaiheid van de laszone en de warmtebeinvloede zone is zeer kerfgevoelig. Als deze legeringen gedurende langere tijd worden verhit tussen 400° en 480°C, of als ze langzaam worden afgekoeld binnen dit temperatuurstraject, neemt de kerfgslagtaaiheid af en wordt het staal bros.

Martensitisch roestvast staal

Algemeen

Het type 410 wordt het meest gebruikt, soms voor de verwerking van chemicalien, maar vanwege zijn lagere chroomgehalte en hogere koolstofgehalte, is zijn corrosieweerstand wezenlijk lager dan die van bijvoorbeeld 304. Verder maken de typen 403 en 420 deel uit van deze staalgroep.

Hoewel niet strikt een roestvast staal wordt 9Cr-1Mo toch tot deze groep gerekend.

Warmtebehandeling

Martensitisch roestvast staal wordt in het algemeen in de afgeschrikte en ontlaten, of genormaliseerde toestand met een maximum hardheid van 22 of 23 HRC in sour service gebruikt, al naar gelang de legering en de geldende specificaties. Sommige van deze legeringen zoals 410 en 420, hebben last van scheuren tijdens afschrikken, afschrikken in olie, een polymeer of lucht is dan de remedie.

Dubbel ontlaten wordt wel uitgevoerd om het martensietgehalte in 410, CA6NM en F6NM tot een minimum te beperken. Dubbel ontlaten geeft geen verbetering te zien van de weerstand tegen sulfidescheuring van buisvormige producten gemaakt van 420 en wordt daarom niet gebruikt en evenmin voor buisvormige producten of smeedstukken gemaakt van 9Cr-1Mo.

In geval van een lager chroom- en een hoger koolstofgehalte is het mogelijk om roestvast staal te maken dat hardbaar is door middel van warmtebehandeling. Zulk staal wordt gewoonlijk geselcteerd als er zeer goede sterkte wordt geeist.

Mechanische eigenschappen

Vanwege de maximum hardheid van 22 of 23 HRC die bij deze leegringen wordt gehandteerd, worden ze in het algemeen gespecificeerd tot een maximum rekgrens van 650 tot 700 MPa. Buisvormige producten voor sour service worden in het algemeen gespecificeerd aan de hand van API Specification 5CT, of volgens het L-80 sterkte niveau. Voor smeedstukken en gietstukken wordt een maximum hardheid aangehouden van 22 HRC. Hogere sterktes zijn mogelijk in geval van sweet service, maar de corrosieweerstand en taaiheid kunnen nadelig worden beinvloed door deze hogere sterkte.

De uitsluitend chroomhoudende martensitische roestvast-staaltypen kunnen bestand zijn tegen door chloride geinduceerde scheurvormende spanningscorrosie, maar in volledig geharde toestand zijn ze hiervoor zeker gevoelig.

Bewerking

Omdat ze hardbaar zijn, vereisen deze legeringen uiterste zorg bij het lassen. Buisvormige producten worden doorgaans niet gelast. Als er wordt gelast, dan zijn hoge voorwarmtemperaturen vereist voor type 410 en na het lassen moet er weer een ontlaatbehandeling plaatsvinden conform de gespecificeerde maximum sterkte en hardheid.

Buisvormige producten vereisen doorgaans een anti-vreetbehandeling van het draad.

Verschillen in mechanische eigenschappen tussen giet- en smeedproducten kunnen aanzienlijk zijn.

Gevoeligheid voor scheurvormende spanningscorrosie in agressieve milieus kan varieren tussen legeringen die zijn gefabriceerd via verschillende processen. Chemische samenstelling, afschrikefficientie, warmtebehandelingstijden en -temperatuur en uiteindelijke vormgevingsbewerkingen, die van invloed zijn op de microstructuur, kunnen van invloed zijn op de scheuringsweerstand.

Opmerkingen

Hoge sterkteniveaus die rekgrenswaarden van 650 of 700 MPa te boven gaan verhogen de gevoeligheid voor scheurvormende spanningscorrosie aanzienlijk.

De sterkte bij lage temperatuur van gelaste werkstukken kan gering zijn.

De sterkte bij lage temperatuur van niet-nikkelhoudende giet- en smeedstukken kan eveneens laag zijn.

