WAT IS ROESTVAST STAAL?

Roestvast staal is de verzamelnaam van een aantal ijzerlegeringen met minimum 11% chroom en een laag koolstofgehalte. Door het chroomgehalte van 11% roest de legering niet in gewoon water en lucht in tegenstelling tot gewoon (koolstof-)staal. Het chroom verdeelt zich in het staal en vormt aan de oppervlakte een dunne beschermende laag chroomoxide. Het staal is dan gepassiveerd en bestand tegen corrosie. Als de oxidefilm chemisch of mechanisch beschadigd wordt, kan er lokaal corrosie ontstaan.

Hoe hoger het chroomgehalte, hoe hoger de corrosieweerstand. Met deze 11% chroom als basis worden er andere legeringselementen (vooral nikkel en molybdeen) toegevoegd die de weerstand tegen corrosie verhogen en een betere bewerking van het roestvast staal mogelijk maken.

Door het toevoegen van die legeringselementen neemt de corrosieweerstand toe, maar ook de structuur wijzigt. Hoe meer van deze verschillende elementen toegevoegd worden, hoe meer toepassingsmogelijkheden en hoe hoger de prijs.

HISTORISCH OVERZICHT EN ACHTERGROND VAN ROESTVAST STAAL

Zelfs in een natuurlijke omgeving zullen ijzer, koolstofstaal en lichtgelegeerde staalsoorten beïnvloed worden door de luchtvochtigheid en de zuurstof in de atmosfeer. Om constructies uit ijzer, koolstofstaal en lichtgelegeerde staalsoorten te beschermen worden er voorzorgsmaatregelen genomen. Roestwerende verven worden aangebracht en regelmatige inspecties en herstellingen zijn noodzakelijk. Door de roestvorming zijn er vele industriële toepassingen waar ijzer en lichtgelegeerde staalsoorten niet kunnen worden gebruikt.

Aan het begin van de 20ste eeuw begon de staalindustrie staalsoorten te produceren met grotere weerstand tegen chemische aantasting. Eerst de zogenaamde ‘langzaam roestende’ kwaliteiten. Kort nadien volgden een reeks roestvaste staalsoorten die niet werden beïnvloed door water, lucht en vele andere media. Aan deze staalsoorten werd minimum 11% chroom toegevoegd en het koolstofgehalte werd zo laag mogelijk gehouden. Hoe hoger het koolstofgehalte, hoe geringer de chemische weerstand, want de koolstof kan zich verbinden met chroom tot chroomcarbide, waardoor het chroomgehalte plaatselijk vermindert.

In 1912 werden de eerste nuttige industriële producten gemaakt uit een staal met 18% chroom en 8% nikkel en een koolstofgehalte van 0.2% (Fried. Krupp). Dat staal werd 18/8 genoemd. De microstructuur van een 18/8 staal is austenitisch. Staalsoorten met deze structuur hebben goede vervormingseigenschappen. Daarom werden ze reeds vlug in de chemische industrie gebruikt in de productie-installaties van zure mengsels (zuren en detergenten), in de textielindustrie, melkerijen, in uitrustingen voor de productie van synthetische zijde en explosieven en in de voedingsindustrie.

Na een zekere tijd werd duidelijk dat de 18/8 stalen ook nadelen vertoonden, ondermeer door de verhitting bij het lassen. In een temperatuursgebied tussen 500°C en 800°C scheidt chroom zich van de homogene austenitische structuur af en verbindt zich met de koolstof. Er vormen zich chroomcarbiden in de korrelgrenzen. Dat kan aanleiding geven tot interkristallijne corrosie.

Om dat te vermijden werden nieuwe lasbare staalsoorten ontwikkeld met een aangepast laag koolstofgehalte (lowcarbon soorten), ofwel werd er titaan of niobium aan de staalsoorten toegevoegd. Die elementen hebben een hogere affiniteit tot koolstof dan de chroom zodat de interkristallijne corrosie wordt verminderd. Verder onderzoek wees uit dat door toevoeging van molybdeen aan de stalen de weerstand tegen organische en minerale zuren fel verbetert. Door koper en tegelijk molybdeen aan sommige staalsoorten toe te voegen verbeterde ook de corrosiebestendigheid tegen zwavelzuur.

