Wat is roestvrij staal?
'Roestvrij' is een term die al vroeg in de ontwikkeling van deze staalsoorten voor bestektoepassingen werd bedacht. Het werd aangenomen als generieke naam voor deze staalsoorten en omvat nu een breed scala aan staalsoorten en kwaliteiten voor corrosie- of oxidatiebestendige toepassingen.
Roestvast staal is een ijzerlegering met minimaal 10,5% chroom. Andere legeringselementen worden toegevoegd om hun structuur en eigenschappen, zoals vervormbaarheid, sterkte en cryogene taaiheid, te verbeteren.
Deze kristalstructuur maakt dergelijke staalsoorten niet-magnetisch en minder bros bij lage temperaturen. Voor een hogere hardheid en sterkte wordt koolstof toegevoegd. Wanneer ze aan een adequate warmtebehandeling worden onderworpen, worden deze staalsoorten gebruikt als scheermesjes, bestek, gereedschap enz.
In veel samenstellingen van roestvrij staal zijn aanzienlijke hoeveelheden mangaan gebruikt. Mangaan behoudt een austenitische structuur in het staal, net als nikkel, maar tegen lagere kosten.
De belangrijkste elementen in roestvrij staal
Roestvrij staal of corrosiebestendig staal is een soort metaallegering die in verschillende vormen voorkomt. Het voldoet zo goed aan onze praktische behoeften dat het moeilijk is om een gebied in ons leven te vinden waar we dit type staal niet gebruiken. De belangrijkste componenten van roestvrij staal zijn: ijzer, chroom, koolstof, nikkel, molybdeen en kleine hoeveelheden andere metalen.
Deze omvatten metalen zoals:
- Nikkel
- Molybdeen
- Titanium
- Koper
Er worden ook niet-metalen toevoegingen gedaan, waarvan de belangrijkste zijn:
- Koolstof
- Stikstof
CHROOM EN NIKKEL:
Chroom is het element dat roestvrij staal roestvrij maakt. Het is essentieel bij het vormen van de passieve film. Andere elementen kunnen de effectiviteit van chroom bij het vormen of behouden van de film beïnvloeden, maar geen enkel ander element op zichzelf kan de eigenschappen van roestvrij staal creëren.
Bij ongeveer 10,5% chroom wordt een zwakke film gevormd die milde atmosferische bescherming biedt. Door het chroomgehalte te verhogen tot 17-20%, wat typisch is voor de type-300-serie austenitische roestvaste staalsoorten, wordt de stabiliteit van de passieve film vergroot. Verdere verhogingen van het chroomgehalte zorgen voor extra bescherming.
| Symbool | Element |
| Al | Aluminium |
| C | Koolstof |
| Cr | Chroom |
| Cu | Koper |
| Fe | Ijzer |
| ma | Molybdeen |
| Mn | Mangaan |
| N | Stikstof |
| Ni | Nikkel |
| P | Fosfor |
| S | Zwavel |
| Se | Selenium |
| Ta | Tantaal |
| Ti | Titanium |
Nikkel zal de austenitische structuur (de korrel- of kristalstructuur) van het roestvast staal stabiliseren en de mechanische eigenschappen en fabricagekenmerken verbeteren. Een nikkelgehalte van 8-10% en hoger zal de neiging van het metaal om te barsten als gevolg van spanningscorrosie verminderen. Nikkel bevordert ook de repassivering als de film beschadigd raakt.
MANGAAN:
Mangaan vervult, samen met nikkel, veel van de functies die aan nikkel worden toegeschreven. Het zal ook een interactie aangaan met de zwavel in roestvrij staal om mangaansulfieten te vormen, wat de weerstand tegen putcorrosie verhoogt. Door nikkel te vervangen door mangaan en dit vervolgens te combineren met stikstof, wordt ook de sterkte vergroot.
MOLYBDEEN:
Molybdeen is, in combinatie met chroom, zeer effectief bij het stabiliseren van de passieve film in aanwezigheid van chloriden. Het is effectief bij het voorkomen van spleet- of putcorrosie. Molybdeen zorgt, naast chroom, voor de grootste toename in corrosieweerstand in roestvast staal. Edstrom Industries gebruikt roestvrij staal 316 omdat het 2-3% molybdeen bevat, wat bescherming geeft wanneer chloor aan het water wordt toegevoegd.
KOOLSTOF:
Koolstof wordt gebruikt om de sterkte te vergroten. Bij de martensitische kwaliteit vergemakkelijkt de toevoeging van koolstof het uitharden door middel van warmtebehandeling.
