Hopelijk tot ziens op de afstudeervoordracht op 8 september. Met vriendelijke groeten,

Transcriptie

1 r B y:l'. T :vva!as1i Delft, 31 augustus 1998 Geachte heer Ros. Hierbij stuur ik u mijn afstudeerrapport over Het ontwerpen van een sluisdeur in roestvast staal". Het rapport bestaat uit twee delen. Het eerste deel Roestvast staal voor constructieve toepassingen" is een literatuurstudie. Aan de hand van dit rapport zijn ontwerpaspecten afgeleid voor het ontwerp van de sluisdeur. In het tweede deel "Het ontwerp van een roestvast stalen sluisdeur" wordt het ontwerp nader bepaald en uitgewerkt. Tekeningen van de bestaande deur en het roestvast stalen ontwerp zijn afzonderlijk bijgevoegd. Hopelijk tot ziens op de afstudeervoordracht op 8 september. Met vriendelijke groeten, Margriet Krüse Technische Universiteit Delft Subfaculteit Civiele Techniek Tel:

2 Het oniwerpen van een sluisdeur in roesivast staal Roestvast staal voor constructieve toepassingen Z3753

3 Het ontwerpen van een sluisdeur in roestvast staal tciin1 i<jksatcrsaai Roestvast staal voor constructieve toepassingen Postbus 20.00O 3502 LA Utïccn M.G. Krüse Augustus OJ'- -L:!<S';.:rERSTAAT 1 NR. 2.DL... Afstudeercom.missie: prof. dr. ir. J. Wardenier ir. J.M.J. Spijkers ir. R. Abspoel ir. A.W. Tom ir. H. van der Weijde TU Delft TU Delft TU Delft TNO Bouw Bouwdienst RWS TUDelft Faculteit Civiele Techniek en Geo- Wetenschappen Subfaculteit Civiele Techniek Sectie Staal- en Houtconstructies q Ministerie van Verkeer en Waterstaat Directoraat-Generaal Rijkswaterstaat Bouwdienst Rijkswaterstaat Nederlandse Organisatie voor toegepastnatuurwetenschappelijk onderzoek ij

4 VooRwoolu Dit rapport is geschreven in het kader van het afstudeerproject aan de Faculteit Civiele Techniek en Geowetenschappen van de Technische Universiteit Delft. Het rapport maakt deel uit van een onder - zoek naar het ontwerpen van een sluisdeur van roestvast staal. Hierbij dank ik de afstudeercommissie voor hun inzet en iedereen die geholpen heeft bij het tot stand komen van dit rapport. Met name de heer T. Luijendijk van de subfaculteit Materiaalkunde die mij geholpen heeft bij het zoeken naar informatie. Daarnaast wil ik de heerp.l.f. Rademakers van TNO Industrie te Apeldoorn en de heer K. Bekkers bedanken, omdat zij dit rapport inhoudelijk wilden controleren. Margriet Krüse Delft, augustus 1998 v

5 SAMENVATTING Dit rapport is het eerste deelrapport van het afstudeerproject getiteld Het ontwerpen van een sluisdeur in roestvast staal". Het doel van dit deelrapport is een algemeen overzicht te geven van roestvast staal voor constructieve toepassingen. Aan de hand van dit rapport worden ontwerpaspecten afgeleid voor het ontwerpen van een sluisdeur in roestvast staal. Koolstof staal bestaat voornamelijk uit ijzer. Roestvast staal daarentegen is een legering van ijzer en minimaal 11% chroom. Er bestaan vijf verschillende soorten roestvast staal, die gegroepeerd zijn op basis van hun metallurgische structuur en hun chemische samenstelling. Deze soorten zijn: precipitatie-hardend roestvast staal, martensitisch roestvast staal, ferritisch roestvast staal, austenitisch roest'vast staal en austenitisch-ferritisch (duplex) roestvast staal. Deze soorten ontstaan door verschillende percentages legeringselementen aan de ijzer-chroom legering toe te voegen. Zo bestaat ferritisch roestvast staal voornamelijk uit ijzer en chroom. Door een bepaald percentage nikkel toe te voegen aan de ijzer-chroom legering ontstaat austenitisch roestvast staal. Kenmerkend voor austenitisch roestvast staal is dat het niet magnetiseerbaar is in tegenstelling tot de overige soorten roestvast staal. Austenitisch-ferritisch roestvast staal bestaat eveneens uit ijzer, chroom en nikkel, maar het percentage nikkel is lager, waardoor een gemengde austeniet-ferriet structuur ontstaat. Kenmerkend voor austenitisch-ferritisch roestvast staal is de goede weerstand tegen corrosie en de hoge 0.2% rekgrens. Martensitisch roestvast staal bestaat uit chroom, ijzer en een hoger percentage koolstof. Precipitatie hardend roestvast staal ontstaat door martensitisch of austenitisch roestvast staal een warmte behandeling te laten ondergaan. Het mechanisch gedrag van roestvast staal verschilt in een aantal opzichten met koolstof staal. Zo is de spannings-rek relatie van roestvast staal niet lineair. Er is geen duidelijk vloeiplateau aanwezig, waardoor in plaats van de vloeispanning de spanning behorende bij de 0.2% rekgrens genomen wordt. Daarnaast ligt de proportionaliteitsgrens tussen de 36 en 60 % van de 0.2% rekgrens in plaats van 70% bij koolstof staal. De spannings-rek curve is verschillend onder trek- en drukbelasting. Het derde verschil is dat de curve anisotroop is, waardoor het spanningsrek gedrag verschilt in de richting parallel en loodrecht op de walsrichting. Koudvervormen heeft een duidelijk effect op het spannings-rek diagram. De hardheid, treksterkte en 0.2% rekgrens worden vergroot. Vooral austenitisch roestvast staal ontwikkelt een hoge mechanische sterkte tijdens koudvervormen, door de gedeeltelijke transformatie van austeniet naar martensiet. De fysische eigenschappen zoals de thermische uitzettingscoëfficiënt en de warmtegeleiding verschillen per soort roestvast staal. Bij austenitisch roestvast staal in het bijzonder verschillen ze met koolstof staal. Koolstof staal heeft een uitzettingscoëfficiënt van 12 x 106 per C en een warrntegeleiding van 55 W/mK. Bij austenitisch roestvast is de uitzettingscoëfficiënt gelijk aan 16 x 106 per C en de thermische geleiding drie keer zo laag, namelijk 15 W/mK. Dit heeft tot gevolg dat grote vervormingen en restspanningen kunnen optreden tijdens het lassen. Roestvast staal dankt zijn goede corrosieresistentie aan het laagje chroomoxide op het staaloppervlak. Dit laagje herstelt zichzelf bij beschadiging. Voorwaarde voor de vorming van het chroomoxide laagje is voldoende aanwezigheid van zuurstof. Als onvoldoende zuurstof aanwezig is corrodeert roestvast staal. De volgende corrosiemechanismen kunnen roestvast staal aantasten: putcorrosie, spleetcorrosie, inter - kristallijne corrosie, galvanische corrosie, scheurvormende spanningscorrosie en biologische corrosie. In tegenstelling tot koolstof staal, waarbij het belangrijkste corrosiemechanisme uniforme corrosie is, is corrosie bij roestvast staal sterk lokaal geconcentreerd. Van de genoemde corrosiemechanismen die roestvast staal aantasten, zijn put- en spleetcorrosie de belangrijkste. Roestvast staaltypen met molybdeen zijn het best bestand tegen put- en spleetcorrosie. VII

6 In lucht is voor elk milieu een geschikt roestvast staaltype voorhanden. Voornamelijk in water kan ernstige corrosie optreden. Hierbij spelen de aanwezige organismen en de concentratie chloride-ionen een grote rol, doordat zij de initiatie- en propagatiesnelheid van spleet- en putcorrosie versnellen. Voor constructies in water is het van belang de aanhechtingssnelheid van organismen te bepalen en deze aanhechting regelmatig te verwijderen, zodat biologische corrosie voorkomen kan worden. De duurzaamheid van constructies in roestvast staal is afhankelijk van het gekozen roestvast staaltype en de detaillering. Door in het ontwerp horizontale delen, waarop vuil zich kan ophopen te vermijden en gladde oppervlaken, die gemakkelijk schoongehouden kunnen worden toe te passen, vermindert de kans op corrosie. Bij de fabricage van constructies in roestvast staal is het van belang rekening te houden met de specifieke materiaaleigenschappen en mogelijkheden van het materiaal. De diversiteit aan verschillende producten is klein door de geringere toepassing van roestvast staal. Zo zijn er minder warmgewalste profielen beschikbaar, waardoor meer gebruik moet worden gemaakt van koudgevormde- en samengestelde profielen. Plaatmaterialen zijn in alle soorten roestvast staal verkrijgbaar. Tijdens de opslag en fabricage is het van belang dat schade aan de passieve laag voorkomen wordt. Verontreiniging met koolstof staal en oppervlakte beschadigingen tasten de passieve laag aan en kunnen corrosie-initiatie tot gevolg hebben. Vanwege de hoge materiaalkosten is speciale zorg tijdens het merken van platen noodzakelijk, zodat de hoeveelheid afvalmateriaal tot een minimum beperkt wordt. Bij het bewerken van het materiaal moet rekening worden gehouden met de sterkte verhoging door koudvervormen. Het lassen van roestvast staal is enigszins duurder dan het lassen van koolstof staal. Martensitisch roestvast staal en ferritisch roestvast staal zijn matig lasbaar. Austenitisch roestvast staal is goed lasbaar, mits het koolstof gehalte van zowel het moederrnateriaal als het lasmetaal laag zijn en het lasmetaal 3 tot 8 % ferriet bevat. De lasvervormingen zijn bij austenitisch roestvast staal relatief groot, omdat austenitisch roestvast staal een lagere warmtegeleiding en een hogere uitzettingscoëfficiënt heeft. Austenitisch-ferritisch roestvast staal is eveneens goed te lassen. De problemen die optreden tijdens het lassen zijn van geheel andere aard dan bij austenitisch roestvast staal. Bij te snelle afkoeling wordt te weinig austeniet gevormd. Door tijdens het lassen een toevoegmateriaal met nikkel en stikstof te gebruiken, treedt dit probleem niet op. Bij niet-destruktieve inspectiemethoden van de lassen is het gebruik van ultrasoon onderzoek moeilijker, vanwege de overeenkomst tussen de korrelgrootte en de golflengte. Voornamelijk bij groter dikten, vanaf 50 mm is ultrasoon onderzoek toepasbaar. Magnetisch onderzoek is niet mogelijk bij austenitisch roestvast staal, omdat deze soort niet magnetiseerbaar is. Het lijmen van roestvast staal beperkt zich tot op heden tot niet constructieve toepassingen. In een waterige omgeving bestaat het risico van uitlogen, waardoor de verbindingssterkte van de lijm aangetast wordt. Oppervlakte behandelingen kunnen de corrosieweerstand van roestvast staal vergroten, doordat de oude chroomoxide laag verwijderd en een nieuwe aangebracht wordt. De oxidelaag wordt verwijderd door het oppervlak mechanisch of chemisch te reinigen. Mechanisch reinigen bestaat uit stralen, glasparelen, sljpen of polijsten. Chemische reiniging levert een beter resultaat en bestaat uit elektrolytisch poijsten, elektrolytisch beitsen of beitsen en passiveren. Voor grote objecten zijn elektrolytisch polijsten en beitsen niet geschikt, omdat het dompelbad beperkte afmetingen heeft. Voor het ontwerpen van een sluisdeur in roestvast staal zijn de volgende conclusies getrokken. Vormgeving en materiaalkeuze zijn de voornaamste aspecten waardoor corrosie kan worden voorkomen. Voor het ontwerp van de deur is gekozen voor twee roestvast staaltypen. Namelijk het austenitische roestvast staaltype en het austenitisch-ferritische roestvast staaltype Tot slot is geconcludeerd dat de aantasting en het onderhoud van de sluisdeur alleen door nader materiaalonderzoek in het betreffende milieu kan worden bepaald. Kl

7 SYMBOLENLIJST B factor afhankelijk van f en f, E Youngs elasticiteitsmodulus [N/mm 2 ] G afschuifmodulus [N/mm 2 ] R inwendige straal [m] f uiterste treksterkte [N/mm 2] vloeigrens [N/mm 2 ] f proportionaliteitsgrens [N/mm 2 ] f vloeigrens verkregen door koudvervormen [N/mm 2] f c uiterste treksterkte door koudvervormen [N/mm 2 ] n factor, die verschilt per roestvast staalsoort - m factor afhankelijk van f en f - t dikte van het materiaal {m] c rek - rek als de vloeigrens is bereikt - S P rek als de proportionaliteitsgrens is bereikt - CY spanning [N/mm 2] 50.2 spanning, waarbij een blijvende rek van 0.2 % ontstaat [N/mm 2] XI

8 INHOUDSOPGAVE VooRwoolu. V SAMENVATTING... VII SYMBOLENLIJST... XI 1 INLEIDING MATERIAAL EN EIGENSCHAPPEN Inleiding Soorten roestvast staal Ferritisch roestvast staal Austenitisch roestvast staal Martensitisch roestvast staal Duplex roestvast staal Precipitatiehardend roestvast staal Samenvatting Nomenclatuur AISI Systeem Abbreviated System of Designation Materiaalnummer volgens Eurocode Mechanisch gedrag Koudvervormen Legeren met stikstof Kruip bij kamertemperatuur Invloed van de reksnelheid Fysische eigenschappen Samenvatting DUURZAAMHEID Inleiding Passivering van roestvast staal Corrosiemechanismen Uniforme corrosie Putcorrosie Spleetcorrosie Interkristallijne corrosie Galvanische corrosie Scheurvormende spanningscorrosie Biologische corrosie Duurzaamheid van roestvast staal in een gespecificeerde omgeving Duurzaamheid van roestvast staal onder atmosferische condities Duurzaamheid van roestvast staal in zeewater Detailleren ter verhoging van de duurzaamheid Samenvatting XIII

9 4 FABRICAGE ASPECTEN Inleiding Beschikbare producten Opslag Bewerking Merken Polijsten Snijden Boren en ponsen Koud vormen Lassen Inleiding De lasbaarheid van ferritisch roestvast staal De lasbaarheid van martensitisch roestvast staal De lasbaarheid van austenitisch roestvast staal De lasbaarheid van austenitisch-ferritisch roestvast staal Nabehandeling Las vervormingen Verontreinigingen Warm scheuren Niet-destructieve inspectiemethoden Lijmen Oppervlaktebehandelingen Inleiding Oppervlaktebehandelingen voor roestvast staal Oppervlakte-uitvoeringen Samenvatting CONCLUSIES EN AANBEVELINGEN LITERATUURLIJST BIJLAGE 1: SCHADEGEVALLEN DOOR CORROSIE IN DE PRAKTIJK Casus 1: Put corrosie van roestvast stalen pijp Casus 2: Corrosie van warmte wisselaar buizen Casus 3: Falen van Chroom-Nikkel Staal in een waterkrachtcentrale Casus 4: Putcorrosie van hoog gelegeerde austenitische rvs pijpen voor transport van rivierwater...77 BIJLAGE II: ONDERZOEKEN NAAR CORROSIE Onderzoek 1: Invloed van het molybdeengehalte op austenitisch roestvast staal Onderzoek 2: Het gedrag van NCSD in zeewater Onderzoek 3: Gedrag van roestvast staal soort 904L in zeewater toepassingen Onderzoek 4: Corrosie resistentie van chroom-nikkel roestvast staal soorten Onderzoek 5: Corrosie in zeewater systemen XV

10 1 INLEIDING De doelstelling van dit afstudeerproject is een sluisdeur te ontwerpen in roestvast staal en daarbij te streven naar minimalisering van de totale kosten. Door de hogere materiaal- en fabricagekosten zijn de stichtingskosten van een sluisdeur in roestvast staal hoger. Een roestvast stalen sluisdeur kan qua totale kosten alleen concurreren met een stalen sluisdeur indien de onderhoudskosten gedurende de levensduur aanzienlijk lager zijn. Roestvast staal bezit door de toevoeging van chroom aan de ijzerlegering een chroomoxide huid, die het materiaal tegen corrosie beschermt. Bij toepassing van roestvast staal is daarom een coating overbodig en zijn wellicht de onderhoudskosten lager. Het doel van dit deelrapport is een algemeen overzicht te geven van roestvast staal voor constructieve toepassingen. Aan de hand van dit rapport worden ontwerpaspecten bepaald die bij het ontwerpen van een sluisdeur in roestvast staal belangrijk zijn. Er bestaan vijf verschillende soorten roestvast staal, die gegroepeerd zijn op basis van hun metallurgische structuur en hun chemische samenstelling. Elke soort bestaat weer uit een aantal typen roestvast staal, die ontwikkeld zijn om aan specifieke eisen te voldoen. In hoofdstuk 2 worden deze soorten en hun eigenschappen besproken. In plaats van roestvast staal wordt dikwijls van roestvrij staal gesproken. Dit impliceert dat roestvast staal niet kan roesten. Het tegendeel is waar. In hoofdstuk 3 wordt daarom de duurzaamheid besproken. In het laatste hoofdstuk wordt een overzicht gegeven van de verschillende fabricage aspecten die van belang zijn voor de constructieve toepassing van roestvast staal.

11 2 MATERIAAL EN EIGENSCHAPPEN 2.1 Inleiding Het is al circa 200 jaar bekend dat toevoeging van chroom aan koolstof staal de corrosieresistentie in lucht en water verbetert. Verhoging van het percentage chroom verbetert deze resistentie nog meer. Staal waar chroom aan toegevoegd is, wordt roestvast staal genoemd. Het is niet eenvoudig om roestvast staal te bereiden. Er is vakmanschap voor nodig om het percentage legeringselementen binnen bepaalde grenzen te houden. Tweehonderd jaar geleden was de technologie om het koolstofgehalte in staal terug te brengen tot zeer lage percentages en het chroomgehalte onder controle te houden nog niet aanwezig. Een te hoog koolstof en/of chroom gehalte resulteert in brosse legeringen en precipitatie van chroomcarbiden. Een te laag chroomgehalte geeft onvoldoende weerstand tegen corrosie. Omdat roestvast staal een behoorlijke hoeveelheid dure legeringselementen bevat en er vele soorten bestaan die in kleine hoeveelheden geproduceerd worden, is de materiaalprijs ongeveer 5 keer de prijs van koolstof staal. Koolstof staal bestaat voornamelijk uit ijzer (Fe). Roestvast staal daarentegen bestaat voor minimaal 48 % en maximaal 85 % uit ijzer en minimaal 11 % chroom. Een typische samenstelling van koolstof staal is (in percentages van het gewicht): C Mn Si P 1 S Fe < <0.05 > 98 Het staalbereidingsproces is de oorzaak van de aanwezigheid van de overige elementen. Roestvast staal heeft naast minimaal 11 % chroom een afwijkend percentage silicium en mangaan, dit wordt veroorzaakt door de toevoeging van chroom. Een chemische samenstelling van roestvast staal is bijvoorbeeld: C 1 Mn 1 Si 1 P 1 S 1 Cr 1 Fe Er bestaan verschillende soorten roestvast staal. Niet elke soort is geschikt voor constructieve toepassingen, met name voor gelaste constructies is een zorgvuldige keuze van de roestvast staalsoort belangrijk. In dit hoofdstuk zal de samenstelling van de verschillende roestvast staalsoorten behandeld worden alsmede de overige materiaaleigenschappen, waarmee rekening moet worden gehouden bij de constructieve toepassing van roestvast staal. 2.2 Soorten roestvast staal Men onderscheidt 5 verschillende soorten roestvast staal, die gegroepeerd zijn op basis van metallur - gische structuur en chemische samenstelling. Deze soorten zijn: ferritisch roestvast staal, austenitisch roestvast staal, austenitisch-ferritisch roestvast staal (duplex rvs), precipitatiehardend roestvast staal en martensitisch roestvast staal. Elke soort bestaat weer uit een aantal typen roestvast staal, die ontwikkeld zijn om aan specifieke ei sen, zoals betere corrosieresistentie, verbeterde mechanische eigenschappen, verbeterde lasbaarheid of verbeterde bewerkingsmogelijkheden, te voldoen.