Kort voor de tweede wereldoorlog werden staallegeringen ontwikkeld die tegen bijzonder bijtende stoffen zoals hypochloride, warm zwavelzuur en vele andere stoffen goed bestand zijn. Men merkte ook op dat roestvast staal een maximale corrosiebestendigheid bereikte met een zuivere metaalblanke oppervlakte. Daarom moet elke verkleuring van dit oppervlak gedurende de warmvervorming, de thermische behandeling of het lassen, worden verwijderd door het beitsen of het slijpen.

SOORTEN ROESTVAST STAAL

1. INDELING VOLGENS DE METALLOGRAFISCHE STRUCTUUR

Afhankelijk van de structuur kunnen we roestvast staal in vier hoofdgroepen indelen:

•Ferritisch roestvast staal

•Martensitische roestvast staal

•Austenitisch roestvast staal

•Duplex-staal

De eerste twee groepen vat men samen onder de naam chroomstalen en de roestvast staalsoorten uit de andere twee groepen noemen we naar de voornaamste bestanddelen chroomnikkelstalen.

FERRITISCH ROESTVAST STAAL

Dat zijn roestvast staalsoorten die chroom als enige hoofdlegeringselement bevatten. Het zijn chroomstalen met een maximum koolstofgehalte van 0.1%. Door dat lage gehalte aan koolstof zijn die chroomstalen niet hardbaar. De ferritische roestvaste staalsoorten bevatten 11% tot 17% chroom zonder nikkel en zijn magnetisch. De 17% chroomstalen weerstaan niet aan interkristallijne corrosie bij het lassen.

De meest gekende kwaliteit van de ferritische roestvaste staalsoorten is de ASTM 430. Die bevat ongeveer 17% chroom. Deze kwaliteit wordt vooral gebruikt voor goedkopere huishoudelijke toepassingen en bekledingen.

MARTENSITISCH ROESTVAST STAAL

Dat zijn roestvaste staalsoorten die net als de ferritische, chroom als hoofdbestanddeel bevatten. In tegenstelling tot de ferritische bevatten chroomstalen een koolstofgehalte tussen de 0.2% en 1.1%.

Door zijn hoog gehalte aan koolstof is dat de enige groep roestvast staal waarvan verschillende kwaliteiten gehard kunnen worden. Deze martensitische soorten met 13% tot 17% chroom worden gebruikt voor assen, pompen en messen in roestvast staal die een hogere hardheid vereisen.

Er bestaan op dit ogenblik geen roestvast staal kwaliteiten met een hogere hardheid dan de martensitische.

AUSTENITISCH ROESVAST STAAL

Dit is de voornaamste groep van de roestvaste staalsooorten. Die groep bevat als hoofdlegeringselement naast chroom ook nikkel en is niet-magnetisch. Het voordeel van nikkel is dat de corrosiebestendigheid verbetert. Door het nikkelgehalte zijn de austenitische kwaliteiten bovendien beter te bewerken dan de chroomstalen.

Het meest klassieke chroom-nikkelstaal dat rond de eerste wereldoorlog ontworpen werd, is de kwaliteit 18/8 (18% chroom en 8% nikkel). Krupp sprak van het type V2A (Versuch 2 Austenitisch). Eind jaren 50 werd dit type omgevormd tot de meest klassieke en universele kwaliteit AISI 304 (18/8) met 18% chroom en 8% nikkel. De tweede meest gebruikte kwaliteit AISI 316 (18/10/2.5) met 18% chroom, 10% nikkel en 2.5% molybdeen. Die roestvaste staalsoort heeft als eigenschap een verhoogde putcorrosiebestendigheid tegen verschillende zuren en doet het ook goed in de nabijheid van de zee (chloride, etc.).

Zij vormen de groep van de klassieke en goed lasbare roestvaste staalsoorten voor aanwending in chemische installaties, in de voedings-, papier-, farmaceutische- en de automobielindustrie.

