Oppervlaktebehandeling rvs verdient zich ruimschoots terug

Aantasting beschermende oxidehuid maakt roestvast staal kwetsbaar

 

Een van de kenmerkende eigenschappen van roestvast staal is de verhoogde bestendigheid tegen zuren en corrosie, veroorzaakt door een passieve oxidehuid die het onderliggende materiaal afsluit. Bij beschadiging hiervan zal het metaal bij aanwezigheid van voldoende zuurstof opnieuw oxideren waardoor de oxidehuid zich herstelt. Door allerhande bewerkingen of door de inwerking van chloriden kan dit evenwicht echter zodanig verstoord raken dat ‘regeneratie’ uitblijft. In dat geval is een mechanische of chemische oppervlaktebehandeling aangewezen teneinde het verstoorde evenwicht te herstellen dan wel het oppervlak te harden.

Oxidehuid

Roestvaststaal – roepnaam rvs − is een veelzijdige, slijtvaste staalsoort die zowel geschikt is voor gebruik binnens- als buitenshuis. Wat rvs bijzonder maakt, is de verhoogde bestendigheid tegen zuren en corrosie als gevolg van de aanwezigheid van chroom: hoe meer chroom er aan staal wordt toegevoegd, hoe groter de weerstand tegen oxidatie, dit dankzij de vorming van een dichte, beschermende laag chroomoxide (dichroomtrioxide, Cr₂O₃). Deze passieve oxidehuid sluit het onderliggende materiaal af, waardoor normaal gesproken geen roestvorming optreedt of dit proces in ieder geval wordt vertraagd. Treedt er aan het metaaloppervlak een beschadiging op, dan zal het metaal bij aanwezigheid van voldoende zuurstof opnieuw oxideren en herstelt de oxidehuid zich. Door allerhande bewerkingen − lassen, buigen, verspanen − kan dit evenwicht echter zodanig verstoord raken dat herstel uitblijft. Ook onder invloed van bepaalde chloriden – onder meer natriumhypochloriet (NaOCl), waterstofchloride (HCl) en ijzer(III)chloride (FeCl₃) − hapert het mechanisme en kan rvs roest gaan vertonen, de zogeheten putcorrosie.

 

Putcorrosie

Sommige ‘vreemde’ ionen, waaronder chloride-ionen, kunnen de oxidehuid aantasten. Het metaal wordt dan als het ware geperforeerd en er ontstaan ‘putjes’: putcorrosie of pitting. Dit verschijnsel doet zich onder meer voor wanneer rvs in contact komt met chloorhoudend drink- of zwembadwater. Aanvankelijk ontstaat er dan een ondiep putje, direct naast de lasnaad. Wanneer zich daarin nieuwe chloorionen ophopen, gaat de aantasting verder en wordt het putje dieper. Een dergelijke lokale corrosie is vele malen ernstiger dan een algemene of uniforme corrosie en ook veel moeilijker te beheersen. Rvs-soorten met het legeringselement molybdeen, bijvoorbeeld rvs 316 en 316L, zijn beter bestand tegen chloor en hebben een betere weerstand tegen putcorrosie; aantasting blijft echter nog steeds mogelijk.

 

Families

Metallurgisch gezien is rvs onder te verdelen in een aantal families.

• Austenitisch staal (de 200- en 300-serie) bevat maximaal 0,15% koolstof en minimaal 16% chroom. De aanwezige hoeveelheden nikkel of mangaan zijn verantwoordelijk voor de thermodynamische stabiliteit. Dit type staal is niet-magnetisch, schokbestendig over het hele temperatuurbereik en uitstekend vervormbaar. Het kan niet worden gehard via een warmtebehandeling, wel door koudvervorming.
• Ferritisch staal (AISI 430, AISI 410 en AISI 409) is geschikt voor toepassingen in een weinig agressief milieu. Het is goed bewerkbaar en verwerkbaar, maar heeft vanwege de aanwezige percentages chroom en nikkel een lagere corrosiebestendigheid dan de 300-serie. Ferritische staalsoorten zijn magnetisch en eveneens niet-hardbaar door middel van een warmtebehandeling.
• Martensitisch staal (de overige staaltypen uit de 400-serie) is altijd magnetisch, heeft een hoge hardheid en rekgrens, maar is weer minder corrosiebestendig. Speciaal is de precipitatie-hardende vorm die wordt gekenmerkt door een zeer goede corrosiebestendigheid, vergelijkbaar met die van de austenitische soorten. De hardheid en rekgrens liggen boven die van de austenitische soorten.
• Duplex rvs is staal waarin austeniet en ferriet naast elkaar voorkomen in ongeveer gelijke verhoudingen. Dergelijke duplex rvs-soorten worden gekenmerkt door een goede weerstand tegen zouten en worden derhalve veel toegepast in zeewaterachtige milieus.

