Roestvast staal

De Gateway Arch in St. Louis, Missouri, is deels van roestvast staal gemaakt

Roestvast staal, ook roestvrij staal, rvs of inox genoemd, is een legering van hoofdzakelijk ijzer, chroom, nikkel en koolstof. Om van roestvast staal te kunnen spreken, is minimaal 11 tot 12% chroom en maximaal 1,2% koolstof nodig. Verder zijn in veel soorten roestvast staal ook de elementen molybdeen, titanium, mangaan, stikstof en silicium terug te vinden.

Het eerste roestvaste staal werd op 13 augustus 1913 door Harry Brearley in het laboratorium Brown-Firth gegoten, nadat hem in 1912 gevraagd was onderzoek voor de wapenindustrie te doen.

AISI 304, 316, 316L en 316Ti

Industrieel gebruikt men veelal de Amerikaanse normalisatie:

• AISI 304 (1.4301) bestaat uit 18% chroom en 8% nikkel. Deze legering is in zachtgegloeide toestand niet-magnetisch en niet hardbaar, in koudvervormde toestand zwak magnetisch. Minder gevoelig voor uitscheiding van chroomcarbiden tijdens lassen.
• Een meer corrosiebestendige maar duurdere soort is AISI 316 (EN 1.4401) met 16% chroom en 10% nikkel en 2% molybdeen. Type 316 is beter bestand tegen zoutcorrosie en wordt veel toegepast in de scheikundige industrie.
• 316L (1.4404, "L" staat voor "low carbon") heeft een laag koolstofgehalte om een gemakkelijker lasbaar roestvast staal te verkrijgen, en de corrosiegevoeligheid na het lassen te beperken.
• Een andere manier om dit staal lasbaarder te maken is door toevoeging van titaan aan de legering, hetgeen het type 316Ti (1.4571) oplevert. Deze oplossing is technisch vrijwel evenwaardig. Alleen wanneer men architecturale toepassingen beschouwt, moet men rekening houden met een "typisch" slijpbeeld van titaangelegeerde soorten.
• De magnetische eigenschap van rvs wordt bepaald door de kristalstructuur, dus door de samenstelling van het soort rvs. Roestvaste staalsoorten met tussen 6 en 26% nikkel (de 300-reeks uit de AISI) zijn austenitisch en daarom niet-magnetisch in geleverde toestand. Ze zijn uitstekend vervormbaar (plooien, dieptrekken, strekken) en ook schokbestendig doorheen het temperatuursbereik van heel lage tot heel hoge temperaturen. Nikkel zorgt er voor dat het staal in zijn austenitische toestand blijft tijdens het afkoelen. De overige elementen verhogen de corrosieweerstand en verwerkbaarheid van het staal. Bij sterke koudvervorming verandert de kristalstructuur echter, waardoor wel magnetische eigenschappen optreden bij austenitisch rvs. Martensitische, ferritische en duplex roestvaststaalsoorten zijn daarentegen magnetisch.

18/8 en 18/10

Op gebruiksvoorwerpen uit roestvast staal vindt men dikwijls een vermelding als:

• inox 18/8. Dit geeft aan dat de legering uit 18% chroom, 8% nikkel bestaat. Deze legering heeft een mechanische treksterkte van 600 N/mm² en een hardheid van 175-200 HB. Het is een veelgebruikt staal vanwege zijn goede warmteongevoeligheid tot 400°C. Dit staal staat ook bekend als AISI 304 (1.4301) of AISI 302. Het is uitstekend geschikt voor koude deformatie, waarbij de zogenaamde koudversteviging optreedt. Door koudvervorming wordt de legering zwak magnetisch. De lasbaarheid is zeer goed. Het is een austenitisch corrosievast chroomnikkelstaal.

• inox 18/10. Dit geeft aan dat de legering uit 18% chroom en 10% nikkel bestaat.

