Warmtebeïnvloede zones in roestvast staal
De structuurveranderingen die optreden in de warmtebeïnvloede zone (WBZ) van lassen in roestvast staal zijn in staat om de sterkte, taaiheid en corrosieweerstand te verlagen. Het is daarom van belang om te begrijpen welke RVS-typen gevoelig zijn en welke soorten degradatie kunnen optreden. De potentiële problemen die samengaan met WBZ's in roestvast staal omvatten buitensporige korrelgroei, uitscheiding van chroomcarbiden, uitscheiding van intermetallische verbindingen en onjuiste fasebalans.
A.J.Schornagel
Het is bij elke staalsoort, dus niet alleen bij roestvast staal, aan te bevelen om buitensporige korrelgroei te vermijden omdat met toenemende korrelgrootte de sterkte en taaiheid van het staal afnemen. Korrelgroei in de WBZ is doorgaans geen probleem bij het merendeel van het roestvast staal. Bij ferritisch roestvast staal kan het echter een rol spelen. De ferritische structuur is veel gevoeliger voor snelle korrelgroei dan die van austeniet of van duplex. Dit, in combinatie met het feit dat de ferritische typen al van nature een betrekkelijk lage taaiheid bezitten, maken de ferritische typen gevoelig voor verbrossing van de WBZ. De korrels in de WBZ vertonen aanzienlijke groei in vergelijking met de korrels van het basismetaaL Naarmate de korrels in afmetingen toenemen, neemt de taaiheid af en de temperatuur van de bros-taai-overgang stijgt. Het is vanwege dit alles dat het van belang is om de sterkte en taaiheid van lassen in ferritisch roestvast staal te verifiëren. Vermindering van de warmteïnbreng kan buitensporige korrelgroei beperken. Een andere mogelijkheid is om een gestabiliseerd type te kiezen dat Ti en/of Nb bevat, bijvoorbeeld type 439 (gestabiliseerd met Ti) in plaats van 430. De resulterende Ti- en Nb-carbiden en/ of nitriden in de microstructuur pinnen de korrelgrenzen vast en vertragen de korrelgroei tijdens het lassen.
Chroomcarbide uitscheiding
Austenitisch roestvast staal
In austenitisch roestvast staal kan chroomcarbide worden uitgescheiden op de korrelgrenzen als het staal gedurende voldoende lange tijd in het temperatuurgebied tussen 450°C en 800oC wordt gehouden. Dit kan van invloed zijn omdat een deel van de WBZ tijdens het lasproces in dit temperàtuursinterval komt te verkeren. Chroomcarbide op zich verlaagt de corrosieweerstand niet. Het zijn echter de direct aan de korrelgrenzen liggende zones waar chroomverarming optreedt en als gevolg hiervan minder bestand zijn tegen corrosie. Deze toestand wordt aangeduid met de term sensitisering en als sensitisering wordt veroorzaakt door de warmteïnbreng van het lassen dan is er sprake van las bederf. Sensitisering treedt op als Cr- en C-atomen naar de korrelgrenzen diffunderen waar Cr-carbide (Cr23C6) wordt uitgescheiden en vervolgens aangroeit (afbeelding 1). Naarmate het carbide groeit raakt een smal gebied in de nabijheid van de korrelgrenzen verarmd aan Cr. Zoals is te zien op afbeelding 2 kan deze toestand gevoeligheid veroorzaken voor interkristallijne aantasting (IKA).
Afbeelding 1 Oppervlak van gesensitiseerd 304.
Afbeelding 2 Oppervlak van gesensitiseerd 304 dat IKA vertoond.