De AISI 304 en AISI 316 vertegenwoordigen ongeveer 65% van de totale wereldproductie.

DUPLEX-STAAL (AUSTENOFERRITISCH)

Dat type van chroom-nikkelstaal heeft de laatste jaren aan belang gewonnen. Vanwege zijn half ferritische en half austenitische structuur wordt het ook duplex-staal genoemd. Het gehalte aan chroom ligt tussen 24% en 27%, het nikkelgehalte tussen 4.5% en 7% en het molybdeengehalte tussen 2% en 6%.

De eigenschappen van duplex-staal komen bijzonder goed tot hun recht. Het heeft een grotere sterkte en een hogere corrosieweerstand door het lage gehalte aan nikkel en het hogere molybdeengehalte. Door het lage nikkelpercentage is het echter moeilijker te bewerken dan het austenitisch roestvast staal. Het wordt steeds meer toegepast bij de constructie van chemische apparaten, bij het transport van aardgas en aardolie en in boorplatforminstallaties.

2. INDELING VOLGENS DE AISI/ASTM EN DE DIN NORM

Het American Iron en Steel Institute, AISI, heeft een type-indeling van de roestvast staalsoorten gemaakt, die algemeen in de wereld worden gebruikt. De ferritische en de martensitische chroomstalen zijn in de 400-serie geplaatst en de austenitische chroom-nikkelstalen zijn in de 300-serie samengebracht. Zo heeft bijvoorbeeld het algemeen bekende chroom-nikkelstaal met 18% chroom en 8% nikkel het typenummer 304 en het martensitische messenstaal met 13% chroom en 0.4% koolstof de typeaanduiding 420.

In elk land hebben de normalisatie-instituten hun indeling van roestvaste staalsoorten op een verschillende wijze opgesteld. De meest gebruikte in Europa is de Duitse DIN norm volgens de Duitse ‘Werkstofnummer’. Minder bekend zijn de normalisatiesystemen voor roestvast staal uit het Verenigd Koninkrijk, Frankrijk, Zweden, Italië, Spanje, Rusland, Canada en de Oosters landen. De Verenigde Staten kennen naast de AISI indeling systemen van de SAE (society of Automotive Engineers), ASTM (American society for Testing and Materials), Mil specs (Millitary Specifications), Federal specifications, de AMS (Aeronautical Materials Specifications) en het ACI (Alloy Casting Institute).

Van deze verwarrende hoeveelheid indelingen hebben wij hieronder in de tabellen de meest gebruikte vermeld, dat zijn de Amerikaanse ASTM indelingen en de Duitse DIN normen. Daarnaast hebben de ook een beperkt aantal andere normen in de tabellen opgenomen, waaronder die van het Verenigd Konkrijk, Frankrijk en Zweden.

Verder streeft men naar internationale normering, waarbij de Amerikaanse en Europese normen zullen worden samengevoegd tot een universele ISO-norm.

Een bekend referentieboek voor de internationale roestvast staalnormen met veel verwijzingen is de Duitse ‘Stahlschlüssel’.

3. SUPERLEGERINGEN

Onder de superlegeringen, vooral in de engelstalige landen bekend onder de naam ‘superalloys’ verstaan we in het algemeen nikkellegeringen die een grote sterkte en een goede corrosieweerstand bezitten bij hoge temperaturen. Vooral belangrijk zijn de weerstand tegen vervorming bij hoge temperatuur en de vermoeiingssterkte.

Een grote groep superlegeringen kan worden beschouwd als verbeterde soorten roestvast staal met een hoger gehalte aan legeringselementen en met speciale toevoegingen. Soms is het gehalte aan legeringselementen zo hoog dat het ijzergehalte daalt tot beneden 50%. Andere groepen superlegeringen zijn samengesteld op basis van nikkel en kobalt.

Superlegeringen treffen we ondermeer aan in de lucht- en ruimtevaart, in de ovenbouw en in de chemische en nucleaire industrie.