Staalsoorten en legeringen met speciale eigenschappen
Inhoudsopgave
Staalsoorten en legeringen met speciale eigenschappen worden ontworpen wanneer de duurzaamheid van een onderdeel niet langer uitsluitend wordt bepaald door klassieke mechanische parameters en één dominante functie op de voorgrond treedt: slijtvastheid, corrosiebestendigheid, stabiliteit bij hoge temperaturen, of bewust gevormde fysische eigenschappen, zoals hoge elektrische weerstand, specifieke thermische uitzetting, of magnetische eigenschappen. Bij dergelijke materialen worden de chemische samenstelling en verwerking niet ‘in het algemeen’ gekozen, maar rechtstreeks voor het mechanisme dat tijdens het gebruik moet werken: het materiaal moet zichzelf in de oppervlaktelaag verharden, in een bepaalde omgeving passiveren of een beschermende aanslag vormen in hete gassen.
In de praktijk bestaat er zelden een legering die ’tegen alles bestand’ is. Corrosiebestendigheid is sterk afhankelijk van het type omgeving, slijtvastheid hangt af van het feit of ‘slijpen’, wrijving of slijtage onder hoge druk en impact overheerst, en eigenschappen bij hoge temperaturen moeten afzonderlijk worden bekeken als hittebestendigheid (oxidatiebestendigheid) en kruipweerstand (weerstand tegen kruip). Daarom is een zinvolle beschrijving van speciale staalsoorten gebaseerd op het begrijpen van ‘wat het effect veroorzaakt’ en ‘wat de randvoorwaarden zijn’, in plaats van het onthouden van een paar namen.
Slijtvaste staalsoorten
Een zeer karakteristiek materiaal met een hoge slijtvastheid is austenitisch mangaanstaal 11G12, dat ongeveer 1–1,3% C en 11–14% Mn bevat, met een aanbevolen koolstof-mangaanverhouding van bijna 1:10, omdat alleen een voldoende koolstofgehalte de duurzaamheid van de austenitische structuur garandeert. Dit staal, bekend als Hadfield-staal, onderscheidt zich door een ongebruikelijke reeks eigenschappen: het heeft een lage vloeigrens (in de orde van Re ≈ 400 MPa) en lage hardheid (ongeveer 210 HB), terwijl het tegelijkertijd een zeer hoge treksterkte (ongeveer Rm ≈ 1050 MPa) en uitzonderlijk goede plastische eigenschappen en slagvastheid (waaronder A ≈ 50% en hoge Charpy-slagvastheid).
De bron van zijn slijtvastheid is niet zijn ‘initiële hardheid’, maar zijn gedrag onder belasting. Omdat het staal een lage vloeigrens heeft, wordt het gemakkelijk en zeer sterk koudvervormd, aanzienlijk intensiever dan veel typische constructiestaalsoorten. Bovendien kan het austeniet in de oppervlaktelaag onder druk omzetten in martensiet, wat de hardheid plaatselijk verhoogt en verdere slijtage belemmert. Dit mechanisme maakt Hadfield-staal bestand tegen zowel slijtage als impact, terwijl klassieke geharde staalsoorten, hoewel ze bestand zijn tegen slijtage, vaak het onderspit delven bij impacttoepassingen vanwege hun broosheid.
Een homogene austenitische structuur is een voorwaarde voor het verkrijgen van de gewenste eigenschappen. Bij langzame afkoeling ontstaan naast austeniet ook carbideprecipitaten, die de eigenschappen verslechteren. Daarom wordt 11G12-staal bij ongeveer 950-1000 °C met waterkoeling oververzadigd om een zo homogeen mogelijk austeniet te verkrijgen. Vanuit praktisch oogpunt is ook de toepasbaarheidsgrens belangrijk: Hadfield-staal is vooral slijtvast wanneer slijtage gepaard gaat met aanzienlijke oppervlaktedruk; onder ‘slijpende’ omstandigheden zonder druk komt het voordeel ervan niet tot uiting. Om deze reden wordt het gebruikt voor spoorwegovergangen, brekerbekken en voertuigsporen, d.w.z. waar tegelijkertijd hoge druk en frequente schokbelastingen optreden. De prijs voor deze voordelen is een zeer moeilijke bewerkbaarheid – in de praktijk voornamelijk toegestaan met hardmetalen gereedschappen.
