Roestvast-staal-van-gewoon-tot gewoon-bijzonder
Het materiaal roestvast staal is gewoon, zoals de naam zegt, volgens velen roestvast. En als een materiaal roestvast is, dan kan je het overal voor gebruiken, onder alle omstandigheden. Was dat maar waar!
Auteurs: Ir. Lammert Brantsma, Ir. Jelle Brantsma
Roestvast staal ontleent haar corrosiebestendigheid slechts aan de vorming van een dun oxidelaagje op het oppervlak, want dat laagje, waarvan de eigenschappen deels afhankelijk zijn van de chemische samenstelling van het roestvast staal, beschermd het onderliggende materiaal tegen de invloeden van buitenaf. Zolang dat laagje intact blijft of na beschadiging zichzelf kan hestellen zal het materiaal niet worden aangetast. Maar… er zijn omstandigheden waaronder dat laagje wel wordt afgebroken en vervolgens het onderliggende materiaal wordt aangetast… dan “roest” het roestvast staal zeker! En daar wordt bij het ontwerpen in roestvast staal vaak geen rekening gehouden.
Bovendien moet er bij het ontwerp van een metalen constructie, afgezien van alle mogelijke constructiedetails, rekening gehouden worden met de mechanische eigenschappen van een metaal, die volledig bepaald worden door de chemische samenstelling en de gehele geschiedenis van deformatie en warmtebehandelingen, niet alleen voor de bewerking en verwerking, maar ook tijdens het gebruik van de constructie.
De geschiktheid voor gebruik van roestvast staal onder vastgelegde omstandigheden hangt dan ook helemaal af van de samenstelling, de microstructuur (ferritisch, martensitisch, austenitisch of duplex (ferritisch-austenitisch) al dan niet met uitscheidingen) waarin heel de geschiedenis van het materiaal is vastgelegd, en van de conditie van het oppervlak van het onderdeel.
Figuur 1. Spanningscorrosie scheuren in type 316L roestvast staal. De richting van de scheuren is voor een deel bepaald door inwendige materiaalspanningen en deformatiepatronen.
Mede gelet op bovenstaande is een goede materiaalkeuze met inachtneming van alle fabricage en gebruiksomstandigheden een, zo niet, de belangrijkste stap in het ontwerp- of gehele voortbrengingsproces.
Als er dan gekozen wordt voor een bepaald type roestvast staal, dan moet men er van op aan kunnen dat de leverancier ook het juiste materiaal levert, indien mogelijk met certificaat, en als het kan een certificaat dat de werkelijkheid weergeeft, dus met werkelijk gemeten getallen. Dus materiaal afkomstig van een bekende oorsprong en een betrouwbare fabriek. Immers met de nieuwe opkomende landen wordt de kwaliteit van materialen steeds meer afhankelijk van het in het land van oorsprong heersende kwaliteitsmoraal en de heersende mentaliteit. Want een andere mentaliteit betekent nogal eens dat de mens dan een andere kijk heeft op het begrip kwaliteit en betrouwbaarheid. Zo kunnen soorten roestvast staal dan eenvoudigweg worden verwisseld, stempelingen en kenmerken eenvoudig worden gekopieerd en materiaalcertificaten zijn dan soms van minder waarde dan het papier waarop ze gedrukt zijn. Getallen zijn verzonnen, er is weinig tot niets gecontroleerd en dan….? Ja, dan is het materiaal feitelijk onbekend en staat corrosie of mechanisch falen op de loer met alle gevolgen van dien.
Dan kan de beschermende oxidehuid door de media waaraan het oppervlak wordt blootgesteld worden aangetast. Of dit gebeurt, hangt af van de kwaliteit van het laagje en de toestand van het onderliggende materiaal. Een ideaal oppervlak is gebeitst en vervolgens gepassiveerd, waardoor alle ongerechtigheden en onjuist opgebouwde oxiden (bijvoorbeeld op hoge temperatuur ontstaan, tijdens warmvervormen, warmtebehandelen of lassen) van het oppervlak zijn verwijderd, en een nieuwe, goed hechtende en afsluitende chroom-oxidehuid op het materiaal is gevormd. De weerstand tegen aantasting van een dergelijke oxidehuid is hoger naarmate het oppervlak een geringere ruwheid heeft, en is bovendien afhankelijk van de samenstelling van het materiaal waaruit het is gevormd, en is natuurlijk afhankelijk van het medium waaraan het wordt blootgesteld. Dit laatste, het medium, is vaak door de processen in proces installaties bepaald en kan vaak niet gewijzigd worden.
