Blog Ko Buijs: Stikstof als legeringselement in austenitisch roestvast staal
Bij het gebruikmaken van legeringselementen in roestvast staal, denkt men primair aan het legeren van metalen en dat is inderdaad ook het geval. Toch is het opmerkelijk dat het element stikstof als een niet-metaal interessante voordelen kan bieden aan roestvast staal zodra het daarin gelegeerd wordt. Dat heeft er in de praktijk toe geleid dat de roestvast staaltypen AISI304LN en 316LN zijn ontwikkeld. De N staat dan voor ‘nitrogen’ wat de Engelse benaming voor stikstof is. Stikstof bevordert, net als nikkel, de austenietfase in roestvast staal.
Door Ko Buijs - Innomet Consultancy BV
Type AISI304L en type 316L hebben als gevolg van een gering koolstofgehalte een lagere rekgrens in vergelijking met de bekende typen AISI304 en 316. Indien er op sterkte moet worden geconstrueerd, dan is de waarde van de rekgrens bepalend. Dat betekent dat constructies van roestvast staal zwaarder moeten worden uitgevoerd. Door toevoeging van 0,1 tot 0,2% stikstof aan dit roestvast staal, loopt deze rekgrens beduidend op. Roestvast staal AISI304L heeft een rekgrens van 180MPa (N/mm2) terwijl 304LN een rekgrenswaarde heeft van 270 MPa. Typen AISI316L en 316LN hebben een rekgrens van respectievelijk 190 en 295MPa. Met de LN-typen kan dankzij de betere mechanische eigenschappen, dus lichter worden geconstrueerd. Deze LN-typen vereisen veelal geen speciale stikstofhoudende lastoevoegmaterialen. Het lasmetaal E(R) 308L en E(R) 316L toegepast in stikstofhoudend roestvast staal, heeft een 0,2%-rekgrens van circa 400 N/mm2 en is qua sterkte dus superieur aan het te lassen basismateriaal. Door de stabiele austenitische structuur van het lasmateriaal, kan met een normale elektrode bij een grote vermenging met het plaatmateriaal een lasverbinding ontstaan met een te laag ferrietgehalte. Hierdoor kan er in de praktijk een kans op warmscheuren ontstaan. Door het gebruik van een hoger gelegeerd lastoevoegmateriaal, zoals het type 309L, zal dan een oplossing voor dit probleem zijn. De genoemde lastoevoegmaterialen hebben dezelfde toepassingen als de typen AISI304 en 304L en de typen 316 en 316L.
Een ander groot voordeel is dat stikstof de weerstand van roestvast staal tegen putcorrosie behoorlijk verhoogt. In de praktijk is inderdaad gebleken, dat het legeren van roestvast staal met stikstof een betere weerstand biedt tegen deze corrosievorm dan vele andere soorten roestvast staal die geen stikstof bevatten. Dat de invloed zelfs zeer groot is, kan men zien aan de PREn-formule waarmee men de PREn-waarde kan bepalen. De PREn-waarde staat voor de Pitting Resistance Equivalent en de hoogte van deze waarde zegt iets over de weerstand tegen putcorrosie (pitting). Des te hoger dit getal is, des te hoger deze weerstand is. Deze waarde wordt bepaald door de volgende formule: PREn= %Cr+3,3%Mo+16%N. Duidelijk is het versterkte effect van molybdeen en vooral van stikstof te zien. De hoeveelheid stikstof in roestvast staal mag in de formule met maar liefst zestien keer vermenigvuldigd worden. Er zijn zelfs formules samengesteld waar deze waarde zelfs tot twintig keer meegenomen mag worden. Roestvast staaltype 316LN heeft een PREn-waarde van circa 28 terwijl de waarde van 316L uitkomt op circa 24. Als de PREn-waarde boven de 40 uitkomt, dan kan praktisch gesteld worden dat het materiaal niet meer gevoelig is voor putcorrosie. Duplex (1.4462) heeft een PREn-waarde van ongeveer 37. Superduplex en 254SMO (1.4547) komen inderdaad boven de 40 uit. 
Putcorrosie van austenitisch roestvast staal (foto Kelstream).
De gunstige invloed van stikstof wordt toegeschreven aan het feit dat de oppervlaktediffusie van stikstofatomen naar roosterfouten gaan waardoor de putgroei aanzienlijk wordt vertraagd. Dat verklaart dat bijvoorbeeld 254SMO (1.4547 met 0,18-0,25% N) een veel grotere corrosievastheid geniet dan vele andere hoogwaardige typen die geen stikstof bevatten. Stikstof is een moleculair gas dat uit twee atomen bestaat. Zuiver stikstof wordt slechts sporadisch toegepast bij het TIG-lassen. Wel wordt het als mengsel met argon als schutgas gebruikt voor het lassen van koper. Stikstof mag aan de laszijde niet worden gebruikt als schutgas voor het lassen van staal en roestvast staal. Doet men dit wel, dan zal stikstof opgenomen worden tijdens dit lassen in het lasmetaal. Dat kan o.m. leiden tot verbrossing en het kan poreusheid veroorzaken van de lasverbinding. Wel mag stikstof als backinggas gebruikt worden. Veelal wordt er dan een aantal procenten waterstof aan het backingsgas toegevoegd om de laatste zuurstof af te vangen. Dit mag echter niet als er duplex gelast moet worden, want dan kan de ferrietfase verbrossen door dit waterstof.
