Diverse toepassingen van roestvast staal

Roestvast staal wordt voor tal van toepassingen gebruikt. Voor sommigen van die toepassingen moesten bestaande roestvast-staaltypen worden aangepast en soms moesten er geheel nieuwe legeringen worden ontworpen. Hier volgt een kort overzicht.

Roestvast staal laminaten
Een belangrijk, zoniet het belangrijkste voordeel van metalen sandwich panelen zijn de verbeterde verhoudingen van sterkte en stijfheid tot het gewicht in vergelijking met massieve plaat. De verbeterde eigenschappen van dergelijke sandwich panelen is het resultaat van de toename van de schijnbare dikte van de structuur, dat wil zeggen het verder van elkaar verplaatsen van het buitenoppervlak. Hierdoor kan er een hogere stijfheid en lastdragende capaciteit worden verkregen. Dit principe is toegepast op panelen die zijn opgebouwd uit twee platen austenitisch roestvast staal met een kern van lasergelaste roestvast stalen V-vormige versterkingen. Het gebruikte roestvast staal is 1.4318 (AISI 301 LN) en 304 SP. Kenmerk van 1.4318 is een hoge mate van versteviging als gevolg van matig koudwalsen en 304 SP is een nieuwe versie van 304 met verhoogde weerstand tegen putcorrosie die is verkregen door de mangaan en zwavel gehaltes te verlagen en door molybdeen toe te voegen en het stikstofgehalte te verhogen. In geval van een optimaal paneel geven de kernelementen de belastingen op effectieve wijze door van dekplaat naar dekplaat en is het gewicht zo weinig mogelijk verhoogd. Hiermee is het mogelijk om het paneelgewicht tot een fractie van dat van massieve panelen te beperken. Toepassingen kunnen onder andere worden gevonden in de carrosseriebouw voor autoportieren, motorkappen en kofferdeksels.

Roestvast staal in de Large Hadron Collider
CERN, heeft de grootste deeltjesversneller ter wereld gebouwd. De LHC (Large Hadron Collider) is een machine waarmee condities kunnen worden nagebootst die overeenkomen met die welke enkele momenten na de Big Bang heersen en waarmee antwoord moet worden gevonden op tal van vragen op het gebied van de fysica. Thyssen Krupp Nirosta heeft voor dit doel twee speciale hooggelegeerde roestvast-staallegeringen geleverd voor het twee miljard euro kostende project. Deze legeringen voldoen aan de hoge eisen die worden gesteld door de 27 km lange ringvormige tunnel die gedurende de afgelopen10 jaar, 100 meter onder het Jura gebergte. Voor de ongeveer 500 vierpolige magneten van de LHC is 860 ton Nirosta 4375 gebruikt. Dit is een mangaanhoudende niet-magnetiseerbare austenitische roestvast-staallegering. Het materiaal beschikt over zeer speciale fysische eigenschappen, die behouden blijven tot dicht in de buurt van het absolute nulpunt (-271°C). De lage magnetische conductiviteit en hoge sterkte maken dat het staal zelf niet wordt gemagnetiseerd en de sterke krachten in de magneetspoel kan weerstaan. Om de deeltjes op het juiste spoor te houden moeten de supergeleidende spoelen worden gekoeld tot -271°C. Dit wordt gedaan via een ring die de magneten voorziet van vloeibare helium voor koeling. De ring is gemaakt van 450 ton Nirosta 4307 roestvast staal, een chroom-nikkel staal dat zijn taaiheid behoudt en bestand is tegen scheuring zelfs bij extreem lage temperaturen. Met de LHC is het Higgsboson gevonden.

