Roestvast staal

Uit Wikipedia, de vrije encyclopedie
Ga naar: navigatie, zoeken
De spits van het Chrysler Building in New York City is van roestvast staal gemaakt
De Gateway Arch in St. Louis, Missouri, is deels van roestvast staal gemaakt

Roestvast of roestvrij staal, ook rvs of inox genoemd, is een legering van hoofdzakelijk ijzer, chroom, nikkel en koolstof. Om van roestvast staal te kunnen spreken, is minimaal 11 tot 12% chroom en maximaal 1,2% koolstof nodig. Verder zijn in veel soorten roestvast staal ook de elementen molybdeen, titanium, mangaan, stikstof en silicium aanwezig.

De benaming 'roestvrij' is algemeen ingeburgerd maar wordt door metallurgen liever niet gebruikt, omdat immers elk staal waarvan alle roest is verwijderd, op dat moment roestvrij is. Daarom wordt bij voorkeur gesproken van een roestvast staal.[1]

De oxidehuid van een roestvast materiaal sluit het onderliggende materiaal goed af,[2] waardoor in bepaalde gevallen geen verdere roestvorming zal plaatsvinden of deze roestvorming vertraagd wordt. In de praktijk zijn er twee gevallen waarbij RVS toch kan roesten: bij de aanwezigheid van chlorides of bij de verontreiniging van het materiaal door 'gewoon' staal dat wel roest. Dit roesten kan vermeden worden door een correct type RVS te kiezen (geen 304 bij aanwezigheid van halogenen) en het materiaal te behandelen waarbij alle mogelijke verontreinigingen worden verwijderd. Dit is het zogenaamde beitsen, waarbij langs chemische weg alle verontreinigingen worden opgelost en verwijderd.

Geschiedenis[bewerken]

Het eerste roestvaste staal werd op 13 augustus 1913 door Harry Brearley in het laboratorium Brown-Firth gegoten, nadat hem in 1912 gevraagd was onderzoek voor de wapenindustrie te doen.

Soorten roestvast staal[bewerken]

Roestvast staal wordt afhankelijk van zijn metallurgische structuur in verschillende families onderverdeeld, te weten de volgende:

Austenitische staaltypen (de 200- en 300-serie)
zijn staalsoorten met een austeniete kristallijne structuur waarvan het kristalrooster kubisch vlakgecentreerd is. Austenitische roestvaste staalsoorten beslaan ongeveer 70% van de totale rvs-productie. Dit staaltype heeft een maximum percentage van 0,15% koolstof, minimaal 16% chroom en genoeg nikkel of mangaan om de austenitische structuur bij alle temperaturen te behouden. De austenitische soorten zijn door hun kristalrooster nooit magnetisch en doordat er geen faseovergang plaatsvindt bij opwarming of afkoeling, zijn zij niet hardbaar door middel van een warmtebehandeling. Wel kunnen zij door koudvervorming worden gehard.
Austenitische chroom-nikkel-mangaanlegeringen (de 200-serie)
Type 201 is hardbaar door koudvervorming. Type 202 is een algemene veel gebruikte soort.
De meest veelvoorkomende austenitische rvs-soort is type 304, ook bekend als type 18/8 vanwege de aanwezigheid van 18% chroom en 8% nikkel. Een tweede veelvoorkomende rvs-soort uit de 300-serie is type 316, ook bekend als type 18/10 vanwege de aanwezigheid van 18% chroom en 10% nikkel. Type 316 heeft een betere corrosiebestendigheid dan type 304.
Ferritische staaltypen (400-serie)
Dit materiaal is geschikt voor toepassingen in een weinig agressief milieu. Ze zijn goed bewerkbaar maar hebben een lagere corrosiebestendigheid dan de 300-serie door de lagere percentages chroom en nikkel, de corrosiebestendigheid is daarentegen wel beter dan die van de martensitische staalsoorten. Ferritische staalsoorten zijn magnetisch en niet hardbaar door middel van een warmtebehandeling.
Martensitische staaltypen (400-serie)
Dit materiaal is goed te bewerken met een hoge hardheid en rekgrens, maar met verminderde corrosiebestendigheid. Martensitische rvs-soorten zijn altijd magnetisch en zijn goed te harden door middel van een warmtebehandeling. Deze rvs-soort wordt vaak gebruikt waar een hoge hardheid en sterkte, gecombineerd met een redelijke corrosiebestendigheid noodzakelijk is.
Een speciale vorm van het martensitische rvs-type is de precipitatie-hardende vorm. Dit type staal wordt gekenmerkt door een zeer goede corrosiebestendigheid, vergelijkbaar met de austenitische soorten, en een hardheid en rekgrens die boven die van de martensitische soorten ligt. Een veelvoorkomend voorbeeld van dit type rvs is 17-4PH, zo genoemd vanwege een percentage van 17% chroom en 4% nikkel. de 'PH' staat voor precipitation hardenable.
Familie C Cr Ni
Martensiet < 1,2% 10,5 - 17% < 6,0%
Ferriet < 1,2% 10,5 - 29% < 1,5%
Austeniet < 1,2% 16 - 28% 3,5 - 36%

