Fysische eigenschappen van roestvast staal (deel 2)
In deel 1 van dit artikel zijn de fysische eigenschappen dichtheid en elasticiteitsmodulus, thermische eigenschappen, waaronder smelttraject, uitzettingscoëfficiënt, geleidbaarheid en soortelijke warmte, behandeld. Nu komen magnetische eigenschappen en dan met name magnetische permeabiliteit en elektrische weerstand aan bod.
Magnetische eigenschappen
Het magnetisch gedrag van roestvast staal varieert aanzienlijk, lopend van paramagnetisch (niet-magnetisch) bij volledig austenitische typen, tot hard of permanent magnetisch gedrag bij de geharde martensitische typen, tot zacht magnetisch bij ferritisch roestvast staal. Magnetisch materiaal kan ruwweg worden verdeeld in twee groepen met hetzij harde, hetzij zachte magnetische karakteristieken. Hard magnetisch materiaal wordt gekarakteriseerd doordat het een grote hoeveelheid restmagnetisme vasthoudt na blootstelling aan een sterk magnetisch veld. Dit materiaal heeft coërcitiefkracht (Hc) waarden van enkele honderden tot enkele duizenden oersted (Oe) en ze worden beschouwd als permanente magneten. De coërcitiefkracht is een maat voor de magnetiserende kracht die vereist is om de magnetische inductie tot nul te reduceren nadat het materiaal is gemagnetiseerd.
In tegenstelling hiermee wordt zacht magnetisch materiaal gemagnetiseerd door magnetische velden van relatief lage sterkte en als het aangelegde magnetisch veld wordt verwijderd, keert het materiaal terug naar een toestand van betrekkelijk laag resterend magnetisme. Zacht magnetisch materiaal bezit typische coërcitiefkrachtwaarden van om en nabij 5 Oe tot 0,002 Oe. Zacht magnetisch gedrag is essentieel bij toepssingen die gepaard gaan met veranderende magnetische inductie, zoals solenoïden, relais, motoren, generatoren, transformatoren, magnetische afscherming, enzovoort. Andere belangrijke karakteristieken van magnetisch zacht materiaal omvatten hoge permeabiliteit, hoge verzadigingsinductie, laag hysterese-energieverlies, laag wervelstroomverlies bij toepassingen met wisselende flux en in speciale gevallen als er sprake is van constante permeabiliteit bij lage veldsterkten en/of een geringe verandering in permeabiliteit met de temperatuur.
Tabel 1. Magnetische eigenschappen van een aantal ferritische en martensitische roestvast-staaltypen. Gegevens zijn verkregen met ronde staven met diameters lopend van 9,53 tot 15,88 mm volgens ASTM A 341 met gebruik van de Fahy permeameter.
Austenitisch roestvast staal
Al het austenitsich roestvast staal is paramagnetisch (niet-magnetisch) in de zachtgegloeide, volledig austenitische toestand. De gelijkstroom magnetische permeabiliteiten lopen van ~1,003 tot ~1,005 indien gemeten bij magnetiserende krachten van 16 kA.m-1 (200 Oe). De permeabiliteit (een dimensieloze parameter die het gemak aangeeft waarmee een materiaal kan worden gemagnetiseerd) neemt toe met de mate van koudbewerking waarbij martensiet ontstaat, de laatste is een ferromagnetische structuur. Voor bepaalde soorten zoals de typen 302 en 304, kan de toename van de magnetische permeabiliteit aanzienlijk zijn, waardoor deze typen zwak ferromagnetisch worden in de zwaar koudvervormde toestand. Het verschijnsel wordt geïllustreerd aan de hand van afbeelding 2 voor negen austenitische roestvast-staaltypen. Het verschil in gedrag tussen de typen is terug te voeren op hun samenstelling. Zo verhoogt nikkel de stabiliteit van de austeniet en verlaagt daarmee de mate van deformatieharding en de toename van de magnetische permeabiliteit.
Daardoor vertonen de typen met een hoger nikkelgehalte lagere magnetische permeabiliteit dan de typen met een lager nikkelgehalte bij gelijke mate van koudbewerking. De haalbare magnetische permeabiliteit in austenitisch roestvast staal is zeer laag vergeleken met conventioneel magnetisch materiaal. Het is dan ook het niet-magnetisch gedrag dat van groter belang is. Bepaalde toepassingen, zoals behuizingen en onderdelen voor magnetische detectieapparatuur die worden gebruikt voor veiligheid, metingen en controle doeleinden, vereisen dat het staal niet-magnetisch is, omdat de aanwezigheid van zelfs zwak ferromagnetische onderdelen de werking ervan nadelig kan beïnvloeden. Indien de magnetische permeabiliteit van een austenitisch roestvast staal reden tot zorg is, dan kan deze met betrekkelijke eenvoudige middelen worde gemeten, zoals staat beschreven in ASTM standaard A 342-Method No.6. De daarin beschreven apparatuur is commercieel leverbaar tegen relatief bescheiden kosten.