Alles tezamen: ook bij een gepolijst en goed gebeitst en gepassiveerd oppervlak is corrosie door enig milieu niet uit te sluiten. Om de kans op corrosie te verminderen of uit te sluiten kan een ander materiaal worden gekozen, of kunnen fabricageprocessen worden aangepast. Zo zal een roestvast stalen product waarin veel (rest)spanningen zitten of dat sterk is gedeformeerd, gevoeliger zijn voor onder andere spanningscorrosie (zie figuur 1) dan wanneer het spanningsniveau laag en de deformatiegraad gering.
Figuur 2. Putvormige aantasting van roestvast staal type X20Cr13, een martensitisch gehard en ontlaten material, in schoon (drink)water. Etsen: Electrolytisch in oxaalzuur.
Met betrekking tot de keuze van een roestvast staal is bekend dat austenitisch roestvast staal, zoals o.a. AISI 304, gevoelig is voor putcorrosie in contact met chloriden houdende oplossingen, daar waar superaustenitisch roestvast staal van het type 254SMO veel minder gevoelig is voor deze vorm van corrosie onder gelijke omstandigheden. Dit komt door het verschil in chemische samenstelling. De weerstand van roestvast staal tegen putcorrosie kan worden beschreven met het PREN, ofwel Pitting Resistance Equivalent Number (het zgn. PREN getal). Hoe hoger het PREN getal (PREN= %Cr +3,3*%Mo + 16*%N) van het materiaal, des te hoger de weerstand tegen putvormige aantasting. Andere vormen van corrosie, zoals spanningscorrosie, microbiologisch geïndiceerde corrosie en galvanische corrosie, en de precieze invloeden van temperatuur (bij hogere temperatuur snellere aantasting) en druk, worden in dit verband buiten beschouwing gelaten. Afhankelijk van de zwaarte van de bedrijfscondities, die overwegend wordt bepaald door de hoogte van het chloridengehalte in het medium en de temperatuur, moet het materiaal een voldoende hoog PREN-getal hebben om putvormige aantasting (zie figuur 2) te voorkomen. De wijze van deformatie van de structuur (banden, inwendige spanningen), de ligging hiervan ten opzichte van het geëxposeerde oppervlak en de hoeveelheid niet metallische insluitsels kunnen overigens ook grote invloed hebben op de snelheid van aantasting.
Voor contact met zeewater wordt bijvoorbeeld een PREN-getal van tenminste 40 aanbevolen. In de volgende tabel staan een aantal bekende typen austenitische en duplex (austenitisch-ferritische) roestvaste staalsoorten vermeld, en één nikkelbasislegering, gesorteerd op oplopend PREN.
Tabel 1. Het PREN-getal van enkele bekende legeringen, in volgorde van oplopend PREN-getal (hoger gelegeerd).
Duidelijk is dat van de genoemde roestvast stalen type AISI 304 de laagste weerstand heeft tegen chloride putcorrosie.
De keuze van 316L of een hoger gelegeerd materiaal kan een oplossing zijn om putvormige aantasting in bijvoorbeeld zeewater te voorkomen.
De keuze voor een roestvaststaal met een hoger PREN getal heeft gelet op de hoeveelheid legeringelementen natuurlijk ook direct invloed op de materiaalkosten, maar ook op de bewerkings- en verwerkingskosten. Bij de keuze voor een materiaal met een hoger PREN getal is er tenminste één zekerheid: het materiaal zal duurder zijn. De noodzaak voor een hoger PREN getal kan worden bepaald middels corrosieproeven, zoals die onder andere door Schielab b.v. kunnen worden uitgevoerd.
