Roestvast gietstaal

Daar waar vroeger gegoten koper legeringen werden toegepast, zoals in gieterij Staalfries B.V. te Sneek de zuivelindustrie, is roestvast staal niet meer weg te denken. Staalfries B.V. giet roestvast staal voor vele toepassingsgebieden. Met de van oudsher wel bekende zandgiet methode wordt nu voor een deel de markt bestreken van stuksgewichten tot maximaal 200 kg. Het gehele gietproces dient in al zijn facetten goed te worden beheerst. Hierbij is erkenning door de diverse keuringsinstanties essentieel. Aan de hand van het nu volgende zal een uiteenzetting worden gegeven van roestvast gietstaal.

Artikel gepubliceerd in Roestvast staal nummer 4 1988.

Roestvast gietstaal onderscheidt zich door het vermogen om daar te worden ingezet, waar ongelegeerde of laaggelegeerde gietstukken falen als gevolg van de corrosiviteit van het milieu waaraan ze worden blootgesteld. Roestvast gietstaal wordt toegepast om de corrosieve inwerking van waterige milieu's te weerstaan bij omgevingstemperatuur en door hete gassen vloeistoffen met zeer hoge kookpunten bij temperaturen van maximaal 650°C. Alle roestvaste gietstaal typen bevatten meer dan 11% chroom en de meesten 1 tot 30% nikkel (slechts enkele bevatten minder dan 1% nikkel). Het koolstofgehalte, vooral van invloed op zowel de corrosie weerstand als de mechan ische sterkte, ligt doorgaans onder 0,20% en is soms zo laag als 0,03%. Ongeveer 60% van het roestvaste gietstaal bevat 18 tot 22% chroom en 8 tot 12% nikkel en behoort daarmee tot het austenitische gietstaal. Er worden echter ook aanzienlijke hoeveelheden roestvast gietstaal geproduceerd met alleen chroom en dan vooral met 11,5 tot 14,0% chroom, dit zijn de martensitische typen. Ten.slotte is er nog een kleinere groep van roestvast gietstaal typen met alleen chroom in hoeveelheden variërend van 25 tot 30%, dit zijn de ferritische typen. De corrosie weerstand neemt toe met toe.nemend chroomgehalte. Over het algemeen verbetert toevoeging van nikkel aan ijzerchroom legeringen zowel de taaiheid als de kerfslagsterkte, hoewel daarop enkele uitzonderingen zijn, speciaal in het gebied waar ferriet plus austeniet fasen grenzen aan austeniet fasen.


De corrosie weerstand tegen neutrale chloride oplossingen en zwak oxiderende zuren neemt toe met een toenemend nikkelgehalte. Toevoeging van molybdeen verhoogt de weerstand tegen chloriden. Molybdeen vergroot ook het passieve gebied in op.lossingen met zwak oxiderende invloed. Voor alle roestvast staal typen, ongeacht of het kneed-of gietlegeringen zijn, geldt dat de neiging tot interkristallijne corrosie wordt verminderd door verlaging van het koolstofgehalte.  Roestvast gietstaal heeft doorgaans een chemische samenstelling, welke wat afwijkt van die van de overeenkomstige kneedlegerin.gen. Eén zo'n verschil is het hogere siliciumgehalte, waardoor de gietbaarheid wordt verbeterd. In de roestvaste kneedlegeringen is het siliciumgehalte doorgaans maximaal 1%.  Een verbetering van de gietbaarheid is vooral noodzakelijk voor het gieten van dunwandige of kleine werkstukken. Een gietstuk wordt na het gieten niet gewalst of gedeformeerd, in geval van duplex Iegeringen - dit zijn legeringen die zowel ferriet als austeniet bevatten - kan de microstructuur aanzienlijk worden gevarieerd met betrekking tot het ferrietgehalte. Een hoog ferrietgehalte in austeniet matrix verhoogt de mechanische sterkte aanzienlijk. De hoeveelheid ferriet kan worden beïnvloed door het variëren van het percentage ferriet vormende elementen (chroom en molybdeen) en door het percentage austeniet vormende stabiliserende elementen (nikkel, stikstof en koolstof).

Soorten roestvast gietstaal

Austenitisch roestvast gietstaal
Roestvast gietstaal kan net als de kneedbare tegenhangers worden onderverdeeld in austenitisch, ferritisch, martensitisch en precipitatie hardende soorten. De aanduidingen en samenstellingen worden in Amerika gedefinieerd door het Alloy Casting lnstitute (A.C.I.). De corrosiebestendige typen, die daar worden gebruikt waar weerstand tegen waterige corrosie wordt verlangd, worden voorafgegaan door de letter C. De hittebestendige typen, die bij hoge temperaturen worden toegepast, waar weerstand tegen gasvormige corrosie zoals oxidatie van belang is, worden voorafgegaan door de letter H. De chemische samenstellingen van een aantal austenitische typen zijn weergegeven in tabel 1 alsmede hun mechanische eigenschappen. Net als hun kneedbare tegenhangers uit de AISI 300 reeks, hebben de CF typen het grootste toepassingsgebied gevonden. Hoewel de samenstellingen van de roestvaste kneedlegeringen gewoonlijk zorgvuldig worden afgewogen teneinde delta ferriet te vermijden, hetgeen de bewerkbaarheid ten goede komt, kunnen de CF typen aanzienlijke hoeveelheden delta ferriet bevatten.