Precipitatiehardend roestvast staal

Algemeen

Precipiterend roestvast staal verschilt in samenstelling en microstructuur sterk van de andere roestvast-stalsoorten. Er zijn 3 basistypen: martensitisch, semi-austenitisch en austenitisch precipiterend roestvast staal. De legeringstypen worden aangeduid door de microstructurele respons op afkoeling vanaf de temperatuur waarbij de structuur volledig austenitisch is en die wordt bepaald door de chemische samenstelling. De neiging tot precipitatieharding van deze leegringen wordt bepaald door toevoeging van elementen die een afnemende oplosbaarheid vertonen bij dalende temperatuur. Deze elementen (Cu, Al, Ti, Mo en Nb) bevorderen uitscheiding van een afzonderlijke fase tijdens warmtebehandeling, die zorgt voor versteviging tezamen met enige martensiettransformatie.

Martensitisch precipiatiehardend roestvast staal, en dan vooral type 630, gaat tijdens afkoeling van de oplosgloeitemperatuur over in martensiet bij temperaturen boven kamertemperatuur. Aangezien deze legeringen martensitisch zijn bij kamertemperatuur, bezitten ze betrekkelijk harde structuren.

Semi-austenitisch precipitatiehardend roestvast staal gaat pas beneden kamertemperatuur geheel over in martensiet. Martensiet wordt gevormd door:

• een koelingscyclus;
• koudvervorming;
• een thermische cyclus met carbideuitscheiding die de transformatietemperatuur tot boven kamertemperatuur tilt, waardoor tijdens koeling martensiet ontstaat;
• een combinatie van voornoemde behandelingen.

Austenitisch precipitatiehardend roestvast staal ondergaat geen martensiettransformatie.

Het belangrijkste kenmerk van dit staal is dat ze via warmtebehandeling bepaalde mechanische eigenschappen kunnen verkrijgen die veel beter zijn dan die van austenitisch roestvast staal en waarbij hun algemene niveau van corrosieweerstand behouden blijft dat aanzienlijk beter is dan dat van chroomhoudend martensitisch roestvast staal. Deze staalgroep kan worden geleverd in de vorm van smeed- en gietstukken, dikke en dunne plaat en staf. Het staal is goed lasbaar en vervormbaar voordat precipitatieharding plaatsvindt.

Warmtebehandeling

Een kenmerkende warmtebehandeling is de volgende: koelen in lucht van 1000°C, 2 uur verblijf op 750°C en tenslotte 4 uur op 450°C.

Martensitisch precipiterend roestvast staal wordt in het algemeen gebruikt in de oplosgegloeide en precipitatiegeharde toestand. Oplosgloeitemperaturen en de afkoelsnelheid worden nauwkeurig gecontroleerd om de juiste martensiettransformatie te bevorderen en de microstructuur voor te bereiden voor optimale respons op de uitscheidingsharding. Het staal wordt dan in een keer of via een aantal cycli thermisch behandeld, waarbij de tijd en temperatuur worden gecontroleerd om te komen tot gelijktijdige uitscheidingsharding en ontlaten van de martensiet.

Semi-austenitisch precipiterend roestvast staal wordt doorgaans gebruikt in de oplosgegloeide en uitscheidingsgeharde toestand of in de oplosgegloeide , koudbewerkte en uitscheidingsgeharde toestand.

Oplosgloeitemperaturen en de afkoelsnelheden worden gecontroleerd om de microstructuur klaar te amken voor optimale respons op de precipitatieharding. De martensiettransformatie vindt plaats door middel van een diepkoelcyclus, waarbij temperatuur en tijd worden gecontroleerd, een gecontroleerde koudvervormingscyclus, een temperatuurgecontroleerde carbideuitscheidingscyclus gevolgd door een gecontroleerde afkoeling, of een combinatie van deze behandelingen. Het staal wordt dan in een keer of via een aantal cycli thermisch behandeld, waarbij de tijd en temperatuur worden beheerst om te komen tot gelijktijdige uitscheidingsharding en ontlaten van eventuele martensiet.

Austenitisch precipitatiehardend roestvast staal wordt in het algemeen gebruikt in de oplosgegloeide en precipitatiegeharde toestand. Oplosgloeitemperaturen en de afkoelsnelheid worden gecontroleerd om de microstructuur voor te bereiden voor optimale respons op de uitscheidingsharding. Het staal wordt dan in een keer of via een aantal cycli thermisch behandeld, waarbij de tijd en temperatuur worden gecontroleerd om te komen tot uitscheidingsharding.

Mechanische eigenschappen

Er kan een breed scala aan mechanische eigenschappen worden geproduceerd door middel van verschillende warmtebehandelingen van elke legering. De voornoemde kenmerkende warmtebehandelingen geven mechanische eigenschappen in de orde van grootte van: 0,2 rekgrens 1080 MPa, treksterkte 1235 MPa, rek 10% en hardheid 400 DHN