Roestvast staal

Roestvaststaal is een legering van ijzer met minimaal 12% chroom. Roestweerstand door vorming van een beschermende chroomoxide huid in een oxiderende omgeving. Niet geschikt voor een reducerend milieu. Corrosievastheid bij hogere temperatuur neemt toe met chroom gehalte. Naast chroom zijn nikkel en mangaan belangrijke legeringelementen, ze werken austeniet stabiliserend en verder zijn belangrijk molybdeen, silicium, niobium en titaan die het ferriet stabiliseren.

Roestvaststaal

Roestvaststaal te verdelen in vier groepen:

• Ferritisch roestvaststaal
• Martensitisch roestvaststaal
• Austenitisch roestvaststaal
• Precipitatiehardend roestvaststaal

Binnen deze groepen onderscheiden we wals en gietlegeringen.

Ferritisch roestvaststaal

Chroom verhoogt de structuuromzettingslijn (723 gr.C) in het ijzerkoolstofdiagram. Het ferrietgebied breidt zich uit naar boven. Bij 15% chroom is het austenietgebied verdwenen, het staal is nu ferritisch, er is geen structuurovergang bij verhitten en afkoelen dus harden via een warmtebehandeling is onmogelijk. Natuurlijk kunnen wel spanningsvrijgloeien e.d. behandelingen op het ferritische staal toegepast worden.

Ferritisch roestvaststaal bevat 12- 27% chroom en tot circa 0,20% koolstof. Het heeft een relatief lage sterkte, die niet door harden is op te voeren. De corrosiebestendigheid in een zuur milieu is goed. Staal met 12% of meer chroom ontwikkelt een oxidelaag op het staal, die zich bij beschadiging herstelt. Bij 27 % Cr is het staal bestendig tot ruim 1000 gr.C, door toevoeging van molybdeen wordt de corrosievastheid opgevoerd. Legeringen met hoog chroom gehalte boven 25% zijn gevoelig voor warmbrosheid tussen 450- en 600 gr. C, het staal in dit temperatuurgebied dus niet langdurig toepassen.

Eigenschappen

• Goede warmvastheid
• Corrosievast
• Bijzondere magnetische eigenschappen
• Niet hardbaar door warmtebehandeling

Toepassingvoorbeelden

• Vaten voor bier en melk
• Apparaten in chemische industrie
• Keukengerei
• Siervoorwerpen

Metallurgisch aspect
Koolstofgehalte van het staal mag niet hoger zijn dan 0,15% anders worden er chroomcarbiden gevormd en wordt de invloed van chroom op de structuur minder. Chroom moet gelijkmatig in moedermassa zijn opgelost (homogeen) om corrosievastheid te maximaliseren. Door onttrekking van chroom, wegens vorming van chroomcarbiden, kan het chroomgehalte plaatselijk onder 12% komen en op die plek neemt de corrosievastheid af. Als dit dreigt neemt men een van de volgende maatregelen om de roestvastheid te handhaven:

• Chroom gehalte verhogen (16% Cr bij 0,15% C)
• Koolstof binden aan een ander element dan chroom, bijvoorbeeld stabiliseren met niobium of tantaal.

Martensitisch roestvaststaal

Roestvaststaal met 16% Cr en 0,15-1,2% C is hardbaar en wordt dan martensitisch. Er is te weinig chroom om het austenietgebied naar kamertemperatuur uit te breiden, de structuur overgang 723 gr.C blijft bestaan. (zie het ijzerkoolstofdiagram) Bij martensitisch roestvaststaal varieert Cr gehalte tussen 12-18%Cr en C gehalte tussen 0,15 - 1,2% C.

Sterkte na harden en ontlaten neemt (als bij alle stalen) toe met het C gehalte, de taaiheid wordt dan kleiner. De ontlaattemperatuur heeft invloed op de mechanische eigenschappen. De grootste taaiheid ontstaat bij ontlaten op 700 gr.C en grootste hardheid, sterkte en slijtvastheid op ontlaten op 200 gr.C. Sterkte en slijtvastheid is beter dan van de ferritische soorten maar de corrosievastheid is minder goed. Toevoeging Ni of Mo verhoogt corrosieweerstand. Grootste corrosieweerstand ontstaat na harden en hoog ontlaten, ook wel veredelen genoemd.