Kenmerkende eigenschappen

Rvs is taai en kent een verhoogde bestendigheid tegen zuren en corrosie. Het is niet-magnetisch en beschikt over een slechte thermische en elektrische geleidbaarheid. De elasticiteits- of E-modulus van rvs bedraagt 195.000 MPa, die van 'gewoon' constructiestaal 210.000 MPa. De treksterkte van rvs is een maat voor de mechanische eigenschappen. Praktisch gezien is de vloeigrens − ook wel 0,2%-rekgrens of Rp 0,2 genoemd – echter van groter belang.

Voor de kwantificering van de corrosieweerbaarheid wordt gewerkt met de Pitting Resistence Equivalent: hoe hoger deze waarde, hoe beter de corrosiebestendigheid. De PRE-waarde wordt als volgt berekend:

PRE = %Cr + 3,3 x %Mo + 16 x %N

Een PRE-waarde boven de 23 maakt een materiaal geschikt voor toepassing in de buitenlucht; boven de 40 is het geschikt voor toepassing in zeewater.

Redenen voor behandeling

Bij de toepassing van rvs dient men zich voortdurend te realiseren dat het gaat om een materiaal met specifieke eigenschappen die sterk afwijken van die van ongelegeerd staal. Verwerkings- en bewerkingsmethoden die zijn ontwikkeld voor koolstofstaal zijn derhalve niet zonder meer ook geschikt voor rvs. Een verkeerde behandeling kan structuurveranderingen of beschadiging van het oppervlak veroorzaken met alle gevolgen van dien.

De reden voor een oppervlaktebehandeling kan esthetisch of functioneel zijn. Esthetische redenen liggen voor de hand: een fraai, glanzend oppervlak geeft een product meerwaarde. De functionele redenen zijn divers, maar de rode draad is dat behandeld rvs geen stoffen afscheidt die in het eindproduct terecht kunnen komen, minder makkelijk ‘vuil’ aantrekt en dus eenvoudig(er) reinigbaar is. Deze eigenschappen zijn vooral van belang daar waar optimale hygiëne vereist is, onder meer in de medische, de farmaceutische, de voedings- en de halfgeleiderindustrie. Er zijn diverse oppervlaktebehandelingen mogelijk.

 

Mechanische oppervlaktebehandelingen

Stralen of parelen met glas- of keramische parels

Dit zorgt ervoor dat thermische oxiden van het oppervlak worden verwijderd en geeft rvs een uniform, mat uiterlijk. Door het hoge breukpercentage van glasparels bij stralen ontstaan scherven die een scherpere inslag geven en dus een hogere oppervlakteruwheid veroorzaken. Doordat keramische parels minder breukgevoelig zijn, is het eindresultaat verhoudingsgewijs gladder. Een te glad oppervlak kan overigens ook nadelig zijn; zo zijn bijvoorbeeld bacteriën dan moeilijk(er) te verwijderen.

Slijpen, polijsten en borstelen

Deze behandelingen hebben als doel een bepaalde finish van het rvs-oppervlak te verkrijgen, waarbij met polijsten de laagste oppervlakteruwheid wordt bereikt. Die is sterk afhankelijk van de korrelgrootte van de polijstschijf en van het type. Genoemde behandelingen kunnen een vergrote warmte-inbreng veroorzaken.

De reden voor een oppervlaktebehandeling kan esthetisch of functioneel zijn. Esthetische redenen liggen voor de hand: een fraai, glanzend oppervlak geeft een product meerwaarde. De functionele redenen zijn divers

Natstralen met behulp van een abrasief additief

Hiermee bereikt men een hygiënische en aantrekkelijke finishing. Bovendien zorgt de abrasieve werking van de additieven ervoor dat dit proces het beitsen en passiveren kan vervangen, omdat ook aanloopkleuren en oxidaties kunnen worden verwijderd. Een nadeel is het feit dat ijzercontaminatie tijdens deze behandeling onvoldoende wordt verwijderd. Het is aan te raden om voor het natstralen gedemineraliseerd water te gebruiken of water dat is behandeld via omgekeerde osmose. Drinkwater kan door het relatief hoog chloridengehalte leiden tot vlekvorming zodra de oxidehuid gestript is. De behandeling voldoet aan de hygiëne-eisen die European Hygienic Engineering & Design Group (EHEDG) stelt aan de voedingssector en de farmacie.

Chemische oppervlaktebehandelingen

Beitsen en passiveren

Hierbij worden niet alleen ‘vreemd ijzer’ en hoge temperatuuroxiden van het oppervlak verwijderd. Doordat chroom tijdens het beitsproces veel minder snel oplost dan ijzer en andere metalen, blijft er verhoudingsgewijs meer chroom achter. Door dit proces − chroomverrijking − ontstaat een (nog) betere weerstand tegen corrosie. Het wordt uitgevoerd met sterke zuren en resulteert in een uniform zilvergrijs, licht aangeëtst oppervlak. Omdat een beitsbehandeling kan worden uitgevoerd middels dompelen, sproeien, circulatie en kwastbeitsen, is deze behandeling relatief eenvoudig uit te voeren. Een nadeel is dat het achterblijven van beitsmiddel schade kan veroorzaken.