Tabel 2. Soortelijke weerstand van een aantal roestvast-staaltypen als functie van temperatuur.
Ferritisch roestvast staal
Ferritisch roestvast staal is ferromagnetisch en wordt wel gebruikt voor zacht-magnetische onderdelen in producten zoals behuizingen van spoelen, kernen en poolschoenen. Hoewel hun magnetische eigenschappen in het algemeen niet zo goed zijn als die van conventionele zacht-magnetische legeringen, zoals siliciumstaal, ijzer-nikkel legeringen met nikkelgehaltes lopend van 45 tot 79%, of ijzer-kobalt legeringen zoals 49Fe-49Co-2V, worden ze met succes gebruikt voor magnetische onderdelen die bestand moeten zijn tegen corrosieve milieus. Als zodanig bieden ze een prijstechnisch alternatief voor gegalvaniseerd ijzer en siliciumstaal. Bovendien resulteert de relatief hoge elektrische weerstand van ferritisch roestvast staal superieur wisselstroom prestaties.
Speciale varianten van AISI type 430F worden geproduceerd voor gebruik in elektromagnetisch kleppen. De ASTM A 838 specificatie geeft typische eigenschappen voor deze legeringen.
Legering type 1 is 430F dat ongeveer 0,4% Si bevat en een elektrische weerstand bezit van 60 µΩ.cm. Indien volledig door de fabriek zachtgegloeid bezit het een hardheid van ongeveer 78 HRB. Zijn maximum permeabiliteit is 2 x 103 met een coërciviteit van ongeveer 160 A.m-1 (2 Oe). Legering 2 (type 430FR) bevat meer silicium (1,50% Si) dan 430F en heeft een elektrische weerstand van 76 µΩ.cm en een hardheid in de volledig zachtgegloeide toestand van 82 HRB. Ondanks zijn hogere hardheid vertoont legering type 2 een gelijkstroom permeabiliteit van 2,6 x 103 en een coërciviteit van 130 A.m-1 (1,6 Oe). Beide legeringen zijn leverbaar in ronde centerloos geslepen staf. Hexagonale staf en andere speciale vormen zijn uitsluitend leverbaar in koudgetrokken toestand, geschikt voor verspaning, maar onderdelen die hiervan zijn gemaakt kunnen zachtgloeien vereisen om zacht-magnetische eigenschappen te ontwikkelen. Magnetisch eigenschappen van een aantal ferritische roestvast-staaltypen zijn vermeld in tabel 1.
Martensitisch en precipitatiehardend roestvast staal
Alle martensitische en de meeste precipitatiehardende roestvast-staaltypen zijn ferro-magnetisch. Als gevolg van de spanningen die worden opgewekt door harden, vertonen deze typen permanente magnetische eigenschappen in de geharde toestand. Voor een bepaald type vertoont de coërcitiefkracht de neiging om toe te nemen met stijgende hardheid, waardoor dit materiaal moeilijk is te demagnetiseren.
Als het hrdbare martensitische roestvast staal wordt gebruikt in de zachtgegloeide toestand, hebben ze te lijden van:
- Slechtere magnetische eigenschappen als gevolg van een aanzienlijk volume chroomcarbiden, die bijdragen tot het pinnen van de beweging van domeinwanden.
- Verminderde corrosieweerstand als gevolg van chroomverarming van de matrix.
Om deze redenen verdienen de ferritische niet-hardbare typen 430 of 430F verdienen de voorkeur voor zacht-magnetische toepassingen. Tabel 1 geeft een overzicht van de magnetische eigenschappen van een aantal martensitische roestvast-staaltypen.
Tabel 3. Nominale samenstellingen en kenmerkende eigenschappen van weerstandsverhittingslegeringen op basis van ijzerlegeringen.
Soortelijke elektrische weerstand
De soortelijke elektrische weerstand is de weerstand die een materiaal biedt tegen een elektrische stroom, maal de diameter van het doorstroomde materiaal en per eenheid van lengte van het stroompad en wordt uitgedrukt in nΩ.m, µΩ.cm. Weerstandswaarden variëren niet aanzienlijk tussen de standaard roestvast-staaltypen; de waarden lopend van 600 tot 800 nΩ.m komen het meest voor. Tabel 2 toont de invloed van de temperatuur op de soortelijke weerstand van roestvast staal. Variaties in de samenstelling verhogen de soortelijke weerstand van ijzer-chroom legeringen in aanzienlijke mate, met name door de toevoeging van aluminium. Aluminiumhoudend roestvast staal wordt dan ook gebruikt voor weerstandsverhittingselementen.
