Vervormbaarheid van roestvast staal

Roestvast staal wordt in tal van uitvoeringsvormen van warmtewisselaars toegepast. Er wordt in dat soort gevallen een beroep gedaan op de weerstand van het materiaal tegen de milieus waarmee de betreffende warmtewisselaars in aanraking komen, waarbij de geringere warmtegeleidbaarheid op de koop toe wordt genomen. Het is dan ook een groot geluk dat roestvast staal zich zo makkelijk laat vervormen en verbinden. Toch zijn er een aantal aspecten die roestvast staal onderscheiden van koolstofstaal en daarmee moet bij de fabricage van warmtewisselaars terdege rekening worden gehouden. Hier zal de aandacht worden gericht op vervorming van roestvast plaatstaal ten behoeve van platenwarmtewisselaars.

E.R. de Kater


Vergeleken met koolstofstaal vertoont roestvast staal de volgende kenmerken:
 

• grotere sterkte;
• hogere gevoeligheid voor deformatieharding;
• sterkere neiging tot aanlassen of vreten bij bewerking met gereedschappen;
• lagere warmtegeleiding;

Legeringskeuze

Men komt tot een legeringskeuze op basis van een beoordeling op vervormbaarheid en op het vermogen dat voor het vervormen nodig was. Austenitisch en ferritisch roestvast staal is vrijwel zonder uitzondering goed geschikt voor alle mogelijke bewerkingen. Van het martensitisch roestvast staal worden echter alleen de typen 403, 410 en 414 in het algemeen aanbevolen voor koudvervormingstoepassingen. Het hogere koolstofgehalte van de overige martensitische types vormt een aanzienlijke beperking van hun koudvervormbaarheid; deze staaltypes worden soms warmvervormd. Warmvervormen kan ook met profijt bij de andere roestvaststaaltypen worden toegepast in moeilijke toepassingen.

Vervormbaarheid

De kenmerken van roestvast staal die van invloed zijn op de vervormbaarheid omvatten de rekgrens, treksterkte, taaiheid (alsmede de invloed van deformatieharding op deze eigenschappen) en de r-waarde. De samenstelling van roestvast staal is eveneens een belangrijke factor bij de vervormbaarheid. Afbeelding 1 geeft een vergelijking van de invloed van koudvervormen op de treksterkte en rekgrens van AISI 301 (een austenitisch type), AISI 409 en AISI 430 (ferritische typen) en laag-koolstofhoudend staalplaat van
het type 1008.

Vervormbaarheid van austenitische typen

AISI 301 bezit het laagste nikkel- en chroomgehalte van alle standaard austenitische typen en het vertoont de hoogste treksterkte in de zachtgegloeide toestand. De buitengewoon sterke neiging tot deformatieharding van 301 resulteert in een aanzienlijke toename van de treksterkte en rekgrens bij iedere verhoging van de hoeveelheid koudvervorming (zie afbeelding 1, waarbij de koudvervorming bestond uit koudwalsen). Deze reactie op deformatieharding is met name van belang voor constructiedelen, die na hun fabricage moeten beschikken over voldoende sterkte en stijfheid. Voor dieptrektoepassingen daarentegen is een wat lagere mate van deformatieharding te prefereren en dat kan worden verkregen door gebruik te maken van austenitische legeringen met een wat hoger nikkelgehalte, in het bijzonder de typen 304, 304L en 305.  De austenitische typen zijn in het algemeen lastiger te vervormen als hun nikkel- en chroomgehalte worden verlaagd, zoals dat bij 301 het geval is. Zulke typen vertonen een sterkere neiging tot deformatieharding en zijn minder geschikt voor vervormingsbewerkingen die uit een aantal stappen bestaan. Het hogere koolstofgehalte en de aanwezigheid van de stabiliserende elementen niobium, titanium en tantalium oefenen eveneens een nadelige invloed uit op de vervormingskarakteristieken van austenitisch roestvast staal. Om die reden zijn de vervormingseigenschappen van de typen 321 en 347 minder gunstig dan die van 302, 304 en 305.


Afbeelding 1 Vergelijking van de deformatieharding van austenitisch roestvast staal AISI 301, ferritisch roestvast staal AISI 409 en 430 en koolstofstaal 1008.
 

