Oppervlaktebehandeling van rvs kan efficiënter en milieuvriendelijker

Duurzame bewerkingsmethoden in opmars

Een oxidehuid met zelfherstellend vermogen beschermt rvs tegen corrosie, slijtage en chemische aantasting. Bewerkingen als lassen, buigen en/of verspanen tasten deze beschermlaag echter aan. Ze belemmeren in veel gevallen het natuurlijk herstel, en dan dient er te worden ingegrepen. De ‘klassieke’ behandelmethoden voldoen op zich prima, maar blinken niet bepaald uit qua energiezuinigheid en duurzaamheid. Gelukkig staat ook hier de techniek voor niets.

Evenwicht

Rvs kent een verhoogde bestendigheid tegen corrosie en chemische aantasting dankzij de aanwezigheid van een dichte beschermende laag dichroomtrioxide (Cr₂O₃), de zogeheten oxidehuid. Deze sluit het onderliggende materiaal af waardoor roestvorming wordt voorkomen of op zijn minst wordt vertraagd.

Wanneer het oppervlak wordt beschadigd, herstelt de oxidehuid zich vanzelf, op voorwaarde dat er voldoende zuurstof aanwezig is. Er ontstaat zo een natuurlijk evenwicht. Bij bewerkingen zoals lassen, buigen of verspanen kan dit evenwicht echter worden verstoord, waardoor het zelfherstellend vermogen uitblijft. Ook bepaalde chloriden, zoals natriumhypochloriet en waterstofchloride, kunnen het mechanisme aantasten en aanleiding geven tot roestvorming in de vorm van putcorrosie (zie kader).

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. 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 wordt 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.

Van de diverse oppervlaktebehandelingen biedt elektropolijsten de hoogste bescherming tegen pitting: (het pittingpotentiaal verdubbelt ).

Mechanische oppervlaktebehandelingen

Mechanische oppervlaktebehandeling van rvs omvat bewerkingen die kracht uitoefenen om het oppervlak te veranderen, dus zonder gebruik van chemische middelen.

Kogelslaan

Hierbij wordt het rvs-oppervlak ‘gebombardeerd’ met kleine kogeltjes, meestal van staal, keramiek of glas. Deze veroorzaken kleine plastische vervormingen aan het oppervlak. Het gevolg is een restdrukspanning die tegengesteld werkt aan de trekspanningen die normale belasting oplevert, en die spanningscorrosie- en vermoeiingsscheurtjes (kunnen) veroorzaken. Na de behandeling is de oxidehuid (veel) beter tegen een dergelijke mechanische degradatie bestand.

Natstralen met een abrasief additief

Deze behandeling zorgt voor een hygiënische en aantrekkelijke afwerking. Door de abrasieve werking kunnen aanloopkleuren en oxidaties worden verwijderd wat beitsen en passiveren (zie bij chemische oppervlaktebehandelingen) in veel gevallen overbodig maakt. Omdat drinkwater door het relatief hoog chloridengehalte vlekken kan veroorzaken, geniet gedemineraliseerd of via omgekeerde osmose behandeld water de voorkeur.

Stralen of parelen met glas- of keramische parels

Bij deze techniek worden thermische oxiden van het oppervlak verwijderd, waardoor een egaal, mat uiterlijk ontstaat. Keramische parels breken minder snel dan glasparels en veroorzaken daardoor minder scherfvorming, wat resulteert in een gladder eindresultaat. Een glad rvs-oppervlak laat zich gemakkelijk reinigen en biedt minder kans op bacteriegroei, al kan een té glad oppervlak de bevochtiging verminderen en zo de reiniging minder doeltreffend maken.

Slijpen, polijsten en borstelen

Deze behandelingen zijn bedoeld om een specifieke finish van het rvs-oppervlak te realiseren, afgestemd op de beoogde toepassing. De uiteindelijke oppervlakteruwheid hangt sterk af van de korrelgrootte van de gebruikte polijstschijf en van het type rvs; polijsten levert daarbij de laagste ruwheid op. Wel kunnen deze bewerkingen leiden tot een verhoogde warmte-inbreng.