12 %Ni 20 typen 15 ische Precipi typen M arçiiiii.ii typen Ferritische typen 0 _ % Cr Figuur 2.1: Classificatie van de soorten roestvast staal op basis van hun chroom en nikkel gehalte [16]. El

13 De functie van enige, voor roestvast staal belangrijke, legeringselementen wordt hieronder kort samengevat: Chroom (ferrietvormer): Chroompercentages> 11 % gew. leiden tot passivering van staal. Chroom is daarmee het belangrijkste legeringselement in roestvast staal. Molybdeen (ferrietvormer):dit element verbetert de weerstand tegen corrosie van roestvast staal in reducerende omgevingen. Ook de weerstand tegen putvormige corrosie door chloorionen wordt verbeterd. Titaan (ferrietvormer): Titaan wordt aan roestvast staal toegevoegd om koolstof en stikstof te binden, waardoor de weerstand tegen met name interkristallijne corrosie verbeterd wordt. Nikkel (austenietvormer): Bij voldoende hoog nikkelpercentage is het austeniet ook bij kamertemperatuur stabiel. Het is naast chroom het belangrijkste legeringselement voor de austenitische kwaliteiten. Koolstof: Koolstof komt in staal altijd voor. Het is een zeer sterke austenietvormer. Uit corrosieoverwegingen wordt het koolstofpercentage in roestvast staal zoveel mogelijk beperkt. Stikstof (austenietvormer): In de austenitische kwaliteiten verhoogt stikstof de sterkte zonder de taaiheid te verlagen. In duplex roestvast staal verhoogt stikstof de weerstand tegen putcorrosie. Zwavel: Zwavel verbetert in verbinding met bijvoorbeeld mangaan de verspaanbaarheid. Toevoeging van zwavel vermindert echter de weerstand tegen corrosie, de vervormbaarheid en de lasbaarheid. De samenstelling van een legering bepaalt de structuur van het roestvast staal, waarvan de eigenschappen door een geschikte warmtebehandeling worden geoptimaliseerd. De structuur bepaalt de mechanische en fysische eigenschappen en tot op zekere hoogte ook de corrosieeigenschappen. Roestvast staaikwaliteiten worden meestal onderverdeeld op basis van hun structuur bij kamertemperatuur (zie figuur 2.1) Ferritisch roestvast staal Ferritisch roestvast staal bevat 12 tot 18 % chroom en heeft een maximum koolstof gehalte van 0.08 %. De microstructuur van ferritisch roestvast staal bestaat uit alpha- ijzer. Naast chroom worden andere elementen als molybdeen (tot 1.2 %), titanium of niobium toegevoegd. Molybdeen verhoogt de corrosieresistentie verder en door titanium of niobium toe te voegen aan roestvast staal wordt koolstof in plaats van aan chroom aan deze elementen gebonden, waardoor precipitatie van chroomcarbiden moeilijker op kan treden. Dit voorkomt interkristalljne corrosie (zie Hoofdstuk 3: Duurzaamheid). Sulfiden worden toegevoegd om de bewerking van roestvast staal te verbeteren. Door kleine hoeveelheden stikstof toe te voegen ( %) wordt de sterkte alsmede de corrosieweerstand verhoogd, doch de taaiheid verlaagd. Ferritisch roestvast staal is over het algemeen minder taai, slechter te lassen en de corrosieweerstand is in vergelijking met austenitisch roestvast staal ook slechter. Ferritisch roestvast staal is magnetisch en kan niet gehard worden door een warmtebehandeling, omdat bij roestvaste staalsoorten met meer dat 12 % chroom de ct-structuur tot aan het smeltpunt niet verandert (zie figuur 2.2). Net als austenitisch roestvast staal wordt de sterkte verhoogd door koudvervormen. Het lassen van ferritisch roestvast staal kan praktische problemen opleveren, zoals bijvoorbeeld korrelgroei. Bij het lassen van dikkere platen kunnen brosse lassen ontstaan. Typische toepassingen van ferritisch roestvast staal zijn: containers, heet water tanks, als bekleding van stalen tanks, afwasmachines en keukengerei.

14 S" 1400 L) CIJ wel 400 T L -' _- 21% (a-fe,cr) (y-fe) / Curie = jo/ t empera uur % Fe Cr Chroom, wt % 1863 = '4" ) Figuur 2.2: Chroom-ijzer dia gram [16]. *verklaring bij figuur 2.2: L = vloeibaar ijzer; a = ijzer met een ferritische structuur; 7 = ijzer met een austen jet structuur; cy = brosse fase langs de korrelgrenzen, de zogenaamde szgma-fase, dit is geen structuurver andering. body centered cube (bcc) face centered cube (fcc) 9 Figuur 23: Verschil in kristaistructuur tussen femèt (links) en austeniet (rechts).

15 2.2.2 Austenitisch roestvast staal Austenitisch roestvast staal wordt gevormd door toevoeging van nikkel aan de ijzer-chroom legering en heeft de structuur van gamma-ijzer, dat een dichtere pakking van de atomen heeft dan ferriet (zie figuur 2.3). De basissamenstelling van austenitisch roestvast staal bestaat uit een toevoeging van 18% chroom en 8 % nikkel. Om bij kamertemperatuur een austenitische structuur te behouden moet een minimum percentage van 8 % nikkel toegevoegd worden. Door nikkel wordt namelijk de lus van y-ijzer in figuur 2.2 vergroot, waardoor ook bij hogere chroomgehalten de gammastructuur niet transformeert in alphaijzer. Dit is ook de reden dat austenitisch roestvast staal niet gehard kan worden door een warmte behandeling. De sterkte kan wel verhoogd worden door koud vervormen. Molybdeen (2-6 %) kan toegevoegd worden om de resistentie tegen put- en spleetcorrosie te verhogen. Titanium stabiliseert het materiaal doordat het koolstof beter bindt dan chroom, zodat de weerstand tegen interkristalljne corrosie (zie Hoofdstuk 3: Duurzaamheid) behouden blijft en er geen precipitatie van chroomcarbiden optreedt tijdens bewerkingen bij temperaturen tussen de 450 en 800 C (bijvoorbeeld tijdens het lassen). Het koolstof gehalte in austenitisch roestvast staal is minder dan 0.08% en voor "L grades" zelfs minder dan 0.03 %. De "L grades" worden aanbevolen om lasbederf te voorkomen tijdens het lassen. Bij lasbederf treedt precipitatie van chroomcarbiden op. Dit wordt voorkomen door een laag koolstofgehalte of door stabilisatie met titanium. De corrosieresistentie van koud vervormd austenitisch roestvast staal is minder dan voor oplossend gegloeid austenitisch roestvast staal. Verder is austenitisch roestvast staal in tegenstelling tot ferritisch en martensitisch roestvast staal niet magnetiseerbaar. Austenitisch roestvast staal wordt gebruikt in de chemische- en farmaceutische industrie, in ziekenhuizen en voor nucleaire installaties, vanwege de goede corrosie-eigenschappen (zie Hoofdstuk 3: Duurzaamheid) en omdat het hygiënisch is door het harde en gladde oppervlak Martensitisch roestvast staal Martensitisch roestvast staal is ontwikkeld om roestvast staallegeringen te krijgen die corrosieresistent zijn en gehard kunnen worden door een warmte behandeling. Om martensitisch roestvast staal te kun nen harden wordt meer koolstof ( %) aan de ijzer-chroom legering toegevoegd, waardoor de gamma lus in figuur 2.2 net als door toevoeging van nikkel, ook wordt vergroot en de legering reageert op zeer snelle afkoeling (schrikken). Door het schrikken ontstaat martensiet op een soortgelijke wijze als bij koolstof ijzer. Dit houdt in dat de legering zeer snel wordt afgekoeld op een temperatuur waarbij de structuur uit gamma-ijzer bestaat, zodat de koolstofatomen niet de gelegenheid hebben zich af te scheiden. Hierdoor worden de koolstofatomen als het ware gevangen in de alfa-structuur, bij de transformatie van een austenitische- naar een ferritische structuur, met als gevolg dat martensitisch roestvast staal een verhoogde hardheid heeft door de spanning in het kristalrooster. Door de warmte behandeling verkrjgt martensitisch roestvast staal een hoge hardheid en sterkte (tot± 1800 N/mm 2). Wat betreft overige mechanische eigenschappen, zoals taaiheid, presteren ze minder goed dan de andere groepen roestvast staal. Een nadeel van martensitisch roestvast staal is dat het door het hoge koolstofpercentage niet zo corrosieresistent is als ferritisch- en austenitisch roestvast staal.

16 Sommige typen martensitisch roestvast staal bevatten nikkel (tot 2.5 %) en molybdeen (tot 0.6 %) om de corrosieresistentie te verhogen. Martensitisch roestvast staal wordt normaal gesproken niet gelast. Typische toepassing zijn turbine bladen en messen voor huishoudelijk en industrieel gebruik. vanwege de hoge sterkte en hardheid. Noot: Er bestaat tegenwoordig een nieuw soort n2artensitisch roestvast staal, zogenaamd super inartensitisch roestvast staal. De super martensieten zijn wel lasbaar en hebben naast een hoge sterkte ook een goede corrosieresistentie. Omdat mij dit niet bekend was en deze soort net op de markt is, is in dit verslag verder geen melding van deze nieuwe super marzensieten gemaakt Duplex roestvast staal Bij deze soort roestvast staal treedt een gemengde austeniet-ferriet structuur op. In duplex roestvast staal zijn de goede eigenschappen van austenitisch- en ferritisch roestvast staal gecombineerd Daardoor heeft het een zeer hoge corrosieresistentie in combinatie met een hoge sterkte. De spanning. waarbij een blijvende rek van 0.2 % ontstaat, is tweemaal zo hoog als van austenitisch roestvast staal. Duplex roestvast staal is minder gemakkelijk te fabriceren dan austenitisch roestvast staal. Duplex roestvast staal bezit een chroompercentage tussen de 21 en 25 % en een nikkel percentage van 5 tot 7%. Overige legeringselementen zijn: molybdeen %, stikstof % en koper tot 2.5%. Duplex roestvast staalsoorten bevatten lage percentages koolstof (minder dan 0.03 %) en hebben een uitstekende bescherming tegen putcorrosie, spleetcorrosie en spanningscorrosie. Vooral de goede weerstand tegen spanningscorrosie als gevolg van de gedeeltelijke ferritische structuur, is een groot voordeel van duplex roestvast staal ten opzichte van de andere roestvast staalsoorten. Belangrijk bij het lassen zijn de toe te passen lasmetalen. Om in de las ook dezelfde verhouding tussen austeniet en ferriet te handhaven is het van belang dat het lastoevoegmetaal voldoende stikstof ( %) en nikkel (7-9 %) bevatten. Duplex roestvast staal is magnetisch en het wordt toegepast in de papier-, chemische- en olie industrie, voor chemische tankers en in de on- en offshore in verband met de goede corrosieresistentie Precipitatiehardend roestvast staal Precipitatiehardend roestvast staal ontstaat door roestvast staal met een martensitische- of austenitische structuur een warmte behandeling te laten ondergaan. Hierdoor verkrjgt precipitatiehardend roestvast staal een grote hardheid, hoge vloeigrens en treksterkte en een betere vermoeiingsweerstand. Deze verbeterde mechanische eigenschappen worden verkregen door een goed gecontroleerde warmtebehandeling, die bestaat uit het afschrikken en vervolgens nagloeien van de legering. Het austenitisch roestvast staal dat gebruikt wordt om precipitatiehardend roestvast staal te produceren heeft een lager nikkel gehalte om transformatie naar martensiet mogelijk te maken. Behalve de legeringen met een hoog fosfor gehalte, kan precipitatiehardend roestvast staal gelast worden. Verder is het magnetisch in tegenstelling tot austenitisch roestvast staal dat niet magnetisch is. Precipitatiehardend roestvast staal vindt toepassing in de lucht- en ruimtevaart industrie, als onderdelen voor turbines, motoren en compressors in verband met de hoge sterkte.

17 Tabel 2.1: Percentage legeringselementen per soort roestvast staal. Soort roestvast Percentage legerings- Percentage eventueel toe te voegen staal elementen (%) legeringselementen_(%) Cr Ni C Mo N Cu Ti S ferritisch <0.08 < >0.15 austenitisch < >0.15 martensitisch < < ' >0.15 duplex < < Titanium kan bij alle soorten in kleine hoeveelheden toegevoegd worden. Tabel 2.2: Eigenschappen per soort roesivast staal. Soort roestvast staal Eigenschappen Corrosie- Magnetisch Sterkte Taaiheid Lasbaarheid resistentie ferritisch austenitisch ± martensitisch duplex precipitatiehardend 0 ±/2) De sterkte wordt verhoogd door koudvervormen. Het magnetisch zijn van precipitatiehardend roestvast staal is afhankelijk van het uitgangsmateriaal; austeniet of martensiet. 10

18 2.2.6 Samenvatting Van de verschillende soorten roestvast staal wordt austenitisch roestvast staal het meest gebruikt voor constructieve toepassingen. In bepaalde omstandigheden kan duplex roestvast staal met hogere sterkte en betere corrosie resistentie overwogen worden of het goedkopere ferritisch roestvast staal met een lagere corrosie resistentie. In de tabellen 2.1 en 2.2 zijn de eigenschappen van de soorten roestvast staal nog eens op een rijtje gezet. 2.3 Nomenclatuur Er zijn verschillende manieren om het percentage legeringselementen in roestvast staal te beschrijven, de belangrijkste zijn: AISI Systeem, Abbreviated System of Designation en Materiaalnummer volgens de Eurocode AISI Systeem Dit systeem wordt gebruikt door the American Iron and Steel Institute (AISI) en wordt wereldwijd gebruikt. Het definieert elke soort roestvast staal met een nummer en een letter. C = hoog koolstofgehalte B = lager koolstofgehalte dan C A = lager koolstofgehalte dan B L = zeer lage koolstofpercentages F = vrije machinale bewerking (hoog zwavelgehalte) N = verhoogd stikstofgehalte Se = selenium Ti = titanium Cb = columbium = Nb= niobium De 200 en 300 series in de Amerikaanse normen zijn gereserveerd voor austenitisch roestvast staal en de 400 serie voor martensitisch en ferritisch roestvast staal. De 600 serie is voor precipitatiehardend roestvast staal. Bijvoorbeeld 304LN betekent een austenitisch roestvast staal met een laag koolstofgehalte en een verhoogd stikstofgehalte Abbreviated System of Designation Het Abbreviated System of Designation bestaat uit een serie letters en cijfers, die de metallurgische samenstelling weergeven. Het wordt eveneens wereldwijd gebruikt om de benaming volgens de verschillende codes met elkaar te kunnen vergelijken. Bijvoorbeeld: X2CrNi 1911 X = hoog gelegeerd staal 2 = koolstofgehalte in 1/100 van het percentage, C = 0.02 % Cr = chroom met percentage 19 % Ni = nikkel met percentage 11 % X 2 CrNi correspondeert met AJSI type 304L en met materiaal nummer volgens de Eurocode.

19 Tabel 2.3: Soorten roest-vast staal en hun benaming volgens de Eurocode of de AlS!. Micro-structuur Chemische samenstelling Eurocode USA materiaal nr.: AISI: UK ferriet X7CrAII3 405 X8CrI7 430 X1OCr X1OCr austeniet X5CrNi X2CrNi L X2CrNi X6CrNiTi X5CrNiMo X2CrNiMo L austeniet X2CrNiMo X2CrNiMo L X1NiCrMoCu I7LMN X6CrNiMoTi T1 austeniet X2CrNiNI LN X2CrNiMoNI LN X2CrNiMoN L X1NiCrMoCuN austeniet X2CrNiNI ILN (302LN) XI2CrI3 410/416 X20CrI X30CrI3 420 martensiet X40CrI3 420 X90Cr17 440B X15CrN1I X3SCrMoI austeniet-ferriet X2CrNiMoN S X4CrNiMoN X2CrNiMoCuWN J S cr N/mm Figuur 2.4: Spanning-rek gedrag van verschillende staalsoorten. 12

20 2.3.3 Materiaalnummer vol gens Eurocode Het materiaalnummer wordt gehanteerd in de Eurocode en wordt niet alleen voor roestvast staal gebruikt, maar voor alle materialen. Het materiaalnummer bestaat uit vijf cijfers. Bijvoorbeeld betekent: "1" het eerste getal geeft aan dat het om een ijzerlegering gaat "43" de volgende twee cijfers geven aan dat het om roestvast staal gaat met een nikkel percentage ~ 2.5 %, zonder molybdeen, niobium en titanium "06" de laatste twee cijfers definiëren het specifieke type roestvast staal Naast "43" zijn er nog andere aanduidingen voor roestvast staal, zoals: betekent een nikkel percentage < 2.5 % zonder molybdeen, niobium en titanium: betekent een nikkel percentage < 2.5 % met molybdeen, maar zonder niobium en titanium; '44" betekent een nikkel percentage ~ 2.5 % met molybdeen, maar zonder niobium en titanium; "45" betekent speciale toevoegingen. De correlatie tussen de verschillende staalaanduidingen in verschillende landen staat weergegeven in tabel Mechanisch gedrag De spannings-rek relatie van roestvast staal verschilt van koolstof staal in een aantal opzichten (zie figuur 2.4): Niet lineair Het belangrijkste verschil is de vorm van de spannings-rek curve, die bij koolstof staal tot aan de vloeispanning lineair is en waarbij vôdr versteviging een duidelijk vloeiplateau optreedt. Roestvast staal heeft geen duidelijke vloeigrens. Daarom wordt in plaats van de vloeispanning die spanning genomen, waarbij een blijvende rek van 0.2 % ontstaat, O2. Daarnaast is de proportionaliteitsgrens van roestvast staal laag in vergelijking tot koolstof staal. De proportionaliteitsgrens geeft het punt aan waar het spanningsrek verloop ophoud lineair te zijn. Voor koolstof staal is de proportionaliteitsgrens tenminste 70 % van de vloeigrens. Bij roestvast staal ligt de proportionaliteitsgrens tussen de 36 en 60 % van de vloeigrens. Een lage proportionaliteitsgrens beïnvloedt het knikgedrag nadelig en vermindert de sterkte van constructie-elementen. Niet symmetrisch Het verloop van de curve is verschillend onder trek- en druk belasting. Voor de gegloeide conditie lijkt de curve onder trek minder lineair (niet altijd) te zijn. Dit gedrag behoeft niet noodzakelijk ook op te treden bij koud vervormde materialen. Anisotroop Ook het spannings-rek gedrag van gewalste elementen verschilt in de richting parallel aan de walsrichting en loodrecht op de walsrichting, met andere woorden het materiaal is anisotroop. Voor austenitische soorten blijkt de treksterkte in de transversale richting (loodrecht op de walsrichting) lager te zijn dan in de longitudinale richting (parallel aan de walsrichting). Voor testen worden daarom transversale coupons gebruikt. Samengevat betekent dit dat er vier karakteristieke spannings-rek relaties zijn, wanneer gekeken wordt naar symmetrie (trek en druk) en anisotropie (transversaal en parallel). 13

21 Tabel 2.4: Mechanische eigenschappen van enkele typen roestvast staal. Type Uiterste trek- Rek Soort sterkte materiaal nr.: (N/mm 2) N/mm2) X7CrAI < X8CrI7 430 < ferritisch X1OCr X1OCr X2CrNi (304L) X2CrNiMo X2CrNiN austenitisch X5CrN X1NiCrMoCu X6CrNiTi X2CrNiMo X2CrNiMoN duplex X2CrNiMoCuN super duplex Tabel 2.5: Elastische eigenschappen van enkele typen roestvast staal. Type Initiële elasticiteitsmodulus, E Afschuifrnodulus, G (N/mm 2) (N/mm 2) transversaal longitudinaal Tabel 2.6: Vloeigrens en treksterkte van koudvervormde producten. Nominale sterkte Product vorm Koud gewalste strip en plaat Koud gewalste staven f 2 N/mm N/mm N/mm 2 f N/mm C ' C 850 / C ' 800 C C 1150" C 1300" 'Voor berekening volgens de EUROCODE Deel 1.4 geldt f ~ 480 N/mm 2. 2) De maximum diameter voor deze sterkte klasse is afhankelijk van de fabrikant, maar moet in elk geval groter zijn dan 35 mm voor C 700 en niet meer dan 25 mm voor C

