Blog Ko Buijs: Zwavel in roestvast staal
Zwavel is een geelachtige materie dat tot de niet-metalen behoort. Metaalkundigen hebben veelal een haat-liefde verhouding met dit element hoewel haat meer de boventoon zal voeren dan liefde. Op de keper beschouwd is de aanwezigheid van zwavel in roestvast staal zeer ongewenst want de unieke eigenschappen van roestvast staal worden hierdoor nu eenmaal behoorlijk ondermijnd. Een van de meest bekende roestvast staalsoorten die zwavel bevat is type AISI 303 (EN 1.4305).
Door Ko Buijs - Innomet Consultancy BV
Uit corrosieproeven blijkt dat de corrosieweerstand beduidend minder goed is dan het zustermateriaal AISI 304. Bovendien is het niet goed te beitsen omdat het aanwezige zwavel reageert met het beitsmiddel waardoor zwavelwaterstof ontstaat. Hierdoor kleurt het product zwartachtig om nog maar niet te spreken over de rotte eieren lucht die dan ontstaat. Feitelijk is zwavel in roestvast staal geen legeringselement maar net zoals fosfor een verontreiniging. Zwavel neigt zeer sterk tot segregeren c.q. ontmengen waardoor ijzersulfiden zich in de structuur uitscheiden voor het stollingsfront uit. Dit zijn laag smeltende eutectica die tijdens het stollen en krimpen ernstige warmscheuren kunnen veroorzaken. Dat betekent dat deze segregatie ook lokaal zal plaatsvinden tijdens het lassen. Daarom wordt het lassen van zwavelhoudend roestvast staal met klem ontraden want ijzersulfiden zijn bros waardoor de lasverbinding onbetrouwbaar wordt. Bovendien heeft men grote kans op warmscheuren in de afkoelende las.
Ook heeft zwavel een negatieve invloed op de warm en koud vervormbaarheid van het roestvast staal. Zodra er mangaan in het roestvast staal aanwezig is, gaat de aanwezigheid van zwavel iets minder nadelig uitwerken. Mangaan heeft namelijk een grotere affiniteit tot zwavel dan ijzer waardoor er mangaansulfiden ontstaan. Toch blijft het een feit dat ook dergelijke legeringen beter niet gelast kunnen worden. Mangaansulfiden segregeren ook en gaan zich als een netwerk om de austenietkristallen vormen en dat heeft zo zijn voordelen tijdens het mechanisch bewerken. Tijdens dit bewerken zullen de spanen gemakkelijk afbreken op deze brosse sulfiden waardoor deze vrij eenvoudig vanuit een bewerkingscentrum afgevoerd kunnen worden. Op deze wijze ontstaat een automatenkwaliteit omdat de boel niet vastloopt door lange lintspanen. Bovendien voert iedere afgebroken spaan warmte af waardoor de standtijd van beitels, freesgereedschappen en boren aanzienlijk verbeterd wordt. Roestvast staal type AISI 303 is daarom met maximaal 2% mangaan gelegeerd en het zwavelgehalte varieert tussen 0,15 en 0,35%. Overigens zijn er tegenwoordig roestvast staalkwaliteiten op de markt gekomen die met andere toevoegingen ook een goede verspaanbaarheid geven.
Het zal inmiddels duidelijk zijn dat de mechanische verspaners blij zijn met de aanwezigheid van enig zwavel in roestvast staal maar dat zijn niet de enige spelers die een zekere liefde koesteren voor dit geelachtige element. Ook lassers hebben een behoorlijke sympathie voor de aanwezigheid van enig zwavel omdat dit interessante gevolgen heeft voor de oppervlaktespanning van het gesmolten roestvast staal. Elk vloeistof heeft een oppervlaktespanning die ervoor zorgt dat de vloeistof in meer of mindere mate samentrekt; een ander woord hiervoor is contractie. Een goed voorbeeld is een druppel kwik en water op een glasplaat. Het kwik zal een bolletje vormen en het water zal de vorm van een paddenstoel aannemen omdat kwik een hoge oppervlaktespanning heeft en water een relatief lage. Kwik zal daarom het glas niet bevochtigen en water wel. Zo heeft vloeibaar metaal ook een oppervlaktespanning en dat kan vooral de smeltmeester ervaren als hij zijn gietvorm gaat vullen. Om het vormvullend vermogen te laten toenemen zal hij additieven toevoegen aan het gesmolten metaal die de oppervlaktespanning verlagen.
Zo ervaart men deze eigenschap ook in het smeltbad tijdens het lassen. Het steeds zuiverder worden van de metalen heeft deze oppervlaktespanning behoorlijk laten stijgen. Austenitisch roestvast staal mag in de regel maximaal 0,03% zwavel bevatten maar het is tegenwoordig heel normaal indien dit in de praktijk wel tien keer zo laag is dankzij nieuwe digitale smelttechnieken. Dit leidt tot een relatief hoge oppervlaktespanning van het gesmolten lasmetaal. De corrosiespecialist is daar uiterst blij mee maar de lasser niet vandaar de term haat-liefde verhouding aan het begin van deze blog. Sommige fabrikanten van lasmaterialen hebben hier dan ook wat aan gedaan door geringe hoeveelheden zwavel bewust toe te voegen aan hun lastoevoegmaterialen. Op deze wijze heeft men weer een verlaging van deze contractie waardoor men een goede doorlassing krijgt. Indien men moet lassen zonder lastoevoegmateriaal dan kan men behoorlijke doorlasproblemen ervaren die veroorzaakt worden door de relatief hoge oppervlaktespanning van het matrixmateriaal. Er zijn speciale vloeibare fluxen ontwikkeld die dit probleem voor een groot deel elimineren.