Tril- of vibratiepolijsten

Dit is een geautomatiseerd, batchgewijs proces om rvs-onderdelen te ontbramen, glad te maken en/of glans geven. De objecten worden in een tril- of vibratiebak geplaatst met slijp- of polijstmedia − bijvoorbeeld keramische of kunststof chips − en (meestal) water met een zeepachtige vloeistof (compound). Door de vibratie is er doorlopend contact tussen onderdelen en media.

Chemische oppervlaktebehandelingen

Met de volgende methodes wordt het oppervlak behandeld met chemische stoffen zonder dat er mechanische bewerkingen worden toegepast. De belangrijkste zijn:

Beitsen en passiveren

Beitsen houdt in dat de bestaande oxidehuid en eventuele (koolstof)carbiden – verbindingen van koolstof met metalen zoals chroom of ijzer – worden verwijderd. Deze carbiden kunnen de corrosieweerstand van rvs aantasten.

Passiveren herstelt de oxidehuid over het volledige oppervlak. Doorgaans gebeurt dit aan de lucht of door middel van een passiveermiddel: voor rvs wordt meestal salpeterzuur gebruikt, terwijl bij aluminium, zink en gewoon staal chroomzuur of chromaten/dichromaten worden toegepast.

Na beitsen en passiveren is de oxidehuid weer in oorspronkelijke staat hersteld. Wel kunnen aanwezige carbiden de hechting van de passieve laag bemoeilijken.

Chemisch reinigen/ontvetten

Het chemisch reinigen of ontvetten van rvs gebeurt met sterke basische of zure oplossingen, afhankelijk van de aard van de vervuiling. Basische middelen hydrolyseren vetten en oliën tot glycerol en vetzuren (zeepvorming), terwijl zure oplossingen selectief reageren met ijzeroxiden zonder het chroomrijke oppervlak aan te tasten. Deze methode wordt literatuur veelal aangeduid als voorbehandeling.

Elektrolytisch amorfiseren

Bij deze relatief nieuwe techniek wordt via een elektrolytisch proces een niet-kristallijne laag op het metaaloppervlak aangebracht. In tegenstelling tot kristallijne metalen heeft een amorf metaal geen korrelgrenzen (geen selectieve aantasting) en geen dislocaties, wat resulteert in een hogere hardheid en slijtvastheid. Doordat ook roosterdefecten ontbreken, vertoont het materiaal een homogeen gedrag onder belasting en bij chemische reacties.

Elektropolijsten (EP)

Ook hier bevindt het object zich tijdens het proces in een elektrolytisch bad waar het de rol van anode vervult. Onder invloed van elektrische stroom en geschikte badchemicaliën wordt ijzer selectief opgelost; ook oppervlakteverontreinigingen worden verwijderd. De oxidehuid is aanzienlijk dikker en zuiverder dan die van een gepassiveerd oppervlak, en glanst sterker.

Thermochemische oppervlaktebehandeling

Bij deze behandelingen diffunderen chemische elementen zoals koolstof, stikstof of borium bij hoge temperatuur in het metaaloppervlak. Hierdoor verbeteren materiaaleigenschappen zoals hardheid, slijtvastheid en corrosiebestendigheid.

Boreren

Bij deze methode diffundeert boor op atoomniveau in het metaaloppervlak. Bij gasfaseboreren wordt het werkstuk blootgesteld aan boorhoudende gassen, zoals bortrichloride of diboraan, die ontleden en boor afzetten op het rvs-oppervlak.

Bij vloeistoffase- of poedervormboreren wordt het object omgeven door een boorhoudende pasta of in een poederbed geplaatst. Tijdens verhitting staat dit medium boor af aan het oppervlak, waardoor een harde, slijtvaste boridelaag ontstaat. 

Carboneren en nitrocarboneren

Bij carboneren worden koolstofatomen in het oppervlak van een metaal geïntroduceerd. De temperatuur waarbij dit gebeurt is met 400 tot 450 °C relatief laag. Nitrocarboneren is een variant van carboneren, waarbij binnen het temperatuurbereik van 400 tot 600 °C zowel koolstof als stikstof in het oppervlak worden ingebracht. Deze methode combineert de voordelen van carboneren en nitreren (zie hierna).