22 Met behulp van de Ramberg-Osgood curve kan het ware spannings-rek gedrag van roestvast staal beschreven worden. E 0.002(- c0.2} waarin: c E de rek; de elasticiteitsmodulus; de spanning; O.2 de spanning waarbij een blijvende rek 0.2 % ontstaat; n een factor is, die verschilt per soort roestvast staal; Het niet lineaire gedrag van de spannings-rek curve wordt gekarakteriseerd door de factor n. Een lagere waarde van n impliceert een grotere niet-lineariteit. De waarde van n wordt verkregen uit de verhouding tussen de proportionaliteitsgrens (Oüi = f) en de 0.2% rekgrens (O2 = f): n= lo SPJ - log(0.05) - i0cfy Voor koolstof staal wordt de curve beschreven met behulp van een n factor groter dan Koudvervormen Koudvervormen heeft een duidelijk effect op het spannings-rek diagram. Door koudvervormen wordt de hardheid vergroot evenals de treksterkte en de 0.2% rekgrens. De taaiheid en de elasticiteitsmodulus nemen af. De mate waarin de vloeigrens wordt verhoogd door koudvervormen is het kleinst bij druk in de longitudinale richting en het grootst bij druk in transversale richting. De anisotropie van het materiaal wordt groter door koudvervormen. Lassen en warmtebehandelingen doen de sterkte verhoging door koudvervormen deels te niet. Speciaal, austenitisch roestvast staal ontwikkelt een hoge mechanische sterkte door koudvervormen. Dit gedrag wordt deels veroorzaakt door een gedeeltelijke transformatie van austeniet naar martensiet. De sterkte toename wordt bepaald door de chemische samenstelling. Nikkel, mangaan, koolstof en stikstof verlagen de mate van versterking. Om voor austenitisch roestvast staal een taaiheid van 15% te behouden moet het koudvervormen beperkt worden tot 30%. Tijdens de fabricage moet men rekening houden met het lokaal verhogen van de sterkte in profielen. Een toename van O.2 met 50 % is typisch voor hoeken in profielen (15% koudvervormen). Omdat het effect lokaal is, is de verhoging van de sterkte van het profiel afhankelijk van de plaats van de hoeken. Gebruik maken van dit effect bij berekeningen is niet toegestaan, omdat er nog niet voldoende onderzoek is gedaan en er geen ontwerpregels ten aanzien van vergroting van de doorsnedegrootheden zijn. Een onderzoek van G.J. van den Berg en P. van der Merwe [4] beschrijft de volgende relatie tussen de vloeigrens en de straal verkregen door koudvervormen: 15

23 B f. f, c (Rit) waarin: B = [ 1.340; m = f y f. = vloeigrens van het originele materiaal; R = inwendige straal; t = dikte van het materiaal; Het onderzoek had alleen betrekking op Rit verhoudingen van 2 Rit 7 en hoeken van 90. De verhouding van flf. lag tussen de 1.57 en Legeren met stikstof Door toevoeging van stikstof aan austenitisch roestvast staal wordt de 0.2% rekgrens verhoogd. Een sterkte verhoging met een faktor 2 is haalbaar, zodat de 0.2% rekgrens vergelijkbaar is met duplex roestvast staal of met kouddeformeren. In tabel 2.4 staat vermeld dat type een 0.2% rekgrens van 350 N/mm 2 heeft. Aan dit type austenitisch roestvast staal is stikstof (N) toegevoegd. 2.7 Kruip bij kamertemperatuur In de meeste metaallegeringen, hoewel niet in koolstof staal, treedt kruipvervorming op, evenzo in roestvast staal. Dit gedrag is voornamelijk van belang bij belasting gedurende lange perioden in de buurt van O2. Maximale kruip vervorming treedt op bij een temperatuur van 50 C en verdwijnt weer bij een temperatuur van 300 C. Het precieze mechanisme waardoor kruip bij roestvast staal ontstaat is niet bekend. Het meeste onderzoek naar kruipvervorming beslaat een tijdspanne van slechts 2 dagen en is daarom van minder belang. Een onderzoek van M. Tendo, T. Takeshita, T. Nakazawa en H. Abo [12] beslaat 42 dagen en zij komen tot de volgende conclusies: Koud vervormde materialen zijn minder gevoelig voor kruip; De kruiprek is niet afhankelijk van het koolstof gehalte; Austenitisch roestvast staal met stikstof is gevoeliger voor kruip. Een onderzoek door Avesta AB [12] constateerde een totale rek (na 1000 uur) van 0.03 tot 0.05 o,/ bij koudvervormd roestvast staal en bij gegloeid roestvast staal van 1 tot 2 %. Het ging om austenitisch en duplex roestvast staal. In de meeste gevallen is kruip bij kamertemperatuur geen probleem. Als de doorbuiging op lange ter - mijn een probleem is, dan wordt geadviseerd de spanningen te beperken tot 0.6o 2. Deze kruip manifesteert zich als extra doorbuiging bij balken [12]. 17

24 reksnelheid curve (per sec.) <7 reksnelheid curve (per sec.) Nlrnrn iio x L \ L %c 0 Figuur 2.5: Invloed van de reksnelheid op 304L en 316L. [12] Tabel 2.7: Fysische eigenschappen van een aantal typen roestvast staal Roestvast staalsoort Materiaalnummer Dichtheid Warmtegeleiding Thermische uitzet- (kgidm) W/mK ting C (10 6/ C) Niet gelegeerd staal Martensitisch X20Cr X35CrMo Austenitisch X5CrNi X2CrNi X2CrNi X2CrNiN X2CrNiN X5CrNiMoI X2CrNiMo X2CrNiMoN X2CrNiMo X2CrNiMo X2CrNiMoN X1NiCrMoCuN X1NiCrMoCu X6CrNiTi X6CrNiMoTi Duplex X2CrNiMoN X2CrNiMoCuN

25 2.8 Invloed van de reksnelheid De gevoeligheid voor de reksnelheid is bij roestvast staal groter dan bij koolstof staal. Dat wil zeggen dat proportioneel een grotere sterkte bereikt kan worden bij hoge reksnelheden. De meeste onderzoeken naar de invloed van de reksnelheid concentreren zich op hoge reksnelheden en op het plastisch gebied. Een aantal typische rekspannings-curven zijn weergegeven in figuur 2.5. De Euro Inox [12] heeft een onderzoek gedaan naar lage reksnelheden van 1.5 x 10 en 1.5 x 10 per seconde en komt tot de conclusie dat de 0.2 % rekgrens gemiddeld 4 % lager wordt. 2.9 Fysische eigenschappen Voor enkele typen roestvast staal worden de fysische eigenschappen gegeven in tabel 2.7. Ferritisch roestvast staal heeft dezelfde thermische uitzettingscoëfficiënt als koolstof staal (12 x 10 6/ C), maar voor austenitisch roestvast staal is de uitzettingscoëfficiënt groter. Daarnaast is de thermische geleiding laag in vergelijking met koolstof staal (circa 1/3). Dit heeft tot gevolg dat grote vervormingen en restspanningen kunnen optreden tijdens het lassen. Maar ook bij slijpbehandelingen kan de lokale verhitting tot krom trekken leiden Samenvatting Koolstof staal bestaat voornamelijk uit ijzer (Fe). Om roestvast staal te maken moet minimaal 11% chroom aan staal toegevoegd worden. Er bestaan vijf verschillende soorten roestvast staal, die gegroepeerd zijn op basis van hun metallurgische structuur en hun chemische samenstelling. Deze soorten zijn: precipitatie-hardend roestvast staal; martensitisch roestvast staal; ferritisch roestvast staal; austenitisch roestvast staal; austenitisch-ferritisch (duplex) roestvast staal. Deze soorten ontstaan door verschillende percentages legeringselementen aan de ijzer-chroom legering toe te voegen. Zo bestaat ferritisch roestvast staal voornamelijk uit ijzer en chroom. Door een bepaald percentage nikkel toe te voegen aan de ijzer-chroom legering ontstaat austenitisch roestvast staal. Kenmerkend voor austenitisch roestvast staal is dat het niet magnetiseerbaar is in tegenstelling tot de overige soorten roestvast staal. Austenitisch-ferritisch roestvast staal bestaat eveneens uit ijzer, chroom en nikkel, maar het percentage nikkel is lager, waardoor een gemengde austeniet-ferriet structuur ontstaat. Kenmerkend voor austenitisch-ferritisch roestvast staal is de goede weerstand tegen corrosie en de hoge 0.2% rekgrens. Martensitisch roestvast staal bestaat uit chroom, ijzer en een hoger percentage koolstof. Precipitatie hardend roestvast staal ontstaat door martensitisch of austenitisch roestvast staal een warmte behandeling te laten ondergaan. Het mechanisch gedrag van roestvast staal verschilt in een aantal opzichten met koolstof staal. Zo is de spannings-rek relatie van roestvast staal: niet lineair, er is geen duidelijk vloeiplateau aanwezig, waardoor in plaats van de vloeispanning de spanning behorende bij de 0.2% rekgrens genomen wordt. Daarnaast ligt de proportionaliteitsgrens tussen de 36 en 60 % van de 0.2% rekgrens in plaats van 70% bij koolstof staal. niet symmetrisch, de curve is verschillend onder trek- en drukbelasting. anisotroop, het spannings-rek gedrag verschilt in de richting parallel en loodrecht op de walsrichting. 19

26 Koudver'vormen heeft een duidelijk effect op het spannings-rek diagram. De hardheid. treksterkte en 0.2% rekgrens worden vergroot. Vooral austenitisch roestvast staal ontwikkelt een hoge mechanische sterkte tijdens koudvervormen. door de gedeeltelijke transformatie van austeniet naar martensiet. De fysische eigenschappen zoals de thermische uitzettingscoëfficiënt en de warmtegeleiding verschillen per soort roestvast staal. Bij austenitisch roestvast staal in het bijzonder verschillen ze met koolstofstaal. Vooral austenitisch roestvast heeft een hogere uitzettingscoëfficiënt en een lagere thermische geleiding. Dit heeft tot gevolg dat grote vervormingen en restspanningen kunnen optreden tijdens het lassen. De overige roestvast staalsoorten hebben vergelijkbare fysische eigenschappen als koolstof staal. 21

27 3 DIJURZAAMHEID 3.1 Inleiding In plaats van roestvast staal wordt dikwijls van roestvrij staal gesproken. Dit impliceert dat roestvast staal niet kan roesten. Dit is niet het geval, roestvast staal kan wel degelijk roesten. In dit hoofdstuk zal daarom de duurzaamheid van roestvast staal worden besproken. In paragraaf 3.2 worden de eigenschappen van het oxidehuidje op roestvast staal besproken. De verschillende corrosiemechanismen, die roestvast staal kunnen aantasten, worden in paragraaf 3.3 beschreven. De gevoeligheid voor deze aantastingsmechanismen verschilt per roestvast staaltype en is tevens afhankelijk van het milieu waarin het roestvast staal zich bevindt. In paragraaf 3.4 wordt de aantasting onder atmosferische condities en in water besproken. Corrosie van roestvast staal kan voorkomen worden door een goede detaillering van de constructie. Deze detailleringen ter verhoging van de duurzaamheid worden behandeld in paragraaf Passivering van roestvast staal De meeste metalen vormen een oxidelaagje op het oppervlak als ze blootgesteld zijn aan lucht en water. De oxidelaag, die zich op koolstof staal vormt, wordt gemakkelijk afgebroken. Er vindt een reactie plaats tussen staal (Fe). vocht (H 20) en zuurstof (02), waarbij roest ontstaat. Deze reactie is complex en wordt schematisch beschreven door de volgende chemische vergelijking: 4Fe => 2Fe70 3 H70 Het product 2Fe203 H 20 wordt roest genoemd en beschermt het staal slechts in geringe mate tegen verdere corrosie. Het chroom, dat toegevoegd wordt aan roestvast staal, zorgt voor een dun en dicht laagje chroomoxide op het staaloppervlak. Dit laagje geeft roestvast staal zijn goede corrosieresistentie en voorkomt dat het staal reageert met de atmosfeer. Voorwaarde voor het ontstaan van het chroomoxide huidje is wel dat staal blootgesteld wordt aan lucht of een ander oxiderend medium. Omdat het laagje roestvast staal als het ware passiveert, hetgeen inhoudt dat roestvast staal niet actief corrodeert, wordt het laagje ook wel passieve laag genoemd. De dikte van het laagje chroomoxide is slechts 1-10 nm. waardoor het staal een min of meer glimmend metallisch uiterlijk heeft. De samenstelling en dikte van het laagje zijn afhankelijk van de samenstelling van roestvast staal, de oppervlaktebehandeling en de omgeving waarin het staal zich bevindt. De passieve laag herstelt zichzelf bij beschadiging, waardoor het niet noodzakelijk is de laag te repare ren. Wanneer de passieve laag beschadigd wordt en zich niet opnieuw kan vormen, omdat er onvoldoende zuurstof aanwezig is, treedt corrosie van roestvast staal op. 3.3 Corrosiemechanismen In het algemeen geldt dat de materiaalkosten hoger worden indien het materiaal door toevoeging van legeringselementen corrosieresistenter wordt. Uit onderzoeken blijkt dat als ernstige corrosie van roestvast staal optreedt, dit gebeurt in de eerste drie jaren na in gebruik name van de constructie. Met dien verstande dat de omstandigheden, waarin het materiaal zich bevindt, onveranderd zijn. Een ander 23

28 Figuur 3.1: Putcorrosie. Tabel 3.1: PRE (pitting resistance equivalent) voor verschillende roestvast staaltypen. Roestvast staalsoort Materiaalnummer PRE Martensitisch X20Cr X35CrMo Austenitisch X5CrN X2CrN1I X2CrNi X2CrNiNI X2CrNiNI X5CrN1Mo X2CrNiMo X2CrNiMoN X2CrNiMoI X2CrNiMoI X2CrNiMoNI XINiCrMoCu X6CrNiTi X6CrNiMoTiI Duplex X2CrNiMoN X2CrNiMoCuN

29 medium, vervuiling van het oppervlak of het ontstaan van spleten kunnen ook later leiden tot ernstige corrosie. In de volgende paragrafen worden de verschillende corrosiemechanismen besproken Uniforme corrosie Vanwege de beschermende chroomoxidelaag is uniforme corrosie in de meeste milieus verwaarloosbaar en heeft het geen invloed op roestvast staal Putcorrosie Bij deze vorm van corrosie is de aantasting sterk gelokaliseerd. De aantasting ontstaat doordat lokaal de passieve laag doorbroken wordt door aanwezigheid van chloride-ionen of de andere halogenen en sulfaten. Chloride-ionen penetreren de passieve laag op zwakke plekken. Er wordt op die plek een anode gevorrnd en het overige oppervlak dient als kathode. Ter plaatse van de anode wordt het staal geoxideerd, terwijl bij de kathode water wordt gereduceerd (zie figuur 3.1). De volgende reacties vinden plaats aan de anode en de kathode: 21-1,0 ± Q + 4 e =::> 40ff kathode Fe =' Fe e anode Doordat het oppervlak van de anode klein is en die van de kathode groot, is bij de anode de stroomdichtheid groot en de corrosiesnelheid van het materiaal hoog. De lokaal geconcentreerde chloride-ionen vormen een film, waardoor repassivatie moeilijker wordt. Doordat chloride-ionen voornamelijk voorkomen in kustgebieden en zeewater zijn dit de meest agressieve milieus. De gevoeligheid voor putcorrosie neemt toe bij toenemende concentratie chioride, bij toenemende temperatuur, en zuur2raad (lagere ph). Molybdeen bevattend roestvast staal heeft een hogere corrosieweerstand tegen putcorrosie en wordt aangeraden voor agressieve maritieme- en industriële milieus. De weerstand tegen putcorrosie wordt bepaald door de chemische samenstelling van roestvast staal. Chroom, molybdeen en stikstof verhogen deze weerstand. Met behulp van de pitting index (PRE) kan de invloed van legeringselementen op de weerstand tegen putcorrosie bepaald worden. PRE=%Cr+3.3 x%mo±30x%n In tabel 3.1 staat voor enkele roestvast staaltypen de PRE-waarde weergegeven Spleetcorrosie Spleetcorrosie treedt onder dezelfde omstandigheden op als putcorrosie. Corrosie initieert gemakkelijker in een spleet, omdat zuurstof nodig is om de passieve laag in stand te houden. Diffusie van zuurstof in de spleet is moeilijker, waardoor de passieve laag zich moeilijker ontwikkelt ter plaatse van een spleet. De mate van corrosie is afhankelijk van de geometrie van de spleet. Een smallere spleet betekent zwaardere corrosie en een grotere kans op toename van het gehalte chloride-ionen. Indien de passieve laag doorbroken wordt (put of spleet). treedt in het medium lokaal verzuring op. Verzuring en migratie van chloride-ionen zorgen ervoor dat het corrosieproces continueert (autokatalvtisch). Een typische plek voor spleten is tussen moeren en onderlegringen of in lassen die niet goed doorgelast zijn. Net als bij putcorrosie kunnen legeringselementen als chroom, molybdeen en stikstof de weerstand tegen deze vorm van corrosie verhogen. 25

30 IllhU.. Figuur 3.2: lnterknstallijne corrosie. Figuur 3.3: Galvanische corrosie. mwei

31 3.3.4 Interkristallijne corrosie Interkristallijne corrosie is het gevolg van een inhomogene microstructuur. Bij precipitatie van chroomcarbiden kan nabij delen van de microstructuur minder chroom aanwezig zijn, waardoor de beschermende passieve laag niet effectief is. Langs de korrelgrenzen ontstaan gebieden waar teveel chroom aan de metaalmatrix onttrokken is en in carbide is omgezet. De anodische gebieden liggen langs de korrelgrenzen. terwijl de kristaivlakken als kathode dienst doen (zie figuur 3.2). Precipitatie van chroomcarbiden kan optreden tijdens het lassen of bij verwarmen tussen een temperatuur van 450 C en 850 C. Of precipitatie van chroomcarbiden optreedt is afhankelijk van het koolstof gehalte en de tijd waarin de legering zich in het kritische temperatuurgebied bevindt. Omdat de staalsoorten 304L, 31 6L en duplex 2205 lage koolstofpercentages (0.03 %) bevatten is precipitatie van chroomcarbiden over het algemeen geen probleem. Een andere mogelijkheid om precipitatie van chroomcarbiden te voorkomen, is het toevoegen van de elementen, titanium of niobium, welke een grotere affiniteit met koolstof hebben dan chroom, waardoor de matrix niet plaatselijk ontchroomd wordt Galvanische corrosie Deze vorm van lokale corrosie kan optreden wanneer er elektrisch contact is tussen verschillende metalen, die in contact staan met hetzelfde milieu (zie figuur 33). Wanneer de evenwichtspotentialen van de materialen verschillen, zal de combinatie een potentiaalwaarde aannemen die ergens tussen de afzonderlijke waarden in ligt. Dit betekent voor het onedele metaal (met de meest negatieve evenwichtspotentiaal) een potentiaal verhoging, waardoor de corrosiesnelheid van het metaal zal toenemen (anode). Bij het edeler metaal is het omgekeerde het geval (kathode). Afhankelijk van factoren als geometrie en elektrische geleiding van de oplossing, zal de aantasting dicht bij het contactvlak optreden of zich meer over het oppervlak uitspreiden. De intensiteit van de extra aantasting is, behalve van de elektrochemische karakteristiek van de metalen, sterk afhankelijk van de oppervlakteverhouding van het onedele en het edele deel. Vooral een klein onedel oppervlak is nadelig, zoals bij putcorrosie. Deze vorm van corrosie is relevant als roestvast staal en koolstof staal of laag gelegeerde staalsoorten met elkaar in contact komen. Het treedt ook op, maar in veel mindere mate, tussen verschillende soorten roestvast staal. Dit is van belang bij de keuze van geschikte lastoevoegmaterialen. Het lastoevoegmateriaal moet even edel of edeler zijn als het moedermateriaal. Austenitisch roestvast staal is gewoonlijk edeler en vormt de kathode, waardoor het niet corrodeert. In corrosieve omgevingen, zoals industriële- of maritieme milieus, kunnen geen martensitische of ferritische bouten toegepast worden om austenitisch roestvast staal te verbinden. Galvanische corrosie kan voorkomen worden door isolatie aan te brengen tussen de metalen en zo het elektrisch contact te verbreken; verf of coating aan te brengen op het meest edele metaal. Als het kathode oppervlak (edeler metaal) veel groter is dan het oppervlak van het onedeler metaal is het risico van ernstige corrosie veel groter; bedekken van het meest onedel oppervlak is ook een mogelijkheid, maar bij een klein defect in de deklaag treedt meteen ernstige corrosie op door de ongunstige oppervlakte verhoudingen. 27