Zo bevat het molybdeen houdende type CF-8 M (overeenkomend met kneed.legering 3/6) doorgaans 5-20% delta ferriet, verdeeld over de austeniet matrix in de vorm van discontinue eilandjes. Dit giet type wordt vooral toegepast in matig zure en chloride houdende milieu's, waar het molybdeen de weerstand verbetert tegen putvormi.ge aantasting. Net als bij de wat hoger koolstof houdende kneedtypen, kunnen de gegoten CF typen ook geringe weerstand vertonen tegen interkristallijne corrosie als gevolg van chroom verarming in de buurt van uitgescheiden chroomcarbiden. Dit kan worden tegengegaan door het gietstuk een oplosgloeiing te geven bij temperaturen, die ruim in het austeniet gebied liggen. Zelfs de laag koolstof houdende typen CF-3 en CF-3 M, kunnen in de gegote11 toestand carbiden op de korrelgrenzen vertonen en moeten alvorens er aan wordt gelast eerst een oplosgloeiing ondergaan. Opnieuw zachtgloeien na lassen is over het algemeen niet nodig.
Net als bij de austenitische kneedlegeringen zijn er gevallen waar de corrosie weerstand van het austenitische gietstaal tekort schiet. In zulke gevallen moet worden uitgeweken naar hoger gelegeerde gietlegeringen, die minder dan 50% ijzer bevatten.

Tabel 1. Chemische samenstelling en mechanische eigenschappen van corrosie bestendig austenitisch roestvast gietstaal.


Martensitisch, ferritisch en precipitatie hardend gietbaar roestvast staal
De chemische samenstelling van deze typen en de mechanische eigenschappen zijn weergegeven in tabel 2. Evenals hun kneedbare tegenhangers kunnen de gietbare martensitische legeringen worden gehard en ontlaten, waarmee een breed gebied aan mechanische eigenschappen wordt verkregen. Ze worden daar toegepast waar een combinatie wordt gevraagd van redelijke corrosie weerstand met hoge weerstand tegen slijtage.
De ferritische legeringen kunnen niet worden gehard en ze worden toegepast voor gebruik in oxiderende zuren. De molybdeen houdende duplex legering CD-4 MCu heeft een goede weerstand tegen putvormige corrosie en scheurvormende spanningscorrosie in chloriden houdende milieu's.  De precipitatie hardende legeringen combineren de hoogst bereikbare mechanische sterkten, gecombineerd met goede taaiheid en redelijke weerstand tegen corrosie.


Tabel 2. Chemische samenstelling en mechanische eigenschappen van corrosie bestendig martensitisch-, ferritisch- en precipitatiehardend roestvast gietstaal.


Hittebestendig roestvast gietstaal
De chemische samenstelling van deze typen is weergegeven in tabel 3, tasamen met de kruipeigenschappen bij hoge temperaturen. De martensitische en ferritische ijzer-chroom varianten worden in hoofdzaak toegepast vanwege hun weerstand tegen oxidatie omdat ze relatief lage mechanische sterkten bezitten bij hoge temperaturen en bovendien bros kunnen worden in bepaalde temperatuursgebieden. De ijzer-chroom-nikkel varianten vertonen betere mechanische sterkten bij hoge temperaturen dan de ijzer-chroom typen en ook betere weerstand tegen oxiderende-en zwavelhoudende reducerende gassen. De ijzer-nikkel-chroom variantenbezitten hoge mechanische sterkten bij hoge temperaturen en weerstand tegen opkolende of nitrerende atmosferen.


Tabel 3. Chemische samenstelling en kruip van hittebestendig roestvast gietstaal.

Gietvormen

De ontwerp criteria voor roestvast gietstaal wijken niet noemenswaardig af van die voor on gelegeerd en laaggelegeerd gietwerk. Het ontwerp van het gietmodel vormt een essentieel punt. Losse houten of metalen gietmodellen zijn onderhevig aan schade als gevolg van kromtrekken en mechanische mishandeling en komen alleen in aanmerking voor grote gietstukken of als er een klein aantal kleine of experimentele stukken moeten worden vervaardigd. Op.gespannen gietmodellen, samengestelde gietmodellen of aparte boven-en ondervormkasten zijn essentieel voor de produktie van gietwerk met hoge maatnauwkeurigheid en hoge kwaliteit. Het na.derhand te verspanen oppervlak dient zich bij voorkeur in de ondervormkast te bevinden.

