Koudvervormen van roestvast staal
Koudvervormen van roestvast staal wijkt in het algemeen af van het bewerken van laaggelegeerd staal en gewoon koolstofstaal. Dit komt omdat roestvast staal sterker,harder en taaier is, het veel sneller deformatieharding vertoont. Deze kenmerken maken dat er meer vermogen nodig, er rekening moet worden gehouden met sterkere slijtage van de bewerkingsmachines en de corrosie eigenschappen mogen niet als gevolg van mogelijke oppervlakteverontreiniging nadelig worden beïnvloed. Het type roestvast staal dicteert in het algemeen de toe te passen bewerking.
A.J. Schornagel
Inleiding
Roestvast staal wordt gewoonlijk gekozen op grond van zijn specifieke eigenschappen, zoals corrosievastheid of weerstand tegen hoge temperatuur, sterkte, taaiheid, enzovoort. De respons van het staal op deformatieharding en het daarmee samenhangende effect op de mechanische eigenschappen speelt een belangrijke rol bij de keuze van een staaltype dat zal worden vervormd. Tabel 1 (zie volgende pagina) geeft een algemene indeling naar geschiktheid van een aantal veel gebruikte austenitische, martensitische en ferritische roestvast-staaltypen. Uit deze tabel blijkt dat austenitische en ferritisch roestvast staal bijna zonder uitzondering wel geschikt is voor de meeste vormingsmethodes. Van de martensitische typen worden alleen de typen 403, 410 en 414 aanbevolen voor koudvervorming.
Afbeelding 1. Effect van koudbewerken op mechanische eigenschappen.
Vervormbaarheid
De vervormbaarheid van een staal wordt voor een groot deel bepaald door de snelheid waarmee de rekgrens de treksterkte benadert als het materiaal wordt koudbewerkt. Versmalling van het interval tussen rekgrens en treksterkte laat zien dat de vervormbaarheid is begrensd, zie afbeelding 1. De versmalling toont dat het merendeel van de beschikbare plastische rek wordt gebuikt en dat verdere vervorming zal resulteren in breuk. Staaltypen waarbij de rekgrens en de treksterkte elkaar niet sterk naderen beschikken over een betere vervormbaarheid, een voorbeeld van zo'n staaltype is 301. Het staal zal hogere vervormbaarheid tonen voor dezelfde mate van koudbewerking en staat aanzienlijke deformatie toe tijdens vervormen.
Vervormbaarheid van austenitisch roestvast staal
Nikkel is het element dat de vorming en stabilisering van de austenitische kristalstructuur bevordert. Hoe groter de Ni/Cr verhouding des te stabieler is is de austeniet. De mechanische eigenschappen, versteviging als gevolg van koudvervormen en daarmee de vervormbaarheid zullen afhangen van deze verhouding.
Type 301 bezit het laagste nikkelgehalte (6,5%) van de austenitische typen en vertoont daarom de sterkste neiging tot deformatieharding. Hoewel 301 een volledig austenitische structuur bezit in de zachtgegloeide toestand, resulteert het lagere nikkelgehalte in de vorming van een grotere proportie martensiet tijdens plastisch vervormen. Dit maakt dat het metaal weerstand biedt tegen insnoering en levert een gelijkmatiger vervorming. De sterke mate van deformatieharding maakt dat er een aanzienlijke toename in sterkte en stijfheid kan worden bereikt.
Het type UNS S30430 (gewoonlijk aangeduid als 302HQ of 304Cu) bevat 0,02% of minder koolstof, ongeveer 9% nikkel en 3% koper. Dit type vertoont de minste deformatieharding van de gangbare austenitisch roestvast-staaltypen. De meer uitgesproken convergentie van de curven van de treksterkte en van de rekgrens tijdens koudvervormen houdt in dat de totale vervorming voor breuk minder is da voor een type met sterke deformatieharding zoals 301. De typen met lagere rekgrens, zoals 302HQ, vergen veel minder kracht om vervorming op gang te brengen.