Amerikaanse normalisatie (RVS 304 en 316)[bewerken]

Industrieel gebruikt men veelal de Amerikaanse normalisatie:

  • AISI 304 (1.4301) bestaat uit 18% chroom en 8% nikkel. Deze legering is in zachtgegloeide toestand niet-magnetisch en niet hardbaar, in koudvervormde toestand zwak magnetisch. Minder gevoelig voor uitscheiding van chroomcarbiden tijdens lassen.
  • Een meer corrosiebestendige maar duurdere soort is AISI 316 (EN 1.4401) met 16% chroom en 10% nikkel en 2% molybdeen. Type 316 is beter bestand tegen zoutcorrosie en wordt veel toegepast in de scheikundige industrie.
  • 316L (1.4404, "L" staat voor "low carbon") heeft een laag koolstofgehalte om een gemakkelijker lasbaar roestvast staal te verkrijgen, en de corrosiegevoeligheid na het lassen te beperken.
  • Een andere manier om dit staal lasbaarder te maken is door toevoeging van titaan aan de legering, hetgeen het type 316Ti (1.4571) oplevert. Deze oplossing is technisch vrijwel evenwaardig. Alleen wanneer men architecturale toepassingen beschouwt, moet men rekening houden met een "typisch" slijpbeeld van titaangelegeerde soorten.
  • De magnetische eigenschap van rvs wordt bepaald door de kristalstructuur, dus door de samenstelling van het soort rvs. Roestvaste staalsoorten met tussen 6 en 26% nikkel (de 300-reeks uit de AISI) zijn austenitisch en daarom niet-magnetisch in geleverde toestand. Ze zijn uitstekend vervormbaar (plooien, dieptrekken, strekken) en ook schokbestendig doorheen het temperatuursbereik van heel lage tot heel hoge temperaturen. Nikkel zorgt ervoor dat het staal in zijn austenitische toestand blijft tijdens het afkoelen. De overige elementen verhogen de corrosieweerstand en verwerkbaarheid van het staal. Bij sterke koudvervorming verandert de kristalstructuur echter, waardoor wel magnetische eigenschappen optreden bij austenitisch rvs. Martensitische, ferritische en duplex roestvaststaalsoorten zijn daarentegen magnetisch.

18/8 en 18/10[bewerken]

Op gebruiksvoorwerpen uit roestvast staal vindt men dikwijls een vermelding als:

  • inox 18/8. Dit geeft aan dat de legering uit 18% chroom, 8% nikkel bestaat. Deze legering heeft een mechanische treksterkte van 600 N/mm² en een hardheid van 175-200 HB. Het is een veelgebruikt staal vanwege zijn goede warmte-ongevoeligheid tot 400°C. Voor deze gebruiksvoorwaarden gebruikt men meestal AISI 304 (1.4301) of AISI 302. Het is uitstekend geschikt voor koude deformatie, waarbij de zogenaamde koudversteviging optreedt. Door koudvervorming wordt de legering zwak magnetisch. De lasbaarheid is zeer goed. Het is een austenitisch corrosievast chroomnikkelstaal.
  • inox 18/10. Dit geeft aan dat de legering uit 18% chroom en 10% nikkel bestaat.
 % Cr % Ni AISI/ASTM
18 8 304, 316
18 10 321, 347, 348
18 13 317
23 12 309
25 20 310

Overzicht van benamingen[bewerken]

Er bestaan verschillende normen voor roestvast staal. De meestgebruikte zijn die van het AISI (American Iron and Steel Institute), ASTM A240 (American Society for Testing and Materials).

De Europese norm EN 10088 is opgebouwd uit drie delen:

  • EN 10088-1 (samenstelling, fysische eigenschappen)
  • EN 10088-2 (vlakke producten, mechanische eigenschappen)
  • EN 10088-3 (lange producten, mechanische eigenschappen)

De tabel hieronder vergelijkt de verschillende normen met elkaar.

