Eigenschappen van roestvast staal bij lage temperaturen
Alle constructiemetalen ondergaan veranderingen in eigenschappen als ze worden afgekoeld van kamertemperatuur tot temperaturen onder het vriespunt. De grootste veranderingen doen zich voor als het metaal wordt afgekoeld tot zeer lage temperaturen, zoals tot het kookpunt van vloeibare waterstof of die van vloeibare stikstof of helium. Maar zelfs bij minder extreme temperaturen onder nul, zoals die voorkomen in de streken aan Noord- en Zuidpool waar waarden van -70°C voorkomen, wordt bijvoorbeeld koolstofstaal zeer bros.
A.J. Schornagel
Inleiding
Om brosse breuk van constructies, drukvaten en voertuigen in koude gebieden te voorkomen, wordt er gebruik gemaakt van bepaalde laaggelegeerde staalsoorten die bij de laagste temperaturen waaraan ze worden blootgesteld nog over voldoende kerfslagtaaiheid beschikken.
De effecten van temperaturen beneden het vriespunt moeten ook in ogenschouw worden genomen bij de selectie van materiaal voor vliegtuigen, raketten en ruimtevaartuigen omdat die worden blootgesteld aan de temperaturen die heersen in de bovenste luchtlagen en in de ruimte. Dergelijke structuren dienen ook nog eens beperkt te zijn in gewicht. Voor dit doel is met succes gebruik gemaakt van bepaalde titaniumlegeringen, aluminiumlegeringen en koudbewerkt roestvast staal. Een belangrijke eis voor materiaal voor apparatuur voor het vloeibaar maken van gassen en voor het transport en opslag van zulk vloeibaar gas is taaiheid bij het kookpunt van het vloeibare gas.
Tabel1 geeft een overzicht van de kookpunten van ammoniak en een aantal gangbare vloeibare gassen. Temperaturen lager dan -150°C worden vaak aangeduid als cryogene temperaturen. Materiaalselectie hangt af van de laagste expositietemperatuur die tijdens gebruik kan optreden. Aluminiumlegeringen, laaggelegeerd staal, 9Ni staal en austenitisch roestvast staal worden met succes gebruikt bij het vloeibaar maken, transporteren en opslaan van deze vloeistoffen.
Tabel1 Kookpunten van vloeibaar gemaakte gassen.
Bij de selectie van materiaal voor gelaste constructies zoals tanks voor vloeibare zuurstof, waterstof en helium, alsmede de daarbij behorende leidingen en fittingen, zijn de gestelde eisen veel kritischer. Enkele van die zijn minimaal gewicht, hoge taaiheid van het basismetaal bij cryogene temperaturen en hoge sterkte en taaiheid van de lasverbindingen. Materiaal dat met succes is toegepast omvat aluminiumlegeringen, titaniumlegeringen, koudbewerkt austenitisch roestvast staal en een nikkellegering (die werd met name gebruikt voor bolvormige drukvaten in vloeibare zuurstof). Bepaalde metalen, legeringen en technisch keramiek gaan zich als halfgeleider gedragen bij temperaturen onder ongeveer -260°C. Om zulke temperaturen te bereiken moeten alle supergeleidende apparaten worden gekoeld met vloeibare helium. Dit houdt in dat materiaal dat moet worden geselecteerd voor cryogene onderdelen van supergeleidende apparatuur, magneten en transmissiesystemen geschikt moeten zijn voor gebruik bij vloeibaar-heliumtemperatuur.
Voorts worden dergelijke onderdelen tijdens gebruik blootgesteld aan hoge spanningen en dus moeten er veiligheden worden gebruikt om breuk tijdens bedrijf tot een minimum te beperken. Om de vereiste sterkte en taaiheid te verkrijgen met tevens een redelijke mate van bewerkbaarheid, zijn er voor dit doel speciale austenitische RVS-typen en hoognikkelhoudende legeringen (superlegeringen) ontworpen voor hoogbelaste constructieonderdelen die worden gekoeld met vloeibaar helium.
