InfoNu.nl > Wetenschap > Techniek > 17-4PH (AISI 630): Precipitatiehardend roestvast staal

17-4PH (AISI 630): Precipitatiehardend roestvast staal

17-4PH (AISI 630): Precipitatiehardend roestvast staal De moderne staalsoort 17-4HP (AISI 630, werkstoff Nr. 1.4542) is een martensitisch precipitatiehardend, met chroom, nikkel en koper gelegeerd, roestvast staal met uitstekende mechanische eigenschappen zoals sterkte en taaiheid tot circa 320 ºC, zowel van het basis-metaal als van het lasmetaal, gecombineerd met goede corrosievastheid. De langzame afkoeling in de lucht en de relatief kortdurende warmtebehandeling bij relatief lage temperatuur minimaliseert de vervorming van het product bij het precipitatieharden, in tegenstelling tot de reeds lang bestaande martensitische roestvaste staalsoorten AISI 410 en 420 die hun hardheid en sterkte verkrijgen door het klassieke harden, dat is het ontlaten van martensiet dat ontstaat door afschrikken vanaf de hoge temperatuur in het austenietgebied.
Ideale foutloze atoomstapeling / Bron: Wikityke / Wikimedia CommonsIdeale foutloze atoomstapeling / Bron: Wikityke / Wikimedia Commons

De theoretisch grondslag van het precipitatieharden

De treksterkte van een zuiver ijzerkristal zonder fouten in de atoomstapeling is tienmaal zo groot als de sterkste staallegering die door de staalfabrieken gemaakt wordt. De breuk in het ideale ijzerkristal treedt zonder vervorming op en wordt slechts bepaald door de aantrekkingskracht tussen de ijzeratomen. De stapeling van de atomen zit in de praktijk echter vol fouten, er zitten gaten in de stapeling waardoor de directe omgeving van het gat vervormt, deze structuurverstoringen worden dislocaties genoemd. Onder de spanning in de stapeling door externe belasting gaan deze dislocaties wandelen en veroorzaken de vervorming van het metaal (een trekstaaf wordt onder de trekbelasting dunner en langer tot het breekt). Willen we de sterkte en dus de hardheid van het metaal opvoeren, moeten we de beweging van deze dislocaties hinderen. Dat doen we door ankers in de atoomstapeling neer te slaan en dat is precies wat er gebeurt bij precipitatieharden. De precipitaten bestaan uit harde carbides en intermetallische verbindingen die het wandelen van de dislocaties bemoeilijken.

Indeling van de precipitatiehardende roestvaste stalen

Precipitatiehardende roestvaste stalen worden in het algemeen door de staalfabriek geleverd in oplossingsgegloeide toestand (solution treated condition), d.w.z. verwarmen in het austenietgebied en afkoelen aan de lucht; het staal is dan goed verspaanbaar. Na bewerking tot product of halffabrikaat krijgt het een warmtebehandeling bij relatief lage temperatuur dat bekend staat als verouderen of 'aging' en 'age hardening'. Door deze lage temperatuur is de krimp tijdens de warmtebehandeling minder dan 0,1% en de vervorming door spanningen dus minimaal.

De chemische samenstelling van het staal is zodanig gekozen dat de structuur ligt tussen austenitisch en ferritisch. Na oplossend gloeien en afschrikken ontstaan, afhankelijk van de chemische samenstelling, de structuren ferriet, martensiet, cementie, stabiel austeniet en instabiel austeniet. Men onderscheidt drie groepen legeringen in de categorie precipitatiehardend roestvast staal:

Martensitisch (17-4PH)

Na oplossingsgloeien (1040-1065 ºC) is de structuur austenitisch en bij het afschrikken ontstaat martensiet. Tijdens het hoog ontlaten op circa 480 ºC , het precipitatieharden, scheidt onder anderen koper (Cu) uit in fijne precipitaten waardoor de sterkte oploopt tot circa 1200MPa (120N/mm2).

Semi-austenitisch (17-7PH)

Extra nikkel (Ni) en/of minder Chroom (Cr) wordt toegepast om de austeniet-fase stabieler te maken.