Weerstandsverhittingslegeringen
Deze legeringen worden gebruikt in tal van toepassingen, van kleine huishoudelijke apparaten tot grote industriële ovens. In industriële ovens bestaan de verhittingselementen doorgaans uit open gewonden spoelen of uit weerstandsdraad dat is gemonteerd op keramische dragers in een geschikt metalen frame, of uit gesloten met metaal bedekte elementen die bestaan uit een gewonden spoel van weerstandsdraad met een kleinere diameter, die elektrisch is geïsoleerd van de metaalbekleding door middel van isolatie bestaande uit hittevast materiaal. In industriële ovens werken elementen vaak bij temperaturen die kunnen oplopen tot 1300°C, ingeval van ovens voor de warmtebehandeling van metaal en tot 1700°C voor ovens voor het branden van keramisch materiaal en soms tot 2000°C of hoger voor speciale toepassingen.
Tabel 4. Aanbevolen maximum oven-bedrijfstemperaturen voor legeringen voor verhittingselementen op basis van nikkel en ijzer.
De primaire eisen voor materiaal voor dit soort doeleinden zijn een hoog smeltpunt, hoge soortelijke elektrische weerstand, goede oxidatieweerstand, reproduceerbare temperatuur-weerstand coëfficiënt, afwezigheid van vluchtige bestanddelen en weerstand tegen verontreiniging. Andere wenselijke eigenschappen zijn goede kruipweerstand bij hoge temperaturen, hoge emissiviteit, lage thermische uitzetting en lage elasticiteitsmodulus (beide laatsten helpen om thermische vermoeiing tot een minimum te beperken), goede weerstand tegen thermische shock en goede sterkte en taaiheid bij de bedrijfstemperaturen. De vier groepen legeringen voor elektrische weerstandsverhitting omvatten legeringen op basis van nikkel (Ni-Cr en Ni-Cr-Fe legeringen), ijzer-chroom-aluminium legeringen die 13 tot 22% Cr en 3,25 tot 5,5% Al bevatten, zuivere metalen (platina en hittevaste metalen molybdeen, tantaal en wolfraam) en niet-metallisch materiaal zoals siliciumcarbide, grafiet en molybdeendisilicide.
Van deze vier groepen worden de nikkellegeringen en de Fe-Cr-Al legeringen het meest gebruikt en de zuivere metalen en niet-metalen worden gebruikt bij temperaturen boven ongeveer 1400°C. Tabel 3 geeft de nominale samenstelling en eigenschappen van nikkellegeringen en Fe-Cr-Al legeringen. Tabel 4 geeft de aanbevolen maximum bedrijfstemperaturen voor weerstandsverhittingsmateriaal voor gebruik in ovens. De Fe-Cr-Al legeringen bezitten een hogere soortelijke elektrische weerstand en een lagere dichtheid dan Ni-Cr en Ni-Cr-Fe legeringen. Bovendien vertonene deze legeringen soortelijke weerstanden die meer dan het dubbele zijn dan die van standaard roestvast-staaltypen. Soortelijke weerstand van Fe-Cr-Al legeringen hangt af van zowel de aluminium- en chroomgehaltes, waarbij aluminium overheerst (zie afbeelding 3).
Afbeelding 1. Verband tussen verhoogde treksterkte als gevolg van koudbewerken en de permeabiliteit van koudbewerkt austenitisch roestvast staal. Zachtgegloeide warmgewalste band 2,4 tot 3,2 mm dik die vervolgens werd koudbewerkt. 
Afbeelding 2. Invloed van aluminium en chroom op de soortelijke weerstand van Fe-Cr-Al legeringen voor verhittingsdoeleinden.
Deze legeringen bezitten uitstekende weerstand tegen oxidatie bij hoge temperaturen omdat reactie met zuurstof uit de atmosfeer een beschermende laaf vormt van relatief zuiver aluminiumoxide. Bij ongeveer 1200°C bestaat dit oxide uit nagenoeg zuiver Al2O3. Deze grijs-witte beschermende laag bezit uitzonderlijk hoge diëlektrische sterkte. De soortelijke elektrische weerstand van aluminiumoxide bedraagt 1012 Ω.m bij kamertemperatuur en bij ongeveer 1100°C is dat nog altijd 104 Ω.m. Onder normale bedrijfsomstandigheden verloopt degradatie van de oxide oppervlaktelaaf en de resulterende aluminiumverarming tamelijk langzaam gesteld dat er geen contact plaatsvindt met bepaalde hittevaste materialen bij temperaturen boven 1000°C. De tijd die nodig is om een verandering van 10% in de weerstand teweeg te brengen loopt van 75 tot 100% van de levensduur van het verhittingselement, afhankelijk van het metaal in kwestie, de afmetingen van het element en de bedrijfstemperatuur.