Elektrolytisch of elektrochemisch polijsten (EP)

Deze vorm van polijsten verwijdert een deel van het rvs-oppervlak waardoor de oppervlakteruwheid zeer laag wordt en een hoogglans finish ontstaat. Het te behandelen object wordt daartoe opgehangen in een van de behandelingsbaden en fungeert als anode. Onder invloed van elektrische stroom en badchemicaliën gaan de beschadigde en verontreinigde oppervlaktelagen in oplossing. Vanwege de lage oppervlakteruwheid na een EP-behandeling, wordt deze methode veel toegepast in systemen waarbij een zeer goede reinigbaarheid wordt vereist. Dit is bijvoorbeeld het geval bij apparatuur en leidingwerk dat gebruikt wordt in de farmaceutische en de voedingsindustrie. Een nadeel van deze methode is dat deze verhoudingsgewijs duur is.

 

Thermochemische hardingsbehandelingen

(Hard)inchromeren

(Hard)inchromeren is een thermochemisch proces dat bij relatief hoge temperaturen wordt uitgevoerd en waarbij een keramisch harde chroomcarbidelaag (Cr_xC_y) ervoor zorgt dat producten extreem slijtvast worden. Bij het gewone inchromeren – er is dan alleen sprake van chroomdifussie − ontstaat een mengkristal met een chroomgehalte van >35%Cr. De hardheid en de chemische resistentie nemen hierdoor sterk toe, wat resulteert in een sterke verlenging van de levensduur, minder slijtage, maar bovenal lagere (integrale) kosten.

Kolsteriseren

Kolsteriseren is een laagtemperatuur oppervlaktehardingsmethode waarbij koolstof in het staal diffundeert. Dit resulteert in een sterke verharding van het oppervlak, zonder dat dit ten koste gaat van de corrosiebestendigheid. Ook wordt het product niet bros. Het proces is bij uitstek geschikt voor componenten van austenitisch rvs die onderhevig zijn aan slijtage en/of corrosie, en tegelijkertijd moeten voldoen aan strenge eisen ten aanzien van de maat- en vormstabiliteit. Het proces kan ook worden gebruikt om koudlas te voorkomen, en is dan bijvoorbeeld een alternatief voor verzinken.

Grosso modo kan worden gesteld dat mechanische bewerkingen duurder zijn dan de chemische, met name vanwege het arbeidsintensieve karakter

Plasmanitreren

Plasmanitreren is een thermochemische oppervlaktebehandeling die wordt gebruikt om slijtvastheid, oppervlaktehardheid en vermoeiingssterkte te verhogen. Het proces vindt plaats in een geïoniseerde gasatmosfeer in een aanwezigheid van stikstofhoudende gassen. Tijdens dit proces slaan positief geladen ionen van de anode met een zeer hoge impactsnelheid gefaseerd neer op het object (de kathode). In fase 1 werkt het proces als reiniging van het objectoppervlak. In fase 2 wordt het object verhit, in fase 3 vindt het nitreerproces aan de oppervlakte plaats. Het resultaat is een relatief gladde, corrosiebestendige bekleding.

Elke oppervlaktebehandelingsmethode kent zijn prijs. Deze is onder meer afhankelijk van de benodigde apparatuur, de middelen en de kosten verbonden aan de verwerking van het afvalmateriaal. Het blijft een moeilijke vergelijking maar grosso modo kan worden gesteld dat mechanische bewerkingen duurder zijn dan de chemische, met name vanwege het arbeidsintensieve karakter. Een ding is echter zeker: niets doen gaat pas echt in de papieren lopen.

De invloed van legeringselementen

Legeringselementen beïnvloeden de eigenschappen van een staalsoort. Enkele voorbeelden:

Mangaan verlaagt de kritische afkoelsnelheid in hardbare staalkwaliteiten, en is daarnaast in staat de rekgrens en treksterkte te verhogen. Samen met zwavel vormt het mangaansulfiden die de schadelijke werking van ijzersulfiden verminderen en de verspaanbaarheid verbeteren.

Nikkel wordt toegevoegd omdat het de weerstand tegen brosse breuk verhoogt. Wanneer rvs meer dan 7% nikkel bevat, ontstaat een austenitische structuur waardoor de corrosieweerstand groter wordt.

Molybdeen is een sterke carbidevormer die de gevoeligheid voor ontlaatbrosheid in veredelstalen vermindert, de fijnkorreligheid en lasbaarheid in positieve zin beïnvloedt en een positief effect heeft op de weerstand tegen putcorrosie.

Silicium heeft een positieve invloed op de sterkte, de slijtvastheid, de rekgrens en de oxidatieweerstand, maar een negatieve invloed op warm- en koudvervormbaarheid.

Wolfraam verbetert de taaiheid en de slijtvastheid bij hogere temperaturen. Omdat het dan ook korrelgroei tegengaat, heeft het een positieve invloed op de ontlaatbestendigheid en de warmvastheid.

Met dank aan: Chromin Maastricht, CTB Holland, Paul Meijering Metalen, Sir John, Vecom Group