Kenmerken van austenitisch roestvast staal bij lage temperaturen
Austenitisch roestvast staal wordt op grote schaal gebruikt tot temperaturen tot -269°C. Dit staal bevat voldoende hoeveelheden nikkel en mangaan om de Ms - starttemperatuur (dit is de temperatuur waarbij martensiet, die hard en bros is en dus het staal ook bros maakt, begint te ontstaan) tot in het temperatuursgebied onder nul te verschuiven. Het staal behoudt dus zijn kubisch vlakken gecentreerd kristalrooster bij afkoeling vanaf de warmbewerking- of zachtgloeitemperatuur.
De treksterkten van chroom-nikkel austenitisch roestvast staal stijgt scherp bij dalende temperatuur, dit geldt in mindere mate ook voor de rekgrens. Als gevolg hiervan is er sprake van enige afname van de taaiheid zoals wordt gemeten aan de hand van rek en insnoering, maar de taaiheidswaarden blijven hoog tot aan de laagste temperatuur waarvoor de gegevens gelden. Dit staal behoudt eveneens goede taaiheid bij 269°C. Deze trends zijn te zien op afbeelding 1 en 2, waar de treksterkten en kerfslagwaarden zijn weergegeven voor een legering met 21Cr-6,5Ni-9Mn, met een hoog stikstofgehalte, die veel wordt gebruikt voor cryogene toepassingen. De sterkte van austenitisch roestvast staal kan aanzienlijk worden verhoogd door middel van koudwalsen of koudtrekken. Koudbewerken bij zo'n -200°C is effectiever voor het verhogen van de sterkte dan koudbewerken bij kamertemperatuur.
Voor metallurgisch onstabiel roestvast staal zoals het austenitische mangaanstaal van het type 301, 304 en 304L, veroorzaakt plastische vervorming bij temperaturen onder nul gedeeltelijke omzetting naar martensiet, waardoor de sterkte toeneemt. Voor sommige cryogene toepassingen is het wenselijk een standaard roestvast staal te gebruiken zoals type 310. Afbeelding 3 toont de invloed van koudbewerken op de rekgrens van de typen 310, 316L en 304L.
Roestvast staal wordt eveneens verstevigd door middel van oplossen van legeringselementen op interstitiële plaatsen (tussen de atomen) of verspreid in de matrix (de plaats innemend van atomen) en door middel van warmtebehandeling. Kleine hoeveelheden stikstof verhogen de sterkte van deze staaltypen. Soms wordt er mangaan toegevoegd ter gedeeltelijke vervanging van het dure nikkel, dit zijn de staaltypen uit de 200-reeks. Afbeelding 4 toont de 0,2- rekgrens van chroom-mangaan staal als functie van het koolstof- en stikstofgehalte. Op afbeelding 5 is het effect te zien van koolstof plus stikstof op de rekgrens bij 4K van een Fe-18Cr-10Ni staaltype. De breuk in de lineaire afhankelijkheden bij ongeveer 0,15% (C+N) hangt samen met de vorming van martensiet. Bij lagere (C+N)-gehaltes reduceert de martensier die ontstaat onder invloed van spanningen, de vloeisterkte.
Afbeelding 1 Invloed van lage temperatuur op de trekeigenschappen van 21-6-9 staal: plaatvormige monsters (120 mm dik), zachtgegloeid bij 1065°C en afgeschrikt in water.
Afbeelding 2 Invloed van lage temperatuur op de Charpy- V-kerfslageigenschappen van 21-6-9 staal: plaatvormige monsters (120 mm dik), zachtgegloeid bij 1065°C en afgeschrikt in water.
Afbeelding 3 Invloed van koudwalsen op de rekgrens van austenitisch roestvast staal.
Afbeelding 3 Invloed van koudwalsen op de rekgrens van austenitisch roestvast staal.
Afbeelding 4 Invloed van gehalte koolstof+stikstof op de rekgrens van austenitisch chroom-mangaan roestvast staal.
Afbeelding 5 Invloed van gehalte koolstof+stikstof op de rekgrens van een austenitisch RVS-type uit de 300-reeks.
