Blog Ko Buijs - Het stabiliseren van roestvast staal
Over het stabiliseren van roestvast staal zijn nuttige dingen geschreven maar ik maak ook regelmatig mee dat er opmerkingen worden gemaakt die a.h.w. mijn tenen enigszins laten krommen. Termen als ‘meer hittebestendig’ en ‘meer corrosiebestendig’ als een gevolg van het stabiliseren blijken in de praktijk meestal onterecht te zijn.
Door Ko Buijs - Innomet Consultancy
Men gaat zelfs soms zo ver dat men AISI 316Ti ook wel ‘titaan’ noemt terwijl er van dit element maar een paar tienden van een procent aanwezig zijn. Zo’n uitdrukking suggereert dan ook een bepaalde superioriteit t.o.v. bijvoorbeeld AISI 316L en dat is meestal onterecht. Daarom is het nuttig eens stil te staan bij de zin en onzin van het stabiliseren van roestvast staal. Typen die gestabiliseerd zijn, betreffen vooral de kwaliteiten AISI 316Ti (EN 1.4571), AISI 321 (EN 1.4541) en AISI347 (EN 1.4550).
Titaan of niobium wordt als stabilisatie-element aan roestvast staal toegevoegd om het niet oplosbare koolstof te binden zodra het materiaal zich in het sensitieve gebied bevindt. Dat laatste is vooral het geval in de warmte beïnvloedde zone (HAZ) tijdens het lassen. Dit soort typen roestvast staal zijn ontwikkeld in de jaren dat men het koolstofgehalte in roestvast staal niet lager kon krijgen dan ruwweg 0,08%. Men kon echter destijds wel lagere gehaltes bereiken maar dat was toen commercieel niet interessant omdat het zo’n kostbare zaak was.
Doordat er slechts maar 0,02% koolstof oplosbaar is in austeniet ging het overtollige koolstof graag een verbinding aan met chroom om schadelijke chroomcarbiden te vormen waardoor chroom werd onttrokken aan de matrix. Dat kan plaatselijk leiden tot een gebrek aan vrij beschikbaar chroom waardoor het materiaal juist op die plek te weinig chroom overhoudt om de passiviteit te waarborgen. Lokale aantasting en/of interkristallijne corrosie in een waterig milieu is dan meestal het gevolg.
Laatstgenoemde corrosievorm is vooral het geval indien deze chroomcarbiden zich afzetten op en langs de korrelgrenzen omdat daar de meeste ruimte is om dergelijke verbindingen te ‘huisvesten’. Tegenwoordig kan men met moderne smelttechnieken probleemloos het koolstofgehalte zonder noemenswaardige extra kosten terugbrengen naar 0,03% waardoor het stabiliseren niet meer nodig is. Dat betreffen bijvoorbeeld de typen AISI 304L en 316L. Toch zijn gestabiliseerde soorten bij vooral de Duitse chemiereuzen nog steeds bijzonder geliefd of zelfs voorgeschreven.
Vaak is dit gebaseerd op het feit dat men oude specificaties niet aan durft te passen of ‘de macht der gewoonte’ regeert in zo’n bedrijf. Vermeende voordelen worden dan vaak op een onterechte manier uitvergroot waardoor men inderdaad denkt dat deze typen beduidend beter zijn dan de soorten met een laag koolstofgehalte. Sterker nog, er kleven zelfs nadelen aan gestabiliseerde typen die men met de L-typen juist niet heeft.
Roestvast staal dat met titaan gestabiliseerd is, heeft juist de kans om aangetast te worden net naast de las indien het koolstofgehalte aan de toegestane bovengrens zit. Er ontstaat dan een messcherpe aantasting net naast de las dat men ook wel ‘knife-line attack’ noemt. Titaan heeft een grotere affiniteit tot koolstof dan chroom waardoor de vorming van chroomcarbiden wordt voorkomen. M.a.w. dankzij zo’n stabilisator ontstaan er geen chroomcarbiden tijdens een hoge thermische belasting.
Net naast de las verbrandt echter het titaan tijdens het lassen in het moedermateriaal waardoor het koolstof zeer plaatselijk toch de ongewenste verbindingen met chroom kan gaan vormen. Het chroomgehalte zakt daardoor plaatselijk onder de 12% waardoor het op die plaats niet meer roestvast c.q. passief is. Dit leidt er dan toe dat deze messcherpe corrosievorm kan ontstaan. Een legering waar dit fenomeen op kan treden is de bekende kwaliteit AISI 316Ti (EN1.4571) en dat vooral bij grotere wanddiktes.
De oplossing is dan om een AISI 316L kwaliteit te gebruiken waardoor in principe geen schadelijke chroomcarbiden meer kunnen ontstaan. Het andere nadeel van titaan is dat de titaancarbiden ook aanleiding kunnen geven tot putcorrosie vanwege oppervlaktedefecten en een slechte polijstbaarheid vanwege komeetvorming. Dat laatste is een gevolg van het uitbrokkelen van harde deeltjes titaancarbiden die dan plaatselijk een mechanische beschadiging veroorzaken. Carbidevormende elementen verlagen de hoeveelheid opgeloste koolstof en verhogen daarmee de gevoeligheid op de vorming van de sigmafase. Stabiliseren met titaan en niobium doet daarom de kans op de sigmafase toenemen.
Titaan en niobium gestabiliseerde typen zijn niet meer hittebestendig dan de gewone soorten zoals men wel eens onterecht hoort. Alleen de mechanische eigenschappen zijn wat beter bij verhoogde temperatuur dankzij de aanwezigheid van een weinig titaan of niobium gecombineerd met een veelal hoger koolstofgehalte. Daarom stelt het Duitse TÜV dat dergelijke materialen in toestellen onder druk 50°C hoger mogen worden belast dan de gewone soorten. Dit speelt zich af in het temperatuurbereik van ongeveer 300ᵒC. Een dergelijk gering verschil mag dus niet worden opgemerkt als meer hittebestendig wat blijkbaar helaas in de praktijk toch wel gebeurt.