Roestvrij, zuurbestendig en roestbestendig staal
Corrosie is het proces van metaalvernietiging door de externe omgeving, dat begint aan het oppervlak en zich naar binnen voortzet, waarbij dit proces soms ongelijkmatig verloopt. Wat het mechanisme betreft, wordt een onderscheid gemaakt tussen chemische corrosie, die typisch is voor de werking van droge gassen bij hoge temperaturen, en elektrochemische corrosie, die optreedt in vloeistoffen (meestal in waterige oplossingen) met deelname van elektrolyt en stroom in lokale cellen. De belangrijkste observatie is dat het proces kan worden geremd als zich op het oppervlak een laag corrosieproducten vormt die voldoet aan de voorwaarden van een ‘beschermende barrière’: deze moet het metaal goed bedekken, niet oplossen in de omgeving, goed hechten en een uitzettingscoëfficiënt hebben die vergelijkbaar is met die van het metaal, zodat deze niet barst bij temperatuurschommelingen. Dit leidt intuïtief tot het idee van roestvast staal, waarvan de weerstand het gevolg is van het behoud van een stabiele, dichte passieve laag.
In roestvast staal is chroom het belangrijkste bestanddeel, omdat alleen een voldoende hoog Cr-gehalte permanente passivering mogelijk maakt. Het materiaal onderscheidt onder andere chroomstaal met verschillende koolstofgehaltes en laat zien hoe de samenstelling de structuur beïnvloedt in het Fe–Cr–C-systeem. Bij een zeer laag koolstofgehalte (minder dan ongeveer 0,1%) kan het ferrietveld zich over het gehele temperatuurbereik uitstrekken en heeft het staal een ferritische structuur; bij een gemiddeld koolstofgehalte (ongeveer 0,20-0,30%) verschijnt na verhitting gedeeltelijk austeniet en na afkoeling wordt een mengsel van ferriet en martensiet verkregen, wat resulteert in semi-ferritische staalsoorten; bij een hoger koolstofgehalte verandert het staal na verhitting volledig in austeniet en wordt het na afkoeling martensitisch. Tegen deze achtergrond worden voorbeelden gegeven van typische chroomstalen: 0H13 als ferritisch, 1H13 als semi-ferritisch en 2H13–4H13 als martensitisch, met een warmtebehandeling bestaande uit harding bij 950–1000 °C en ontlaten bij 600–700 °C, waardoor een breed scala aan sterktes kan worden verkregen, afhankelijk van het koolstofgehalte. Deze staalsoorten zijn bestand tegen corrosie in waterdamp en in sommige zuren (bijv. salpeterzuur of azijnzuur), maar zijn niet bestand tegen zoutzuur en zwavelzuur, wat duidelijk aantoont dat ‘roestvrijheid’ niet absoluut is, maar afhankelijk van de omgeving.
In de praktijk zijn er ook chroomhoudende roestvast staalsoorten met een hoger Cr-gehalte, bijvoorbeeld soorten in het bereik van 16-18% Cr en ongeveer 0,1% C (bijv. H17), vaak met een ferritische of ferritisch-martensitische structuur, die worden gebruikt in de voedingsindustrie of voor alledaagse producten, evenals staalsoorten met 25-28% Cr (bijvoorbeeld H25T) met een ferritische structuur, die minder ductiel zijn, maar ook bruikbaar zijn als hittebestendige materialen bij hogere temperaturen. Een belangrijke beperking van ferritische staalsoorten is dat ze geen allotropische transformatie ondergaan, waardoor ze niet kunnen worden ‘verbeterd’ door klassieke warmtebehandeling – korrelverfijning wordt voornamelijk bereikt door plastisch bewerken.