Gas- en plasmanitreren

In beide gevallen wordt stikstof bij 500 tot 550 °C ingebracht in het staaloppervlak. Gasnitreren vindt plaats in aanwezigheid van ammoniakgas (NH₃). Het daarin aanwezige stikstof diffundeert in het staal en gaat verbindingen aan met legeringselementen, bijvoorbeeld chroom. Bij plasmanitreren wordt gebruikgemaakt van een plasma van geïoniseerd stikstofgas waarin stikstof actiever is en (dus) sneller diffundeert. Plasmanitreren is daardoor schoner en beter regelbaar dan gasnitreren.

Oxideren

Bij deze methode wordt het oppervlak van rvs chemisch veranderd door een gecontroleerde blootstelling aan een sterk oxidatiemiddel dat het ijzer en andere legeringselementen aan het oppervlak selectief oxideert. Het meest gebruikt in dit verband zijn salpeterzuur, chroomzuren, waterstofperoxide en citroenzuur bij temperaturen tussen de 20 en 60 °C. Bij thermische oxidatie − het door warmte oxideren in aanwezigheid van zuurstof − liggen die temperaturen aanzienlijk hoger (200 tot 400 °C).

Innovaties

Mede in het kader van energiezuinig en duurzaam produceren hebben zich de laatste vijf jaar op het gebied van rvs-behandeling een aantal interessante ontwikkelingen voorgedaan.

Laser Powder Bed Fusion (LPBF)

Bij deze additive manufacturing-technologie wordt een laserpoederbed laag voor laag gesmolten om uiteindelijk tot een complex 3D-object te komen. Tijdens het printproces ontstaan interne kanalen en ruwe oppervlakken. Deze vereisen nieuwe afwerkingsmethoden waaronder:

• Elektrochemische polijstmethoden die dergelijke interne kanalen kunnen bereiken;
• Gerichte laser/shot-peening, waarbij de vermoeiingssterkte lokaal wordt verhoogd door het met laserenergie aanbrengen van gecontroleerde compressieve spanningen;
• Chemisch etsen, waarbij het object wordt ondergedompeld in een geschikte etsvloeistof waarin het daarin aanwezige zuur het metaal selectief oplost.

Dunne-film coatings

Deze coating bestaat uit laagjes van enkele nano- tot micrometers die onder meer kunnen worden aangebracht via:

• Chemical Vapor Deposition (CVD): dunne laagjes materiaal worden afgezet op een substraat door middel van chemische reacties van gasvormige precursoren (de ‘bouwstenen’ in een chemisch proces);
• Physical Vapor Deposition (PVD); een vaste stof wordt in een vacuümomgeving verdampt waarna deze als dunne laag neerslaat op het object. Bij het zogeheten sputteren worden atomen middels een ionenbombardement uit de ‘bron’ van het coatingmateriaal losgeslagen om daarna neer te slaan op het object.

Ook functionele coatings, waarbij de beschermende functie wordt gecombineerd met eigenschappen als een antibacteriële of een hydrofobe werking, zijn nadrukkelijk in opkomst.

Laser-texturing

Deze precieze, niet-mechanische methode gebruikt een laserstraal om het oppervlak van rvs op microscopisch niveau gecontroleerd te modificeren. De laser fungeert als een niet-mechanische pen die oppervlakken structureert door lokaal materiaal te verdampen of te smelten. Door dit selectief te doen ontstaan microscopische patronen, groeven of oppervlaktestructuren die functionele eigenschappen als wrijving, hechting of esthetiek kunnen verbeteren.

Niet-thermische plasma-behandelingen

Deze maken gebruik van een gas(mengsel) dat wordt omgezet in een plasma, een mengsel van ionen, elektronen, vrije radicalen, metastabiele moleculen en fotonen. Doorgaans wordt daarbij gewerkt met een combinatie van een inert en een reactief gas die langs elektrische weg worden geïoniseerd. Het plasma ‘activeert’ of modificeert oppervlakken door chemische en fysische processen zonder dat het materiaal daarbij verder wordt opgewarmd.

Dankzij de gedurende de afgelopen decennia opgebouwde kennis, de innovatie van bestaande en de komst van nieuwe technieken belooft de oppervlaktebehandeling van rvs niet alleen efficiënter en milieuvriendelijker te worden, maar ook kansen te blijven bieden ten aanzien van functionaliteit en design.

Met medewerking van: Packo Inox en Sir John