STIKSTOF:
Stikstof wordt gebruikt om de austenitische structuur van roestvrij staal te stabiliseren, waardoor de weerstand tegen putcorrosie wordt vergroot en het staal wordt versterkt. Door het gebruik van stikstof is het mogelijk om het molybdeengehalte tot 6% te verhogen, wat de corrosieweerstand in chlorideomgevingen verbetert.
TITANIUM EN MIOBIUM:
Titanium en Miobium worden gebruikt om de sensibilisatie van roestvrij staal te verminderen. Wanneer roestvrij staal gevoelig wordt gemaakt, kan intergranulaire corrosie optreden. Dit wordt veroorzaakt door het neerslaan van chroomcarbiden tijdens de afkoelfase wanneer onderdelen worden gelast. Hierdoor wordt het lasgebied van chroom uitgeput. Zonder chroom kan de passieve film zich niet vormen. Titanium en Niobium werken samen met koolstof om carbiden te vormen, waardoor het chroom in oplossing blijft zodat zich een passieve film kan vormen.
KOPER EN ALUMINIUM:
Koper en aluminium kunnen, samen met titanium, aan roestvrij staal worden toegevoegd om de verharding ervan te versnellen. Uitharding wordt bereikt door weken bij een temperatuur van 900 tot 1150F. Deze elementen vormen een harde intermetallische microstructuur tijdens het weekproces bij verhoogde temperatuur.
ZWAVEL EN SELENIUM:
Zwavel en selenium worden aan roestvrij staal 304 toegevoegd om het vrij machinaal te kunnen bewerken. Dit wordt 303 of 303SE roestvrij staal, dat door Edstrom Industries wordt gebruikt om varkenskleppen, moeren en onderdelen te maken die niet worden blootgesteld aan drinkwater.
Soorten roestvrij staal
DE AISI DEFINIËERT ONDER ANDEREN DE VOLGENDE CIJFERS:
Ook bekend als “marine grade” roestvrij staal vanwege het grotere vermogen om zoutwatercorrosie te weerstaan in vergelijking met type 304. SS316 wordt vaak gebruikt voor de bouw van nucleaire opwerkingsfabrieken.
304/304L ROESTVRIJ STAAL
Type 304 heeft een iets lagere sterkte dan 302 vanwege het lagere koolstofgehalte.
316/316L ROESTVRIJ STAAL
Type 316/316L roestvrij staal is een molybdeenstaal met een verbeterde weerstand tegen putcorrosie door oplossingen die chloriden en andere halogeniden bevatten.
310S ROESTVRIJ STAAL
310S roestvrij staal heeft een uitstekende weerstand tegen oxidatie onder constante temperaturen tot 2000 ° F.
317L ROESTVRIJ STAAL
317L is een molybdeenhoudend austenitisch chroomnikkelstaal vergelijkbaar met type 316, behalve dat het legeringsgehalte in 317L iets hoger is.
321/321H ROESTVRIJ STAAL
Type 321 is het basistype 304, gemodificeerd door toevoeging van titanium in een hoeveelheid die minstens vijf keer het koolstof- plus stikstofgehalte bedraagt.
410 ROESTVRIJ STAAL
Type 410 is een martensitisch roestvrij staal dat magnetisch is, bestand is tegen corrosie in milde omgevingen en een redelijk goede ductiliteit heeft.
DUPLEX 2205 (UNS S31803)
Duplex 2205 (UNS S31803), of Avesta Sheffield 2205 is een ferritisch-austenitisch roestvrij staal.
ROESTVRIJ STAAL WORDT OOK GECLASSIFICEERD DOOR HUN KRISTALLIJNE STRUCTUUR:
- Austenitisch roestvast staal omvat meer dan 70% van de totale productie van roestvast staal. Ze bevatten maximaal 0,15% koolstof, minimaal 16% chroom en voldoende nikkel en/of mangaan om bij alle temperaturen vanaf het cryogene gebied tot het smeltpunt van de legering een austenitische structuur te behouden. Een typische samenstelling is 18% chroom en 10% nikkel, algemeen bekend als 18/10 roestvrij staal en wordt vaak gebruikt in bestek. Op dezelfde manier zijn 18/0 en 18/8 ook beschikbaar. ¨Superaustenitische” roestvaste staalsoorten, zoals de legering AL-6XN en 254SMO, vertonen een grote weerstand tegen putcorrosie door chloride en spleetcorrosie vanwege het hoge molybdeengehalte (>6%) en stikstoftoevoegingen, en het hogere nikkelgehalte zorgt voor een betere weerstand tegen spanningscorrosiescheuren dan de 300-serie. Het hogere legeringsgehalte van ‘superaustenitische’ staalsoorten betekent dat ze angstaanjagend duur zijn en vergelijkbare prestaties kunnen doorgaans worden bereikt met duplexstaalsoorten tegen veel lagere kosten.
