Blog Ko Buijs - Het gedrag van staal en roestvast staal in hete gassen
In een proces waar gasmengsels aanwezig zijn die koolstofoxides of koolwaterstoffen bevatten, zal bij hoge temperaturen carburisering ontstaan als deze gassen in contact komen met staal. Een ander woord voor deze neiging wordt ook wel carbon pick-up of koolstofopname genoemd. Carburiserende gassen worden bijvoorbeeld aangetroffen in o.a. cementovens. In dergelijke ovens komt de temperatuur boven de 800°C en dit zal leiden tot een grote kans op carburisatie.
Door Ko Buijs - Innomet Consultancy BV
Carburisering van chroom gelegeerde staalkwaliteiten zal leiden tot de formatie van chroomcarbiden. Deze zullen zich vooral uitscheiden op de korrelgrenzen waardoor er o.a. verbrossing van het materiaal zal ontstaan. Dat deze carbiden primair op de korrelgrenzen worden gevormd, komt door de ruimte die de aanwezige roosterfouten (dislocaties) daarvoor bieden. Gelijktijdig wordt het chroomgehalte in de buurt van deze korrelgrenzen gereduceerd, wat tot gevolg heeft dat ook de oxidatieweerstand verlaagd wordt. Deze reductie is het gevolg van het gedeeltelijk binden van chroom door koolstof, waardoor en minder vrij chroom beschikbaar blijft om de hittebestendigheid c.q. oxidatievastheid op peil te houden. In extreme gevallen, waar de temperatuur boven de 1200°C uitkomt, kan carburisatie zelfs plaatselijk het smelten van het metaal veroorzaken. Austenitische materialen met een hoog nikkelgehalte zoals 25Cr-20Ni, nikkellegering 600 (15Cr-75Ni) en nikkellegering 800 (20Cr-32Ni) hebben een relatief goede weerstand tegen carburisatie bij temperaturen tot ongeveer 1000°C.
In een zwavelhoudende atmosfeer moet bij voorkeur ferritische staalsoorten toegepast worden. Over het algemeen is de kruipsterkte van austenitisch roestvast staal bij hoge temperaturen beter dan die van ferritisch chroomstaal. Tot circa 700°C is de kruipvastheid van beide typen nog redelijk op orde maar boven die temperatuur wint austeniet het van ferritische structuren. Roestvast staalsoorten gelegeerd met molybdeen, titaan en niobium hebben een betere kruipvastheid dan de gewone typen roestvast staal AISI304 en 316. Roestvast staal AISI304H, 316H, 321H en 347H bevatten 0,04 tot 0,08% koolstof. Het doel daarvan is om de weerstand tegen kruip te verhogen. De uiteindelijke keuze van de kwaliteit roestvast staal is afhankelijk van de temperatuur, de tijd en het medium alsmede de concentratie van dat medium. Diverse leveranciers van roestvast staal beschikken over uitgebreide corrosietabellen waarmee een juiste materiaalkeuze gemaakt kan worden. Ook zullen metaalkundige medewerkers in staat zijn om tot een optimale materiaalselectie te komen.
Als het zwavelgehalte van rookgassen stijgt, neemt de kans op corrosie van roestvast staal eveneens toe. Onder dit soort omstandigheden is de corrosiebestendigheid van een meer exotische legering, zoals nikkellegering 825 overigens niet veel beter dan die van de traditionele typen AISI316 of AISI431. Uitvoerige studies naar de vorming van corrosieve verbindingen in verbrandingsinstallaties voor afvalstoffen laat zien, dat chloorverbindingen ketelpijpen sterk kunnen aantasten. Deze chloorverbindingen worden gevormd door de reactie van chloriden met zwaveltrioxide. Vooral het ontstaan van waterstofchloride leidt tot uiterst zware corrosieve omstandigheden voor de toegepaste materialen. Zowel chroomnikkelstaal 20-10 als chroomnikkelmolybdeenstaal 25-30-3, blijken niet geschikt te zijn als materiaal voor warmtewisselaars in een installatie waar ferrichloride (FeCl3) wordt gemaakt. De bekende soorten chroomnikkelstaal voldoen dan echter veel beter. Dit geldt in grote lijnen ook voor hoog gelegeerd staal met chroom, nikkel en molybdeen, dat in een milieu wordt gebruikt dat voor een groot deel bestaat uit chloor en titaantetrachloride.
De aanwezigheid van vocht in een milieu bestaande uit broom of broomchloride, verhoogt de corrosiesnelheid van roestvast staal AISI304 en 316 aanzienlijk. Bijvoorbeeld een vochtgehalte van 0,1% bij kamertemperatuur doet de corrosiesnelheid van austenitisch roestvast staal AISI304 in broom met ongeveer een factor 20 stijgen en in broomchloride met een factor 16. Broom behoort tot de halogenen en dat zijn zoutvormers. Milieus die zwavelwaterstof bevatten en waar zuurstof (nagenoeg) ontbreekt, bewerken een zeer snelle corrosieaantasting van ongelegeerd staal, doordat er een sulfidefilm wordt gevormd aan het oppervlak. De corrosiesnelheid in een waterstof/zwavelwaterstofmilieu neemt toe als de hoeveelheid zwavelwaterstof toeneemt tot ongeveer 5%. Roestvast staal gelegeerd met chroom en aluminium, hebben een betere corrosieweerstand tegen zwavelwaterstof terwijl nikkel nagenoeg geen enkele invloed hierop heeft.