De hoogste corrosiebestendigheid in veel toepassingen wordt bereikt door austenitisch chroom-nikkelstaal. Moderne kwaliteiten bevatten doorgaans 18-25% Cr en 8-20% Ni, en de meest voorkomende is 18/8 staal (en varianten daarvan), dat bestand is tegen veel corrosieve media. Door legeringstoevoegingen kan de weerstand worden ‘fijnafgestemd’: molybdeen (ongeveer 1,5-2,5%) verhoogt de weerstand in zwavelzuurhoudende omgevingen, koper (ongeveer 3%) vermindert de gevoeligheid voor spanningscorrosie en silicium (ongeveer 2–3%) kan de weerstand tegen zoutzuur verbeteren. Om een homogene austenitische structuur te garanderen, worden deze staalsoorten onderworpen aan verzadiging bij 1050–1100 °C met waterkoeling, wat een van de belangrijkste elementen is van de roestvrijstalen technologie.
Tegelijkertijd hebben austenitische chroom-nikkelstalen een typische ‘operationele valkuil’: een neiging tot interkristallijne corrosie na blootstelling aan temperaturen in het bereik van ongeveer 450–700 °C, wanneer chroomcarbiden kunnen vrijkomen aan de korrelgrenzen, waardoor de grenzen van chroom worden uitgeput en de passivering plaatselijk wordt verwijderd. Het materiaal geeft klassieke manieren aan om dit fenomeen te beperken: een zeer laag koolstofgehalte (in het bereik van 0,02–0,03%), stabilisatie met sterk carbidevormende elementen (titanium, niobium), stabiliserend gloeien bij ongeveer 850 °C en oververzadiging. Dit is een goed voorbeeld van hoe bij speciale staalsoorten het resultaat niet alleen wordt bepaald door de samenstelling, maar ook door de ’thermische geschiedenis’ van het materiaal.
Op de grens tussen klassieke roestvrij staal bevinden zich staalsoorten die moeilijk roesten en voornamelijk worden gebruikt voor atmosferische corrosie. Het idee hierachter is dat het oppervlak na verloop van tijd bedekt raakt met een compacte, weinig doorlatende roestlaag die goed hecht aan de ondergrond en verdere corrosie vertraagt; deze beschermende roestlaag wordt patina genoemd. Koper (ongeveer 0,20-0,50%) speelt een belangrijke rol in deze groep, en om het beschermende effect nog duidelijker te maken, worden ook chroom (tot ongeveer 1,3%) en nikkel gebruikt, terwijl fosfor in aanwezigheid van deze componenten de weerstand nog verder verhoogt, waardoor het gehalte ervan soms wordt verhoogd. Het bekende ‘Cor-ten A’-staal en zijn equivalent (10HNAP) worden als voorbeelden gegeven, die duidelijk aantonen dat het doel soms niet volledige roestvrijheid is, maar eerder het bereiken van stabiele bescherming in atmosferische omstandigheden.
Hittebestendigheid, kruipweerstand en selectie van materiaalgroepen
Werken bij hoge temperaturen stelt twee verschillende eisen. Hittebestendigheid betekent weerstand tegen het oxiderende effect van gassen bij temperaturen boven 550 °C, d.w.z. in het roodgloeiende bereik, waar koolstofstaal snel aanslag vormt en de oxidatiesnelheid snel toeneemt met de temperatuur. De hittebestendigheid wordt verhoogd door additieven zoals chroom, silicium en aluminium, die een grotere affiniteit met zuurstof hebben dan ijzer en een compacte, stevig hechtende laag oxiden vormen die verdere oxidatie remt. Het materiaal biedt een zeer praktische verhouding: met een gehalte van meer dan 10% Cr kan staal hittebestendig zijn bij ongeveer 900 °C, terwijl voor hittebestendigheid bij 1100 °C gewoonlijk 20-25% Cr nodig is. Het is ook van cruciaal belang dat hittebestendig staal geen allotrope transformaties ondergaat binnen het bedrijfstemperatuurbereik, aangezien de daarmee gepaard gaande volumeveranderingen de integriteit van de beschermlaag in gevaar kunnen brengen.