Tijdens het lassen zal een deel van de WBZ worden blootgesteld aan de sensitiseringstemperatuur. Als de verblijftijd lang genoeg is, zal er sensitisering optreden. De gesensitiseerde zones in lassen in austenitisch roestvast staal liggen op enige afstand van de feitelijke las. De mate van sensitisering hangt af van tijd, temperatuur en koolstofgehalte van het roestvast staal. Afbeelding 3 toont de tijd-temperatuur-gebieden waarin 304 kan worden gesensitiseerd bij variërende koolstofniveaus. Bij een koolstofgehalte van 0,062% zal304 binnen enkele minuten gesensitiseerd worden bij temperaturen lopend van 650°C tot 750°C, terwijl bij een koolstofgehalte van 0,03% hiervoor een uur nodig is voordat sensitisering ook maar een aanvang neemt. Sensitisering van de WBZ in austenitisch roestvast staal kan op verschillende manieren worden beheerst. Verminderde warmteïnbreng zal resulteren in minder tijd in het temperatuursinterval waarbinnen sensitisering plaatsvindt en zal de waarschijnlijkheid van carbide-,uitscheiding verminderen. Sensitisering zal zelden optreden tijdens het lassen van dunne plaat, waarvoor een lage warmkinbreng nodig is. Laag koolstofhoudende typen of L-typen stellen een bovengrens aan het koolstofgehalte van 0,03%. Dit gereduceerd koolstofniveau biedt voldoende tijd voor het lassen zonder dat sensitisering van start gaat. Gewone typen waarvoor deze benadering is toegepast omvatten 304L en 316L.
Een alternatieve benadering is het gebruik van gestabiliseerde typen zoals 347 of 321. Gestabiliseerde typen maken gebruik van toevoegingen van Ti of Nb voor het verkrijgen van weerstand tegen sensitisering. Bij temperaturen boven 800°C, oefenen Nb en Ti een sterkere aantrekkingskracht uit op koolstof dan chroom. Dit resulteert in de vorming van Ti- en Nb-carbiden, die het beschikbare koolstof binden en dus voor chroom weinig overlaten om zich mee te binden. Als zich sensitisering voor heeft gedaan kunnen de gevormde carbiden weer uiteen vallen door middel van een oplosgloeibehandeling. Een kenmerkende gloeicyclus voor roestvast staal uit de 300-reeks bestaat uit gloeien bij 1000°C, gevolgd door een snelle afkoeling. Hoewel deze benadering zeer effectief is, is hij niet praktisch in geval van grote werkstukken zoals tanks, opslagvaten en leidingwerk. Ferritisch roestvast staal Sensitisering van ferritisch roestvast staal ligt enigszins anders dan bij austenitisch roestvast staal. Het verschil is gelegen in de lagere oplosbaarheid van N in de ferrietstructuur, hetgeen resulteert in de uitscheiding van chroomnitride (Cr2N) bovenop de uitscheiding van chroomcarbide (Cr23C6). Beide precipitaten kunnen sensitisering veroorzaken en verlies van corrosieweerstand van ferritisch roestvast staal. Sensitisering van ferritisch roestvast staal döet zich voor als de legering wordt afgekoeld vanaf een temperatuur boven de oplosbaarheidstemperatuur van carbide en nitride (ongeveer 950°C). Er is dus een veel hogere temperatuurzwaai nodig om ferritisch roestvast staal te sensitiseren in vergelijking met austenitisch roestvast staal. Diffusie vindt veel sneller plaats in ferritisch roestvast staal dan in austenitisch roestvast staal, omdat het kristalrooster van eerstgenoemde wat ruimer is dan dat van de laatst genoemde. Ongestabiliseerd ferritisch roestvast staal kan dus niet snel genoeg worden afgekoeld met de gangbare industriële processen om uitscheiding van chroomcarbideen -nitride tegen te gaan. Met de beschikbare standaard productieprocessen is het vanwege de kosten evenmin efficiënt om de C- en N-gehaltes dermate te verlagen dat er geen carbide- of nitridevorming meer zal plaatsvinden. Op grond hiervan .vertrouwen de meeste commerciële ferritische typen op een combinatie van een verlaagd C- en N-gehalte en toevoeging van Ti en/of Nb om sensitisering tegen te gaan.
Afbeelding 3 Tijd-temperatuur-sensitisering-diagram voor 304 bij verschillende C-gehaltes. De tijd die nodig is om het staal te sensitiseren neemt toe met dalend C-gehalt.