Materiaalnr. DIN 17006 ASTM/AISI

Benaming

UNS

Unified numbering system

1.4016 X6Cr17 430 S43000
1.4509 X2CrTiNb18 441 S44100
1.4510 X3CrTi17 439
1.4512 X2CrTi12 (oud X6 CrTi 12) 409 S40900
1.4526 X6CrMoNb17-1 436 S43600
1.4310 X10CrNi18-8 (oud X12 CrNi17 7) 301 S30100
1.4318 X2CrNiN18-7 301LN
1.4307 X2CrNi18-9 304L S30403
1.4306 X2CrNi19-11 304L S30403
1.4311 X2CrNiN18-10 304LN S30453
1.4301 X5CrNi18-10 304 S30400
1.4948 X6CrNi18-11 304H S30409
1.4303 X4CrNi18-12 (oud X5 CrNi18 12) 305 S30500
1.4541 X6CrNiTi18-10 321 S32100
1.4878 X10CrNiTi18-10 (oud X12 CrNiTi18 9) 321H S32109
1.4404 X2CrNiMo17-12-2 316L S31603
1.4401 X5CrNiMo17-12-2 316 S31600
1.4406 X2CrNiMoN17-11-2 316LN S31653
1.4432 X2CrNiMo17-12-3 316L S31603
1.4435 X2CrNiMo18-14-3 316L S31603
1.4436 X3CrNiMo17-13-3 316 S31600
1.4571 X6CrNiMoTi17-12-2 316Ti S31635
1.4429 X2CrNiMoN17-13-3 316LN S31653
1.4438 X2CrNiMo18-15-4 317L S31703
1.4539 X1NiCrMoCu25-20-5 904L N08904
1.4547 X1CrNiMoCuN20-18-7 S31254

Eigenschappen[bewerken]

Roestvast[bewerken]

Wanneer het chroom met zuurstof in aanraking komt, vormt het een onzichtbaar laagje chroom(III)oxide (ook genaamd: dichroomtrioxide) (Cr2O3), de oxidehuid. Dit laagje beschermt het onderliggende metaal tegen verdere roestvorming (oxidatie).

Hard[bewerken]

De hoeveelheid koolstof bepaalt de hardheid van het staal. Een staalsoort met veel koolstof is daardoor moeilijk bewerkbaar.

Magnetische- en vervormingseigenschappen[bewerken]

Roestvaste staalsoorten met tussen 6 en 26% nikkel (de 300-reeks uit de AISI) zijn austenitisch en niet-magnetisch in geleverde toestand. Ze zijn uitstekend vervormbaar (plooien, dieptrekken, strekken) en ook schokbestendig in het hele temperatuurbereik, van heel lage tot heel hoge temperaturen. Door toevoeging van de bovengenoemde hoeveelheden nikkel in het staal blijft de austenitische fase thermodynamisch stabiel. Daardoor vindt na een warmtebehandeling van austenitisch roestvaststaal geen faseovergang plaats tijdens het afkoelen. Harden van austenistisch roestvaststaal door middel van een warmtebehandeling is derhalve niet mogelijk. De overige elementen, zoals bijvoorbeeld chroom en molybdeen, verhogen de corrosieweerstand en bewerkbaarheid van het staal.

AISI 430, AISI 410 en AISI 409 (de 400-reeks) zijn voorbeelden van ferritische, alsook duplex roestvaste staalsoorten. In tegenstelling tot de austenitische roestvaststaalsoorten zijn ferritische en duplex roestvaststaalsoorten wel magnetisch, maar de mate waarin ze vervormbaar zijn is over het algemeen (iets) minder goed.

Gevoeligheid voor chloor[bewerken]

Vele Roestvaste staalsoorten zijn zeer gevoelig voor chloor. Stadswater, zwembadwater, natriumhypochloriet (NaOCl), waterstofchloride (HCl) en ijzer(III)chloride (Fe2Cl3) zijn zeer agressief op roestvast staal. Putcorrosie (Engels: pitting) is de corrosie waarbij zich putjes in het oppervlak vormen. Als bijvoorbeeld roestvast staal AISI 304 in contact komt met chloorhoudend water, van bijvoorbeeld drinkwater of zwembadwater, dan zal het chloor plaatselijk de beschermende laag chroomoxide aantasten. Er ontstaat dan het begin van een ondiep putje, waar zich weer meer chloorionen verzamelen, waardoor de aantasting bij voorkeur op die plaats doorgaat en het putje dieper wordt. Uiteindelijk ziet het materiaal er grotendeels gaaf uit, maar met een aantal putjes over het oppervlak. Typisch bij putcorrosie zijn de gaatjes juist naast een lasnaad. Roestvaste staalsoorten met het legeringselement molybdeen, zoals 316 en 316L, kunnen wel weerstaan aan chloor en hebben een goede weerstand tegen putcorrosie.