Magnetisch roestvast staal met hoge hardheid en hoge corrosieweerstand
Trinamet is een door Carpenter Technology Corp. ontwikkeld martensitisch, magnetisch roestvast staal met gunstige eigenschappen voor gebruik als bevestigingsmiddel, te weten goede weerstand tegen corrosie, hoge hardheid na warmtebehandeling en uitstekende koudvervormbaarheid. De corrosieweerstand van Trinamet is vergelijkbaar met die van 304 en 17-4 PH precipitatiehardend roestvast staal. Het staal wordt daar toegepast waar type 410 net te kort schiet in corrosieweerstand. Het vormt ook een alternatief voor de typen 304 en 17-4 PH als de corrosieweerstand niet mag worden opgeofferd aan hogere hardheid. In de volledig warmtebehandelde toestand kan Trinamet een hardheid bereiken van 53 HRC tegen een hardheid van de typen 410 en 17-4 PH van 45 HRC. Type 304 is een niet-hardbaar roestvast staal met een hardheid van minder dan 35 HRC in koudvervormde toestand. Trinamet leent zich makkelijk voor warmtebehandeling in zowel batch- als doorloopovens. Om de maximale hardheid te verkrijgen dient de legering te worden verhit tot circa 1040-1065°C om vervolgens te worden afgeschrikt in of olie, of een luchtstroom of in een gas. Vijftien minuten verblijftijd op 1040-1065°C is in het algemeen voldoende voor schroeven, klemmen, pennen, draad en andere kleine onderdelen. Voor grotere werkstukken is een langere verblijftijd nodig (maximaal ongeveer een uur). Als de warmtebehandeling onder een beschermende atmosfeer plaatsvindt, dan is stikstof of argon met een dauwpunt dat niet hoger is dan -40°C aan te bevelen. Gedissocieerde ammoniak is ongeschikt wegens het gevaar dat de werkstukken genitreerd worden hetgeen de corrosieweerstand nadelig beïnvloed. Na harden dienen de werkstukken gedurende een tot twee uur te worden ontlaten bij 180-200°C. Als niet de maximale hardheid wordt gevraagd, kan er worden ontlaten bij zo’n 300°C. Zachtgloeien vindt plaats door gelijkmatig te verhitten tot 730-790°C, waarna het staal gedurende twee uur op deze temperatuur blijft, waarna afkoeling kan plaatsvinden buiten de oven tot kamertemperatuur. De hardheid zal dan ongeveer 95 Rockwell B bedragen. Voor de laagst mogelijke hardheid (88-93 Rockwell B) dient te worden verhit tot 880°C met een verblijftijd van een tot twee uur op temperatuur, gevolgd door afkoeling in de oven bij een afkoelsnelheid van niet meer dan 30°C per uur tot 650°C, waarna verdere afkoeling buiten de oven kan plaatsvinden tot kamertemperatuur.  Behalve dat het staal een hoge hardheid en goede corrosieweerstand bezit, kan Trinamet ook makkelijk worden koudvervormd. De koudvervormingskarakteristieken bij bewerkingen zoals stuiken, draadwalsen, extruderen, trekken en pletten komen overeen met die van type 410. De treksterkte bij kamertemperatuur bedraagt 620 - 760 MPa en het vertoont een deformatieharding van ongeveer 8 MPa per procent reductie, hetgeen vergelijkbaar is met roestvast staal type 410. Trinamet is daarom een potentiële vervanger voor 17-4 PH (een roestvast-staaltype dat moeilijk kan worden koudvervormd) in toepassingen waar de hardheid en corrosieweerstand van 17-4 nodig zijn maar waar zijn slechte koudvervormbaarheid gebruik in de weg staat.

Ultra sterk roestvast staal met goede vervormbaarheid
Een nieuw type roestvast staal waarbij ultra hoge sterkte wordt gecombineerd met goede vervormbaarheid, corrosieweerstand en goede oppervlakteafwerking is ontwikkeld door Sandvik, Zweden en wordt op de markt gebracht onder de naam Nanoflex. Het is bij uitstek geschikt voor mechanische toepassingen die een licht gewicht en stijve ontwerpen vereisen. Een hoge elasticiteitsmodulus, gecombineerd met extreme sterkte kunnen resulteren in dunnere en zelfs lichtere werkstukken dan die welke zijn vervaardigd van aluminium en titanium. De treksterkte (1700 MPa) en oppervlakte eigenschappen bieden ook mogelijkheden voor auto onderdelen, waarbij het de hardverchroomde laag gelegeerde staaltypen kan vervangen, zodat het milieu-onvriendelijke hardverchroomproces kan komen te vervallen.  Ondanks een hoge hardheid (45 tot 58 HRC) beschikt het staal over uitstekende vervormingseigenschappen. Koudvervormen zoals buigen, snijden, verspanen en slijpen zijn makkelijk te doen. Na het bereiken van de gewenste vorm, geeft een simpele warmtebehandeling bij betrekkelijk lage temperatuur het materiaal zijn hoge sterkte zonder het werkstuk te vervormen.

Ferritisch chroomstaal ontworpen voor brandstofcellen
Thyssen Krupp VDM, Duitsland heeft een derde-generatie chroomstaal aangekondigd met verbeterde kruipweerstand voor brandstofcel-tussenkoppelingen. Het staal heet Crofer 2 APU. De verbetering van de kruipweerstand is niet ten koste gegaan van de elektrische geleidbaarheid of corrosieweerstand. De verbeterde resutaten zijn naar men zegt het gevolg zowel optimalisering van de samenstelling als een verbeterd productieproces. De tussenkoppelingen tussen de brandstofcellen  moeten ook het anode en kathode gas scheiden bij temperaturen tot wel 900°C. Crofer 22 APU reduceert chroomverdamping door de vorming van een speciale oxidelaag bestaande uit chroom-mangaan spinel, goede hechting van de oxidelagen en thermische uitzetting die overeenkomt met die van glas en keramiek.