Afbeelding 4 toont IKA van een las in ferritisch roestvast staal. De aantasting doet zich voor in de las en in de WBZ direct grenzend aan de las. Dit komt doordat hier een temperatuur heeft geheerst van tenminste 950°C die nodig is om sensitisering van start te laten gaan. Dit verschilt met de austenitische typen waar sensitisering optreedt in het temperatuursinterval van 450°C tot 800°C. Verminderde warmteïnbreng tijdens lassen kan niet worden toegepast bij ferritisch roestvast staal. Sensitisering van ferritisch roestvast staal wordt doorgaans vermeden door een geschikt gestabiliseerd type te kiezen. Veel van de commerciële ferritische typen zoals 409, 439 en 444 vereisen een voldoende Ti- en/ of Nb-gehalte om normale lasbewerking te kunnen toestaan. Bij ongestabiliseerde typen zoals 430, kan een warmtebehandeling na het lassen worden toegepast om de corrosieweerstand te herstellen. Deze warmtebehandeling bestaat uit verblijf van het staal op een temperatuur tussen 550°C en 650°C gedurende een voldoende lange tijd, die nodig is om het Cr terug te doen diffunderen naar de chroomverarmde zones waarmee de corrosie-eigenschappen weer worden hersteld.
Duplex roestvast staal
Duplex roestvast staal en het merendeel van het hoger gelegeerde austenitisch roestvast staal zoals 904L en de legeringen met 6% Mo bezitten koolstofniveaus van minder dan 0,03%. Deze typen zijn in wezen laag koolstoftypen en sensitisering tijdens lassen is derhalve van geen belang.
Afbeelding 4 Dwarsdoorsnede van een gesensitiseerde las met IKA in het lasmetaal en in de direct aangrenzende WBZ.
Intermetallische verbindingen
Een intermetallische verbinding is een fase die is gevormd tussen twee of meer metalen. Bij roestvast staal ontstaan intermetallische verbindingen uit legeringselementen zoals chroom en molybdeen, waardoor deze elementen worden onttrokken aan hun functie van verschaffers van voldoende corrosieweerstand. Er zijn verscheidene intermetallische combinaties mogelijk in roestvast staal, maar de gangbaarste zijn sigmafase en in mindere mate chifase. Beide ontstaan in hetzelfde temperatuursinterval (600°C tot 1000°C). Het is gebruikelijk om alle intermetallische verbindingen die in dit temperatuursinterval worden gevormd aan te duiden met de verzamelnaam sigmafase, ook al is sigmafase slechts één van de vele verbindingen die
aanwezig kunnen zijn.
De vorming van sigma verlaagt de corrosieweerstand van roestvast staal. Erger is dat de aanwezigheid van sigma het roestvast staal sterk ver brost. Sigmavorming kan optreden in austenitisch, ferritisch en duplex roestvast staal en het doet zich sterker voor in typen met hoge Cr- en Mo-gehaltes. De kinetiek van de sigma- en chi-omzetting hangt af van de legeringssamenstelling. Hogere chroom- en molybdeengehaltes bevorderen de vormingssnelheid en geven grotere volumefracties van deze verbindingen. Toevoeging van stikstof in austenitisch en duplex roestvast staal vertragen de omzettingsreacties. Als gevolg hiervan kan de neiging tot het vormen van deze schadelijke fasen aanzienlijk variëren van legering tot legering alsook binnen een bepaald type. Indien er intermetallische verbindingen aanwezig zijn, kunnen ze worden opgelost door middel van een oplosgloeiing, waardoor corrosieweerstand en taaiheid worden hersteld.
Uitscheiding in austenitisch RVS
Bij de hoger gelegeerde typen kan de uitscheiding tamelijk snel verlopen in het temperatuursgebied tussen 800°C en 900°C. Zo vormt bijvoorbeeld sigmafase zich in 254 SMO® (dit is een legering met 6% Mo) binnen een tijdsbestek van 1 minuut bij een temperatuur liggend tussen 800°C en 900°C. Vanwege deze snelle uitscheiding, moet warmteinbreng tijdens lassen tot een minimum worden beperkt om sigmavorming in de WBZ te verhinderen. De kritische temperatuur die nodig is om putcorrosie te veroorzaken kan aanzienlijk dalen als er sigmafase is uitgescheiden.
Uitscheiding in ferritisch RVS
Sigma- en chifase kunnen uitscheiden in de WBZ van ferritisch roestvast staal, met name in de typen met een verhoogd Mo-gehalte. Naast sigmafase- en chifase-uitscheiding is ferritisch roestvast staal ook nog gevoelig voor vorming van primaire alfa, die de legering bros kan maken. Primaire alfa doet zich voor in het temperatuursgebied van 250°C tot 550oC en wordtvaak aangeduid als '450°-verbrossing'. Vanwege de lange tijdsduur die is vereist voor het vormen van primair alfa, geeft 450°-verbrossing doorgaans geen moeilijkheden bij het lassen. Net als bij de austenitische typen, reduceren intermetallische verbindingen de taaiheid en corrosieweerstand van ferritisch roestvast staal.