Toepassingen martensitisch (chroom)staal

• Turbineschoepen
• Chirurgische instrumenten
• Messen, scharen
• Pompen en afsluiters

Austenitisch roestvaststaal

Austenitisch roestvaststaal bestaat uit minimaal 16%Cr, 0,10-0,25%C en 6-22% Ni dat gedeeltelijk door mangaan vervangen kan worden als austeniet stabiliserend element. Deze stalen met KVR rooster zijn taai, ze zijn niet hardbaar, sterkte kan alleen door koudvervorming (versteviging) verhoogd worden. De austenietstructuur blijft ook bij lagere temperatuur bestaan. Geschikt voor toepassing bij zeer lage temperaturen (cryogene technologie), kruipsterkte boven 550 gr.C is hoger dan bij ferritische en martensitische stalen. Door toevoeging van circa 2,5% Mo ontstaat het zeewaterbestendige AISI 316 dat een hoge sterkte handhaaft tot circa 700 gr.C. Corrosievastheid van austenitisch roestvaststaal is beter als van ferritisch en martensitisch staal, corrosiebestendigheid in een zuur milieu is goed, maar het staal is vooral in cloriden gevoeliger voor spanningscorrosie dan ferritisch en martensitisch staal.

Eigenschappen

• Niet magnetisch
• Goed te vervormen
• Moeilijk verspaanbaar (taai),
• Grote uitzettingscoefficient
• Slechte warmtegeleider
• Niet hardbaar door een warmtebehandeling wel door koudvervorming(versteviging)
• Neiging tot carbidevorming op hoge temperatuur (door het lassen) en interkristallijne corrosie

Interkristallijne corrosie in austenitisch roestvaststaal
Spanningsvrijgloeien na bewerkingen kan spanningscorrosie voorkomen of toepassing van een gemengde ferritische/austenitische structuur. Reeds bij 8% Ni wordt de omzettingslijn 723 gr.C van het ijzerkoolstof diagram verlaagd, gevolg is dat het austenietgebied tot ver onder kamertemperatuur doorloopt. Austenitisch staal is gevoelig voor interkristallijnecorrosie.

Extra maatregelen bij austenitische laskwaliteiten:

• Stabiliseren, zodat er geen Cr aan het materiaal wordt onttrokken.
• Extra laag Cgehalte waardoor geen carbidevorming (316L is de laskwaliteit, L staat voor low carbon)
• Oplosgloeien na het lassen waardoor carbiden oplossen, hierna snel afkoelen.

Toepassingen:

• Tanks voor zuivel en chemische industrie
• Dieptrek- en forceerwerk (omvormen)
• Bestek, potten en pannen
• Onderdelen mijnenvegers
• Toepassing bij zeer lage temperaturen, de zgn cryogene technologie
• Vooral ook austenitisch mangaanstaal wegens versteving in gebruik, toepassing voor trein en tramrails vooral stukken in de bochten

Gecombineerde martensiet, perliet en ferriet structuren

Structuur verloop ferritisch roestvast chroomstaal bij oplopend koolstofgehalte.

Precipitatiehardend roestvast staal

Goede corrosievastheid en vervormbaarheid gecombineerd met hoge sterkte. Er zijn drie groepen martensitisch-, semi-austenitisch- en austenitisch precipitatiehardend roestvaststaal.

Martensitisch

Afkoelen vanaf 1050 gr.C. Tussen 120- en 40 gr.C vormt zich martensiet die door lage koolstofgehalte minder hard is zodat bewerken en vervormen mogelijk zijn. Door de elementen Ti, Al en Cu treedt bij verwarming boven 400 gr.C precipitatieharding op, wat eigenlijk een vorm van verouderen is.

Semi austenitisch

Bij kamertemperatuur na homogeen gloeien is het staal austenitisch en de vervormaarheid goed. Sterkte toename door verhitten op 750 gr.C, er worden carbiden gevormd. Bij afkoelen tot kamertemperatuur ontstaat martensiet. Door het daarna verouderen boven 450 gr.C ontstaat maximale sterkte. Dus de sterkte wordt pas na bewerking, als het nog goed bewerkbaar is, opgevoerd.