De tweede vereiste is kruipweerstand, d.w.z. het vermogen om langdurige belastingen bij hoge temperaturen te weerstaan zonder overmatige vervorming. Hier komt het fenomeen kruip om de hoek kijken: onder constante spanning rekt het materiaal na verloop van tijd uit, en een typische kruipcurve bevat een gedeelte waar de vervormingssnelheid ongeveer constant is; juist dit gedeelte is bijzonder belangrijk bij het vergelijken van materialen. Kruip kan worden opgevat als een ‘strijd’ tussen twee processen: versterking door de toename van de dislocatiedichtheid en herstel bij hoge temperaturen, waardoor deze versterking teniet wordt gedaan. Bij hittebestendige materialen is het daarom de bedoeling ervoor te zorgen dat de structuur zo goed mogelijk bestand is tegen herstel en herkristallisatie bij bedrijfstemperaturen.
In hittebestendige staalsoorten zijn toevoegingen van molybdeen, wolfraam en vanadium belangrijk, maar deze bieden op zichzelf geen oxidatiebestendigheid. Daarom worden hittebestendige staalsoorten in de praktijk gecombineerd met additieven die de hittebestendigheid verhogen, voornamelijk chroom, maar ook silicium en aluminium. Als een austenitische structuur vereist is, worden ook nikkel en mangaan gebruikt. Het materiaal geeft ook de standaardbenadering van hittebestendigheidskenmerken (in de context van kruip) aan door middel van tijdwaarden: de spanning die na een bepaalde tijd bij een bepaalde temperatuur een specifieke permanente vervorming veroorzaakt en de spanning die na een bepaalde tijd bij een bepaalde temperatuur breuk veroorzaakt, wat benadrukt dat ‘hoge temperatuursterkte’ altijd verband houdt met de blootstellingstijd.
De keuze van het materiaal bij hoge temperaturen is sterk afhankelijk van het werkingsbereik. Het materiaal vertoont een praktische indeling: in het bereik van ongeveer 350–500 °C worden ferritische of ferritisch-perlitische gelegeerde staalsoorten gebruikt; in het bereik van 500–650 °C komen austenitische staalsoorten vaker voor; in het bereik van 650–900 °C worden legeringen op basis van nikkel en kobalt gebruikt; en boven 900 °C – legeringen van vuurvaste metalen (waaronder molybdeen en chroom). Deze indeling verklaart goed waarom Cr-Mo-staal met gematigde toevoegingen typisch is voor ketels en energie-installaties, terwijl turbines en straalmotoren legeringen vereisen met een geheel andere ‘klasse’ van structurele stabiliteit.
In de groep van hittebestendige ferritische en ferritisch-perlitische staalsoorten, bedoeld voor langdurig gebruik, meestal tot ongeveer 500–550 °C, geeft het materiaal voorbeelden van ketelbuisstaal met ongeveer 0,1–0,2% C, ongeveer 1–2% Cr, en 0,5–1% Mo. Ze zijn lasbaar, maar moeten vóór het lassen worden voorverwarmd. Na het lassen wordt de verbinding genormaliseerd en getemperd (het materiaal specificeert temperen bij ongeveer 700 °C) om een zo stabiel mogelijke structuur te verkrijgen. Dit toont aan dat bij hoogtemperatuurstaal de verbindingstechnologie deel uitmaakt van het ‘materiaalpakket’ en niet een toevoeging aan het einde is.
Hittebestendige staalsoorten zijn onder meer chroom-aluminium-, chroom-silicium- en chroom-nikkelstaal. In toepassingen zoals motorkleppen wordt bijvoorbeeld staal met een verhoogd chroom- en siliciumgehalte gebruikt, zoals zogenaamd silchrom met ongeveer 0,4–0,5% C
, 8–10% Cr, en 2–3% Si. Hun warmtebehandeling omvat harding bij ongeveer 1050 °C en ontlaten bij 680–700 °C, waardoor de hittebestendigheid van het onderdeel (chroom/silicium) met de sterkte-eisen van het element.
