Tribologische eigenschappen van roestvast staal Deel 3, Slijtagegegevens
In de beide voorgaande delen werd er ingegaan op de soorten slijtage en op de manieren waarop metalen en legeringen konden worden beproefd op hun weerstand tegen deze verschillende slijtagesoorten. In dit slotdeel worden resultaten getoond die zijn behaald voor een groot aantal RVS-typen en speciaal voor slijtagewerende toepassing ontwikkelde legeringen.
Klik hier voor Deel 1
Klik hier voor Deel 2
A.J. Schornagel
De abrasieweerstand van roestvast staal bij lage belasting kan worden bepaald met hetzij de droge zandabrasietest, hetzij de naaftest. Gegevens betreffende droog zand abrasie (tabel 1) laten duidelijk zien dat austenitisch roestvast staal een geringere slijtvastheid heeft dan de hardere martensitische legeringen, waarvan het toenemende koolstofgehalte leidt tot toenemende slijtvastheid. Type 410, dat 0,1% C bevat, heeft een slijtvastheid die overeenkomt met die van de beste austenitische legeringen, terwijl de slijtvastheid van 440C drie tot vier keer hoger is dan die van de austenitische legeringen. De abrasieve slijtvastheid van 440C is inferieur aan die van D2, een gereedschapstaaltype dat bestand is tegen abrasieve slijtage.
Testresultaten tonen aan dat D2 een volumeverlies te zien geeft van 32 mm3, hetgeen overeenkomt met dat van 440C, als de testtijd voor D2 wordt verdrievoudigd. Als er een natte abrasieve slurrie aanwezig is, ondergaat roestvast staal sterkere slijtage dan onder droge condities. De slijtvastheid is echter hoger dan die van martensitisch koolstofstaal. Afbeelding 1 geeft een vergelijking van vijf legeringen onder droge en natte slurrieomstandigheden bij de naaftest. Onder droge condities vertoonden de beproefde RVS-legeringen slijtage die overeenkomt met, of hoger is dan, die van austenitisch Hadfield mangaanstaal en van AISI 4340. In een natte slurrie die 5% NaCl plus 0,5% azijnzuur bevat, bleken de RVS-legeringen beter bestand.
Overeenkomstige trends doen zich voor in diverse natte omgevingen, zoals gedestilleerd water, kunstmatig mijnwater en kunstmatig zeewater (afbeeldingen 2, 3 en 4), bij gebruik van de kogeltest. Afbeelding 5 toont de invloed van het chroomgehalte op de weerstand tegen atmosferische corrosie. Als er geen chroom aanwezig is, liggen de corrosiesnelheden tenminste een factor 10 hoger dan voor roestvast staal. Er zijn proeven onder bedrijfsomstandigheden uitgevoerd met roestvast staal, abrasievast staal en koolstofstaal. De proeven duurden tot 5,3 jaar, waarbij de dikteafname werd bepaald. Resultaten van twee studies tonen de superioriteit van roestvast staal boven niet-roestvast staal (tabel 2). Type 304 is in het algemeen superieur aan type 410.
Adhesieve slijtage
De weerstand tegen metaal-op-metaalslijtage van roestvast staal kan worden bepaald met behulp van de kruiselingse- cilinderslijtagetest. In tegenstelling tot weerstand tegen abrasieve slijtage onder lage belasting, is de weerstand tegen metaal-op-metaalslijtage in het algemeen beter voor austenitisch roestvast staal dan voor martensitisch roestvast staal (tabel 3). De uitstekende slijtvastheid van 201, 301, S20161 (Gall-Tough) en S21800 (Nitronic 60) kan worden toegeschreven aan hun hoge mate van deformatieharding. Daar komt nog bij dat de beide laatstgenoemden een hoger siliciumgehalte (3 tot 4,5%) bezitten, hetgeen niet alleen de mate van deformatieharding verhoogt maar ook resulteert in een beter hechtende oxidelaag, waardoor de overgang van gematigde corrosieve slijtage naar ernstige slijtage wordt verhinderd. Net als bij abrasieve slijtvastheid, is een hoge hardheidswaarde kritisch in geval van martensitisch roestvast staal teneinde te kunnen komen tot een goede adhesieve slijtvastheid. In geval van 440C resulteert hoge hardheid (56 HRC) in exceptionele metaal-op-metaalslijtvastheid, terwijl een lage hardheid (26 HRC) bij deze zelfde legering
resulteert in een hoog volumeverlies. Een hoog volumeverlies is karakteristiek voor deze legeringen, zelfs bij 50 HRC. Als verschillend materiaal met elkaar in aanraking komt onder belasting, zijn slijtageproeven belangrijk bij een juiste legeringskeuze. Een algemene misvatting met betrekking tot metaal-op-metaalslijtage en weerstand tegen vreten is dat een groot verschil in hardheid tussen de twee elkaar rakende legeringen gunstig zou zijn. Slijtagegegevens doen echter geloven dat legeringen met goede adhesieve slijtageweerstand, zoals type 440C (57 HRC) en S21800 (92 HRB), uitstekende keuzes zijn ongeacht de hardheid van de andere legering (tabel 4). De beste roestvaste legeringen beschikken over een betere adhesieve slijtageweerstand dan aluminium (type 6061), abrasievast staal (Astralloy-V) en AISI 4130 koolstofstaal. Ze zijn echter minder resistent dan Hadfield mangaanstaal, D2 gereedschapstaal en Stelliet 6B (tabel 5). Deze rangschikking kan veranderen als er sprake is van milieufactoren zoals corrosie, oxidatie en temperatuur. Deze drie factoren zullen een veel grotere invloed hebben op legeringen die weinig of geen chroom bevatten. Zelfs Stelliet 6B, die chroom bevat, vertoont afgenomen weerstand tegen adhesieve slijtage als de temperatuur hoger wordt (tabel 6), in tegenstelling tot 304 en S21899.