Laag en hoog gelegeerd duplex roestvast staal
Combinatie van een lager nikkelgehalte met toevoeging van stikstof maar zonder toename van het mangaangehalte levert een nieuw type duplex roestvast staal 1.4602 dat is ontwikkeld door Industeel en Ugitech. Het type is een goedkoper alternatief voor 1.4307 (304L), gecoat of verzinkt koolstofstaal of beton voor bouwkundige toepassingen, drinkwatersystemen, of apparatuur voor de pulp- en papierindustrie. Het nikkelgehalte is verlaagd en er is stikstof toegevoegd om een structuur te verkrijgen van ongeveer 50% ferriet en 50% austeniet. Na de nodige experimenten is de samenstelling 22Cr, 2Ni en 0,2N. Onderzoek aan deze legering heeft uitgewezen dat de weerstand tegen lokale corrosie beter is dan die van 1.4307 bij een twee maal hogere rekgrens.Een andere door ATI Wah Chang ontwikkelde laag gelegeerde duplex roestvast-staallegering met hoge mechanische sterkte is AL2003. Deze legering is goedgekeurd voor drukvaten volgens ASME Code Case 2503. De legering beschikt over hoge mechanische sterkte, goede lasbaarheid, vervormbaarheid en taaiheid. Het lagere legeringsgehalte maakt het staal goedkoper dan de austenitische 316L en duplex 2205 legeringen. Indien er een correcte warmtebehandeling is gegeven, dan bestaat de microstructuur uit ongeveer even grote delen austeniet en ferriet. De weerstand tegen scheurvormende spanningscorrosie is superieur aan die van de austenitische typen 316 en 317. De rekgrens is meer dan het dubbele van die van conventioneel austenitisch roestvast staal. Bij lagere chroom en molybdenium niveaus is de legering beter bestand tegen schadelijke fazen zoals sigma dan type 2205. De legering is ontworpen voor milieus waar weerstand tegen algemene corrosie en tegen door chloriden geïnduceerde scheurvormende spanningscorrosie belangrijk is. Sandvik Materials Technology heeft een hyper-duplex roestvast staal legering ontwikkeld speciaal voor buizen. Deze legering beschikt over hoge mechanische sterkte en corrosieweerstand die nodig zijn voor putmond controlesystemen. De legering, aangeduid als SAF 3207 HD is ontwikkeld in anticipatie van de eisen die dieper gelegen onderzeese aanvoerleidingen, de elektrische en hydraulische systeem leidingen die de putmond verbinden met de het procesplatform. De hogere rekgrens weerstaat hogere drukken en maakt dunwandiger leidingen mogelijk, reduceert haspelafmetingen en verlaagt installatiekosten. De weerstand tegen spleetcorrosie bij de in het zeewater heersende temperaturen maakt de legering geschikt voor toepassingen op grote diepte onder extreme omstandigheden. Super-duplex type SAF 2507, het werkpaard in de olie- en gasindustrie, bezit goede overall corrosie eigenschappen, hoge mechanische sterkte (treksterkte van 800-1000 MPa) en kan werken bij een maximum watertemperatuur van 65°C. In vergelijking daarmee heeft SAF 3207 HD een treksterkte van 980-1180 MPa en is de maximum bedrijfstemperatuur 90°C. De lasbaarheid is goed als dezelfde lasprocedures als die voor super-duplex worden gebruikt, waarbij de lasverbindingen uitstekende sterkte en taaiheid bezitten en goede corrosieweerstand.   

Roestvast gietstaal is 70% sterker en is bestand tegen straling
Er wordt door Oak Ridge National Laboratory een nieuw roestvast gietstaal onderzocht, dat 70% sterker is dan vergelijkbare gietstaaltypen, op geschiktheid voor gebruik voor de enorme afschermingsmodules die nodig zijn voor het ITER fusie apparaat. De VS moeten bijna 100 van dergelijke modules produceren die elk een gewicht hebben van 3 tot 4 ton en die geometrische vormen en openingen bevatten. Gieten in plaats van verspanen kan de kosten met 20 tot 40% verlagen.  ITER (International Thermonuclear Experimental Reator) is een internationaal onderzoeks- en ontwikkelingsproject, waaraan ook de EU meedoet, dat moet aantonen dat het technologisch mogelijk is om energie op te wekken door kernfusie en dat de bestudering mogelijk maakt van zelfverhittend brandend plasma. Er zijn honderden tonnen complexe roestvast stalen onderdelen nodig die de temperatuur kunnen weerstaan die heerst in de nabijheid van een plasma dat is verhit tot meer dan 100 miljoen graden Celsius.

Nanodispersie van NbC verhoogt kruipsterkte austenitisch roestvast staal
Er is een familie van relatief goedkope, Al2O3 vormende, austenitische roestvast-staaltypen ontwikkeld met hoge kruipsterkte door onderzoekers van het Oak Ridge National Laboratory in de VS. De legeringen zijn gebaseerd op Fe-20Ni-14Cr-2,5Al, waarbij de versteviging wordt verkregen door nanodispersie van niobiumcarbiden. Deze legeringen maken een aanzienlijk verhoging mogelijk van de bedrijfstemperaturen van constructiedelen en ze kunnen fungeren onder de agressieve oxiderende omstandigheden die heersen in energieomzetting systemen. Er wordt een beschermende Al2O3 laag gevormd met geringere hoeveelheden aluminium in de austenietlegeringen dan in andere legeringen, omdat er geen titanium en vanadium was toegevoegd. De geringere hoeveelheden aluminium maken stabilisatie van de austenietmatrix structuur mogelijk en zorgen voor uitstekende weerstand tegen kruip. De tijd voor kruip-tot-breuk overschrijdt 2000 uur bij 750°C en een belasting van 100 MPa in lucht.