Vervormbaarheid van ferritisch typen

Het gebied tussen rekgrens en treksterkte van de typen 409 en 430 wordt aanzienlijk smaller naarmate de hoeveelheid koudvervorming toeneemt (zie afbeelding 1). Deze respons is kenmerkend voor de ferritische legeringen en beperkt hun vervormbaarheid in vergelijking met de austenitische typen. Nietemin worden 409 en 430, ondanks hun geringere vervormbaarheid ten opzichte van 302, vaak gebruikt voor toepassingen waarbij ze moeten worden gestanst, gebogen, getrokken of geforceerd.

Vervormbaarheid van duplex typen

Duplex roestvast staal bezit een ongeveer tweemaal zo hoge rekgrens als de meeste austenitisch roestvaststaaltypen. Hun rek, taaiheid en neiging tot deformatieharding liggen in het algemeen tussen die van austenitisch en ferritisch roestvast staal in. Duplex roestvast staal kan koud worden vervormd en geëxpandeerd. Hun hogere sterkte ten opzichte van hun austenitische collega’s vereist hogere krachten bij de koudvervormingsbewerkingen. Omdat hun rek minder is, moeten ze over wat ruimere buigingsstralen worden gebogen dan volledig austenitisch materiaal. Sterk koudvervormde (>15%) delen moeten na afloop worden zachtgegloeid en afgeschrikt als zich onder bedrijfsomstandigheden de kans op scheurvormende spanningscorrosie voordoet. Volledig zachtgloeien vindt plaats bij een temperatuur tussen 1000° en 1100°C, gevolgd door snel afkoelen. Warmvervorming wordt in het algemeen uitgevoerd in het temperatuurgebied lopend van 1000° tot 1250°C, waarbij de optimale temperatuur wordt gedicteerd door de specifieke samenstelling van de roestvaststaallegering. Het temperatuurgebied van ongeveer 350° tot 925°C moet worden vermeden omdat hier schadelijke uitscheidingen kunnen ontstaan zoals sigma-fase (zij het pas na urenlang verblijf op hoge temperatuur) en hoge-temperatuurferriet. Deze fasen hebben een nadelige invloed op de mechanische eigenschappen en op de corrosieweerstand. Net als bij koudvervormen moeten warmvervormde werkstukken worden zachtgegloeid tussen 950° en 1100°C, afhankelijk van het type, en worden afgeschrikt in water of geforceerde lucht.

Vergelijking met koolstofstaal

Afbeelding 1 bevat ook krommen voor koolstofstaal type 1008 om als vergelijking te dienen voor roestvast staal. De afstand tussen rekgrens en treksterkte blijft bij koolstofstaal met toenemende koudvervorming ongeveer constant, net als bij het austenitische staaltype 301. Deze afstand neemt bij de ferritische typen wel vrij sterk af, vooral bij 409 dat een soort toetervorm vertoont. De mate van deformatieharding van koolstofstaal en van het ferritisch roestvast staal komen ongeveer met elkaar overeen, terwijl die van het austenitisch roestvast staal aanzienlijk groter is.

Spanning-rekrelaties

Afbeelding 2 toont trekkrommen voor vier austenitische roestvaststaaltypen (AISI 202, 301, 302), een martensitisch roestvaststaaltype (AISI 410) en een ferritisch roestvaststaaltype (AISI 430). Uit deze afbeelding blijkt dat de kracht die nodig is om type 301 te vervormen groter is dan die welke nodig is voor de andere
austenitische legeringen. Bovendien zal het type 301 een maximale rek ontwikkelen alvorens te breken. De typen 410 en 430 kunnen met aanzienlijk lager vermogen worden vervormd, maar ze sneuvelen ook bij betrekkelijk lage rekwaarden.

Vermogenseisen

De vermogenseisen voor het vervormen van roestvast staal zijn vanwege zijn hogere rekgrens hoger dan die
voor laag-koolstofstaal. Er wordt in het algemeen tweemaal zoveel vermogen gebruikt voor het vervormen van roestvast staal. Omdat austenitisch roestvast staal snel hardt onder invloed van koudbewerking, is de behoefte aan extra vermogen na het begin van de vervorming groter dan die van ferritisch roestvast staal. Ferritisch roestvast staal gedraagt zich wat meer als gewoon koolstofstaal als de vervorming eenmaal een aanvang heeft genomen, hoewel er ook bij dit soort roestvast staal meer vermogen nodig is om plastische vervorming op gang te brengen.


Afbeelding 2 Vergelijking van de taaiheid van zes roestvast-staaltypen.

Lees ook het artikel "Principe van vervormen"