% Cr	% Ni	AISI/ASTM
18	8	304, 316
18	10	321, 347, 348
18	13	317
23	12	309
25	20	310

Overzicht van benamingen

Materiaalnr.	DIN 17006	ASTM/AISI Benaming	UNS Unified numbering system
1.4016	X6Cr17	430	S43000
1.4509	X2CrTiNb18	441	S44100
1.4510	X3CrTi17	439
1.4512	X2CrTi12 (oud X6 CrTi 12)	409	S40900
1.4526	X6CrMoNb17-1	436	S43600
1.4310	X10CrNi18-8 (oud X12 CrNi17 7)	301	S30100
1.4318	X2CrNiN18-7	301LN
1.4307	X2CrNi18-9	304L	S30403
1.4306	X2CrNi19-11	304L	S30403
1.4311	X2CrNiN18-10	304LN	S30453
1.4301	X5CrNi18-10	304	S30400
1.4948	X6CrNi18-11	304H	S30409
1.4303	X4CrNi18-12 (oud X5 CrNi18 12)	305	S30500
1.4541	X6CrNiTi18-10	321	S32100
1.4878	X10CrNiTi18-10 (oud X12 CrNiTi18 9)	321H	S32109
1.4404	X2CrNiMo17-12-2	316L	S31603
1.4401	X5CrNiMo17-12-2	316	S31600
1.4406	X2CrNiMoN17-11-2	316LN	S31653
1.4432	X2CrNiMo17-12-3	316L	S31603
1.4435	X2CrNiMo18-14-3	316L	S31603
1.4436	X3CrNiMo17-13-3	316	S31600
1.4571	X6CrNiMoTi17-12-2	316Ti	S31635
1.4429	X2CrNiMoN17-13-3	316LN	S31653
1.4438	X2CrNiMo18-15-4	317L	S31703
1.4539	X1NiCrMoCu25-20-5	904L	N08904
1.4547	X1CrNiMoCuN20-18-7		S31254

Eigenschappen

Roestvast

Wanneer het chroom met zuurstof in aanraking komt, vormt het een onzichtbaar laagje chroom(III)oxide (ook genaamd: dichroomtrioxide) (Cr₂O₃), de oxidehuid. Dit laagje beschermt het onderliggende metaal tegen verdere roestvorming (oxidatie).

Hard

De hoeveelheid koolstof bepaalt de hardheid van het staal. Een staalsoort met veel koolstof is daardoor moeilijk bewerkbaar.

Magnetische- en vervormingseigenschappen

Roestvaste staalsoorten met tussen 6 en 26% nikkel (de 300-reeks uit de AISI) zijn austenitisch en niet-magnetisch in geleverde toestand. Ze zijn uitstekend vervormbaar (plooien, dieptrekken, strekken) en ook schokbestendig in het hele temperatuurbereik, van heel lage tot heel hoge temperaturen. Door toevoeging van de bovengenoemde hoeveelheden nikkel in het staal blijft de austenitische fase thermodynamisch stabiel. Daardoor vindt na een warmtebehandeling van austenitisch roestvaststaal geen faseovergang plaats tijdens het afkoelen. Harden van austenistisch roestvaststaal door middel van een warmtebehandeling is derhalve niet mogelijk. De overige elementen, zoals bijvoorbeeld chroom en molybdeen, verhogen de corrosieweerstand en bewerkbaarheid van het staal.

AISI 430, AISI 410 en AISI 409 (de 400-reeks) zijn voorbeelden van ferritische, alsook duplex roestvaste staalsoorten. In tegenstelling tot de austenitische roestvaststaalsoorten zijn ferritische en duplex roestvaststaalsoorten wel magnetisch, maar de mate waarin ze vervormbaar zijn is over het algemeen (iets) minder goed.