Austenitisch roestvast staal kan sterker worden vervormd dan ferritisch roestvast staal als gevolg van zijn hoge ductiliteit, waardoor het in een enkele bewerking een veel grotere vervorming aankan. Van het austenitisch roestvast staal kunnen de snel deformatiehardende typen 301 en 304 de grootste vervorming weerstaan gedurende een enkele bewerking. De vervormbaarheid van koudbewerkt austenitisch roestvast staal staat bewerking toe zonder voorafgaand zachtgloeien. Het kan echter nodig blijken om tussentijds zacht te gloeien tijdens een reeks bewerkingen om het staal in zijn oorspronkelijke ductiele toestand te herstellen.
De betere vervormbaarheid van austenitisch roestvast staal doet zich in het bijzonder voor bij processen zoals strekbuigen, waar een hogere trekvervorming moet worden doorstaan en bij trekbewerkingen, waarvoor hoge ductiliteit is vereist.
Wegens de hogere sterkte in zachtgegloeide toestand en respons op deformatieharding, zijn voor austenitisch roestvast staal hogere vervormingskrachten nodig, maar de beginkracht moet worden opgevoerd naarmate het staal vervormt om ruimte te bieden aan de effecten van deformatieharding.
Austenitisch roestvast staal wordt in het algemeen steeds moeilijker vervormbaar naarmate het Ni-gehalte daalt. De aanwezigheid van stabiliserende elementen zoals titanium, niobium en tantaal alsmede een hoger koolstofgehalte, heeft een nadelige invloed op de vervormingskarakteristieken van de gestabiliseerde typen. Dit is het gevolg van de vorming van tweede-faze deeltjes in de microstructuur zoals titaniumcarbide en carbo-nitriden. Vervorming van 321 en 347 is daarom minder gunstig dan van de typen 302HQ, 304 en 305.
Verspaanbare typen zoals 303 bezitten een zeer slechte ductiliteit en mogen slechts lichte vervorming ondergaan.
Ferritisch roestvast staal
De mechanische eigenschappen van ferritisch roestvast staal vergeleken met die van gewoon koolstofstaal laat zien dat voor deze roestvast-staalsoort andere koudbewerkingsmethodes zijn vereist. Die voor ferritisch roestvast staal zijn dezelfde als die voor austenitisch roestvast staal, alleen de vervormingscondities verschillen.
De hogere rekgrens van ferritisch roestvast staal in vergelijking met koolstofstaal houdt in dat er meer vermogen nodig is voor een gegeven mate van vervorming. De hoge treksterkte duidt er op dat er hogere belastingen kunnen worden aangelegd alvorens het tot breuk komt. De lagere rek betekent dat er minder plastische vervorming kan optreden voordat er breuk optreedt. Hoewel er hogere beginkrachten nodig zijn, hoeft de belasting/kracht niet te worden opgevoerd naarmate de vervorming voortloopt, omdat ferritisch roestvast staal niet in dezelfde mate deformatieharding vertoont als austenitisch roestvast staal. De slechte kerfslagtaaiheid van ferritisch roestvast staal in dikwandig materiaal betekent dat de snelheid waarmee de belasting wordt aangebracht lager moet zijn dan die voor laaggelegeerd staal of koolstofstaal. Ferritisch roestvast staal neigt tot breuk onder schokbelasting en bij lage temperaturen.
De rekgrens van type 430 convergeert snel naar de treksterkte naarmate de koudvervorming voortgaat (zie afbeelding 1). Omdat de rekgrens moet worden overschreden wil er plastische vervorming optreden, leidt de sterke convergentie van de rekgrens en treksterkte tot breuk. Deze respons is kenmerkend voor ferritisch roestvast staal. Dit effect plus de snelle daling in ductiliteit bij toenemende koudvervorming, maakt het gebruik noodzakelijk van volledig zachtgegloeide plaat alsmede mogelijk tussentijdse zachtgloeien tijdens bewerking.
Bij het forceren of walsen van ferritisch roestvast staal, zijn er meer tussentijdse zachtgloeibehandelingen nodig dan bij koolstofstaal. Niettemin worden typen als 409 en 430 dikwijls gebruikt voor toepassingen die vervorming vereisen door middel van buigen, trekken, ponsen of forceren.
Afbeelding 2. Vergelijking van ductiliteit van zes roestvast-staaltypen en van het type breuk dat het gevolg is van dieptrekken.
Martensitisch roestvast staal
De vervormingskarakteristieken van de typen 403, 410 en 414 (de typen met een lager koolstofgehalte) in de volledig zachtgegloeide toestand komen sterk overeen met die van ferritisch roestvast staal.