Figuur 3. Microstructuur van een niet goed oplosgegloeid gietstuk, bestaande uit austeniet en ferriet met intermetallische uitscheidingen. Etsmiddel: gemodificeerd Murakami’s (heet).
Niet zelden worden fabrikanten van procesinstallaties geconfronteerd met schade aan door hen geleverde installaties (al dan niet uitbesteed), veroorzaakt door materiaal dat onjuist of inferieur bleek te zijn. Weliswaar gekocht volgens specificatie en geleverd met een certificaat waarop de juiste gegevens staan, die allemaal voldoen aan de eisen van de bestel- of materiaalspecificatie. Als dan achteraf blijkt dat of de samenstelling en/of de vervorming- en/of de warmtebehandeling en daardoor de microstructuur en/of de mechanische- en/of de corrosie eigenschappen niet voldoen, dan zijn de kosten van de gevolgschade vaak heel hoog. En de opgelopen schade voor vervanging, vertraging en productieverliezen is meestal niet te verhalen. Een goed risico management zou zich dus ook moeten richten op de risico’s van de aankoop van materiaal. Aanbevelingen daarvoor zijn:
koop alleen uit betrouwbare bron (leverancier én fabrikant van het halffabricaat én van het uitgangsmateriaal) eis van de leverancier de garantie dat het certificaat op juistheid (inhoud en gegevens) gecontroleerd is (stempels van keuringsinstanties uit verre landen zijn bij lange na niet voldoende garantie) of dat er extra controle wordt uitgevoerd bij de beproevingen eis van de leverancier dat de leveringen retour kunnen als bij steekproeven blijkt dat het materiaal niet voldoet aan de gestelde eisen of als de meetresultaten verkregen door een geaccrediteerd laboratorium (sterk) afwijken van de waarden die op het certificaat vermeld zijn; eis tegelijkertijd ook de garantie van nieuwe levering binnen een bepaalde levertijd.
Grote prijsverschillen op een wereldmarkt als die van staal en dus ook van roestvast staal kunnen immers alleen bestaan door subsidies, dumping of door het laten vallen van een strenge productiebeheersing en kwaliteitsbewaking. Het laatste neigt naar doelbewuste oplichting en het bewust in gevaar brengen van levens van anderen.
Een voorbeeld van dit soort praktijken waren de aankopen en het inbouwen van duizenden duplex roestvast stalen gesmede flenzen in pipe spools voor de off-shore industrie, die, hetgeen jaren later bij toeval bleek, tijdens het onderzoek van een schade, niet goed waren oplosgegloeid. Hierdoor bestond de microstructuur niet uit een mooie duplex structuur van austeniet en ferriet, maar uit een structuur van austeniet, ferriet en intermetallische fasen, zoals sigma fase. Een voorbeeld van zo’n onwenselijke structuur wordt getoond in figuur 3.
Het gevolg hiervan was dat de corrosiebestendigheid van het materiaal veel slechter was dan verondersteld. Bovendien, misschien wel erger, was de kerfslagwaarde van het materiaal, een reflectie van het deformatiegedrag van het materiaal bij plotselinge spanningsverhoging zoals bij calamiteiten, niet de op vele van de materiaalcertificaten vermelde 300 Joule, maar slechts 3 tot 10 Joule. Als eigenaar of operator van dergelijke installaties kan, als veiligheid werkelijk hoog in het vaandel staat, dan maar één beslissing worden genomen: vervangen van alle inferieure flenzen, met alle kosten van dien van bedrijfsstilstand van dien. Als die beslissing in zo’n geval niet genomen wordt (hetgeen meermaals gebeurt), zegt dat meer over de moraal van de eigenaar van de installatie dan over technisch inzicht en de handhaving van het veiligheidsbeleid.
Een ander voorbeeld betreft de aankoop van honderden bochten van roestvast staal van het type 304 en de verwerking hiervan in pipe spools door een contractor. Al tijdens de inbedrijfstelling fase bleken er bochten lekkage te vertonen door scheurvorming. Onderzoek aan deze bochten toonde aan dat zowel het materiaal niet overeen kwam met datgene wat er op het “goede” certificaat stond, maar bovendien dat de contractor zich niet echt had gehouden aan de gebruikelijke voorzorgen en procedures bij de verwerking van roestvast staal van het type 304 of roestvast staal in het algemeen.