Gevoeligheid voor chloor

Vele Roestvaste staalsoorten zijn zeer gevoelig voor chloor. Stadswater, zwembadwater, natriumhypochloriet (NaOCl), waterstofchloride (HCl) en ijzer(III)chloride (Fe₂Cl₃) zijn zeer agressief op roestvast staal. Putcorrosie (Engels: pitting) is de corrosie waarbij zich putjes in het oppervlak vormen. Als bijvoorbeeld roestvast staal AISI 304 in contact komt met chloorhoudend water, van bijvoorbeeld drinkwater of zwembadwater, dan zal het chloor plaatselijk de beschermende laag chroomoxide aantasten. Er ontstaat dan het begin van een ondiep putje, waar zich weer meer chloorionen verzamelen, waardoor de aantasting bij voorkeur op die plaats doorgaat en het putje dieper wordt. Uiteindelijk ziet het materiaal er grotendeels gaaf uit, maar met een aantal putjes over het oppervlak. Typisch bij putcorrosie zijn de gaatjes juist naast een lasnaad. Roestvaste staalsoorten met het legeringselement molybdeen, zoals 316 en 316L, kunnen wel weerstaan aan chloor en hebben een goede weerstand tegen putcorrosie.

Elasticiteitsmodulus

De elasticiteitsmodulus van roestvast staal is niet dezelfde als van gewoon staal. De E-modulus van rvs is E = 195.000 MPa en van 'gewoon' constructiestaal is de E-modulus: E = 210.000 MPa.

Treksterkte

De treksterkte van een roestvast staal is een maatstaf om de mechanische eigenschappen van dit staal te classificeren. Praktisch is de vloeigrens (soms ook de 0,2%-rekgrens of Rp 0,2) van veel meer belang. Als het materiaal tot de treksterkte komt, is het immers al sterk plastisch vervormd.

Materiaalnr.	DIN 17006	ASTM AISI Benaming	ISO 3506	UNS	Trekspanning Rm in N/mm²	Rekgrens Rp0,2 in N/mm²	Rek na breken A in %
1.4000	X6Cr13				400..600	250…270	18…20
1.4016	X6Cr17	430		S43000	400..600	250…270	18…20
1.4028	X30Cr13				< 780
1.4116	X45CrMoV15				< 900
1.4310	X10CrNi18-8 (Oud X12 CrNi17 7)	301		S30100	500..740	195…205	35…40
1.4318	X2CrNiN18-7	301LN
1.4307	X2CrNi18-9	304L		S30403
1.4306	X2CrNi19-11	304L		S30403
1.4311	X2CrNiN18-10	304LN		S30453
1.4301	X5CrNi18-10	304	A2	S30400
1.4303	X4CrNi18-12 (alt X5 CrNi18 12)	305		S30500
1.4404	X2CrNiMo17-12-2	316L		S31603
1.4401	X5CrNiMo17-12-2	316	A4	S31600	500..740	195…205	35…40
1.4406	X2CrNiMoN17-11-2	316LN		S31653
1.4429	X2CrNiMoN17-13-3	316LN		S31653
1.4438	X2CrNiMo18-15-4	317L		S31703
1.4432	X2CrNiMo17-12-3	316L		S31603
1.4435	X2CrNiMo18-14-3	316L		S31603
1.4436	X3CrNiMo17-13-3	316		S31600
1.4509	X2CrTiNb18	441		S44100
1.4510	X3CrTi17	439
1.4512	X2CrTi12 (alt X6 CrTi 12)	409		S40900
1.4526	X6CrMoNb17-1	436		S43600
1.4539	X1NiCrMoCu25-20-5	904L		N08904
1.4541	X6CrNiTi18-10	321		S32100	500..740	195…205	35…40
1.4547	X1CrNiMoCuN20-18-7			S31254
1.4571	X6CrNiMoTi17-12-2	316Ti		S31635
1.4878	X10CrNiTi18-10 (alt X12 CrNiTi18 9)	321H		S32109
1.4948	X6CrNi18-11	304H		S30409

Soorten roestvast staal

Roestvast staal wordt afhankelijk van zijn metallurgische structuur in verschillende families onderverdeeld, te weten de volgende:

• Austenitische staaltypen, de 200- en 300-serie, zijn staalsoorten met een austeniete kristallijne structuur waarvan het kristalrooster kubisch vlakgecentreerd is. Austenitische roestvaste staalsoorten beslaan ongeveer 70% van de totale rvs-productie. Dit staaltype heeft een maximum percentage van 0,15% koolstof, minimaal 16% chroom en genoeg nikkel of mangaan om de austenitische structuur bij alle temperaturen te behouden. De austenitische soorten zijn door hun kristalrooster nooit magnetisch en doordat er geen faseovergang plaatsvindt bij opwarming of afkoeling, zijn zij niet hardbaar door middel van een warmtebehandeling. Wel kunnen zij door koudvervorming worden gehard.

• Austenitische chroom-nikkel-mangaanlegeringen, 200-serie. Type 201 is hardbaar door koudvervorming. Type 202 is een algemene veel gebruikte soort.
• 300-serie. De meest veelvoorkomende austenitische rvs-soort is type 304, ook bekend als type 18/8 vanwege de aanwezigheid van 18% chroom en 8% nikkel. Een tweede veelvoorkomende rvs-soort uit de 300-serie is type 316, ook bekend als type 18/10 vanwege de aanwezigheid van 18% chroom en 10% nikkel. Type 316 heeft een betere corrosiebestendigheid dan type 304.

• Ferritische staaltypen, onderdeel van de 400-serie, zijn geschikt voor toepassingen in een weinig agressief milieu. Ze zijn goed bewerkbaar maar hebben een lagere corrosiebestendigheid dan de 300-serie door de lagere percentages chroom en nikkel, de corrosiebestendigheid is daarentegen wel beter dan die van de martensitische staalsoorten. Ferritische staalsoorten zijn magnetisch en niet hardbaar door middel van een warmtebehandeling.
• Martensitische staaltypen, onderdeel van de 400-serie, zijn goed te bewerken staaltypen met een hoge hardheid en rekgrens, maar met verminderde corrosiebestendigheid. Martensitische rvs-soorten zijn altijd magnetisch en zijn goed te harden door middel van een warmtebehandeling. Deze rvs-soort wordt vaak gebruikt waar een hoge hardheid en sterkte, gecombineerd met een redelijke corrosiebestendigheid noodzakelijk is.

• Een speciale vorm van het martensitische rvs-type is de precipitatie-hardende vorm. Dit type staal wordt gekenmerkt door een zeer goede corrosiebestendigheid, vergelijkbaar met de austenitische soorten, en een hardheid en rekgrens die boven die van de martensitische soorten ligt. Een veelvoorkomend voorbeeld van dit type rvs is 17-4PH, zo genoemd vanwege een percentage van 17% chroom en 4% nikkel. de 'PH' staat voor precipitation hardenable.

Familie	C	Cr	Ni
Martensiet	< 1,2%	10,5 - 17%	< 6,0%
Ferriet	< 1,2%	10,5 - 29%	< 1,5%
Austeniet	< 1,2%	16 - 28%	3,5 - 36%

Roestvrij versus roestvast

De benaming roestvrij die in algemeen taalgebruik zeer gewoon is, wordt in de vaktaal van metallurgen niet gebruikt. Roestvast staal zal wel degelijk roesten. Deze oxidehuid kan echter afsluitend zijn, waardoor in bepaalde gevallen geen verdere roestvorming zal plaatsvinden of deze roestvormig erg vertraagd zal worden. In omstandigheden die hardnekkig genoeg zijn, of bij beschadiging van de beschermende oxidehuid, kan de roestvorming plaatselijk extra snel plaatsvinden. Dit wordt o.a. veroorzaakt door chloriden of andere metalen die zich nestelen in het oppervlak. Dit is ook de reden, waarom bij het bewerken van rvs geen stalen gereedschappen gebruikt mogen worden. Praktischer is echter om na het verwerken, het rvs te behandelen waarbij alle mogelijke verontreinigingen worden verwijderd. Dit is het zogenaamde beitsen, waarbij langs chemische weg alle verontreinigingen worden opgelost en verwijderd.