32 3.3.6 Scheurvormende spanningscorrosie In vrijwel alle technisch gebruikte constructiemetalen kunnen. als zij in een bepaalde corrosieve omgeving onderhevig zijn aan een op zichzelf onschadelijke trekspanning, scheuren ontstaan die tot een breuk kunnen leiden. Dit verschijnsel dat geheel of gedeeltelijk wordt veroorzaakt door elektrochemische reacties wordt scheurvormende spanningscorrosie genoemd. Voor het falen door spanningscorrosie is een bepaalde incubatietijd nodig tot de eerste scheur. Propagatie van de scheur gaat daarna snel. Het corrosieproces gaat gepaard met zo weinig materiaalverlies dat het ontstaan van de scheuren vaak met het blote oog niet kan worden waargenomen, waardoor de scheuren een onverwacht verloop hebben. Het optreden van spanningscorrosie is afhankelijk van: de aanwezigheid van een trekspanning; het milieu, van belang zijn met name de chioridenconcentratie, zuurstofgehalte en de temperatuur; de materiaalsoort en de conditie, waarin het materiaal zich bevindt. Het optreden van spanningscorrosie is alleen mogelijk als er in het materiaal een trekspanning heerst. Niet de gemiddelde trekspanning in een onderdeel is maatgevend voor het verloop van het corrosieproces, maar een spanningsconcentratie. Spanningsconcentratie ontstaan door een plotselinge verandering in de geometrie. Bijvoorbeeld ter plaatse van een put, kerf of voor een scheurfront. Een spanningsconcentratie wordt gekarakteriseerd met de spanningsintensiteitsfactor K. De scheur ontstaat bij een bepaalde initiële waarde van K Bij het voortiopen van de scheur kan K een kritieke waarde bereiken, waarbij breuk optreedt. Tijdens de groei van de scheur (van Kinitjee] tot aan Klu-itiek) geldt: vrijkomende vervorming- energie nodig om nieuw energie nodig om nieuw energie bij voortiopen van de ~ scheuroppervlak te vormen + plastisch gedeformeerd scheur gebied te vormen Bij het optreden van elektrochemische corrosiereacties wordt de hierboven gegeven energiebalans voor de directe omgeving van de scheur: vrijkomende vrijkomende energie nodig om nieuw energie nodig om vervor- + elektro- > scheuroppervlak te vor- + nieuw plastisch gedemingenergie chemische men formeerd gebied te energie vormen Hierdoor kan scheurgroei plaatsvinden bij een lagere K-waarde, dan de initiële K-waarde. Bij toepassing van martensitisch roestvast staal in een maritiem- of industrieel milieu moet voornamelijk rekening worden gehouden met spanningscorrosie. Over het algemeen treedt spanningscorrosie niet op bij austenitisch roestvast staal bij kamertemperatuur, maar het kan voorkomen bij temperaturen boven de 50 C in een omgeving met chlorideionen. Verlaging van het percentage nikkel, zoals bij ferritisch- of duplex roestvast staal reduceert de gevoeligheid voor spanningscorrosie. Bij austenitisch roestvast staal reduceert juist verhoging van het percentage nikkel (>20%) de gevoeligheid voor spanningscorrosie. Niet alleen nikkel, maar ook verhoging van het percentage molybdeen (>4%) reduceert de gevoeligheid voor spanningscorrosie. Door de microstructuur van duplex roestvast staal heeft duplex roestvast staal een betere weerstand tegen spanningscorrosie dan austenitisch roestvast staal. pis

33 3.3.7 Biologische corrosie Onder biologische corrosie wordt de aantasting van materialen door micro-organismen verstaan. Micro-organismen zijn aanwezig in alle natuurlijke vochtige omgevingen en gebruiken alles wat voorhanden is als voedselbron. Ze hechten zichzelf aan bijna alle oppervlakken, vermenigvuldigen zich en bouwen biomassa op. Terwijl ze dit doen, scheiden ze een slijmachtige substantie af waarin ze zich nestelen, dit wordt de biofilm genoemd. Biologische corrosie wordt gekarakteriseerd door twee kenmerken. Deze zijn: verandering van de overgang tussen metaal en oplossing door microbiologische activiteiten; groei van bacteriën in de biofilm, waardoor microbiologisch activiteiten versterkt worden. De wijze waarop de biologische aangroei op metaaloppervlakken de passieve laag kan veranderen wordt nog niet begrepen. In Microbially influenced corrosion of materials [14] wordt beschreven dat corrosieresistente metalen als titanium en roestvast staal door hun homogene oxide laag een goede ondergrond voor biologische aangroei vormen. Niet-passieve metalen als koper-nikkel legeringen daarentegen, hinderen de aanhechting door de verschillende soorten corrosieproducten en het giftig zijn van koperionen, die uit het oppervlak weken. Van koper en koperlegeringen werd gedacht dat ze niet vatbaar zijn voor biologische corrosie, omdat koper giftig is voor organismen. Maar gebleken is dat enkele bacteriën wel bestand zijn tegen koper en door vorming van de biofilm andere organismen niet meer in contact staan met koper, waardoor corrosie verder wordt gepropageerd. Tot nu toe blijkt titanium het best bestand te zijn tegen aantasting door organismen, vanwege de uiterst stabiele oxide laag. Als roestvast staal blootgesteld wordt aan stromend zeewater, treedt er binnen een periode van uur hechting van pioneer bacteriën aan de passieve oxide laag op. Na een week zullen grotere organismen zich hechten aan het oppervlak. De structuur op het oppervlak is als een lappendeken. De vervuiling is niet homogeen en als gevolg daarvan treden anodische en kathodische oppervlakken op, waarbij de niet aangetaste oppervlakken als kathode dienst doen, terwijl de plekken waar het oppervlak bedekt wordt door verschillende organismen dienst doet als anode door gebrek aan zuurstof. Bij het voortschrijden van het corrosieproces worden corrosieproducten gevormd door het oplossen van het metaal. Hierdoor wordt de vervuiling heterogener. Deze corrosieproducten kunnen roestvast staal tegen verdergaande aanval beschermen. Deze bescherming hangt af van de mate waarin deze passieve film zich aan het oppervlak hecht, blijft zitten bij stroming en zich opnieuw vormt bij beschadiging. Biologische corrosie is geen nieuwe vorm van corrosie. maar versnelt de initiatie tijd en de propagatiesnelheid van andere corrosiemechanismen. Over het algemeen wordt verondersteld dat biofllms pittinginitiatie van roestvast staal stimuleren door: verschil in beluchting van het oppervlak; vergroten van de snelheid waarmee oxide gereduceerd wordt aan de kathode; introductie van nieuwe kathodische reacties. Door verschil in beluchting verandert het zuurstofgehalte. Aan de binnenzijde van de biofilm is gebrek aan zuurstof, waardoor sulfaat-afbrekende bacteriën zich kunnen voortplanten. Deze bacteriën hebben geen zuurstof nodig en reduceren sulfaat tot zwavelzuur. Hierdoor wordt de ph lager en wordt de corrosie reactie bevorderd. Een ander gevolg van verschil in beluchting is de versterking van put- en spleetcorrosie. Het afwezig zijn van zuurstof is een dominant mechanisme bij de eerste stap tot spleet corrosie en kan initiatie van locale aantasting versnellen. Selectieve aantasting door bacteriën ter plaatse van lassen kan optreden bij aanwezigheid van ijzeroxiderende bacteriën. Deze bacteriën vormen concentraties van cellen en kunnen austeniet aantasten bij lassen van duplex ferriet-austeniet. 31

34 Tabel 3.2: Geschiktheid van roestva.st staal typen onder atmosferische condities. Staal type Milieu Platteland Stedelijk Industrieel Maritiem L M H L M H L M H L M H 430 (volgens AISI is een ferritisch rvs) V ( () X X X X X X X X X V V V V V (V) (V) (V) X V (V) X V V V V (V) V V (V) V 0 0 V Low - Weinig gevaar voor corrosie in dit milieu door lage temperatuur en lage vochtigheid. Medium - Normaal corrosiegevaar in dit milieu. High - Meer kans op corrosie in het betreffende milieu. 0 - Waarschijnlijk beter bestand dan noodzakelijk voor corrosiebestrjding. V - Waarschijnlijk de beste keuze uit het oogpunt van corrosiebestrjding. X - Er treedt ernstige corrosie op. (V) - Kan eventueel overwogen worden als voorzorgsmaatregelen worden genomen. Tabel 3.3: Vatbaarheid van roestvast staal soorten voor spieet- en putcorrosie in zeewater. Zeer vatbaar martensitisch en ferristisch roestvast staal. Vatbaar de meeste austenitische roestvast staaltypen en de prec ipitatiehardende roestvast staaltypen. Matig vatbaar Resistent 254 SMO, AL-6XN 1 2'

35 Mangaan oxiderende bacteriën vergroten de reductie aan de kathode, door de vorming van een elektrochemische cel. Deze bacteriën produceren mangaandioxide, dat putcorrosie kan veroorzaken op roestvast staal. Deze uitleg van biologische corrosie is zeer globaal. Het precieze mechanisme is niet compleet bekend, maar de productie van bepaalde enzymen en bepaalde chemische reacties, die niet relevant zijn voor dit verslag, kunnen de corrosie van roestvast staal bevorderen. 3.4 Duurzaamheid van roestvast staal in een gespecificeerde omgeving Duurzaamheid van roestvast staal onder atmosferische condities Voor alle atmosferische condities zijn geschikte roestvast staal typen voorhanden, zoals uit tabel 3.2 blijkt. Voor toepassing in zeewater ligt dit anders. In de paragraaf wordt de duurzaamheid van roestvast staal in zeewater besproken Duurzaamheid van roestvast staal in zeewater Het toepassen van roestvast staal in een maritieme omgeving kan leiden tot falen door de aanwezigheid van hoge concentraties chlorideionen, sulfaten en biologische activiteit. Onderzoek en ervaring van experimenten uitgevoerd in zee is van groter belang dan onderzoek met oplossingen van natriumchloride. De reden hiervoor is niet dat er meer elementen dan chloride aanwezig zijn in zeewater, maar dat het uitvoeren van een corrosie experiment met een beperkte hoeveelheid corroderende elementen, die niet variëren, misleidende resultaten oplevert. Daarnaast kunnen zeeorganismen het corrosieproces aanzienlijk beïnvloeden. Hieronder volgt een beschrijving van corrosie processen, die van belang zijn, in zeewater. Uniforme corrosie In zeewater is uniforme corrosie van roestvast staal niet van praktisch belang Spieet- en putcorrosie In zeewater wordt de beschermende passieve laag door het hoge chloridengehalte gemakkelijk afgebroken in spleten. Deze spieten worden veroorzaakt foutief construeren cq afzettingen, zoals schelpen. Dit is sterk gelokaliseerde corrosie in de vorm van putjes en gaatjes, waarbij het grootste deel van het oppervlak onaangetast blijft. Alhoewel hier spleetcorrosie en putcorrosie samen worden besproken, zijn het de spleten die de aantasting in constructieve toepassingen veroorzaken en niet de putjes. Het aangetaste oppervlak is zo klein, dat de gemiddelde corrosiesnelheid, bepaald door het metaalverlies gedeeld door het totale oppervlak, aanvaardbaar klein is. Gemiddelde corrosiesnelheden kunnen dan ook niet gebruikt worden, omdat ze misleiden en daardoor gevaarlijk zijn. Het is de lokale aantasting die maatgevende is voor de levensduur en het functioneren van de constructie. Alle typen roestvast staal zijn vatbaar voor aantasting door spleet- en putcorrosie, maar er is een groot verschil in de vatbaarheid (zie tabel 33). Als deze vorm van corrosie eenmaal plaatsvindt, maakt het niet uit of het specifieke type er minder vatbaar voor is of niet. De corrosiesnelheid in de put is dan net zo snel als voor de vatbaardere soorten, soms zelfs 5 mm/jaar. Hoewel de ph-waarde van zeewater gelijk aan 8 is, kan de ph-waarde in de spleten gelijk aan 2 worden. Deze verzuring is het gevolg van de hydrolyse van de chroomionen en heeft tot gevolg dat de passieve laag zichzelf niet herstelt. Als deze verzuring eenmaal heeft plaatsgevonden is ze alleen door externe interventie te stoppen. 33

36 Tabel 3.4: Samenstelling van 254 SMO; een super roestvast staal. Super roestvast staal Samenstelling (in percentage van gewicht) soort Cr Ni Mo N 254 SMO

37 Kathodische bescherming, waarbij het staal op een potentiaal van 1.05V wordt gebracht, is een oplossing voor austenitisch roestvast staal, maar niet voor martensitisch, ferritisch of precipitatie hardend roestvast staal, omdat er scheuren door waterstof ontstaan. Beschermen van austenitisch roestvast staal op deze manier gaat zowel spleet- en putcorrosie, alsmede verdergaande corrosie in reeds ontstane spleten en putten tegen, doordat het de verzuring opheft, waardoor de passieve laag zich kan herstellen. Als anode kunnen zink of koolstof staal gebruikt worden. In de spatwaterzone is kathodische bescherming geen oplossing, omdat er geen contact is met het roestvast staal. Regelmatig afspoelen met water is misschien een mogelijkheid. Een ander manier van beschermen, is zorgen voor verversing van het zeewater, waardoor verzuring niet kan plaatsvinden. Onder turbulente conditie en hoge watersnelheden is voldoende zuurstof aanwezig, waardoor de passieve laag zich kan herstellen en is kathodische bescherming niet noodzakelijk. Er kan wel erosie optreden bij hoge watersnelheden door het schuren van zandkorrels langs het oppervlak. De betrouwbaarheid van bescherming door coatings is niet onderzocht, maar is waarschijnlijk ook geen oplossing. Ter plaatse van defecten in de coating kan spleetcorrosie optreden. Scheurvormende spanningscorrosie Dit bezwijkmechanisme is nog niet waargenomen bij constructies in zeewater bij omgevingstemperaturen. Er zijn wel een aantal gevallen van spanningscorrosie in een maritieme atmosfeer waargenomen. Het betreft dan zwaar koudvervormde roestvast staal typen als: 301,302 en 303, evenals de typen 430 en AM 355. Vaak zijn deze typen dan blootgesteld aan spatwater en heeft verwarmen door de zon ook een rol gespeeld. Precipitatiehardende roestvast staaltypen presteren het beste en voor deze groep zijn dan ook K-waarden gemeten in zoutwater. Biologische corrosie In paragraaf is biologische corrosie reeds besproken. Het bleek dat bepaalde organismen aanwezig in water, zich hechten aan het oppervlak van roestvast staal en daardoor corrosie initiëren of versnellen. In zeewater zijn alle roestvast staalsoorten onderhevig aan biologische aanhechting. De weerstand tegen biologische corrosie is afhankelijk van de weerstand tegen spleet- en putcorrosie. De vatbaarheid hiervoor staat weergegeven in tabel 3.3. De typen 304 en 116 zijn niet bestand tegen deze vorm van corrosie. De weerstand van duplex roestvast staal is hoger, evenals die van het austenitische roestvast staal ( 904L), dankzij de toevoeging van koper. Van is slechts één geval van falen door biologische corrosie bekend. Het betrof een warmtewisselaar die zeewater behandelde. Naast de hiervoor genoemde soorten roestvast staal bestaan er ook nog de zogenaamde "super austenieten". Dit zijn austenitische roestvast staaltypen met een molybdeen gehalte van 6 % of meer. In tabel 3.4 is de samenstelling van een super roestvast staal, 254 SMO, weergegeven. Van deze roestvast staaltypen zijn geen schadegevallen bekend ten gevolge van biologische corrosie. Het meeste onderzoek vindt echter plaats in een korte tijd, zodat het gedrag na tientallen jaren niet voorspelbaar is. Daarnaast is biologische corrosie afhankelijk van de watersamenstelling. Deze kan in de loop der tijd veranderen. Door constructies van roestvast staal in water regelmatig schoon te maken, wordt de biologische aanhechting verwijderd en de kans op corrosie verkleind. 35

38 Lv A Figuur 3.4: Vermijd vuilophoping, puntias corrosie 10- gelast Figuur 3.5: Creëer geen spleten. 36

39 3.5 Detailleren ter verhoging van de duurzaamheid De belangrijkste maatregel ter voorkoming van corrosie is, gelet op het medium, het juiste type roestvast staal kiezen. Daarnaast is een goede detaillering belangrijk. De volgende lijst bevat belangrijke tips, maar geeft niet altijd het beste detail uit het oogpunt van sterkte. Tevens is in omgevingen met weinig corrosiegevaar of daar waar regelmatig onderhoud wordt gepleegd een aantal maatregelen niet nodig. Vermijd detailleringen waarin vuil zich kan ophopen door: te zorgen voor afwateringskanaaltjes van voldoende grootte; horizontale oppervlakken te vermijden; een kleine helling op kopplaten te specificeren; gebruik te maken van ronde buisprofielen; gladde oppervlakken toe te passen met geringere neigingen tot aanhechting; vermijd verstijvingen die vocht en vuil vasthouden. Voorkom spieten, nauwe openingen en overlapte verbindingen door: bij verbindingen in plaats van boutverbindingen gelaste verbindingen toe te passen. Reduceer de kans op spanningscorrosie door: fabricage trekspanningen te minimaliseren door de juiste lasvolgorde te kiezen. Reduceer de kans op putcorrosie door: lasspetters te verwijderen; contaminatie met koolstof te vermijden door oppervlakken en gereedschappen te gebruiken die alleen voor roestvast staal worden gebruikt. Reduceer de kans op galvanische corrosie door: isolatie; gebruik van geschikte verven; metalen te gebruiken die ongeveer dezelfde potentiaal hebben; 3.6 Samenvatting Roestvast staal dankt zijn goede corrosieresistentie aan het laagje chroomoxide op het staaloppervlak. Dit laagje herstelt zichzelf bij beschadiging. Voorwaarde voor de vorming van het chroomoxide laagje is voldoende aanwezigheid van zuurstof. Als onvoldoende zuurstof aanwezig is, corrodeert roestvast staal. De volgende corrosie mechanismen kunnen roestvast staal aantasten: putcorrosie; spleetcorrosie; interkristallijne corrosie; galvanische corrosie; scheurvormende spanningscorrosie; biologische corrosie. In tegenstelling tot koolstof staal, waarbij het belangrijkste corrosiemechanisme uniforme corrosie is, is corrosie bij roestvast staal sterk lokaal geconcentreerd. Van de genoemde corrosiemechanismen die roestvast staal aantasten, zijn put- en spleetcorrosie de belangrijkste. Roestvast staaltypen met molybdeen zijn het best bestand tegen put- en spleetcorrosie. 37

40 In lucht is voor elk milieu een geschikt roestvast staaltype voorhanden. Voornamelijk in water kan ernstige corrosie optreden. Hierbij spelen de aanwezige organismen en de concentratie chloride-ionen een grote rol, doordat zij de initiatie- en propagatie snelheid van spieet- en putcorrosie versnellen. Voor constructies in water is het van belang de aanhechtingssnelheid van organismen te bepalen en deze organismen regelmatig te verwijderen, zodat biologische corrosie voorkomen kan worden. De duurzaamheid van constructies in roestvast staal is afhankelijk van het gekozen roestvast staaltype en de detaillering. Door het vermijden van horizontale delen, waarop vuil zich kan ophopen en toepassing van gladde oppervlakken, die gemakkelijk schoongehouden kunnen worden, vermindert de kans op corrosie. 39

41 Tabel 4.1: Productinformatie van en Roestvast Uitvoering staaltype C Dikte in Max. breedte in Max. lengte in mm. mm. mm. Opmerkingen 2 6- < " max. 6.5 ton per stuk 10 - < " De minimum 12 - < breedte 29 - < ** 5000 bij de produktie van een enkele plaat is 1400 mm C 2 6-< < max. 7.6 ton per stuk 11- < < < * Lie voor betekenis oppervlakte uitvoering tabel 4.6. Tabel 4.2: Productin formatie van Teuling staal over beschikbare ronde buisprofielen in duplex roestvast staal. Profiel Verkrijgbare lengte Profiel Verkrijgbare lengte 01683x10.97mm 7-11m ge 0273x22.2 mm 10-12m ge x mm 7-10m ge 0273 x25.4 mm m ge x17.5 mm 7-8 m ge 0273x28.6 mm 11-12m ge x 18.3 mm 7-8 m ge x mm 5-7 m ge x 9.52 mm 5-6 m wx x 12.7 mm 5-6 m VVx x9.52 mm 5-6m wx x 14.27mm m wx x 12.7 mm 3-5 m ge x mm m wx x15.09mm 4-6 m ge x 25.4 mm m ge x 17.5 mm 4-5 m ge x 28.6 mm m ge x mm 3-4 m ge x mm m -ge x23.01mm 3-4m ge x25 mm 2-4m ge x 11.1 mm m x14.2mm m Wx x 9.27 mm 5-6 m 0273x11 mm 11-12m wx x10mm 4.68 m Vrx 0273x12.7 mm 5-6 m wx x16mm 10-12m x I 6 m WIX x mm 4.03 m ge wx = welded inciudeci 100 U/ X-ray ge = geëxtrudeerd