Toevoeging van stikstof geeft bij lage temperaturen een hogere versteviging dan equivalente koolstof toevoeging. Legeren met stikstof in plaats van met koolstof verlaagt tevens de neiging tot sensitisering. Voorts is stikstof goedkoper dan koolstof. Om deze redenen wordt er steeds vaker gebruik gemaakt van stikstof om de lage-temperatuursterkte van tal van austenitische RVS-typen, waaronder de typen 304LN en 316LN te verhogen.
De typen 301 en 310 worden gebruikt in de vorm van extra hard koudgewalste plaat, die beschikt over hoge sterkte en dient voor toepassingen zoals tanks voor de vloeibare zuurstof en vloeibare waterstof tanks voor raketten en andere ruimtevaartuigen. Verbindingen werden gelegd met behulp van stompe smeltlassen en langs de hele lengte van de las werd een versterkingsstrip gepuntlast. Voor een andere toepassing als cilindervormige tanks met hoge sterkte, werd er gebruik gemaakt van zachtgegloeid 301, dat in een cilindrische matrijs werd geplaatst en ondergedompeld in vloeibare stikstof en vervolgens in de matrijs tot de eindvorm werd geperst (cryovormen). De mate van versteviging hangt af van de hoeveelheid plastische vervorming die optreedt bij het persen tot de eindvorm is bereikt. Versteviging vloeit voort uit het gezamenlijke effect van koudbewerken van het austeniet en het gedeeltelijk overgaan van austeniet naar martensiet.
Type 304 en ook 304L worden gewoonlijk gebruikt in de zachtgegloeide toestand voor leidingwerk, pijpen en afsluiters voor het transport van cryogene vloeistoffen, voor Dewar-vaten en opslagtanks, alsmede voor constructieonderdelen die geen hoge sterkte hoeven te bezitten. De typen 310 en 310S worden beschouwd als metallurgisch stabiel onder alle cryogene omstandigheden. Dit staal wordt dan ook gebruikt voor onderdelen waarvoor maximale stabiliteit en een hoge mate van sterkte worden geëist bij cryogene temperaturen.
Type 316 is minder stabiel dan 310, maar trekproeven die gingen tot aan de 0,2-rekgrens uitgevoerd bij 269°C gaven geen enkele indicatie van martensietvorming in de gedeformeerde gebieden. Als de trekstaven werden getrokken totdat ze braken bij deze temperatuur, dan vertoonde het breukvlak gebieden waar tot 50% martensier bleek te zijn gevormd. De typen 316, 316L en 316LN zijn belangrijk voor de vervaardiging van constructieonderdelen van supergeleidende en magnetische fusie-apparatuur.
Trekeigenschappen
Kenmerkende trekeigenschappen van austenitisch roestvast staal uit de 300-reeks in zachtgegloeide toestand bij zowel kamertemperatuur als bij temperaturen onder het vriespunt zijn verzameld in tabel 2, en in tabel 3 staan de trekeigenschappen vermeld van koudbewerkt roestvast staal uit de 300-reeks. Koudbewerken verhoogt de rekgrens en treksterkte aanzienlijk en reduceert de taaiheid, maar de taaiheid en kerfslagsterkte die overblijven zijn na koudbewerken vaak toereikend voor cryogene toepassingen. Tabel 4 geeft de resultaten van trekproeven aan gelast roestvast staal bij temperaturen onder het vriespunt.
Breuktaaiheid
Gegevens over de breuktaaiheid voor roestvast staal zijn in beperkte mate aanwezig, omdat dit soort staal dat geschikt is voor gebruik bij cryogene temperaturen al een zeer hoge breuktaaiheid bezit. Ta bel 5 geeft de waarden van type 310 als basismetaal en als lasmetaal.
Tabel2 Kenmerkende trekeigenschappen van zachtgegloeid austenitisch roestvast staal uit de 300-reeks.
Tabel3 Kenmerkende trekeigenschappen van koudbewerkt austenitisch roestvaststaalplaat uit de 300-reeks.
Tabel4 Kenmerkende trekeigenschappen van austenitisch roestvast-lasmetaal.
Tabel 5 Breuktaaiheid van austenitisch roestvast staal en lasmetaal.