Normen

• AISI (American Iron and Steel Institute)
• ASTM A240 (American Society for Testing and Materials)
• Europese norm EN 10088:
• EN 10088-1 (samenstelling, fysische eigenschappen)
• EN 10088-2 (vlakke producten, mechanische eigenschappen)
• EN 10088-3 (lange producten, mechanische eigenschappen)
• ISO 3506 standaard voor bevestigingsmiddelen uit roestvast staal

Passiveren van roestvast staal

Door diverse bewerkingen die producten van roestvast staal ondergaan, kunnen aan de buitenzijde van het metaaloppervlak veranderingen ontstaan, waardoor het roestvaste karakter tijdelijk of blijvend wordt aangetast.

Normaal beschermt een passieve laag chroom(III)oxide (Cr₂O₃) het metaal. Deze laag wordt in stand gehouden, door een bijzondere eigenschap van roestvast staal. Als namelijk het metaaloppervlak wordt beschadigd, dan zal als regel de passieve laag vrij snel herstellen als er voldoende zuurstof voorhanden is. Er zijn echter omstandigheden, waarbij dit herstel niet plaatsvindt. Door diverse bewerkingen wordt namelijk het evenwicht dusdanig verstoord , dat de passieve toestand verdwijnt en er een actieve laag ontstaat. Dit kan optreden bij bewerkingen als lassen, buigen of verspanen, waardoor zuurstofarme plaatsen ontstaan en herstel uitblijft. Hierdoor verdwijnen de roestvaste eigenschappen en kan bij blootstelling aan gassen of vloeistoffen corrosie optreden.

Om dit euvel tegen te gaan, is er een methode ontwikkeld, waarbij de ontstane actieve laag weer wordt omgezet naar een passieve laag. Het is hierbij meestal gewenst de bewerkte producten te ontvetten en daarna te beitsen met een mengsel van salpeterzuur (HNO₃) en waterstoffluoride (HF), om verontreinigingen van het metaaloppervlak te verwijderen. Dit kan nodig zijn bij gelaste oppervlakken en bij gedraaide voorwerpen waarbij een koelvloeistof wordt gebruikt.

Het eigenlijke passiveren geschiedt door een behandeling in een bad met salpeterzuur, waardoor de passieve toestand terugkeert door herstel van het laagje chroomoxide. Door deze behandeling krijgt het onderliggende metaal zijn oorspronkelijke corrosiebescherming terug.

Marktoverzicht

De vraag naar roestvast staal steeg in de periode 2000-2007 met ongeveer 7% op jaarbasis. Tijdens de kredietcrisis daalde de vraag door de algemene economische terugval. De vraag nam na 2010 weer toe maar steeg met niet meer dan 3% per jaar tot en met 2012. De trage vraaggroei heeft geleid tot veel overcapaciteit. Veel fabrieken waren nog in aanbouw voor het uitbreken van de kredietcrisis. Deze zijn inmiddels gereed maar de vraag is onvoldoende snel gestegen om al deze nieuwe capaciteit te absorberen. De capaciteitsbenutting wereldwijd lag in 2006 nog op zo’n 88% en daalde naar 62% in 2009. Na 2010 trad enig herstel op maar de bezettingsgraad lag in 2012 nog op circa 72%. In 2012 lag de globale productie van roestvast staal op zo’n 25 miljoen ton.

In 2012 waren er wereldwijd zes grote producenten met een capaciteit van meer dan 2 miljoen ton op jaarbasis. Deze zes fabrikanten hebben ongeveer de helft van de wereldwijde capaciteit in handen. De grote bedrijven zijn Outokumpu, Acerinox, Taiyuan Iron & Steel, Yieh United Steel, Pohang Iron and Steel Company en Aperam.

Noten

  Zie ook de categorie met mediabestanden in verband met Stainless steel op Wikimedia Commons.

IJzer en staal