Ongeveer alles wat maar fout kan gaan of fout gedaan kan worden met roestvast staal hadden de producent van de bochten en de contractor samen in iedere bocht van de partij weten te stoppen, namelijk: zones waarbinnen de structuur door uitscheidingen van chroomcarbiden op de korrelgrenzen gevoelig was geworden voor interkristallijne aantasting een niet volledig uitgevoerde oplosgloeibehandeling, waardoor nog heel veel door de kouddeformatie veroorzaakte glijbanden in de microstructuur van het bochtmateriaal waren achtergebleven; deze maakten het materiaal gevoeliger voor corrosie aantasting (zie figuur 4) sterke interkristallijne aantasting van slechts een deel van de bochten door te sterk beitsen (te hoge tempratuur en/of te lang) en het slechts gedeeltelijk dompelen van de bochten in het beitsbad (figuur 4) een hardheid van ca. 230 hardheid Vickers, die duidelijk hoger was dan 167 hardheid Vickers zoals in het certificaat was vermeld het gebruik van onvoldoende beschermgas bij het lassen, waardoor ernstige verkleuringen waren opgetreden, gevolgd door het bovenbeschreven beitsen van slechts een deel van het verkleurde binnen- en buitenoppervlak.Het materiaalcertificaat meldde “natuurlijk” een goede oplosgloeibehandeling en een ongevoeligheid voor interkristallijne corrosie.
Figuur 4. Buitenoppervlak van een type 304 roestvast stalen bocht. De korrels tonen duidelijke slip lijnen, een aanwijzing zijn voor een relatief hoge mate van vervorming. Het oppervlak was tot ongeveer 5 korrels diep aangetast door te langdurig beitsen in een bad. Etsmiddel: V2A
Natuurlijk zijn er ook nog allerlei problemen die tijdens gebruik kunnen ontstaan door een onjuist ontwerp van de constructie, ook al is het toegepaste roestvast staal wel goed gekozen en ook kwalitatief goed. Te denken valt daarbij aan falen door overbelasting, door vermoeiing , brosse breuk en falen door combinaties van belasting en corrosie, zoals corrosie-vermoeiing. Deze faalmechanismen, net zoals het falen door niet altijd bij het uitgangsmateriaal op te merken smeed-, wals- en gietfouten vallen echter buiten het bestek van dit artikel, waarin geïllustreerd is dat “gewoon roestvast staal zich wel eens bijzonder kan blijken te gedragen”.
Op basis van voorgaande moet worden geadviseerd om een goed steekproefonderzoek te doen naar de juistheid van de geleverde materialen en de bijbehorende certificaten. Certificaten zijn immers wel een document, maar ontslaan de eindfabrikant van een installatie niet van zijn productaansprakelijkheid. En de financiële risico’s daarvan zijn veel groter dan de kosten van enig aanvullend onderzoek, dat overigens onderdeel kan zijn van de inkoopprocedure. Zulk onderzoek zou Schielab Rotterdam, Breda, Veendam of Sittard kunnen uitvoeren en kan bestaan uit microscopisch structuur onderzoek middels de replica techniek en/of hardheidsonderzoek en/of ferrietmetingen (waaruit de aanwezigheid van sigma fase is af te leiden) en/of materiaal identificatie (PMI).
Doe je dit, en blijkt het roestvast staal in orde te zijn, dan pas is roestvast staal een gewoon materiaal, dat gewoon roestvast blijft als het volgens de regels wordt bewerkt, verwerkt, opgeslagen en gebruikt.
ir. Lammert Brantsma, IWE bedrijfsleider/lasingenieur/adviseur bij: Schielab b.v.,materiaalkundige laboratoria en adviesbureaus te Breda, Rotterdam, Sittard en Veendam. Metal and Corrosion Engineering b.v. (MCE) te Buinen
ir. Jelle Brantsma, IWE. Hoofd Uitbesteding bij: Damen Shipyards, Bergum. Adviseur bij Metal and Corrosion Engineering b.v. (MCE) te Buinen.