Voor de meest veeleisende omstandigheden, met name in turbines en straalmotoren, wordt het materiaal beschreven door speciale groepen hittebestendige legeringen: austenitische legeringen op basis van ijzer met chroom en nikkel, complexe Cr-Ni-Co-Fe-legeringen, legeringen op basis van kobalt en legeringen op basis van nikkel (nimonic). Typische bedrijfstemperatuurbereiken en karakteristieke warmtebehandelingen worden aangegeven, bijvoorbeeld oververzadiging en veroudering (voor Cr-Ni-Co-Fe-legeringen, oververzadiging in een zeer hoog temperatuurbereik en veroudering bij ongeveer enkele honderden graden; voor Nimonic-legeringen, oververzadiging in het bereik van ongeveer 1050-1200 °C en veroudering bij ongeveer 700 °C). Dit is een andere filosofie dan bij constructiestaal: hier zijn de eigenschappen grotendeels het resultaat van kruipweerstand en gecontroleerde precipitatieharding bij hoge temperaturen, en niet alleen van ‘harding en ontlaten’.
Speciale fysische eigenschappen
In elektrische verwarmings- en weerstandselementen zijn materialen nodig met een hoge soortelijke weerstand, een lage weerstandsverhoging bij hoge temperaturen en tegelijkertijd een hoge hittebestendigheid, een lage thermische uitzetting en een hoog smeltpunt. Het materiaal benadrukt dat een vaste oplossingsstructuur hier voordelig is, omdat dit type structuur een grotere elektrische weerstand bevordert dan fasemengsels. In de praktijk worden twee hoofdgroepen van materialen gebruikt: nikkel-chroomlegeringen (nichromen) of austenitische chroom-nikkelstalen met een samenstelling die vergelijkbaar is met hittebestendige staalsoorten, evenals ferritische chroom-aluminiumstalen die bekend zijn onder handelsnamen (bijv. Kanthal, Alchrom).
Een aparte groep bestaat uit legeringen die zijn ontworpen voor een specifieke thermische uitzettingscoëfficiënt. Het materiaal vertoont een bijzonder sterke afhankelijkheid van de samenstelling van Fe-Ni-legeringen. Een klassiek voorbeeld is invar, dat ongeveer 36% Ni bevat en een zeer lage uitzetting heeft in het bereik van ongeveer –80 tot +150°C, waarbij de coëfficiënt buiten dit bereik aanzienlijk toeneemt. Een nog lagere uitzetting in een bepaald temperatuurbereik wordt bereikt door superinvar, dat ongeveer 30–32% Ni, 4–6% Co, en zeer weinig koolstof bevat. Deze legeringen worden gebruikt in instrumenten en mechanismen die bij temperatuurschommelingen hun afmetingen niet mogen veranderen, evenals in gascondensatieapparaten.
De tweede familie van Fe-Ni-legeringen wordt zo gekozen dat de uitzetting overeenkomt met die van glas. Een voorbeeld hiervan is platina met een gehalte van ongeveer 46% Ni en een laag koolstofgehalte, dat wordt gebruikt voor het smelten van glas in gloeilampen en elektronenbuizen. In hetzelfde toepassingsgebied zijn er ook bimetalen, d.w.z. tweelaagse strips die worden verkregen door materialen met verschillende uitzettingscoëfficiënten aan elkaar te lassen. Wanneer een dergelijk element wordt verwarmd, zorgt het verschil in uitzetting ervoor dat het buigt, wat wordt gebruikt in temperatuurmeet- en regelapparatuur, schakelaars, relais en thermische beveiligingsapparatuur.
Magnetische eigenschappen – zachte, harde en niet-magnetische materialen
In de elektrotechniek worden materialen onderverdeeld in magnetisch zacht, magnetisch hard en niet-magnetisch, en de vereisten voor elke groep zijn verschillend. Magnetisch zachte materialen zijn gemakkelijk te magnetiseren en te demagnetiseren, dus hun structuur moet grofkorrelig zijn en zo dicht mogelijk bij het evenwicht liggen, en het gehalte aan koolstof en schadelijke onzuiverheden (zwavel, fosfor, zuurstof, stikstof) moet zo laag mogelijk zijn, omdat deze de coërciviteit en verliezen verhogen. Het eenvoudigste voorbeeld is technisch zuiver ijzer dat wordt gebruikt voor elektromagneten en relaiskernen, maar ook koolstofarm staal wordt vaak gebruikt. In de praktijk zijn siliciumstaal, waarin silicium in een vaste oplossing aanwezig is, ook erg belangrijk; dit zijn de basismaterialen voor elektrische staalplaten.