De overige martensitische typen, zoals 420, 431 en 440C, worden niet aanbevolen voor koudvervormen.
Tabel 1. Relatieve geschiktheid van roestvast staal voor verscheidene vervormingsmethodes.
Tabel 1. De rangschikkingen zijn per staalklasse gemaakt, het is daarom niet zo dat een ferritisch roetvast staal met rangorde A beter vervrombaar is dan een austenitisch roestvast staal met rangorde C voor een bepaalde vervormingsmethode.
Tabel 1. Rangschikking: A, uitstekend; B, goed; C, redelijk; D, niet aan te bevelen.
Duplex roestvast staal
Duplex roestvast staal bezit hogere rekgrenswaarden dan conventioneel austenitisch roestvast staal en daarom is er meer vermogen om vervorming in gang te zetten. Als eenmaal de rekgrens is bereikt dan vloeit het duplex roestvast staal net zo makkelijk als austenitisch roestvast staal.
Wegens de hogere rekgrens van duplex roestvast staal, moet er rekening worden gehouden met sterkere terugvering. "Overbuigen" met ongeveer 10% bij een buigingshoek van 90° is voldoende om hiervoor te compenseren. Het gebruik van hydraulische persen wordt sterk aanbevolen.
Duplex roestvast staal zoals 2205 vereist grotere binnen-buigstralen, doorgaans 3 tot 4 keer de plaatdikte. Sterke buiging moet altijd worden uitgevoerd in een richting die haaks staat op de walsrichting. Op plaatsen waar sterk is koudvervormd moet worden overwogen om die, nadat al het koudvervormingswerk gereed is, een oplosgloeibehandeling te geven, zeker als er zware corrosiecondities tijdens gebruik worden verwacht.
Spannings-rekrelaties
Afbeelding 2 toont belasting-rekkrommen voor zes typen roestvast staal:
4 austenitische typen (202, 301, 302 en 304);
1 martensitisch type (410); 1 ferritisch type (430). Afbeelding 2 laat ook zien dat het type breuk bij het trekken van een beker met austenitisch roestvast staal verschilt van die met 410 en 430. De austenitische typen faalden met een redelijke scherpe breuklijn in de buurt van de radius van de plunjer, alsof de bodem van de beker was uitgestanst. De typen 410 en 430 vertoonden scherp gekaretlde scheuren in de opstaande kant, hetgeen wijst op extreme brosheid als gevolg van hevige koudbewerking.
Zoals wordt gesuggereerd door de gegevens van afbeelding 2 is de kracht die nodig is om 301 te vervormen hoger is dan die voor de overige austenitische legeringen. Daar komt nog bij dat type 301 maximale rek vertoont alvorens te scheuren. De typen 410 en 430 vereisen aanzienlijk minder vermogen om te vervormen, maar ze scheuren al bij in vergelijking lage rekniveaus.
Afbeelding 3. Vervormbaarheidslimiet diagram voor vijf roestvast-staaltypen.
Vervormbaarhiedslimiet diagrammen
Deze diagrammen zijn bruikbaar als directe weergave van de vervormbaarheid van roestvast-staalplaat. Ze geven de bi-axiale combinatie van rek die kan optreden zonder dat er breuk optreedt.
Deze diagrammen worden gemaakt door een stelsel van cirkels met doorgaans een diameter van 2,5 mm op het plaatoppervlak aan te brengen. Als er vervorming optreedt worden de individuele cirkels even zovele ellipsen, behalve op plaatsen waar pure bi-axiale rek optreedt. De grote en kleine as van de ellipsen worden vergeleken met de cirkels van het oorspronkelijke netwerk om op elke locatie de grootste en kleinste rek te bepalen. De gebieden direct grenzend aan scheuren zijn van bijzonder belang bij het evalueren van de vervormbaarheidscapaciteit van het metaal. Breuk kan aan de hand van verscheidene criteria, maar het begin van zichtbare insnoering wordt het vaakst toegepast. De meetkundige plaats van rek combinaties die leiden tot breuk definiëren de vervormbaarheidslimiet curve. Het oppervlak onder deze curve omvat alle combinaties van rek die het metaal kan weerstaan.
Afbeelding 3 is een vervormbaarheidslimiet diagram voor een aantal roestvast-staaltypen.