42 4 FABRICAGE ASPECTEN 4.1 Inleiding Tijdens het ontwerp en de fabricage van constructies in roestvast staal is het van belang rekening te houden met de specifieke eigenschappen en mogelijkheden van het materiaal. In dit hoofdstuk worden verschillende aspecten van de fabricage behandeld. Zo is de diversiteit aan verschillende producten kleiner dan bij koolstof staal door de geringere toepassing van roestvast staal. In paragraaf 4.2 worden de producten die in roestvast staal voorhanden zijn, besproken. In de paragrafen 4.3 tot en met 4.7 komen opslag, bewerking, lassen en lijmen en oppervlakte behandelingen aan de orde. 4.2 Beschikbare producten Vergeleken met koolstof staal zijn er minder verschillende soorten warmgewalste profielen beschikbaar, daarom wordt er meer gebruik gemaakt van koudgevormde- en gelaste profielen dan van warmgewalste profielen. Hieronder volgt een kort overzicht van de verkrjgbare producten. Plaatmaterialen Platen zijn in alle soorten roestvast staal te verkrijgen. Plaatmaterialen zijn het uitgangspunt van koudvervormde- en gelaste profielen. Uit de productinformatie over roestvast staalsoorten blijkt dat de breedte en hoogte van warmgewalste platen aan beperkingen zijn gebonden. In tabel 4.1 staat de productinformatie weergegeven van Thyssen Edelstaal Nederland B.V. voor de roestvast staaltvpen en Buisprofielen Gelaste- en naadloze buisprofielen zijn in vele maten verkrijgbaar in de volgende soorten: 304, 316, 304L en 316L. Daarnaast zijn ze beschikbaar in de gangbare duplex soorten, die gebruikt worden voor leidingen. In tabel 4.2 staat de productinformatie weergegeven van Teuling Staal B.V. voor duplex roestvast staal Geëxtrudeerde profielen Geëxtrudeerde profielen zijn als het om grote hoeveelheden gaat verkrijgbaar, maar navraag bij de fabrikant is noodzakelijk. Warmgewalste producten Deze producten zijn beschikbaar voor type 304 en 316 tot een breedte van 300 mm. Over het algemeen zijn ze duur in vergelijking met koudgevormde- en gelaste profielen. Koudgetrokken producten Koudgetrokken producten zijn alleen beschikbaar in kleine afmetingen en voor een beperkt aantal soorten. Deze producten hebben een hoge 0.2% rekgrens door de versteviging die tijdens het fabricage proces optreedt. Koudgewalste en koudvervormde producten Deze producten worden algemeen gebruikt voor constructieve toepassingen en zijn in alle soorten roestvast staal verkrijgbaar. 41

43 Tabel 4.3. Vloeigrens en uiterste treksterkte van verschillende producten. Nominale sterkte Product vorm Koud gewalste strip Warm gewalste strip Warm gewalste plaat 1 Profielen Nominale dikte t t ~ 6 mm t ~ 12 mm t :~ 75 mm t ~ 250 mm fy f f f f f f N/mm 2 N/mm 2 N/mm 2 N/mm 2 N/mm 2 N/mm 2 N/mm 2 NImm 2 S S S S S De nominale sterkte in deze tabel kan in het ontwerp gebruikt worden zonder rekening te houden met anisotropie. 2 t:~ 160 mm Tabel 4.4: Verhoogde vloeigrens en treksterkte van koudvervormde produkten. Nominale sterkte Product vorm Koud gewalste strip en plaat Koud gewalste profielen f f N/mm 2 N/mm 2 N/mm 2 N/mm 2 C C 800/C 850' ) ) C iooo C C 1300' Voor berekening volgens de EUROCODE Deel 1.4 geldt f. ~ 480 N/mm 2. De maximum diameter voor deze sterkte klasse is afhankelijk van de fabrikant, maar moet in elk geval groter zijn dan 35 mm voor C 700 en niet meer dan 25 mm voor C

44 In de tabellen 4.3 en 4.4 zijn voor verschillende producten de 0.2 % rekgrens en de uiterste treksterkte weergegeven, zoals die in de NVN-ENV [11] voor roestvast staal staan. 4.3 Opslag Tijdens opslag, gebruik en lassen is het van essentieel belang dat het oppervlak niet beschadigd wordt. Dit is belangrijk, omdat roestvast staal vanwege zijn corrosieresistentie of esthetisch uiterlijk wordt gebruikt. Tijdens opslag en gebruik moet op ijzerverontreiniging en oppervlaktebeschadigingen gelet worden, omdat beide corrosie initiatie kunnen veroorzaken. Terwijl ijzer makkelijk verwijderd kan worden, zijn oppervlakte krassen moeilijk te verwijderen (duur). De volgende procedures zijn van belang: Het roestvast staal moet meteen na bezorging geïnspecteerd worden op oppervlakte beschadigi n- g en. Het roestvast staal kan een beschermende plastic laag of andere coating hebben. Deze moet zo lang mogelijk intact gelaten worden en pas verwijderd worden na de laatste fabricage fase. Opslag in een maritiem milieu wordt ontraden. Opslag rekken mogen geen contactvlakken met koolstof staal bezitten, maar dienen van hout, rubber of kunststof te zijn. Platen moeten verticaal en niet horizontaal geplaatst worden, omdat horizontale platen belopen kunnen worden met het risico van ijzer verontreiniging en oppervlakte beschadiging. Koolstof stalen hijskettingen, bevestigingsmiddelen, enz. zijn uit den boze. Gebruik daarom isolatie materiaal. Evenzo zullen de vorken van vorkheftrucks beschermd moeten worden. Daarnaast moet contact met chemicaliën, oliën en vetten vermeden worden. Afzonderlijke fabricageruimtes voor koolstof staal en roestvast staal zijn noodzakelijk. Gereedschap voor roestvast staal moet alleen voor roestvast staal gebruikt worden. Borstels en schuurwol moeten van roestvast staal zijn. Tijdens transport moet roestvast staal beschermd worden. 4.4 Bewerking Merken Sommige merkpennen zijn moeilijk te verwijderen of veroorzaken vlekken als ze direct op het oppervlak gebruikt worden. Hierdoor wordt de corrosie resistentie, de duurzaamheid en het uiterlijk van roestvast staal aangetast. Merkstiften en -pennen moeten daarom gecontroleerd worden. Door een beschermende folie aan te brengen en hierop te merken, wordt dit probleem voorkomen Polijsten Bij het polijsten van roestvast staal moet rekening worden gehouden met de slechte warmtegeleiding die typisch is voor alle soorten roestvast staal, maar speciaal voor austenitisch roestvast staal. Plaatselijke oververhitting kan samen met lokaal torderen en koudvervormen optreden, wat kan leiden tot precipitatie van chroomcarbiden en/of spanningscorrosie. Het is belangrijk dat de slijpmiddelen geen ijzer bevatten. Er mogen geen slijpwielen voor roestvast staal gebruikt worden die al gebruikt zijn voor koolstof staal, omdat contaminatie met ijzer of laag gelegeerd staal lokaal corrosie kan initiëren. 43

45 4.4.3 Snijden Roestvast staal is een duur materiaal vergeleken met koolstof staal, zodat speciale aandacht nodig is voor het merken van platen om de hoeveelheid afvalmateriaal te beperken. Roestvast staal kan afgekort worden met bestaande methoden, zoals zagen en knippen. Voor het zagen en knippen van roestvast staal is meer kracht nodig dan voor dezelfde dikten koolstof staal, doordat de sterkte verhoging door koudvervormen groter is. Abrasive water jet cutting is ook mogelijk, zeker als het noodzakelijk is om metallurgische structuurverandering in het materiaal ten gevolge van verwarmen te vermijden. Plasma-arc technieken zijn oorspronkelijk ontwikkeld voor het snijden van materialen die niet geschikt waren voor het autogene proces. Autogeen snijden is een oxidatieproces. Voordat het materiaal wil verbranden moet het eerst op ontstekingstemperatuur worden gebracht. Als het staal plaatselijk tot ca C wordt verhit en er daarna zuivere zuurstof op wordt "gespoten", verbrandt het staal (ijzer) spontaan. Om autogeen te kunnen snijden moet aan de volgende voorwaarden worden voldaan: het materiaal moet boven een bepaalde temperatuur snel met zuurstof reageren: de ontstekingstemperatuur moet lager zijn dan de smelttemperatuur; de ontstane oxiden moeten een lager smeitpunt hebben dan het materiaal zelf en dun vloeibaar zijn; bij het proces moet voldoende warmte vrijkomen opdat het in de diepte- en in de snijrichting vanzelf voortgang vindt. Anders gezegd : het materiaal moet een hoge verbrandingswaarde hebben; de varmtegeleiding van het materiaal moet laag zijn. Bij roestvast staal wordt niet voldaan aan de voorwaarde dat de ontstane oxiden (slak) een lager smeltpunt moeten hebben dan het materiaal. De smelttemperatuur van Cr 203 (chroomoxide), een belangrijk deel van de slak, is 1990 C en ligt ver boven de smelttemperatuur van roestvast staal (< 1500 C). Autogeen snijden komt dus niet in aanmerking voor roestvast staal. Plasma snijden wel, omdat er geen sprake van verbranden is. Bij plasmasnijden wordt het materiaal gesmolten (smeltsnijden). Plasmasnijden is geschikt voor het snijden van dikke platen en bewerking van randen voor las preparatie. Lasersnijden is geschikt voor het snijden van platen en als de grootte van de warmtebeïnvloede zone beperkt moet worden Boren en ponsen Gaten kunnen geboord of geponst worden. Tijdens het boren moet op koudvervormen gelet worden. Daarom zijn scherpe koppen, juiste hoeken en correcte boorsnelheden noodzakelijk. Geponste gaten kunnen in austenitisch roestvast staal gemaakt worden bij plaatdikten tot 20 mm. De minimale gatdiameter die geponst kan worden is 2 mm groter dan de plaatdikte. De minimum afstand tussen de gaten is een halve gatdiameter. Geponste gaten moeten vermeden worden in corrosieve omgevingen vanwege de koudvervormde hoek, tenzij het gat nog geruimd wordt. Gaten die onderhevig zijn aan vermoeiing dienen een zo glad mogelijk inwendig oppervlak te hebben Koud vormen Roestvast staal moet meer doorgebogen worden dan koolstof staal, omdat het effect van terugspringen groter is. Door de grote taaiheid kunnen kleine buigstralen gerealiseerd worden. Over het algemeen worden de volgende minima aangehouden; 2t voor 304L en 316L en 2.5t voor duplex roestvast staal. Waarbij t de dikte van het te buigen materiaal is. Voor het buigen van buizen, worden de volgende adviezen gegeven [12]: De verhouding tussen de uitwendige buisdiameter en de dikte dient niet groter te zijn dan 15. De straal bij het buigen om de as van de buis, moet groter zijn dan (D is uitwendige buisdiameter) om de vorm van de doorsnede te behouden. 45

46 E 1800 'II Fe L o 21% (y-fe) (a-fe,cr) 9120 / Curie tempera t uur % Cr Chroom, wt % Figuur 4.1: Chroom-ijzer diagram [16]. Verklaring bij figuur 4.1. L = vloeibaar ijzer; a = ijzer met een ferritische structuur, = ijzer met een austeniet structuur; = brosse fase langs de korrelgrenzen, sigma fase. En

47 Matrjzen van elastomeren worden gebruikt om plaat- en stripmaterialen te vouwen. Het voordeel ten opzichte van matrijzen van staal is dat verontreiniging wordt voorkomen. Het rolvormen van strip gebeurt door het materiaal te buigen om de as parallel aan de waisrichting. Daarbij wordt geadviseerd het materiaal tijdens het vormen onder trek te houden, door de diameter van opeenvolgende walsstations te vergroten. Indien grote vervormingen nodig zijn, dient tussentijds een gloeibehandeling plaats te vinden voor herstel van de eigenschappen (opheffen versteviging). Boven ca. 15% deformatie dient afhankelijk van het materiaaltype een gloeibehandeling toegepast te worden. 4.5 Lassen Inleiding Een lasspecificatie moet de volgende punten bevatten: kwalificatie van de lassers; type lasproces, lastoevoegmateriaal. beschermgas. backinggas, warmte inbreng enz.; vorm van de lasnaad en voorbewerking; controle van de lasoperaties gedurende de voorbereiding, het lassen zelf en de nabehandeling; de mate van inspectie en de non destructieve testmethoden die gebruikt dienen te worden; welke lasfouten geaccepteerd worden. Het is belangrijk bij het lassen van roestvast staal, lasfouten zoals onvoldoende penetratie, lasspetters, slak en boog aanrakingen te voorkomen, omdat op deze plekken corrosie kan ontstaan. In de volgende paragrafen wordt de lasbaarheid van ferritisch roestvast staal, martensitisch roestvast staal, austenitisch roestvast staal en austenitisch-ferritisch roestvast staal behandeld De lasbaarheid van ferritisch roestvast staal Ferritisch roestvast staal is matig lasbaar. Bij het lassen van ferritisch roestvast kunnen de volgende problemen ontstaan: Korrelgroei Bij een hoge temperatuur kan een aanzienlijke korrelgroei optreden. Omdat bij afkoeling geen faseovergang plaatsvindt, treedt geen korrelverfijning meer op. Het gevolg van deze korrelgroei is een forse verlaging van de taaiheid en de rekgrens. Als lastoevoegmateriaal wordt vaak een austenitische chroom-nikkellegering gekozen, waardoor de taaiheid van het lasmetaal verbeterd wordt. 475 C brosheid Bij langdurige verhitting tussen 350 en 550 C is ferritisch roestvast staal gevoelig voor verbrossing. Een langzame afkoeling na het lassen of lassen in meerdere lagen in hetzelfde temperatuurgebied kan verbrossing veroorzaken. Sigma-fase (a-fase) Roestvast staal kan afhankelijk van de chemische samenstelling bij langdurig verblijf op temperaturen tussen en 850 C verbrossen door de vorming van intermetallische verbindingen, zoals bijvoorbeeld c-fase (zie figuur 4.1). Een snelle afkoeling, weinig warmteinbreng (<1.5 kj/mm) en niet voorverwarmen voorkomt deze verbrossing. 47

48 Harding Er kan harding optreden in ferritisch roestvast staal, indien het koolstofgehalte aan de hoge kant is. Koolstofatomen gaan door diffusie naar de korreigrenzen toe (meer ruimte). Hierdoor kan plaatselijk een austeniet structuur ontstaan, welke bij afkoeling omgezet wordt in martensiet. Dit kan aanleiding geven tot verbrossing of koudscheuren. Afhankelijk van de chemische samenstelling en dikte moet bij het lassen voorgewarmd worden op 150 â 250 T. Als lastoevoegmateriaal kan het beste uitgegaan worden van een 309 lastoevoegmateriaal type. Indien het om corrosie gaat dient een Arosta 309S gekozen te worden en voor hittebestendige toepassingen een Arosta 309H. Bij grote te lassen dikten kunnen de grondlagen, ter verkrijging van een hoge ductiliteit, gelast worden met een 309 type en afgevuld met een 329 lastoevoegmateriaal. Een secundair voordeel is, dat de uitzettingscoëfficiënt van een 329 en ferritisch chroomstaal nagenoeg aan elkaar gelijk zijn. Een 329 lastoevoegmateriaal is gevoelig voor korrelgroei. Het lassen met gecontroleerde warmte- inbreng is noodzakelijk De lasbaarheid van martensitisch roestvast staal De lasbaarheid van de meeste soorten martensitisch roestvast staal is slecht. Als het koolstofgehalte lager is dan 0.20% dan is de lasbaarheid redelijk, daarboven treedt een te grote harding op. De optredende harding kan koudscheuren veroorzaken. Om deze reden moet met toevoegmaterialen gewerkt worden, die een laag waterstofgehalte bevatten. Als na het lassen de martensiet te hard is, zal direct aansluitend aan het lassen, ontlaten moeten worden. Ook is het noodzakelijk om voor te verwarmen. Staalsoorten met een hoger koolstofgehalte moeten gelast worden boven de martensiet transformatie temperatuur (M a). Men kiest meestal een austenitisch toevoegmateriaal om de las voldoende taai te houden De lasbaarheid van austenitisch roestvast staal De problemen die optreden bij het lassen van ferritisch en martensitisch roestvast staal, zijn bij het lassen van austenitisch roestvast staal niet of nauwelijks aanwezig. Er treedt geen harding, omdat de structuur austenitisch blijft. Hoewel austenitisch roestvast staal evenals ferritisch roestvast staal, een eenfasige structuur heeft, is het gevaar voor korrelgroei minder groot. Slechts bij lange verhittingstijden kan zich in austenitisch staal, dat chroom, nikkel en molybdeen bevat, een sigma-fase vormen. Er treedt geen 475 C brosheid op. De lasbaarheid van austenitisch roestvast staal is goed, maar er kunnen een aantal andere problemen optreden, die tegenwoordig door technische ontwikkelingen van staal en lasmetaal oplosbaar zijn. De factoren die de lasbaarheid bepalen zijn: Koolstofgehalte van het lasmetaal en het moedermateriaal Het chroom in roestvast staal heeft een grote affiniteit tot koolstof. Hierdoor kunnen bij temperaturen boven de 600 C gemakkelijk carbiden gevormd worden. Carbiden vormen zich bij voorkeur langs de korreigrenzen, waar meer ruimte is. Koolstof wordt vanuit een groot gebied van de korreigrens aangevoerd door de snelle diffusie van het koolstofatoom. Het chroom komt echter uit de directe omgeving. Hierdoor ontstaat een ernstig chroom tekort van de matrix, direct langs de korreigrens. Afhankelijk van de hoeveelheid gevormde carbiden, dus het koolstofpercentage, en de tijdsduur bij hogere temperaturen kunnen doorlopende zones met carbiden ontstaan. In deze zones is het chroomgehalte ver beneden de 12 %, waardoor de beschermende chroomoxide laag niet gevormd kan worden. Het gevolg is interkristallijne corrosie (lasbederf cq weld decay). 49

49 Carbidevorming kan op de volgende manieren voorkomen worden Laag koolstofpercentage Door het koolstofgehalte in austenitisch roestvast staal tot beneden de 0.03 % te verlagen, kunnen geen nadelige hoeveelheden carbiden gevormd worden. Roestvast staalsoorten met dergelijke lage koolstofpercentages, staan bekend als L-grades. Het op deze wijze voorkomen van carbidevorming wordt tegenwoordig als standaardoplossing gezien en geeft de beste resultaten. Het nadeel van deze oplossing is een verlaging van de 0.2% rekgrens. Carbidevormer toevoegen Carbidevorming kan eveneens voorkomen worden door koolstof te binden met een sterkere carbidevormer dan chroom, namelijk titanium (Ti) of niobium (Nb). Toevoeging van Ti (5 x %C) of Nb (10 x %C) aan staal tijdens de fabricage wordt stabiliseren genoemd. Voorbeelden van gestabiliseerde roestvast staaltypen zijn AJSI ( 3 04 met Ti) en 31 6Ti. Het voordeel van gestabiliseerd roestvast staal is het behoud van een hogere 0.2% rekgrens. Toch heeft deze methode belangrijke nadelen, waardoor ze niet standaard wordt toegepast. Deze nadelen zijn: Titaniumcarbide lost bij boven de 1100 C op. Als na verhitting te snelle afkoeling plaatsvindt, wordt titaniumcarbide onvoldoende gevormd. Hierdoor ontstaat bij lagere temperaturen toch chroomcarbide. In sterk oxiderende zuren leidt dit tot interkristalljne corrosie; Bij toevoeging van teveel niobium wordt austenitisch roestvast staal gevoelig voor warmscheuren. Niobium moet zeer exact gedoseerd worden. Hetgeen moeilijk is. De niet molybdeen houdende legeringen zijn minder gevoelig voor het optreden van intermetallische fasen. De Mo-houdende en in nog sterkere mate de Ti en/of Nb houdende legeringen zijn dit wel. Langdurig verblijf in temperatuurgebieden tussen 600 en 800 C moet vermeden worden. Oplossend gloeien en afschrikken met water Als het metaal boven de 1000 C verhit wordt, komt het chroom weer in oplossing. Door snelle afkoeling na verhitten wordt nieuwe carbidevorming voorkomen. Dit is voor kleine onderdelen mogelijk, maar niet voor een complete gelaste constructie. Gloeien Door na het lassen het metaal enige tijd te gloeien op ca. 900 C en daarna in de lucht af te koelen, kan het chroom uit de matrix, het tekort langs de korrelgrens enigszins aanvullen. Deze methode komt in aanmerking bij reparatie van oude installaties, die bestaan uit materiaal met een hoog koolstofgehalte. Het delta ferriet gehalte van het lasmetaal Een homogene éénfasige structuur is gunstig voor de corrosie-eigenschappen. dat geldt zeker voor een austenitische structuur. Austenitisch roestvast staal is zeer gevoelig voor warmscheuren. Warm scheuren ontstaan bij een ongunstige combinatie van krimpspanningen en laagsmeltende fases die zich langs de korrelgrens uitspreiden. Dit kan in het lasmetaal, waar zich tussen de stollende korrels nog een vloeistof met een lager smeltpunt bevindt, maar ook in het basismateriaal, waar uitscheidingen op de korrelgrens kunnen gaan smelten, lang voordat de rest dat doet. In austenitisch roestvast staal zijn vooral P en S verantwoordelijk voor deze laagsmeltende verbindingen. De oplossingen voor dit probleem zijn: Laag fosfor- en zwavelpercentage Met speciale vacuüm spoeltechnieken kan het percentage fosfor en zwavel teruggebracht worden tot 0.03 %. Hierdoor kunnen geen laagsmeltende verbindingen van zwavel en fosfor ontstaan. Dit is een dure oplosssing en wordt toegepast als een zuivere austenietstructuur noodzakelijk is om corrosie te voorkomen. 51