Austenitisch

Veroudering op 700 gr.C sterkte minder hoog als twee voorgenoemde soorten (strekgrens A286 is 700-800 N/mm2). Tot 700 gr.C treedt geen sterkte vermindering op, bij de voorgenoemde twee soorten begint de daling al na circa 490 gr.C. Corrosievastheid van precipertatiehardend roestvaststaal is vergelijkbaar met de austenische soorten als AISI 304.

Overzicht van de meest gebruikte roestvaste staalsoorten

Toelichting op de legeringen in de tabel

1.4301 (AISI 304) (Austenitisch)

Het bezit een combinatie van sterkte, corrosievastheid en vervormaarheid. Het staal is matig verspaanbaar door zijn taaiheid, geleid de warmte slecht, verstevigt door koude bewerking.

1.4306 (AISI 304L) (Austenitisch)

304L is de laskwaliteit van 304. Toegepast vanwege zijn laag koolstofgehalte om interkristallijne corrosie door lassen te voorkomen.

1.4305 (AISI 303) (Austenitisch)

Het is de automaten kwaliteit. Het staal is aanzienlijk beter verspaanbaar. Door de toevoeging van zwavel – dat met het aanwezige mangaan sulfiden vormt - breken de spanen kort af. Nadeel van de toevoeging van zwavel is de verminderde corrosievastheid, slechter vervormbaar en moeilijker te lassen dan AISI 304.

1.4401 (AISI 316) (Austenitisch)

Betere corrosiebestendigheid dan de andere soorten van de AISI 300 reeks in ruwe corrosieve omgevingen (bv. zeewater, chemische producten). De kwaliteit 316 is goed vervormbaar en polijstbaar. De verspaanbaarheid is minder goed. Versteviging treedt op door door koudbewerking.

1.4404 (AISI 316L) (Austenitisch)

Het is de laskwaliteit van AISI 316. Toegepast vanwege de lagere koolstofgehalte om interkristallijne corrosie in lasconstructies te voorkomen.

1.4571 (AISI 316Ti) (Austenitisch)

Met titaan gelegeerd type 316Ti heeft praktische dezelfde eigenschappen als AISI 316. Titaan is toegevoegd om de corrosieweerstand tegen interkristallijne corrosie in lasconstructies te verbeteren. Nadelen van titaan zijn dat het slechter te polijsten is, minder goed te vervormen en matig verspaanbaar.

1.4541 (AISI 321) (Austenitisch)

Met titanium gelegeerd type 304 met nagenoeg dezelfde eigenschappen. Titaan is toegevoegd om de corrosieweerstand tegen interkristallijne corrosie in lasconstructies te verbeteren. Het heeft betere eigenschappen als die van AISI 304, waardoor het geschikt is voor onderdelen die niet uitgegloeid worden. Nadelen van de toevoeging van titaan zijn onder andere de verminderde polijstbaarheid en vermindering van de vervormbaarheid ten opzichte van AISI 304.

1.4006 (AISI 410) (Martensitisch)

Goede atmosferische corrosievastheid in contact met water en stoom en bepaalde zuren. Toepassing turbine schoepen, levensmiddelen industrie.

1.4021 (AISI 420) (Martensitisch)

Als AISI 410. Een betere verspaanbaarheid door toevoeging van 0,15% S, dan ontstaat 420F de automatenkwaliteit van de 400 serie. Goede slijtvastheid. Toepassing o.a.: messen, scharen, chirurgische instrumenten en kogellageronderdelen.

1.4016 (AISI 430) (Ferritisch)

Ferritische roestvaststaal. Goede dieptrek- en polijstbaarheid. Beperkt lasbaar en een beperkte corrosievastheid en daarom voornamelijk toegepast in niet agressieve omgevingen of daar waar minder eisen gesteld worden aan de corrosievastheid. Ferritisch roestvast staal wordt o.a. gebruikt in de chemische industrie, autoindustrie, keukengerei, huishoudelijke apparaten en interieurs.

Nawoord

Hittevaste stalen, roestvaste duplex legeringen en legeringen voor bijzondere toepassingen worden in een apart artikel behandeld.