Het materiaal wijst er ook op dat Fe-Ni-legeringen bijzonder goede magnetische eigenschappen kunnen vertonen, en permalloy (een Fe-Ni-legering met een hoog nikkelgehalte) wordt vaak genoemd als voorbeeld van een klassieke legering met een zeer hoge magnetische permeabiliteit, wat goed aansluit bij het gebruik van nikkellegeringen in precisieapparatuur. Op het gebied van permanente magneten, d.w.z. magnetisch harde materialen, is het de bedoeling dat het materiaal na magnetisatie zijn magnetisatie behoudt, wat andere structurele kenmerken en vaak andere legeringsadditieven vereist. Het materiaal benadrukt dat de beste magnetische eigenschappen (in de context van magneten) worden vertoond door staalsoorten die kobalt bevatten, hoewel het gebruik ervan beperkt is door de beschikbaarheid van kobalt.
Een zeer belangrijke familie van legeringsmagneten zijn Fe-Ni-Al-Co-legeringen, bekend als alniko, die doorgaans 14-28% Ni, 6-12% Al en 5–35% Co bevatten. Hun eigenschappen worden niet alleen verkregen door hun samenstelling, maar ook door een warmtebehandeling waarbij homogenisatie bij hoge temperatuur wordt toegepast, gevolgd door oververzadiging (in water of olie) en vervolgens veroudering bij gemiddelde temperaturen. Hierdoor kan alnico worden gebruikt om sterke magneten met kleine afmetingen en een laag gewicht te maken, wat cruciaal is in veel apparaten.
In sommige toepassingen zijn echter niet-magnetische materialen nodig, die zich neutraal gedragen in een magnetisch veld. Het hier aangegeven materiaal is chroom-nikkel-mangaanstaal (bijv. H12N11G6) en chroom-mangaanstaal (bijv. G18H3), die door oververzadiging thermisch zijn behandeld en waarvan de mechanische eigenschappen door koude vervorming verder kunnen worden verbeterd. Dit toont aan dat in de ‘magnetische’ groep speciaal staal kan worden ontworpen om magnetische verschijnselen zowel te maximaliseren als te minimaliseren.
Staalsoorten en legeringen met speciale eigenschappen – samenvatting
Staalsoorten en legeringen met speciale eigenschappen zijn materialen die zijn ontworpen voor het dominante werkingsmechanisme in plaats van voor ‘gemiddelde’ sterkte. Bij slijtvaste staalsoorten, zoals Hadfield-staal, zijn zelfharding onder belasting en de mogelijkheid van oppervlaktetransformatie van cruciaal belang. Dit zorgt voor slijtvastheid met behoud van slagvastheid, maar brengt tegelijkertijd operationele en technologische beperkingen met zich mee (druk, bewerkbaarheid). Bij roestvrij en zuurbestendig staal is de basis passivering, voornamelijk op basis van chroom, terwijl de werkelijke duurzaamheid afhangt van de structuur, legeringsadditieven en thermische geschiedenis. Een voorbeeld hiervan is het probleem van interkristallijne corrosie in austenitisch staal na verhitting tot bepaalde temperaturen. Bij toepassingen bij hoge temperaturen moeten de eisen voor hittebestendigheid en kruipweerstand worden gescheiden, waarbij de rol van beschermende aanslag en kruip moet worden begrepen, en de keuze van materialen varieert van Cr-Mo-staal tot superlegeringen op basis van nikkel en kobalt naarmate de bedrijfstemperatuur stijgt. Ten slotte tonen fysische eigenschappen zoals elektrische weerstand, thermische uitzetting en magnetisme aan dat staal en legeringen kunnen worden ontworpen als functionele componenten van een apparaat – van weerstandsdraad en thermisch bimetaal tot permanente magneten van aluminium en niet-magnetisch staal voor gebruik in magnetische velden.