50 Binden met mangaan Zwavel kan gebonden worden met mangaan. Deze verbinding heeft een hoger smeitpunt, waardoor warmscheuren niet ontstaat. Ferriet toevoegen aan het lasmetaal Zwavel en fosfor zijn ferrietvormers en lossen daardoor gemakkelijker op in ferriet dan in austeniet. Als het lasmetaal zowel ferriet als austeniet bevat, kan warmscheuren voorkomen worden. Een te laag ferrietpercentage kan leiden tot warmscheuren. Een te hoog ferrietaandeel tot de vorming bij grotere dikten van ongewenste intermetallische fasen. Het is voldoende 3-8 % ferriet aan het lasmetaal toe te voegen. Het ferriet dat bij stolling wordt gevormd, wordt delta ferriet genoemd. Het toevoegen van ferriet aan het lasmetaal wordt standaard toegepast, omdat het eenvoudig en goedkoop is De lasbaarheid van austenitisch-ferritisch roestvast staal De lasbaarbaarheid van austenitisch-ferritisch roestvast staal is goed, maar niet vergelijkbaar met austenitisch roestvast staal. De problemen die optreden bij het lassen van austenitisch-ferritisch roestvast staal zijn van een geheel ander aard. De volgende problemen kunnen ontstaan bij het lassen van austenitisch-ferritisch roestvast staal: 475 C brosheid Bij verhitting of bij langzame afkoeling in een temperatuurgebied tussen de 400 en 550 C ontstaat verbrossing van austenitisch-ferritisch roestvast staal. Om deze reden dient langdurige verhitting bij temperaturen boven de ca. 300 C beperkt te worden. Ontstaan van brosse intermetallische fases Door hoge chroom-, molybdeen- en stikstofgehaltes ontstaan bij langere gloeitijden diverse brosse uitscheidingen langs de korrelgrenzen. Om deze uitscheidingen te voorkomen is lassen met hoge warmte inbreng of gloeien na het lassen slechts in bepaalde gevallen mogelijk. Waterstofbrosheid Austenitisch-ferritisch roestvast staal met een zeer hoog ferrietgehalte is gevoelig voor waterstofbrosheid. Bij het lassen van austenitisch-ferritisch roestvast staal kunnen insluitsels van waterstof ontstaan, die tot gevolg hebben dat het metaal bros wordt. Opname van waterstof moet voorkomen worden door goed gedroogde electroden en waterstofvrj beschermgas te gebruiken. Daarnaast mag de lasnaad niet verontreinigd worden met vet, verf of water. Percentage austeniet Standaard austenitisch-ferritisch roestvast staal heeft bij temperaturen boven de 1050 C een ferritische structuur. Wordt vanaf hoge temperatuur snel afgeschrikt dan wordt de ferritische structuur gehandhaafd tot kamertemperatuur. Deze ferriet is bros en gevoelig voor scheurvorming. Om het ontstaan van deze ferritische structuur tegen te gaan moet een toevoegmateriaal met een hoger nikkel- en stikstofgehalte worden gebruikt. waardoor de austenietvorming gemakkelijker is. De laselektrode moet 2 a 3 % meer nikkel dan het moedermateriaal bevatten. Het percentage stikstof van het moedermateriaal moet verhoogd worden naar %, zodat austeniet bij opwarming minder makkelijk in ferriet overgaat. 53

51 4.5.6 Nabehandeling Een aantal gevolgen van het lassen kunnen zijn: vervormingen; spanningen; spatten; plaatselijk verbrand oppervlak; verschillen in chemische samenstelling tussen basismateriaal en lasmetaal. Teneinde eventuele negatieve gevolgen te vermijden kunnen meerdere nabehandelingen worden uitgevoerd, zoals: mechanisch of vlamrichten; spanningsarm of oplossend gloeien; stralen of glasparelen; slijpen of polij sten; beitsen en passiveren Lassen geeft in de praktijk vervormingen. Veelal zijn deze vervormingen onder controle, zodat ze slechts weinig tot problemen voeren. Indien plaatselijk ongewenste sterke vervormingen moeten worden opgeheven, zal het materiaal over haar vloeigrens belast moeten worden. Dit resulteert in plaatselijk hoge spanning. Als deze lokaal verhoogde spanningstoestand voor een gegeven toepassing niet tot bijvoorbeeld corrosie en/of vermoeiing kan leiden is er geen probleem. Is dit wel het geval dan moet er gegloeid worden. De te kiezen temperatuur is afhankelijk van het type staal, de gewenste restspanning en de aard van de constructie. Afhankelijk van het type roestvast staal kan vlamrichten toegepast worden. De roestvast staaltypen AISI 304L. 316L, 321, 347, 318 en duplex kunnen met succes vlamgericht worden. Noodzakelijk is het instellen van een oxiderende vlam. De verhitting dient lokaal te worden uitgevoerd gevolgd door een waterkoeling. De lokaal verhitte plaats is omgeven door een relatief koud moedermateriaal waardoor de vervorming na afkoeling wordt opgeheven. Het geoxideerde oppervlak moet nader - hand hersteld worden door een nabehandeling (beitsen + passiveren of schuren/polijsten). In het algemeen gesteld is gloeien van gelast roestvast staal niet nodig. Het is belangrijk vooraf na te gaan of de constructie bij de gegeven gloeitemperatuur "stijf' genoeg is. Moet oplossend worden gegloeid op bijvoorbeeld 1050 C. gevolgd door afschrikken met water, dan dient aandacht te worden besteed aan de mechanische eigenschappen van het lastoevoegmateriaal. Vooral het lassen in stikstof gelegeerde staalsoorten kan de mechanische eigenschappen na een oplosgloeibehandeling beïnvloeden. Stralen, glasparelen, slijpen en polijsten zijn mechanische methoden, waarbij ijzerverontreiniging moet worden voorkomen. Door stralen of parelen worden drukspanningen in het oppervlak opgewekt. Hierdoor wordt het materiaal minder gevoelig voor spanningscorrosie. Slijpen kan nadelig zijn, omdat veel warmte wordt ontwikkeld en het oppervlak ruw wordt. Het beitsen en passiveren is een chemische methode. Bij het beitsen wordt het metaaloppervlak ingesmeerd met een beitspasta of ondergedompeld in een beitsbad. Door te beitsen wordt het metaaloppervlak ontdaan van olie- en verfresten, slakresten en metaalstof. Daarnaast wordt de dunne oxidehuid verwijderd. Na het beitsen wordt het oppervlak goed schoongespoeld om alle beitsstoffen te verwijderen, waarna het metaal gepassiveerd wordt. Het passiveren wordt uitgevoerd met een 10% oplossing van salpeterzuur. De passiverende oxidehuid wordt daarmee hersteld. 55

52 4.5.7 Las vervormingen Evenals koolstofstaal is roestvast staal onderhevig aan vervormingen door het lassen. De vervorming bij het lassen van roestvast staal is groter. Deze grotere vervorming wordt veroorzaakt door de lagere geleidingscoëfficiënt, waardoor de warmte niet geleid wordt door het materiaal, maar bij de laszone blijft. Deze zone zet zich snel uit, waardoor grote vervormingen ontstaan. De vervormingen kunnen alleen gecontroleerd worden, maar niet vermeden. De volgende maatregelen kunnen genomen worden door de ontwerper en de fabrikant: Ontwerper: Verklein het lasvolume. Maak symmetrische verbindingen; Probeer de lassen bij de neutrale as te situeren; Houdt rekening met maattoleranties. Fabrikant: Gebruik efficiënte inklemming. Als het mogelijk is inklemmingen met koper of aluminium om de warmte weg te geleiden van het lasgebied; Als inklemming niet mogelijk is, moeten hechtlassen gebruikt worden die dicht op elkaar liggen en aangebracht zijn in de juiste volgorde; Stel de delen voor het lassen op de juiste plaats; Breng bij platen een zeeg aan; Gebruik niet meer lasmetaal dan nodig, want overmatig gebruik van lasmetaal vergroot de vervorming; Zorg voor een las volgorde die de krimpkrachten in evenwicht houdt; Gebruik een zo laag mogelijke warmteinbreng. Indien mogelijk is het raadzaam te lassen met zo weinig mogelijk lagen. Het beste is te lassen in de zogenaamde laag/tegenlaag techniek. Daarnaast is het belangrijk dat opgegeven openingen en hoeken aangehouden worden, omdat vergroting leidt tot extra gebruik van lasmetaal en meer ingebracht warmte. De las moet tot 150 C zijn afgekoeld voordat een nieuwe las gelegd wordt Verontreinigingen Bij het lassen moet verontreiniging worden voorkomen. Olie, vuil en stof in of vlakbij het lassen kunnen een bron van koolstof vormen. Roestvast staal heeft een laag koolstof percentage, zodat door toevoeging van grote hoeveelheden koolstof lasbederf ontstaat. Verontreiniging door verf, was en markeringsstiften enz. moet vermeden worden. Daarnaast moeten machines voor walsen, snijden enz. gereinigd worden met aceton om verontreiniging te voorkomen. Slijpbladen die voor koolstof staal zijn gebruikt, kunnen niet voor roestvast staal gebruikt worden Warm scheuren Als het bad van lasmetaal afkoelt en grote percentages zwavel (S) en fosfor (P) met een laag smeltpunt aanwezig zijn, zullen die als laatste stollen en proberen de kristalvlakken binnen te dringen. Daar vormt zich een substantie van ijzer en zwavel of fosfor atomen, die bij een relatief lage temperatuur nog vloeibaar is. De optredende krimpspanningen kunnen niet door de aanwezige vloeistoffilm opgenomen worden. Scheuren kan optreden als de te lassen platen te stijf worden vastgehouden. Als het lasmetaal voor een deel uit ferriet bestaat worden de verontreinigingen hierin opgelost. Toevoeging van mangaan voorkomt eveneens warmscheuren. 57

53 penetrant vloeistof object schoonmaken object ontwikkelaar object Figuur 4.2: Principe van penetrant onderzoek. bron (rontgen of isotoop) rontgenfi im Figuur 4.3: Principes van radiografisch onderzoek. 58

54 Niet-destructieve inspectiemethoden De principes van het Niet-Destructief Onderzoek aan lassen in roestvast staal zijn niet anders dan bij koolstof staal. De volgende niet-destructieve inspektie methoden kunnen toegepast worden op roestvast staal: Visuele inspektie: om oppervlakte fouten te detecteren: Penetrant onderzoek: om oppervlakte fouten vast te stellen, speciaal in de lassen ; Radiografisch en gamma onderzoek: om fouten in de las te onderzoeken die niet aan het oppervlak zichtbaar zijn; Ultrasoon onderzoek: om fouten in de las te onderzoeken. Ultrasoon onderzoek is erg gevoelig, waardoor de positie van fouten nauwkeurig is vast te stellen. Bij roestvast staal is ultrasoon Onderzoek moeilijker, omdat de korreigrootte in de las even groot is als de golflengte, waardoor het interpreteren van het ultrasonische gedrag anders is dan bij koolstof staal; Magnetisch onderzoek: om fouten te detecteren aan het oppervlak of juist daaronder. Dit onderzoek is gelimiteerd tot roestvast staalsoorten die magnetisch zijn. De afwijkende eigenschappen van lassen in roestvast staal, vooral wat de structuur betreft, hebben echter tot gevolg dat bij sommige NDO-methoden speciale voorzorgen in acht moeten worden genomen. De gebruikelijke NDO-methoden [20] zullen daarom in het kort worden behandeld. Visuele inspectie Ondanks de beschikbaarheid van NDO-methoden. blijft het oog een zeer essentieel middel tot lasinspectie. Net als bij lassen in koolstof staal het geval is, vervult ook bij roestvast staal de visuele inspectie een belangrijke rol en dienen de resultaten van het NDO altijd in combinatie met die van de visuele inspectie te worden gezien. Oppervlakte onderzoek Voor het opsporen van oppervlaktedefecten in roestvast staal is het penetrantonderzoek de gangbare methode. Voor het principe van het penetrant onderzoek zie figuur 4.2. Soms is magnetisch onderzoek mogelijk; dit is bijvoorbeeld het geval bij ferritisch en duplex roestvast staal, die beide magnetiseerbaar zijn. Er zal echter per geval moeten worden bekeken of dit verstandig is, omdat als gevolg van permeabiliteitsverschillen en verschillen in samenstelling tussen las- en moedermateriaal, schijnindicaties kunnen optreden. Radiografisch lasonderzoek Radiografisch onderzoek aan roestvast staal-lassen verschilt weinig met dat aan lassen in koolstof staal. De absorptie van rontgen- en gammastraling kan, bij bepaalde legeringen, wat afwijken van die van koolstofstaal. Voor het principe van radiografisch onderzoek zie figuur 4.3. De verschillen bij onderzoek aan gewoon staal en roestvast staal zijn meestal klein, maar soms is het nodig een belichtingscorrectie toe te passen. Vooral bij lassen in materiaal met geringe (minder dan 2 mm) wanddikten kan het voorkomen, dat als gevolg van diffractie vage lijnvormige indicaties op de film ontstaan. Deze kunnen door een geoefend filmiezer worden onderscheiden van foutindicaties. Na de beoordeling van de radiografie wordt door de filmbeoordelaar een rapport opgesteld waarin wordt aangegeven of de onderzochte las wel of niet voldoet aan de opgestelde specificatie. Eventueld onvolkomenheden worden hierin, met hun positie in de las, vastgesteld. Hiervoor wordt veelas de "oude" 11W-codering gebruikt: hm

55 taster beeldscherm werkstuk beeldscherm taster F.- werkstuk Figuur 4.4: Principe van uifrasoon onderzoek. Tabel 4.5: Enkele voordelen en beperkingen van /jmverbind,ngen. Voordelen Beperkingen Mogelijkheid om verschillende materialen te Oppervlakte behandelingen vaak noodzakelijk, verbinden voornamelijk om maximale verbindingssterkte en Mogelijkheid om dun plaatmateriaal efficiënt te duurzaamheid te bereiken binden Slechte weerstand tegen vuur en hoge temperatu- Door een uniformere spanningsverdeling in de ren verbinding is een grotere vermoeiingssterkte te Sommige producten zijn erg bros, vooral bijlage bereiken temperaturen Gewichtsbesparing ten opzichte van mechani- Slechte kruipweerstand van flexibele producten sche verbindingsmiddelen Slechte kruipweerstand bij hoge temperaturen van Verkrijgen van gladde oppervlakken alle producten Corrosie tussen verschillende materialen kan Giftigheid en brandbaarheid bij sommige lijmen voorkomen of verkleind worden Jigging kosten kunnen hoog zijn De lijm werkt als een afsluitend membraan Lange termijn duurzaamheid, speciaal onder zwa- Geen gebruik van hoge energie input tijdens het re omstandigheden vaak onzeker. verbinden Water kan de lijm aantasten, waardoor verbin- Arbeidskosten zijn meestal lager dingssterkte niet gewaarborgd is. zo

56 Benaming (iasholten Slakinsluitsels Bindingsgebreken Doorlassingsgebreken Scheuren Randinkarteling 11W-codering A B C D (niet officieel) E F Ultrasoon lasonderzoek Tot het begin van de jaren zeventig werd ervan uitgegaan, dat roestvast staallassen niet ultrasoon te onderzoeken waren. Pas toen zijn speciale technieken en hulpmiddelen beschikbaar gekomen, waarmee een betrouwbaar onderzoek in veel gevallen toch mogelijk is. Deze technieken maken meestal gebruik van hoektasters voor longitudinale golven. Het principe van ultrasoon onderzoek is in figuur 4.4 weergegeven. Het gebruik van ultrasoon onderzoek heeft voor lassen in roestvast staal een aantal praktische consequenties. die hieronder worden genoemd: De mogelijkheid tot onderzoek en de te gebruiken tasters moeten van geval tot geval worden bekeken. Dit houdt verband met het feit, dat de structuur van het te onderzoeken materiaal kan verschillen als gevolg van lasnaadvorm, lasmethode, opmenging, legering en wanddikte. Van binnen een project voorkomende lasvormen en/of wanddikten moeten proefstukken beschikbaar zijn, waarin zich een representatieve las bevindt. Dergelijke proefstukken worden gebruikt om tasters te selecteren en de foutdetectie in termen van de geldende acceptatiecriteria op kunstmatige reflectoren in de las na te gaan. Later kunnen de proefstukken tijdens het onderzoek als referentiestuk dienen. Voor een bepaalde dikte zijn vaak meer tasters nodig dan bij conventioneel onderzoek aan lassen in koolstof staal. Deze tasters zijn dan veelal op bepaalde diepten werkzaam en onderzoeken dus slechts een zone van de las. Hoeveel tasters nodig zijn, zal per geval moeten blijken en hangt af van de wanddikte, de lasvorm en de structuur. Op deze manier is toch het hele volume van de las te onderzoeken. Het is sterk aan te bevelen de te gebruiken techniek samen met de acceptatiecriteria in een projectgericht procedure vast te leggen. Het onderzoek moet, gezien de bijzondere eigenschappen van de tasters, worden uitgevoerd door gekwalificeerd personeel, dat ervaring heeft met het onderzoek aan roestvast staal. Mechanisatie van het onderzoek kan leiden tot een grotere betrouwbaarheid een reproduceerbaarheid. Vooral wanneer meerdere gelijksoortige lassen moeten worden onderzocht, kan het zinvol zijn deze mogelijkheid te overwegen. 4.6 Lijmen De ervaring met het lijmen van roestvast staal beperkt zich tot interieurbeplating, waarbij de gebruiksomgeving relatief lage eisen stelt. Lijmverbindingen zijn sterk als ze belast worden op afschuiving en op druk, maar niet bij trek, zeker in vergelijking met gelaste verbindingen. In tabel 4.5 uit[]j zijn de voordelen en beperkingen van lijmen naast elkaar gezet. Een waterige omgeving kan de lange termijn duurzaamheid van de lijmverbinding aantasten. De lijm kan water absorberen en daardoor worden veranderingen in de verbindingssterkte teweeg gebracht. Bij roestvast staal is voor de corrosieweerstand een glad oppervlak vereist, voor een goede lijmverbinding is dit niet het geval omdat hechting plaats moet vinden. 61

57 4.7 Oppervlaktebehandelingen Inleiding Roestvast staal verkrijgt zijn goede corrosieweerstand door de op het oppervlak aanwezige passieve laag. Deze laag kan een ongunstige samenstelling hebben en daardoor een verminderde bescherming tegen corrosie geven. De verminderde corrosieweerstand kan ontstaan door: laswerkzaamheden; warrntebehandelingen; op of in het oppervlak aanwezige vreemde metaaldeeltjes, met name ijzer- of ijzeroxydedeeltjes. In paragraaf worden de verschillende methoden om de oxidehuid te verwijderen besproken. De verschillende oppervlakte uitvoeringen worden behandeld in paragraaf Oppervlaktebehandelingen voor roestvast staal De methoden om de oxidehuid te verwijderen kunnen in twee groepen verdeeld worden. mechanische methoden De mechanische methoden zijn schuren. slijpen, borstelen. stralen en dergelijke. Het mechanisch reinigen kan echter tot gevolg dat het oppervlak gedeformeerd wordt en mogelijke verontreinigingen niet verwijderd worden, maar in het oppervlak worden gedrukt. chemische methoden Veel toegepaste chemische oppervlaktebehandelingen zijn: elektrolytisch polijsten; elektrolytisch beitsen; beitsen en passiveren. Elektrolytisch pol ijsten Het doel van het elektrolytisch poljsten is het verlagen van de oppervlakteruwheid. Om dit te bereiken worden de voorwerpen in een geschikt elektrolyt (vaak op basis van zwavelzuur en fosforzuur) gebracht. Door toepassing van een gelijkstroom, waarbij de producten anodisch zijn, wordt selectief materiaal van het productoppervlak opgelost. Omdat de stroomdichtheid op uitstekende delen groter is dan op dieper liggende delen, neemt de oppervlakteruwheid af. Elektrolytisch gepolijste producten worden met name toegepast in de levensmiddelenindustrie, de farmaceutische industrie en in de lucht- en ruimtevaart. Elektrolytische beitsen Het doel van elektrolytisch beitsen is het verwijderen van gloeihuid, walshuid en aanloopkieuren. Om dit te bereiken worden de producten in een geschikt elektrolvt (vaak op basis van natriumsulfaat of salpeterzuur) gebracht. De ondergedompelde producten worden afwisselend anodisch en kathodisch geschakeld. Tijdens de kathodische fase wordt waterstof ontwikkeld op het scheidingsvlak metaaloxide, waardoor oxiden verwijderd worden. Beitsen en pass iveren Voor austenitisch roestvast staal is het beitsen en passiveren de meest toegepaste chemische oppervlaktebehandeling. Bij het beitsen en passiveren worden oxyden en vreemde metaaldeeltjes verwijderd 63