- Ferritische roestvaste staalsoorten zijn zeer corrosiebestendig, maar veel minder duurzaam dan austenitische staalsoorten en kunnen niet worden gehard door warmtebehandeling. Ze bevatten tussen 10,5% en 27% chroom en zeer weinig of geen nikkel. De meeste composities bevatten molybdeen; sommige, aluminium of titanium. Veel voorkomende ferritische kwaliteiten zijn 18Cr-2Mo, 26Cr-1Mo, 29Cr-4Mo en 29Cr-4Mo-2Ni.
- Martensitisch roestvast staal is niet zo corrosiebestendig als de andere twee klassen, maar is extreem sterk en taai en goed bewerkbaar, en kan worden gehard door warmtebehandeling. Martensitisch roestvrij staal bevat chroom (12-14%), molybdeen (0,2-1%), geen nikkel en ongeveer 0,1-1% koolstof (waardoor het meer hardheid krijgt maar het materiaal iets brozer maakt). Het is gedoofd en magnetisch. Het wordt ook wel ‘serie-00’-staal genoemd.
- Duplex roestvast staal heeft een gemengde microstructuur van austeniet en ferriet, waarbij het de bedoeling is een 50:50-mengsel te produceren, hoewel het mengsel bij commerciële legeringen 60:40 kan zijn. Duplexstaal heeft een verbeterde sterkte ten opzichte van austenitisch roestvast staal en ook een verbeterde weerstand tegen plaatselijke corrosie, met name putcorrosie, spleetcorrosie en spanningscorrosie. Ze worden gekenmerkt door een hoog chroom- en een lager nikkelgehalte dan austenitisch roestvast staal.
Geschiedenis van roestvrij staal
Een paar corrosiebestendige ijzerartefacten zijn bewaard gebleven uit de oudheid. Een beroemd (en zeer groot) voorbeeld is de ijzeren pilaar van Delhi, gebouwd in opdracht van Kumara Gupta I rond het jaar 400 na Christus. In tegenstelling tot roestvrij staal danken deze artefacten hun duurzaamheid echter niet aan chroom, maar aan hun hoge fosforgehalte. wat samen met gunstige lokale weersomstandigheden de vorming bevordert van een stevige beschermende passivatielaag van ijzeroxiden en fosfaten, in plaats van de niet-beschermende, gebarsten roestlaag die zich op het meeste ijzerwerk ontwikkelt.
De corrosieweerstand van ijzer-chroomlegeringen werd voor het eerst erkend in 1821 door de Franse metallurg Pierre Berthier, die hun weerstand tegen aantasting door sommige zuren opmerkte en het gebruik ervan in bestek voorstelde. De metallurgen van de 19e eeuw waren echter niet in staat de combinatie van koolstofarm en hoog chroom te produceren die in de meeste moderne roestvrij staalsoorten wordt aangetroffen, en de legeringen met een hoog chroomgehalte die ze konden produceren waren te bros om van praktisch belang te zijn.
Deze situatie veranderde eind jaren negentig van de negentiende eeuw, toen Hans Goldschmidt uit Duitsland een aluminothermisch (thermiet) proces ontwikkelde voor de productie van koolstofvrij chroom. In de jaren 1904 tot en met 1911 bereidden verschillende onderzoekers, met name Leon Guillet uit Frankrijk, legeringen voor die tegenwoordig als roestvrij staal zouden worden beschouwd. In 1911 rapporteerde Philip Monnartz uit Duitsland over de relatie tussen het chroomgehalte en de corrosieweerstand van deze legeringen.
Harry Brearley van het Brown-Firth onderzoekslaboratorium in Sheffield, Engeland wordt meestal gezien als de ‘uitvinder’ van roestvrij staal
staal. In 1913, terwijl hij op zoek was naar een erosiebestendige legering voor geweerlopen, ontdekte en industrialiseerde hij vervolgens een martensitische roestvrijstalen legering. Soortgelijke industriële ontwikkelingen vonden echter gelijktijdig plaats in de Krupp Iron Works in Duitsland, waar Eduard Maurer en Benno Strauss een austenitische legering ontwikkelden (21% chroom, 7% nikkel), en in de Verenigde Staten, waar Christian Dantsizen en Frederick Becket waren ferritisch roestvrij staal aan het industrialiseren.
Houd er rekening mee dat u wellicht geïnteresseerd bent in de andere technische artikelen die we hebben gepubliceerd:
Posttijd: 16 juni 2022