Austenitisch (A-286)

De legering heeft een austenitische structuur bij alle temperaturen. Martensiet is afwezig. De sterkte wordt alleen veroorzaakt door uitscheiding van precipitaten en dus niet door martensiet. De precipitatie geschiedt tijdens hoog-ontlaten bij 650-750 ºC door uitscheiding van intermetallische verbindingen van Nikkel (Ni) en Titaan (Ti). De bereikte sterkte is circa 590MPa (59N/mm2) en is dus lager dan bij de genoemde martensitische en semi-austenitische stalen.

Precipitatiehardend roestvast staal 17-4PH (AISI 630)

De 'klassieke' martensitische roestvaste staalsoorten AISI 410 en AISI 420 verkrijgen hun mechanische eigenschappen door veredelen d.w.z. snel afkoelen van de hoge austenitische temperatuur en daarna hoog-ontlaten zoals dat bij ongelegeerd en laaggelegeerd staal het geval is. 17-4PH (AISI 630) verkrijgt zijn mechanische eigenschappen door precipitatieharding volgens tabel 2.

Tabel 1: Richtwaarden chemische samenstelling in gew.% van roestvast staal 17-4PH (AISI 630)

Koolstof (C)Mangaan (Mn)Fosfor (P)Zwavel (S)Silicium (Si)Chroom (Cr)Nikkel (Ni) koper (Cu)Niobium (Nb)+(Ti)
0,07 max1,0 max0,04 max0,03 max1,0 max15-17,53-53-55xC%

Tabel 2: Warmtebehandeling van 17-4PH (AISI 630)

In de aanduiding 17-4PH staat 17 voor het chroomgehalte, 4 voor het nikkelgehalte, P voor precipitatie en H voor harden. In de toestandsaanduiding zoals H900 staat het getal voor de precipitatietemperatuur in ºF.
Toestand Precipitatietemp.in ºCTijd op temp.Afkoelen in:
A.(Toestand waarin de fabriek levert)1040OplossingsgegloeidOlie of lucht
H9004801u Olie of lucht
H9254954uOlie of lucht
H10255504uOlie of lucht
H10755804uOlie of lucht
H11005954uOlie of lucht
H11506204uOlie of lucht

Tabel 3: Richtwaarden mechanische eigenschappen van roestvast staal 17-4PH (AISI 630)

De waarden voor de rek (taaiheid) zijn afhankelijk met het precipitatieharden bereikte treksterkte, indien deze door aanpassen van de warmtebehandeling lager gehouden wordt stijgt de rek. Er kan via de precipitatietemperatuur een compromis gezocht worden tussen treksterkte en taaiheid. Indien de treksterkte van H900 met een trekvastheid 1450 N/mm2 ingesteld wordt op 1300 N/mm2, kan de rek stijgen van 5% naar circa 10%. Voor H1150 geldt dat een daling van de treksterkte van 1100 N/mm2 naar 930 N/mm2 een stijging van de rek oplevert van 11% naar 16%.

EigenschapAH900H925H1025H1075H1100H1150
Treksterkte MPa1100145013801275120511001035
0,2 Rekgrens100013801345117011501035895
Rek% (meetlengte 50mm)5,07,08,08,09,011,012,0
Hardheid HRc35454333373533

Richtwaarden fysische eigenschappen van roestvast staal 17-4PH (AISI 630)

ToestandAH900H1075H1150
Dichtheid7,787,807,817,82
Elektrische weerstand microhm.cm (µΩ.cm)9877
Specifieke warmte KJ/Kg.ºk0,460,46
Warmtegeleiding W/m.ºk
150ºC
260ºC
480ºC
-
-
17,9
19,5
22,6
Warmte-uitzettingscoëfficiënt µm/m.ºk x10-6
-75-23 ºC
21-93 ºC
21-316 ºC
21-427 ºC
-
10,4
10,8
11,2
11,3
-
10,4
10,8
11,3
11,7
-
10,4
11,3
11,9
12,2
-
11,0
11,9
12,8
13,0

Bewerkbaarheid 17-4PH (AISI 630)

Warmvervormen

Warmdeformatie, zoals smeden, vindt plaats tussen 950 ºC en 1200 ºC. Na de bewerking moet het staal oplossingsgegloeid worden, gevolgd door precipitatieharden om de gewenste mechanische eigenschappen te verkrijgen.