58 Tabel 4.6: Oppervlakte-uitvoeringen DIN ASTM 480 Uitvoering Oppervlaktegesteidheid Opmerkingen al warmgewalst, niet met waishuid bedekt, voor delen die na de warmtebehandeld, eventueel gepoetste plaat- fabricage worden met waishuid sen gegloeid of bewerkt b of Ic warmgewalst, warm- met walshuid bedekt voor delen die na de tebehandeld, met fabricage worden waishuid gegloeid of bewerkt cl of Ila no. 1 warmgewalst, warm- metalliek zuiver methode van verwijdetebehandeld, wals- ren van de walshuid huid mechanisch wordt aan de produ- verwijderd cent overgelaten c2 warmgewalst, warm- metalliek zuiver tebehandeld, gebeitst f of Illa warnitebehandejd, glad en blank, belangrijk door het koudvervormechanisch of che- gladder dan bij de uitvoe- men zal door de optremisch van waishuid ringen cl of c2 dende versteviging de ontdaan, aansluitend vervormbaarhejd af- koudvervormd nemen hof Ilib no. 2D mechanisch of che- gladder dan bij de uitvoemisch van walshuid ringen cl of c2 ontdaan, koudgewaist, warmtebe- handeld. gebeitst m of Ilid bright annea- mechanisch of che- glanzend en gladder dan bijzonder geschikt led (BA) misch van waishuid bij uitvoering h voor slijpen en polijs ontdaan, koudge- ten walst, blankgegloeid en licht nagewaist n of Ilic no. 2B mechanisch of che- mat en gladder dan bij producten zijn wat misch van walshuid uitvoering h harder dan bij de uitontdaan, koudge- voeringen h of m. walst, warmtbehan- Bijzonder geschikt deld, gebeitst en licht voor slijpen borstelen nagewalst of polij sten o of IV no. 4 geslepen slijpmethode, korrel- als uitgangstoestand grootte en de te slijpen worden in het algezijden moeten bij de be- meen de uitvoeringen stelling opgegeven wor- b, cl, c2, f, m of n p of V no. 7/no. 8 gepolijst den gebruikt kwaliteit en glansgraad als uitgangstoestand moeten bij de bestelling worden in het algeopgegeven worden meen de uitvoeringen b, c 1, c2, f, m of n gebruikt q no. 6 geborsteld zijdemat de beste uitgangstoestand is de uitvoering n Df UU. ivieiaai compagnie iiraoant JiV (MLJ5), uitgave juni JY!O

59 en een nieuwe passieve oppervlaktelaag van goede kwaliteit aangebracht. Het totale proces bestaat uit meerdere stappen. Deze stappen zijn ontvetten, beitsen, spoelen en passiveren. Ontvetten Voor het eigenlijke beitsen moeten de te behandelen producten Vrij gemaakt worden van olie, vetten en verf- en inktmerken. Het ontvetten kan ofwel alkalisch gebeuren, ofwel in oplosmiddelen (het zgn. 'solvent reinigen'). Beitsen Tijdens het beitsen worden gloeihuid, walshuid en aanloopkieuren evenals corrosieproducten en vreemde metaaldeeltjes verwijderd. Praktisch kan het beitsen uitgevoerd worden door: te dompelen in een beitsbad; het circuleren van de beitsvloeistof; gebruik te maken van beitspasta's of beitsgel.bij het dompelen en het circuleren worden complete producten behandeld. De beitsvloeistof voor het beitsen van austenitisch roestvast staal bestaat uit een mengsel van salpeterzuur en fluorwaterstofzuur. Het salpeterzuur in het mengsel beschermt door zijn oxiderende werking het roestvast staal tegen te sterke aantasting en zorgt tevens voor het oplossen van aanwezige ijzerdeeltjes. Het fluorwaterstofzuur lost metaaloxiden op, zoals de chroomoxidelaag. Voor het plaatselijk beitsen van bijvoorbeeld lasverbindingen kunnen beitspasta's of beitsgels gebruikt worden. De werkzame bestanddelen zijn, evenals in beitsvloeistoffen, salpeterzuur en fluorwaterstofzuur. Deze middelen kunnen met een kwast opgebracht worden. Beitsgel kan op de lasverbinding gesproeid worden. Spoelen Na het beitsen moeten de producten grondig gespoeld worden met gedemineraliseerd water om de verontreinigingen en het beitsmiddel te verwijderen. Het spoelwater en de kwasten, waarmee de beitspasta is aangebracht, zijn chemisch afval. Passiveren Na het beitsen en spoelen is het roestvast staaloppervlak ontdaan van alle oxiden, dus ook van de beschermende chroomoxidelaag. Het oppervlak is nu zeer reactief is, zodat zich onder oxiderende omstandigheden een goed hechtende, gesloten en passieve oppervlaktelaag kan vormen. Het passiveren vindt meestal plaats door de producten direct na het spoelen aan de buitenlucht bloot te stellen. De vormingssnelheid van de oxidelaag is afhankelijk van het type roestvast staal en bedraagt slechts enige minuten voor met molybdeen gelegeerde austenitische typen. Als de buitenlucht verontreinigd is, bijvoorbeeld met chloorionen (maritieme milieus) is het raadzaam om in vloeistof te passiveren, bijvoorbeeld in salpeterzuuroplossing. Deze methode geeft geen betere oxidelaag, maar is sneller. Bijkomend voordeel is dat bij een goede procescontrole geen verontreinigingen in de laag ingebouwd worden. Na het passiveren in salpeterzuur (of waterstofperoxide) moeten de producten weer met gedemineraliseerd water gespoeld worden Oppervlakte-uitvoeringen Roestvast staal is leverbaar in een groot aantal oppervlakte-uitvoeringen, van warmgewalst met walshuid tot hoogglans gepolijst. Zowel de ASTM 480 als DIN kennen een systeem om de gewenste oppervlakte uitvoering nader aan te duiden. In tabel 4.6 zijn beide systemen opgenomen met een korte omschrijving. De oppervlaktegesteldheid van roestvast staal speelt een belangrijke rol bij corrosie. Bij de toepassing van roestvast staal in aggressieve milieus moet van een glad oppervlak uitgegaan worden om aanhechting van vuil te beperken. In deze milieus zijn uitvoering 2D en 2B de beste keus. 65

60 4.8 Samenvatting Bij de fabricage van constructies in roestvast staal is het van belang rekening te houden met de specifieke materiaaleigenschappen en mogelijkheden van het materiaal. De diversiteit aan verschillende producten is klein door geringere toepassing van roestvast staal. Er zijn minder warmgewalste profielen beschikbaar, waardoor meer gebruik moet worden gemaakt van koudgevormde- en gelaste profielen. Plaatmaterialen zijn in alle soorten roestvast staal verkrijgbaar. Tijdens de opslag, bewerken en lassen is het van belang dat schade aan de passieve laag voorkomen wordt. Verontreiniging met koolstof staal en oppervlakte beschadigingen tasten de passieve laag aan en kunnen corrosie initiatie tot gevolg hebben. Vanwege de hoge materiaalkosten is speciale zorg tijdens het merken van platen noodzakelijk, zodat de hoeveelheid afval materiaal tot een minimum beperkt wordt. Bij het bewerken van het materiaal moet rekening worden gehouden met de sterkte verhoging door koudvervormen. Het lassen van roestvast staal is enigszins duurder dan het lassen van koolstof staal. Martensitisch roestvast staal en ferritisch roestvast staal zijn slecht lasbaar. Austenitisch roestvast staal is goed lasbaar, mits het koolstof gehalte van zowel het moedermateriaal als het lasmetaal laag zijn en het lasmetaal 3 tot 8 % ferriet bevat. De lasvervormingen zijn bij austenitisch roestvast staal relatief groot, omdat austenitisch roestvast staal een lagere warmtegeleiding en een hogere uitzettingscoëfficiënt heeft. Austenitisch-ferritisch roestvast staal is eveneens goed te lassen. De problemen die optreden tijdens het lassen zijn van geheel ander aard dan bij austenitisch roestvast staal. Bij te snelle afkoeling wordt te weinig austeniet gevormd. Door tijdens het lassen een toevoegmateriaal met nikkel en stikstof te gebruiken, treedt dit probleem niet op. Bij niet-destruktieve inspectiemethoden van de lassen is het gebruik van ultrasoon onderzoek moeilijker, vanwege de overeenkomst tussen de korreigrootte en de golflengte. Hierdoor ontstaan storingen. Voornamelijk bij groter dikten, vanaf 50 mm is ultrasoon onderzoek toepasbaar. Magnetisch onderzoek is niet mogelijk bij austenitisch roestvast staal, omdat deze soort niet magnetiseerbaar is. Het lijmen van roestvast staal beperkt zich tot op heden niet tot dragende toepassingen. In een waterige omgeving bestaat het risico van uitlogen, waardoor de verbindingssterkte van de lijm aangetast wordt. Oppervlakte behandelingen kunnen de corrosieweerstand van roestvast staal vergroten, doordat de oude chroomoxide laag verwijderd en een nieuwe aangebracht wordt. De oxidelaag wordt verwijderd door het oppervlak mechanisch of chemisch te reinigen. Mechanisch reinigen bestaat uit: stralen of glasparelen; slijpen of polijsten. Chemische reiniging levert een beter resultaat en bestaat uit: elektrolytisch polijsten; elektrolytisch beitsen; beitsen en passiveren. Voor grote objecten zijn elektrolytisch poljsten en -beitsen niet geschikt, omdat het dompelbad beperkte afmetingen heeft. 67

61 5 CONCLUSIES EN AANBEVELINGEN Conclusies Het doel van dit rapport is een algemeen overzicht te geven van roestvast staal voor constructieve toepassingen. Soorten roestvast staal Er bestaan meer dan 200 verschillende roestvast staaltypen die onderverdeeld kunnen worden in vijf groepen, afhankelijk van hun metallurgische structuur en hun chemische samenstelling. Deze gr o epen zijn: austenitisch, ferritisch, martensitisch, precipitatiehardend en austenitisch-ferritisch (duplex) roestvast staal. De meest gebruikte soort voor constructieve toepassingen zijn de austenitische roestvast staaltypen, zoals 304L en 316L. Afhankelijk van de toepassing van het materiaal moet een geschikte soort gekozen worden. Duurzaamheid van roestvast staal Als corrosie van groot belang is, spelen diverse factoren bij de materiaalkeuze een rol. De meest corrosieresistente roestvast staalsoorten zijn austenitisch- en duplex roestvast staal. In tegenstelling tot koolstof staal, waarbij het belangrijkste corrosiemechanisme uniforme corrosie is, is corrosie bij roestvast staal sterk locaal geconcentreerd. Dit betekent dat een corrosie toeslag geen zin heeft, omdat de aantasting niet gelijkmatig over het oppervlak gespreid is. Als lokale aantasting eenmaal plaatsvindt, kan de corrosiesnelheid tot 5 mm/jaar oplopen. De belangrijkste aantastingsmechanismen bij roestvast staal zijn putcorrosie, spleetcorrosie, spanningscorrosie, biologische corrosie en bij toepassing van verschillende metalen galvanische corrosie. Bij de keuze van het roestvast staaltype moet tegen put- en spleetcorrosie een legering met chroom, mo- Iybdeen en stikstof gekozen worden. De gevoeligheid voor spanningscorrosie is het laagst bij austenitisch-ferritische roestvast staal en ferritisch roestvast staal. Door het percentage nikkel in austenitisch roestvast staal te verhogen tot boven de 20%, neemt eveneens de gevoeligheid voor spanningscorrosie af. Ook verhoging van het percentage molybdeen boven de 4% verlaagd de gevoeligheid voor spanningscorrosie. Biologische corrosie speelt een rol bij toepassing van roestvast staal in water. Bepaalde organismen aanwezig in water, hechten zich aan het oppervlak van roestvast staal en initiëren of versnellen daardoor corrosie. Toevoeging van chroom, molybdeen en stikstof verbetert de weerstand tegen biologisch corrosie. Bij toepassing van verschillende materialen die met elkaar in elektrisch contact staan kan galvanische corrosie optreden. Door materialen te kiezen met eenzelfde potentiaal kan deze vorm van corrosie niet optreden. Als het oppervlak van het meest onedele metaal groot is in verhouding tot het oppervlak van het edele metaal is de corrosiesnelheid zo laag dat galvanisch corrosie geen rol speelt. Vormgeving Naast de juiste keuze van het roestvast staaltype speelt de vormgeving, in het bijzonder de detaillering van de constructie, een grote rol bij het voorkomen van bovengenoemde aantastingsmechanismen. Om spleetcorrosie te voorkomen is het van belang in het ontwerp spleten te vermijden. Typische plaatsen waar spleten ontstaan, is tussen moeren en onderlegringen of in lasverbindingen die niet goed doorgelast zijn. Aanhechting van schelpen kan eveneens spleetcorrosie veroorzaken. Het optreden van spanningscorrosie treedt op ter plaatse van spanningsconcentraties. Spanningsconcentraties ontstaan door een plotseling verandering in de geometrie. Bijvoorbeeld ter plaatse van een put of

62 kerf. Onregelmatigheden in de las kunnen verwijderd worden door het slijpen van de lassen. Bij het optreden van spanningscorrosie zijn naast de spanningsconcentratie, de temperatuur, de concentratie chioride ionen en het zuurstofgehalte van belang. Galvanische corrosie kan worden voorkomen door isolatie aan te brengen tussen de metalen met verschillende evenwichtspotentialen. Bij de detaillering is het van belang horizontale vlakken, waarop vuil zich kan ophopen te vermijden en gladde gestroomlijnde oppervlakken toe te passen. Hierdoor neemt de kans op biologisch corrosie af. Door het oppervlak van de constructie regelmatig te reinigen worden reeds aangehechte organismen verwij derd. Toepassingen in water Onder atmosferische condities is voor elke toepassing een geschikt roestvast staaltype voorhanden. Bij toepassing van roestvast staal in water zijn de watersamenstelling en de aanwezige organismen van belang. Chloride ionen breken de beschermende passieve laag gemakkelijk af. Hoe hoger de concentratie chloride ionen des te agressiever het milieu. Zeewater vormt daardoor een grote bedreiging voor de meeste typen roestvast staal. De meest geschikte typen roestvast staal voor toepassing in zeewater zijn de super austenieten. Deze roestvast staaltypen bevatten meer dan 6 % molybdeen, waardoor de corrosieweerstand ook in zeewater afdoende is. De prijs van roestvast staal stijgt naarmate het type beter bestand is tegen corrosie. De duurzaamheid van roestvast staal in water is, afhankelijk van de geëiste levensduur, moeilijk te voorspellen. Zeker bij toepassingen met een levensduur van tientallen jaren is een voorspelling moeilijk, omdat gedurende deze periode de watersamenstelling en de aanwezige organismen in het water kunnen veranderen. Hierdoor verandert de agressiviteit van het milieu. Het onderhoud van constructies in water moet voornamelijk bestaan uit het regelmatig schoonmaken van liet oppervlak. De onderhoudsfrequentie kan na ingebruikname worden vastgesteld en/of afgeleid worden uit proeven met het materiaal in het betreffende milieu. De frequentie is onder meer afhankelijk van de aangroeisnelheid van organismen. Mechanische eigenschappen Bij het construeren in roestvast staal moet rekening worden gehouden met de verschillen in mechanische eigenschappen ten opzichte van koolstof staal. Zo is de spannings-rek relatie van roestvast staal niet lineair. Er is geen duidelijk vloeiplateau aanwezig, waardoor in plaats van de vloeispanning de spanning behorende bij de 0.2% rekgrens genomen wordt. Daarnaast ligt de proportionaliteitsgrens tussen de 36 en 60 % van de 0.2% rekgrens in plaats van 70% bij koolstof staal. Doordat de proportionaliteitsgrens lager ligt, moet eerder rekening gehouden worden met instabiliteitverschijnselen. Bij spanningen boven de proportionaliteitsgrens geldt de initiële elasticiteitsmodulus niet. In de norm wordt alleen met betrekking tot vervorming rekening gehouden met deze verlaging van de elasticiteitsmodulus door uit te gaan van de tangentiele modulus. De normen en richtlijnen met betrekking tot roestvast staal zijn op dit moment in de maak. De voorlopige norm van de Eurocode verwijst op dit moment nog vaak naar de norm voor koolstof staal. Als hoge sterkte en hardheid gewenst zijn, komen de martensitische roestvast staaltypen in aanmerking. Deze typen kunnen een 0.2% rekgrens van wel 1800 N/mm 2 hebben. Als een hoge sterkte en taaiheid van belang zijn, zijn de duplex soorten geschikt. Deze hebben een rekgrens van 460 N/mm 2. Door aan austenitische roestvast staaltypen stikstof als legeringselement toe te voegen, wordt een 0.2% rekgrens vergelijkbaar met duplex roestvast staal verkregen. 70

63 Beschikbare producten De diversiteit van verschillende producten in roestvast staal is klein door geringere toepassing van het materiaal. Er zijn minder warmgewalste profielen beschikbaar, waardoor meer gebruik moet worden gemaakt van koudgevormde en samengestelde profielen. Plaatmaterialen zijn in alle soorten roestvast staal voorhanden. Lassen De fysische eigenschappen zoals de thermische uitzettingscoëfficiënt en de warmtegeleiding verschillen per soort roestvast staal. Koolstof staal heeft een uitzettingscoëfficiënt van 12 x 10 6 per C en een warmtegeleiding van 55 W/mK. Bij austenitisch roestvast is de uitzettingscoëfficiënt gelijk aan 16 x 106 per C en de thermische geleiding drie keer zo laag, namelijk 15 W/mK. Dit heeft tot gevolg dat grote vervormingen en restspanningen kunnen optreden tijdens het lassen. Het lassen van roestvast staal is enigszins duurder dan het lassen van koolstof staal. Martensitisch roestvast staal en ferritisch roestvast staal zijn matig lasbaar. Austenitisch roestvast staal is goed lasbaar, mits het koolstof gehalte van zowel het moedermateriaal als het lasmetaal laag zijn en het lasmetaal 3 tot 8 % ferriet bevat. Austenitisch-ferritisch roestvast staal is eveneens goed te lassen. Bij te snelle afkoeling wordt te weinig austeniet gevormd, waardoor de corrosieweerstand afneemt. Door tijdens het lassen een toevoegmateriaal met nikkel en stikstof te gebruiken, treedt dit probleem niet op. Bij niet-destruktieve inspectiemethoden van de lassen is het gebruik van ultrasoon onderzoek moeilijker, vanwege de overeenkomst tussen de korrelgrootte en de golflengte. Voornamelijk bij groter dikten, vanaf 50 mm is ultrasoon onderzoek toepasbaar. Van belang bij allendo-methoden is dat deze uitgevoerd worden door gekwalificeerde personen, die ervaring met roestvast staal hebben. Magnetisch onderzoek is niet mogelijk bij austenitisch roestvast staal, omdat deze soort niet magnetiseerbaar is. Conclusie voor het ontwerp van een sluisdeur Voor het ontwerpen van een sluisdeur in roestvast staal zijn de volgende conclusies getrokken. Vormgeving en materiaalkeuze zijn de voornaamste aspecten waardoor corrosie kan worden voorkomen. Voor het ontwerp van de deur is gekozen voor twee roestvast staaltypen. Namelijk het austenitische roestvast staaltype en het austenitisch-ferritische roestvast staaltype Tot slot is geconcludeerd dat de aantasting en het onderhoud van de sluisdeur alleen door nader materiaalonderzoek in het betreffende milieu kan worden bepaald. Aanbevelingen Bij toepassing van roestvast staal in water is het raadzaam een materiaaldeskundige te consulteren en proeven in het betreffende milieu te doen met het gekozen roestvast staaltype. Tijdens de eindfase van het onderzoek is mij bekend geworden dat een super martensitisch roestvast staal beschikbaar is, die in tegenstelling tot de overige martensieten een zeer hoge corrosieweerstand bezit. Over dit type moet meer informatie ingewonnen worden, zeker omdat dit type beter lasbaar is dan overige typen martensiet. Consultatie van een lasspecialist op het gebied van roestvast staal is noodzakelijk. Een lasspecialist weet welke problemen op kunnen treden en hoe ze voorkomen kunnen worden. In dit rapport is geen aandacht besteed aan de verschillende lasprocessen en de toepasbaarheid bij roestvast staal. Bij nader onderzoek zou dit uitgewerkt moeten worden. 71

