Blog Ko Buijs: De sigmafase in roestvast staal
De vraag wat men verstaat onder de sigmafase in roestvast staal wordt mij niet vaak gesteld. Dat zal vooral te maken kunnen hebben met onwetendheid. Daarom is het wel eens goed om nader stil te staan bij dit begrip want een dergelijke fase kan soms best ernstige gevolgen hebben zoals onlangs door mij is ervaren bij een hoge temperatuurtoepassing.
Door Ko Buijs - www.innometconsultancy.nl
In het ijzer/chroomsysteem vormt zich bij ongeveer 45% chroom een fase die bekend staat onder de naam sigmafase. Deze fase is een harde en brosse verbinding van ijzer en chroom die zowel de corrosiebestendigheid als de mechanische eigenschappen ernstig ondermijnt. Deze verbinding is daarom uiteraard zeer ongewenst. Tussen het sigma- en ferrietgebied bestaat er ook nog een overgangsgebied waar beide structuren naast elkaar kunnen voorkomen. Naarmate het chroomgehalte in de legering toeneemt, stijgt ook de kans op de vorming van sigmafase hoewel zelfs ook bij legeringen met 12% chroom deze gevreesde sigmafase aangetroffen is. Zowel de ferritische- als de martensitische chroomstalen neigen vooral tijdens het lassen tot deze verbrossing.
De vorming van de sigmafase leidt niet alleen tot verbrossing van het metaal maar het tast ook de corrosiebestendigheid aan. De reden is dat deze fase chroom onttrekt aan de matrix die juist zo nodig is voor de algehele passivatie. Vooral in de directe omgeving van deze fase kan het chroom zelfs onder de kritische hoeveelheid uitkomen van 12% en dan zal zo'n locatie onmiddellijk omslaan in een actief gebied. Hierdoor zal hevige lokale corrosie op kunnen optreden. De ferritische kwaliteiten hebben over het algemeen meer neiging tot het vormen van de sigmafase omdat het chroomgehalte veelal hoger is.
De achteruitgang in kerftaaiheid, veroorzaakt door deze sigmafase, hangt niet alleen af van de hoeveelheid uitgescheiden fase, maar vooral ook van de vorm en verdeling hiervan. Daarbij komt dat de structuur van lasmetaal in de regel bestaat uit austeniet waarin een bepaalde hoeveelheid ferriet aanwezig is. Bij verwarming zal deze hoeveelheid ferriet in het algemeen kleiner worden, terwijl de deeltjes bovendien de neiging vertonen om een bolvorm aan te nemen. Tegelijkertijd wordt echter een deel van de ferriet omgezet in de sigmafase. In de vorm en de verdeling van de langs deze weg ontstane sigmafase is als regel de vorm van de oorspronkelijke aanwezige ferriet nog te herkennen.
Naarmate de omzetting bij hogere temperatuur plaatsvindt, heeft de sigmafase meer afgeronde vormen dan het oorspronkelijke ferriet. Sigmafase kan ook ontstaan vanuit de austeniet structuur. Bij deze omzetting kan de sigmafase op de korrelgrenzen alsmede op de glijzones worden afgezet. Ook kan het als een Widmanstättenstructuur in het austeniet worden gevormd. Bij langere verhitting op hoge temperatuur kunnen de langs deze weg gevormde plaatvormige uitscheidingen tot meer bolvormige deeltjes samentrekken. De snelheid waarmee sigmafase wordt gevormd, is sterk afhankelijk van de beginstructuur van het metaal. De omzettingssnelheid van ferriet in de sigmafase is vele malen groter dan die van austeniet. Plastische vervorming en mechanische spanningen vergroten de omzettingssnelheid in belangrijke mate.
Een van de mogelijke oorzaken voor het op gang komen van de sigma-uitscheidingen is het oplossen van carbiden door verhoging van de temperatuur. Als gevolg van het verschil in diffusiesnelheid tussen koolstof en chroom zal immers bij het oplossen van de carbiden een gebied met een hoger chroomgehalte achterblijven. In dit gebied zal de sigmavorming beginnen. Ook moet worden opgemerkt dat het aanwezig zijn van sigmafase niet altijd even gevaarlijk is. Vorm, verdeling en grootte zijn maatgevend voor de achteruitgang van de mechanische eigenschappen en zijn o.a. afhankelijk van de temperatuur waarbij de sigmafase wordt gevormd.
Bij het lassen van materialen voor hittebestendige toepassingen moet men er dan ook voor zorgen dat een lasmetaal toegepast wordt dat vrij is van ferriet om een snelle omzetting van ferriet in sigma te voorkomen.
Een zuiver austenitische structuur is dan gewenst. Normale corrosiebestendige elektroden voldoen hier niet aan en speciale hittebestendige elektroden zijn noodzakelijk. Constructies die in de corrosiebestendige toepassingen worden gebruikt mogen nooit worden gegloeid tussen 650°C en 850°C, dit om sigmavorming te voorkomen. Het ferriet in het lasmetaal zal zich dan omzetten in de sigmafase. De molybdeenhoudende soorten zijn gevoeliger hiervoor dan de molybdeenvrije kwaliteiten.