Minimum wanddikte

De minimum wanddikte moet zoveel mogelijk groter zijn dan 4,8 mm. letwat dunnere wanddikten zijn wel mogelijk met de meeste roesvaste gietlegeringen, afhankelijk van de gebruikte vormen en het gietontwerp, maar er worden moeilijkheden ondervonden bij het dunwandig gieten met de enkel chroomhoudende typen. In geval van ingewikkelde gietstukken is de grotere vloeibaarheid van de austenitische chroom-nikkel typen een voordeel. Ontwerpen met grote variaties in de wanddikte dienen te worden vermeden. Toleranties in de dimensies hangen af van de gietvorm en de vorm van het werkstuk. Over het algemeen kunnen de over-all dimensies en de locaties van kerngaten worden bepaald met een nauwkeurig.heid van 5,2 mm/m. In het gietontwerp dient een toeslag van 3,2 mm te worden gegeven ten behoeve van verpanende nabewerking. Aangezien er variaties optreden in de mate van vrije krimp als gevolg van de gietvorm, is één enkele krimptoeslag noodzakelijker.wijs een compromis. Extreme eisen betreffende de maatnauwkeurigheid vereisen het gebruik van verschillende krimptoeslagen voor één enkele gietvorm. Verder kan er een totaal andere gietvorm nodig zijn voor de produktie van hetzelfde gietstuk indien er andere vormmethodes worden toegepast.

Gebieden met geringe dichtheid

Gebieden met geringe dichtheid, veroorzaakt door krimpholtes die het gevolg zijn van onvoldoende navoeding tijdens het stollen, vertonen een versnelde aantasting als ze in aanraking komen met eencorrosief medium. Dit treedt vooral op bij roterende onderdelen zoals pompwaaiers en bijvoorbeeld pomphuizen, die blootstaan aan erosie.

Verspanen

De verspaanbaarheid van de enkel chroom houdende typen is net zo goed, zo niet beter dan de zachtgloeiende 19 Cr-9 Mi legeringen. De verspaanbaarheid van de chroom-nikkel legeringen komt ongeveer overeen met die van de afgeschrikte en zachtgloeiende CF legering. Het CE type en legeringen die niobium bevatten zijn wat makkeljjker te verspanen.

Lassen

Roestvast gietstaal kan worden gelast met het booglassen onder schermgas en de TIG-MIG lasprocessen. Austenitische gietstukken worden doorgaans gelast zonder voorwarmen en ontvangen na het lassen een oplosgloeiing. Martensitische gietstukken vereisen voorwarmen om scheuring tijdens het lassen te voorkomen en ze ontvangen na het lassen een geschikte warmtebehandeling. Als de lassen correct zijn gelegd, dan zullen de mechanische eigenschappen van de las overeenkomen met die van het basismetaaL De rek is voor proefstukken, die dwars op de las zijn genomen over het algemeen wat lager.

Ontwerpen parameters

Roestvast gietstaal heeft een wat lagere elasticiteits modulus onder trekbelasting dan koolstofstaal of laag gelegeerd staal variërend van 165 GPa voor de typen met een hoog nikkel gehalte tot 200 GPa voor de typen met een hoog chroom-en laag nikkel gehalte. Dit in vergelijking met 207 GPa voor koolstofstaal en laag gelegeerd staal. De dichtheid van roestvast gietstaal komt nauw over.een met die van koolstofstaaL De soortelijke warmte van koolstofstaal ligt tussen de uiterste waarden van roestvast gietstaal in: 0,46-0,50 J/g.K.


Afb. 1. Het vullen van de gietpan bij een van de smeltovens van Staalfries B.V.-Sneek.

Vreten

Roestvast gietstaal is niet bestand tegen vreten. De oppervlakken van de gietstukken kunnen worden genitreerd zodat deze hard en slijtvast zijn. De treksterkte wordt daar niet door beïnvloed. De 19 Cr-9 Mi typen en de enkel chroom houdende typen zijn na een uitveerbehandeling bestand tegen oververhitte stoom (10 MPa bij 500°C), verzadigde stoom, ketel voedingswater en minerale brand.stoffen. Ze zijn niet bestand tegen halogeen zuren of -zouten noch tegen enig corrosief medium, dat ook de onbehandelde gietlegering zou aantasten. Nitreren vermindert de weerstand tegen corrosie door geconcentreerd salpeterzuur of zuurmengsels. Onderdelen zoals schuiven voor schuifafsluiters en pluggen voor plugafsluiters worden in de regel geleverd in de oplossingsgegloeide toestand, maar ze kunnen ook wel zijn genitreerd om de gevoeligheid tegen vreten tijdens bedrijf te verminderen.

Referenties:
Stahlguss; Prof. Dr. Ing. K. Roesch und Dipl. Ing. K. Zimmermann;
Uitgevers: Verlag Stahleisen Düsseldorf.