Elasticiteitsmodulus[bewerken]

De elasticiteitsmodulus van roestvast staal is niet dezelfde als van gewoon staal. De E-modulus van rvs is E = 195.000 MPa en van 'gewoon' constructiestaal is de E-modulus: E = 210.000 MPa.

Treksterkte[bewerken]

De treksterkte van een roestvast staal is een maatstaf om de mechanische eigenschappen van dit staal te classificeren. Praktisch is de vloeigrens (soms ook de 0,2%-rekgrens of Rp 0,2) van veel meer belang. Als het materiaal tot de treksterkte komt, is het immers al sterk plastisch vervormd.

Passiveren van roestvast staal[bewerken]

Door diverse bewerkingen die producten van roestvast staal ondergaan, kunnen aan de buitenzijde van het metaaloppervlak veranderingen ontstaan, waardoor het roestvaste karakter tijdelijk of blijvend wordt aangetast.

Normaal beschermt een passieve oxidehuid het metaal tegen verdere corrosie. Deze laag wordt in stand gehouden door een bijzondere eigenschap van roestvast staal. Als namelijk het metaaloppervlak wordt beschadigd, dan zal in aanwezigheid van voldoende zuurstof het metaal bij de beschadiging spontaan opnieuw oxideren en daarbij de passieve laag zichzelf herstellen. Er zijn echter omstandigheden, waarbij dit herstel niet plaatsvindt; Door diverse bewerkingen kan het evenwicht dusdanig verstoord, dat de passieve toestand verdwijnt en herstel uitblijft. Dit kan optreden bij bewerkingen als lassen, buigen of verspanen. Hierbij kan de oxidehuid worden verontreinigd met ijzerdeeltjes, waardoor de roestvaste eigenschappen verdwijnen en corrosie kan optreden.

Om dit euvel tegen te gaan, is er een methode ontwikkeld om het metaal te voorzien van een nieuwe passieve laag. Het is hierbij meestal gewenst de bewerkte producten eerst te ontvetten met een oplossing van natronloog (NaOH) en daarna te beitsen met een mengsel van salpeterzuur (HNO3) en waterstoffluoride (HF). Met het beitsen wordt een dunne laag van het metaaloppervlak en bestaande oxidehuid opgelost inclusief verontreinigingen. Doordat bij het beitsen ijzer sneller in oplossing gaat dan chroom, wordt de oxidehuid effectief verrijkt aan chroom.

Het eigenlijke passiveren geschiedt door een behandeling in een bad met salpeterzuur, waarbij de oxidehuid wordt hersteld en de passieve toestand terugkeert. Door deze behandeling krijgt het onderliggende metaal zijn oorspronkelijke corrosiebescherming terug.

Marktoverzicht[bewerken]

De vraag naar roestvast staal steeg in de periode 2000-2007 met ongeveer 7% op jaarbasis. [3] Tijdens de kredietcrisis daalde de vraag door de algemene economische terugval. De vraag nam na 2010 weer toe maar steeg met niet meer dan 3% per jaar tot en met 2012.[3] De trage vraaggroei heeft geleid tot veel overcapaciteit. Veel fabrieken waren nog in aanbouw voor het uitbreken van de kredietcrisis. Deze zijn inmiddels gereed maar de vraag is onvoldoende snel gestegen om al deze nieuwe capaciteit te absorberen. De capaciteitsbenutting wereldwijd lag in 2006 nog op zo’n 88% en daalde naar 62% in 2009. Na 2010 trad enig herstel op maar de bezettingsgraad lag in 2012 nog op circa 72%.[3] In 2012 lag de globale productie van roestvast staal op zo’n 25 miljoen ton.[3]

In 2012 waren er wereldwijd zes grote producenten met een capaciteit van meer dan 2 miljoen ton op jaarbasis. Deze zes fabrikanten hebben ongeveer de helft van de wereldwijde capaciteit in handen. De grote bedrijven zijn Outokumpu, Acerinox, Taiyuan Iron & Steel, Yieh United Steel, Pohang Iron and Steel Company en Aperam.[3]