Kouddeformatie

De kouddeformatie wordt zoveel mogelijk beperkt. De kouddeformatie wordt sterk verbeterd door oplossendgloeien vooraf aan de koudvervorming. In geharde toestand is kouddeformatie niet aan te raden.

Verspanen

Roestvast staal 17-4PH kan verspaand worden met de standaard verspaningsmachines door draaien, frezen enzovoort, zowel in de oplossingsgegloeide als in de (precipitatie)geharde toestand, waarbij de haalbare snijsnelheden afhankelijk zijn van de hardheid van het staal. In de praktijk kan snelstaal gebruikt worden maar de voorkeur gaat uit naar hardmetaal. Er wordt verspaand onder standaard oliekoeling. Bij grote eisen t.a.v. de maatvoering moet bij de productiekosten rekening gehouden worden met een relatief geringe vorm- of maatverandering van het product door het precipitatieharden, zodat een nabewerking zoals slijpen nodig kan zijn.

Snijden

Thermisch snijden van 17-4PH zoals plasmasnijden moet vermeden worden. Bij voorkeur worden voor het 'snijden' mechanische snijbewerkingen toegepast zoals knippen, (lint)zagen en waterstralen.

Lassen

Het staal wordt gelast in de oplossingsgegloeide toestand met de gangbare technieken voor roestvast staal. De keuze van het lasmateriaal, bij minder ervaring met 17-4PH lassen, moet gebeuren in overleg met de staalleverancier of de leverancier van het lasmateriaal. In het algemeen heeft het lasmetaal dezelfde samenstelling als het moedermetaal. Bij een materiaaldikte groter dan 25 wordt voorverwarmen op 100-200 ºC geadviseerd.

Toepassingen

Roestvast staal 17-4PH wordt veelvuldig toegepast in de machinebouw, de lucht- en ruimtevaart, de chemische industrie, de petrochemische industrie, de papierindustrie en in de meet- en regeltechniek.
© 2017 Custor, het auteursrecht van dit artikel ligt bij de infoteur. Zonder toestemming van de infoteur is vermenigvuldiging verboden.
Gerelateerde artikelen
Roestvast staalRoestvast staalRoestvaststaal is een legering van ijzer met minimaal 12% chroom. Roestweerstand door vorming van een beschermende chroo…
Dual-phase staal: Hoogwaardig automobiel staalIn de zoektocht naar materiaalconcepten met goede vervormbaarheid bij hoge sterkte, ontwikkelden metallurgen staal met e…
C45 veredelingsstaal: Eigenschappen en toepassingenC45 veredelingsstaal: Eigenschappen en toepassingenOngelegeerd veredelingsstaal C45 behoort al meer dan een halve eeuw tot het meest gebruikte machinestaal. Het heeft uits…
RVS schoonmaken: diverse middelen op een rijtjeEen aanrecht, afzuigkap, koelkast of fornuis van RVS is prachtig om te zien. Geen wonder dat RVS al jaren een populair e…
Duplex roestvast staalFerritische en martensitische roestvaste chroomstalen zijn corrosievast bij goede mechanische eigenschappen en worden to…
Bronnen en referenties
  • Inleidingsfoto: Olivier Cleynen / Wikimedia Commons
  • http://www.globalmetals.com.au/_pdf/Stainless_Steel/Stainless_Steel_630.pdf
  • http://www.aksteel.com/pdf/markets_products/stainless/precipitation/17-4_ph_data_sheet.pdf
  • http://www.bohler-uddeholm.it/media/N700DE.pdf
  • http://www.metalcor.de/en/datenblatt/34/
  • http://www.specialtysteelsupply.com/brochure/17-4-technical-data.pdf
  • http://www.steelinox.nl/images/uploads/Datasheet_1.4542_174PH.pdf
  • Afbeelding bron 1: Wikityke / Wikimedia Commons

Reageer op het artikel "17-4PH (AISI 630): Precipitatiehardend roestvast staal"

Plaats als eerste een reactie, vraag of opmerking bij dit artikel. Reacties moeten voldoen aan de huisregels van InfoNu.
Meld mij aan voor de tweewekelijkse InfoNu nieuwsbrief
Infoteur: Custor
Laatste update: 18-07-2017
Rubriek: Wetenschap
Subrubriek: Techniek
Bronnen en referenties: 8
Schrijf mee!