Weerstand tegen vreten
Deze weerstand wordt vastgesteld met de knop-op-bloktest. Een hogere waarde van de belasting duidt op een betere weerstand tegen vreten. Alle vijf RVS-families zijn gevoelig voor vreten. In geval van austenitisch roestvast staal bezitten de hoogmangaan- en hoog-stikstofhoudende legeringen een hogere weerstand tegen vreten dan chroom-nikkellegeringen (tabel 7 en 8). Nikkel wordt gezien als schadelijk voor de weerstand tegen vreten, terwijl silicium als gunstig wordt beschouwd. Dus S20161 en S21800 bezitten uitstekende weerstand. Verhoging van de hardheid van austenitisch roestvast staal door middel van koudtrekken doet de weerstand tegen vreten dalen.
Afbeelding 3 Corrosieve slijtage van legeringen en roestvast staal, gebaseerd op kogelmolentest in kunstmatig mijnwater.
Afbeelding 4 Corrosieve slijtage van legeringen en roestvast staal, gebaseerd op kogelmolentest in kunstmatig mijnwater.
Afbeelding 5 Invloed van chroomgehalte op weerstand tegen atmosferische corrosie.
Voor warmtebehandelbaar roestvast staal gaat toenemende hardheid hand in hand met toenemende weerstand tegen vreten. Voor martensitisch PH roestvast staal, kan verhoging van de bedrijfstemperatuur de vreetweerstand doen dalen. Proeven met S13880 en S17440 met overeenkomende hardheden (45 tot 46 HRC) resulteerden in een veel lagere drempelbelasting (21 tegen 69 Mpa) voor S13800, welke was verouderd op een hogere temperatuur. Martensitische legeringen, zoals 440C, neigen tot het vertonen van zware groefvorming in plaats van vreten. De zwaarte van de knop-op-bloktest kan worden opgevoerd door het aantal knoprotaties tegen het blok te verhogen (tabel 9). Een meervoudige-rotatietest simuleert de werking van bijvoorbeeld afsluiteronderdelen beter.
De drempelbelastingswaarde voor legeringen zoals 303, S28200, S42010, S24100, S45500 en 440C waren laag ( minder dan 14 Mpa) en lagen aanzienlijk lager dan de waarden die waren verkregen met de enkel-rotatietest. Testresultaten met verschillende elkaar rakende metalen, zoals zijn weergegeven in tabel 8 en 10, tonen de noodzaak aan om elkaar rakende koppels van verschillende metalen eerst te beproeven alvorens ze in gebruik te nemen.
Sommige van zulke koppels hebben drempelbelastingswaarden die hoger zijn dan die van elk metaal afzonderlijk als die met zichzelf in contact wordt gebracht en vice versa. Zo zal 304 dat in aanraking wordt gebracht met S45500 een drempelbelastingswaarde hebben van 124 Mpa, terwijl 304 tegen 304 een waarde zal opleveren van 55 Mpa en S45500 tegen S45500 een waarde van 90 Mpa. Een koppel bestaande uit enerzijds 304 en anderzijds 440C heeft een drempelbelastingswaarde van 28 Mpa, terwijl 304 tegen 304 een waarde geeft van 55 Mpa en 440C tegen 440C een waarde van 124 Mpa.
Tabel 9 Drempelwaarde van de belasting waarbij vreten optreedt voor een aantal verschillende met elkaar gepaarde RVS-typen. Gebaseerd op knop-op-blokproef ASTM G 98, metaaloppervlak is geschuurd zonder gebruik te maken van een smeermiddel. Toestand en hardheid gelden voor zowel horizontale als verticale assen. (a) vreten bleef achterwege.
In beide voorbeelden doet zich een groot verschil voor in hardheid tussen beide leden van het koppel, maar de resulterende drempelbelastingswaardes voor vreten verschillen aanzienlijk van elkaar. In het ene geval is deze drempelwaarde hoger en voor het andere geval is de drempelwaarde lager dan die voor koppels bestaande uit gelijksoortige legeringen.