Uitscheiding in duplex RVS
De hoger gelegeerde typen zoals 2507 en 2205 kunnen te lijden hebben van sigmavorming na een betrekkelijk korte tijd in het temperatuursgebied van 800oC tot 950°C. Afhankelijk van de warmteïnbreng en de afkoelsnelheid, zal er sigmavorming optreden in de WBZ van lassen in duplex roestvast staal. Als er sigmavorming optreedt, dan lopen de corrosie-eigenschappen en de taaiheid terug. Thermische blootstelling tot in het sigmagebied levert verlies op aan kerfslagsterkte en doet de kritische putcorrosietemperatuur dalen. Om dit verlies aan eigenschappen te vermijden, dienen lasprocedures voor duplex roestvast staal zodanig te worden opgesteld dat de verblijftijd in dit temperatuurstraject tot een minimum beperkt blijft.
Onjuiste fasebalans
De eigenschappen van duplex roestvast staal hangen af van het handhaven van een correcte hoeveelheid austeniet en ferriet. De meeste commerciële typen bevatten van beiden ongeveer 50%. Een volumefractie ferriet van meer dan 70% kan leiden tot verlies aan taaiheid. Als de WBZ te rijk wordt aan austenietfase, dan kan er een verlies aan weerstand tegen scheurvormende spanningscorrosie optreden. Vanwege dit alles is het gebruikelijk om een austeni,etfractie aan te houden die ligt tussen 30% en 70%. Bij temperaturen boven ongeveer 1200°C bestaat de structuur van duplex roestvast staal geheel uit ferriet. Bij afkoeling wordt er een omzettingstemperatuur bereikt waarbij wat ferriet overgaat in austeniet. Als de afkoelsnelheid te hoog is, dan is er onvoldoende tijd voor de austenietomzetting en de structuur zal rijk zijn aan ferriet.
Als duplex roestvast staal wordt gelast, dan is er een balans tussen enerzijds teveel warmteïnbreng, die sigmavorming tot gevolg kan hebben, en anderzijds te weinig warmteïnbreng waardoor er een te hoge volumefractie ferriet aanwezig is. In feite is het niet de lage warmteïnbreng, maar zijn het de hoge afkoelsnelheden die optreden bij lage warmteïnbreng die de structuur verrijken met ferriet. Stikstof is in duplex roestvast staal een sterke austenietbevorderaar, die maakt dat austeniet snel en bij hoge temperatuur ontstaat. Met de hoge stikstofgehaltes van de moderne duplex-typen, is het mogelijk om het merendeel van het routinelaswerk uit te voeren en toch nog te kunnen beschikken over voldoende austenietniveaus in de WBZ. Lassen met een hoge afkoelsnelheid zijn gevoelig voor buitensporige ferrietniveaus in de WBZ. Problematische toepassingen zijn onder andere pijp-pijpenplaat-lassen, bekleding met dunne plaat en weerstandslassen. Bij zulk laswerk is het mogelijk om het austenietvolume te verhogen door middel van voorverwarmen van het basismetaal tot 100°C à 150°C alvorens te lassen. Bij gebruik van voorwarmen moet er zorg worden gedragen om de temperatuur van het metaal niet boven 250°C te laten stijgen, omdat er anders uitscheiding van primaire alfa kan optreden.
Aanloopkleur
De aanwezigheid van aanloopkleur op las en WBZ van welk roestvast staal dan ook zal de corrosieweerstand verlagen. Aanloopkleur op roestvast staal bestaat voornamelijk uit chroomoxide, en als het ontstaat, onttrekt het chroom aan de onderliggende oppervlaktelaag. Indien intact gelaten zal aanloopkleur het oppervlak gevoeliger maken voor put- en spleetcorrosie.
Conclusies
Afhankelijk van het soort roestvast staal en de las procedure, kan er verlies optreden van sterkte, taaiheid en corrosieweerstand in de WBZ. Begrip van de diverse typen degradatiemechanismen en welke RVS-typen gevoelig zijn kan meehelpen bij het vermijden van moeilijkheden. Correcte keuze van een RVS-type en lasprocedure zaI een minimaal verlies aan eigenschappen in de WBZ van roestvast staal verzekeren.