64 LITERATUTJRLIJST Allen. K.W., Adhesion 2. Applied Science Publishers Ltd, 1978, Londen. Associazione Italiana di Metallurgia. Advanced stainless steels for seawater applications. AIM Piacenza. Avesta Sheffiel AB Research foundation, Stainless Slee/s and their Properties Stockholm. Berg, G.J. van den en P. van der Merwe. Prediction of corner mechanical properties for stainless steels due to coldforming. Eleventh International Specialty Conference on Cold- Formed Steel Structures, 1992, U.S.A. Bekker, K. en F. Neessen, Lassen van roestvast staal constructies in de ketel- en apparatenbouw. Lastechniek, januari 1998, pag Bijen, J., Behoud en Onderhoud van Materialen en Constructies. Sectie Materiaalkunde, Vakgroep Mechanica en Constructies, Faculteit der Civiele Techniek, TU Delft, Delft. Bodt, H.J.M., Lastechnisch construeren. Nederlands Instituut voor Lastechniek, Burgan, B.A., Concise Guide to the Structural Design of Stainless Steel. The steel construction institute, Groot Brittanië. Chandler, K.A., Marine and offshore corrosion. Butterwordths, 1985, Londen. Duplex stainless steel seminar, NVN-ENV , Eurocode 3. Ontwerp en berekening van staalconstructies: Deel 1-4, Algemeneregels; Aanvullende regels voor corrosievasle staalsoorten. Nederlands Normalisatie-instituut, Euro Inox, Design Manual for Structural Stainless Steel. Nickel Development Institute, ESDEP working group 18, European Steel Design Education Programme. Heitz, E. e.a., Microbially influenced corrosion of materials. Springer, 1996, Berlijn. International nickel company limited, Corrosion resistence of the austenitic chromium-nickel stainless steels in chemical environments. Thames House, 1964, Londen. MCB: Metaalcompagnie "Brabant" B.V., Roestvast staal produkt informatie. MCB. 1995, Valkenswaard. Nordic liaison committee for atomic energy, Corrosion in seawater systems. NKA, 1988, KjeI Ier. Ouden, G. den en B.M. Korevaar, Metaalkunde, deel 2. Delftse Uitgevers Maatschappij, 1991, Delft. Peckner, D en I.M. Bernstein Handbook of Stainless Steels. McGraw-Hill Book Company, 1977, U.S.A. Scheepens, C.P. en D. van der Torre. Lassen van roest- en hittevast staal. Nederlands Instituut voor Lastechniek en vereniging FME. Verein Deutscher Eisenhüttenleute, Düsseldorf und der Schiffbautechnischen Geselischaft, Hamburg, Korrosion- und bewuchs-probleme bei metallen in meer- und braclovasser. Verlag chemie, 1972, Weinheim. Videla, H.A., Man ual of Biocorrosion. Lewis Publishers, 1996, New York. 73

65 BIJLAGE 1: SCHADEGEVALLEN DOOR CORROSIE IN DE PRAKTIJK Casus 1: Put corrosie van roestvast stalen pijp Toepassing In een nieuw gebouw van een farmaceutische fabriek werd een systeem voor gedemineraliseerd (onthard. ontzoutl 21 mg/l chioride /ph 8.5) water geïnstalleerd. De pijpleidingen werden gemaakt van een Cr-Ni roestvast staal met een laag koolstofgehalte (Type / X2CrN1I9-11/304L). Het systeem zou een keer per week worden gedesinfecteerd met een hypochioride oplossing. Vlak voor de start-up werd het systeem grondig gecontroleerd. Meerdere malen werd gedemineraliseerd water door het systeem gepompt om lekkage van de pijpen te controleren. De nieuwe watervoorziening was een verlenging van een ouder systeem, waarbij vaak problemen met algengroei optraden. Schade Toen schade optrad kon niet vastgesteld worden of tijdens het testen water van het ene systeem naar het andere systeem ging. Korte tijd na de eerste desinfectie werd lekkage van de pijpen bij de lassen vastgesteld. De lekkage werd veroorzaakt door putjes. Het vreemde was echter dat de putjes niet loodrecht maar evenwijdig aan de pijpwand waren ontstaan. Analyse en conclusie Na analyse in een laboratorium kon de oorzaak van de corrosie niet vastgesteld worden. Bij onderzoek van het oude systeem bleek sulfide aanwezig te zijn. Hieruit werd geconcludeerd dat het om corrosie door micro-organismen ging. Bron [22] Casus 2: Corrosie van warmte wisselaar buizen Toepassing Aan buizen van roestvast staal van twee warmtewisselaars ontstond schade na 9 jaar gebruik in een energie installatie. De buizen waren gemaakt van roestvast staal soort 304 (1.4301). De warmte wisselaars werden als volgt gebruikt: Voor het verwarmen van water. Hierbij was het inkomende water 8-10 C en het uitkomende water 5 C. De stroomsnelheid betrof 2.5 m/s. Voor het afkoelen van water. Hierbij was het inkomende water 8-10 C en het uitkomende water C. De stroomsnelheid betrof 1 m/s. Beide warmtewisselaars werden niet altijd gebruikt. Over perioden van enkele weken stond het water stil in de buizen. Schade Van beide warmte wisselaars werden buissecties nader onderzocht. De bodem van de buis was bedekt met een dunne geelbruine laag van ijzeroxide/hydroxide. Het ging om roest van niet gelegeerde staalsoorten. Verder waren over het hele oppervlak aan de binnenkant van de buis donkerbruine en zwarte afzettingen zichtbaar. Naast deze afzettingen werd lokale corrosie vastgesteld, die in sommige geval len de buiswand geperforeerd had. 75

66 Analyse en conclusie Omdat sulfide gevonden werd, kwam men tot de conclusie dat het om biologische corrosie ging. Het chloride gehalte van het water was erg laag, zodat dit niet als oorzaak van de corrosie beschouwd kon worden. Bron [22] Casus 3: Falen van Chroom-Nikkej Staal in een waterkrachtcentrale Toepassing In een waterkrachtcentrale in de Maas, dichtbij Roerrnond, trad een halfjaar na ingebruikname putcorrosie van de schoepbladen en de afvoerringen van de vier turbines op. Het ging om martensitisch roestvast staal (materiaal G X5CrNi 13 4 en X3 CrNi 13 4), dat al meer dan 20 jaar was gebruikt voor deze toepassing vanwege de goede mechanische eigenschappen. De kwaliteit van het maaswater is onderhevig aan sterke fluctuaties in het oxidegehalte, de temperatuur en de chloride concentraties in de zomer met piek waarden van 25 C en 171 mg/l. waren verrassend. In de winter daalde de chlorideconcentraties tot 20 mg/l. Schade Putten met een diameter van 5 mm en een diepte van 2 mm werden geconstateerd. Alle oppervlakken in de buurt van de turbine waren bedekt met zwartbruine afzettingen, deels bestaande uit een slijmerige substantie en deels hard. Eén turbine was zwaar aangetast de andere drie niet. Het bleek dat de andere drie minder vaak stil hadden gestaan in perioden van laag water. Analyse en conclusie Van te voren uitgevoerde testen gaven geen indicatie van vatbaarheid voor put- of spleet corrosie van dit materiaal. Analyse van kalkhoudende afzettingen op het metaal oppervlak onthulde hoge hoeveelheden van mangaandioxide. Het bleek dat mangaan oxiderende bacteriën en mogelijk schimmels de afzettingen vormden. Dit geval mag opgevat worden als microbiologische corrosie onder aërobe omstandigheden. Uit onderzoek bleek dat deze soort roestvast staal bij deze chlorideconcentratie niet vatbaar is voor put corrosie. Maar spleten kunnen de gevoeligheid voor corrosie door chloride verhogen. Daarom werd ook onderzocht of de afzettingen putcorrosie door chloride bevorderden. Dit bleek niet het geval. Het blijkt dat mangaan oxiderende bacteriën de vrije corrosie potentiaal veranderen boven de kritische pitting potentiaal, en dus leidend tot put corrosie bijlage chioride gehalten. De biofilm was niet zichtbaar met het blote oog, zodat zelfs klein hoeveelheden voldoende zijn om de potentiaal te veranderen. Tijdens inspectie van de turbines een jaar later bleek dat de corrosieplekken kunnen repassiveren. De verklaring hiervoor is dat in de zomer de fabriek stilstaat vanwege de lage waterstanden en dan ook het chloride gehalte in het water het hoogst is, zodat initiatie van putcorrosie mogelijk is. Daarna daalt het chloride gehalte en is de fabriek weer volledig in functie. Dit verwijdert dan gedeeltelijk de biofilm en daardoor kan repassivatie plaats vinden. De beste maatregelen bleken het niet volledig stilzetten van de turbines en het regelmatig schoonmaken van de bladen. Bron [14] 76

67 Casus 4: Putcorrosie van hoog gelegeerde austenitische rvs pijpen voor transport van rivierwater Toepassing Water uit de Rijn. gebruikt voor koeling. veroorzaakte putcorrosie van pijpen ter plaatse van de lassen. Het ging om de volgende roestvast staalsoorten 321 en 316 Ti. De eerste bij omgevingstemperatuur en de tweede bij temperaturen tussen de 35 en 55 C. Bij deze temperaturen ondervonden geen van beide materialen putcorrosie in het verleden. Onderzoek wees uit dat het om biologische corrosie ging. Water uit de Rijn wordt door chemische productie fabrieken gebruikt om te koelen. Voorwaarde is dat het onttrokken water niet in samenstelling verandert door gebruik en dat de maximum temperatuur bij terugstorten in de Rijn 30 C is. Na inname wordt het water gezuiverd door zandfilters. Na gebruik wordt het water direkt terug geloosd in de Rijn zonder zuiverings behandeling. Om het water te koelen wordt het gemengd met rivierwater. De pijpsystemen voor rivierwater en koelwater zijn gekoppeld. Gemiddeld bevat Rijnwater 100 ± 30 mg/l chloride, maar bij extreem lage waterstanden kan dit verhogen tot 200 mg/l. Het zuurstof gehalte is 9 mg/1. Dit kan iets lager zijn bij passage door de fabriek, afhankelijk van de temperatuur. Schade Pijpleidingen voor vervoer van koud rivierwater worden normaal gemaakt van ongelegeerd staal en moeten na 5 tot 20 jaar vervangen worden, afhankelijk van de wanddikte. Hier werden de volgende roestvast staalsoorten gebruikt: X6CrNiTi (321) en X6 CrNiMoTi (316 Ti). Lekken ten gevolge van put corrosie traden voornamelijk op in de omgeving van rondomgaande lassen. Materiaal 321 voldoet niet. Hiervan is noch de fabricage van de pijpen noch de kwaliteit van het materiaal de oorzaak. Analyse en conclusie Na openen van de beschadigde pijpen bleek zich een dikke slijmachtige laag afgezet te hebben. Deze afzettingen en zebra mossels (lengte tot 20 mm) en slakken (zelfde grootte) zijn eerder gevonden in warmtewisselaars. Deze ontdekking indiceert dat een verhoogde microbiologische activiteit verantwoordelijk is voor de corrosie van het materiaal in rivier water. Bron [14] 77

68 BIJLAGE II: ONDERZOEKEN NAAR CORROSIE Onderzoek 1: Invloed van het molybdeengehalte op austenitisch roestvast staal Samenvatting onderzoek Blootstelling van vier austenitische roestvast staal soorten met verschillende molybdeengehalten aan zeewater in spatwaterzone, volledig ondergedompeld en atmosferisch. Onderzocht werd het gedrag t.a.v. spleet- en put corrosie na 1,2 en 3 jaar. Het ging om de volgende soorten: X5CrNi 189, X5CrNiMo 18 10, XSCrNiMo 18 12, X2CrNiMo met de volgende materiaalnummers , en De volgende proeven werden uitgevoerd proefopstelling waarbij roestvast staal bevestigd werd met schroeven en onderlegringen; proefopstelling waarbij roestvast staal aan een PVC schijf bevestigd werd; proefopstelling waarbij aan het proefstuk een plaat werd gelast; proefopstel 1 ing om spanningscorrosie te onderzoeken. Met proef 1 konden de corrosiesnelheden van vlakke oppervlakken bepaald worden. Proef 2 werd gedaan, omdat bekend is dat spleetcorrosie ernstiger is bij aansluiting op een niet geleidend materiaal. Proef 3 teste de invloed van lassen op de corrosie snelheid. Terwijl proef 4 uitsluitsel moest geven over spanningscorrosie. Spatwaterzone In de spatwaterzone werden na twee jaar de eerste tekenen van corrosie zichtbaar. Daarvoor waren alleen lichte roestvlekken zichtbaar. Bij alle proeven waren aan het oppervlak putjes zichtbaar met een middellijn kleiner dan 0.1 mm. Na drie jaar waren op het oppervlak vele bruine vlekken zichtbaar. De staalsoort met het grootste molybdeen gehalte 3.3 % was het minst aangetast. In de wisselend in water gedompelde zone werd na 1 jaar zwakke spleetcorrosie vastgesteld. Bij de molybdeenvrije soort was de aantasting het sterkst. Na twee jaar was de toestand niet wezenlijk veranderd. Na drie jaar was bij X5CrNi 18-9 spleetcorrosie onder de onderlegringen en deels putcorrosie in de omgeving van de bevestigingsmiddelen opgetreden. Waarbij de spleetcorrosie erger was onder de PVC-schijf dan onder de metaalschijf. Bij de met molybdeen gelegeerde soorten trad eveneens spleetcorrosie op, maar geen putcorrosie. Tussen de verschillende met molybdeen gelegeerde soorten is geen wezenlijk onderscheid in de mate van aantasting. Conclusie is dat 2 % molybdeen putcorrosie verhindert in de dompelzone. Onder water De sterkste aantasting trad onder water op als gevolg van de turbulentie en de aanwezigheid van dierljke organismen. Door deze oorzaken traden verschillende concentraties van elementen op en was de beluchting ook niet gelijkmatig. waardoor de passieve laag aangetast wordt. X5CrNi 1 8-9: Bij deze soort trad de sterkste aantasting op. Al na een jaar werden talrijke putjes geconstateerd. Na 2 jaar waren sommige oude corrosieplekken gerepassiveerd maar bij anderen was de putcorrosie nog sterker opgetreden. Na drie jaar waren sommige platen volledig doorgecorrodeerd (5mm). De lasnaad wees putcorrosie uit, waarbij de indruk bestond dat aan het oppervlak aanwezige poriën en slakinsluitsels oorzaak of uitgangspunt van de corrosie waren. 79

69 X5CrNiMo 18 10: Bij proeven met staal met een molybdeen gehalte van 2.3% waren al na een jaar tekenen van putcorrosie zichtbaar. Maar het aantal en de diepte was minder als bij de hierboven besproken soort. Onder de PVC- en metaalschijf werd spleetcorrosie vastgesteld, maar wederom was de aantasting geringer. Na twee jaar traden alleen nog geïsoleerde nieuwe putten op. De spleetcorrosie onder de onderlegringen werd erger met de tijd. Wederom was deze ernstiger onder de PVC schijf. Spanningscorrosie werd niet waargenomen. X5CrNiMo 18 12: Zelfde observaties als bij vorige roestvast staal soort. De diepte van de putjes was iets geringer bij staal met een molybdeen gehalte van 2.8 %. X2CrNiMo 18 16: De corrosie weerstand bij deze soort met 3.3 % molybdeen was beter als bij de vorige twee roestvast staal soorten. Maar ook hier traden na een jaar al putjes op. Aantal, grootte en diepte waren desondanks veel minder. Onder de schijven konden geïsoleerde plekken met beginnende spleetcorrosie vast gesteld worden. In de volgende twee jaren traden alleen noch geisoleerde putjes af en toe op. Bijna alle oude putjes waren gerepassiveerd. De spleetcorrosie onder de schijven verergerde in zeer geringe mate. Bij de metalen schijf trad geen corrosie van de schijf zelf op. De schijf bestond uit een roestvast staal soort met 4.5 % molybdeen. Bron [21]: Einfluss des molybdangehaltes nichtrostender austenitischer stahie auf die korrionsbestandig/eeit in seewasser bei naturversuchen auf Helgoland, pag Onderzoek 2: Het gedrag van NCSD in zeewater NCSD = 17%Cr- 16 %Ni %Momettot3% Cu en minder dan 0.03% C Zeewater is een omgeving met relatief geconcentreerd aanwezige chloriden van 30 gr/liter NaC1. In zeewater is roestvast staal compleet ongevoelig voor uniforme corrosie, terwijl koolstof staal dat niet is. Roestvast staal is in zeewater gevoelig voor twee soorten corrosie, namelijk putcorrosie en spleetcorrosie. Eventueel is spanningscorrosie een probleem als de temperatuur hoog genoeg is en spanningen aanwezig zijn. Van deze legering wordt gezegd dat de weerstand tegen putcorrosie zeer goed is. Dit wordt uitgelegd aan de hand van de pitting potentiaal. Daarnaast wordt een grafiek gegeven van de weerstand bij verschillende chioride concentraties, zoals die in verschillende soorten zeewater worden aangetroffen. De vraag hierbij is of door biofouling de concentraties niet plaatselijk verschillen en toch putcorrosie optreedt. Daarom zijn testen in de praktijk uitgevoerd zo belangrijk. Test uitgevoerd in natuurlijk zeewater (lokatie Sete and Brest) Sete 1 1 Brest legering 6 maanden 1 jaar 1 jaar 2 jaar 5 jaar 304L V L 111* IV' III V - 316T1 111* IV III V - NCSD 1 1 en 11* 1 en IV J J 1: geen zichtbaar teken van corrosie lichte spleetcorrosie, diepte <0.1 mm begin van spleetcorrosie, diepte mm stadia spleetcorrosie, diepte 0.5 mm gevorderde spleetcorrosie, diepte> lmm * corrosie onder bevestigde schijven 80

70 Uit deze testen bleek dat NCSD geen spleetcorrosie vertoonde ten gevolge van schelpen en zeewier. Maar wel werd spleetcorrosie vastgesteld door bevestiging van rubber of plastic schijven. Hieruit blijkt dat ook bij deze soort roestvast staal corrosie optreedt. Daarnaast werden testen uitgevoerd in warm zeewater bij een temperatuur van 60 tot 100 C op gelaste buizen en platen (belast op buiging) en platen met spleten. Het zeewater werd belucht en gefilterd. De snelheid door de buizen was 1.5 m/s. Er traden grote afzettingen op bij 80 C. Er werd geen spanningscorrosie geconstateerd na 6 maanden. Daarnaast trad ook geen spleetcorrosie op in de kunstmatige spieten. Gezien de duur van de tests kan corrosie nog optreden, omdat 6 maanden geen lange periode is. Bron [2] Onderzoek 3: Gedrag van roestvast staal soort 904L in zeewater toepassingen. 904L = C <0.02 %, Cr 20% Ni 25 %, Mo 4.5 % Cu 1.5 % (materiaalnummer ). Verkrijgbaar in gelaste buizen met een diameter tot 1050 mm en platen met een dikte tot 76 mm. Over de corrosie weerstand wordt gezegd dat die in agressieve milieus beter is dan 316, maar niet dat het niet corrodeert. Applicaties en ervaring Iran: buizen, naadloos. Zeewater ppm chloride, na 1.5 jaar overgestapt op zoet water. Geen falen vanafjuni 1975 tot Belgie: buis, naadloos. Kanaalwater, 4000 ppm chioride, 6 jaar geen falen. Zweden: buis. naadloos. Brakwater 1000 ppm chloride, 9jaar geen falen. Australie: buis met doorsnede van 2 m. van gelaste plaat. Geen gegevens over samenstelling zeewater. Snelheid 1 m/s, 7 jaar geen falen. Zweden: buis, mm. Brakwater 1000 ppm chloride, 9 jaar geen falen. Er staat tevens vermeld dat toevoeging van koper aan de legering het vastzetten van aanslag, biofouling tegengaat, omdat koper giftig is voor een groot aantal organismen. Daarnaast wordt fouling tegengegaan door een hogere watersnelheid en schoonmaken. Bron [2] Onderzoek 4: Corrosie resistentie van chroom-nikkel roestvast staal soorten In dit verslag werd corrosie door verschillende soorten water onderzocht, Het ging om roestvast staal soorten 304 (materiaalnummer ) en 302 (materiaalnummer ). Kraanwater: Aantasting van 304 Locatie tijdsduur dagen corrosie snelheid diepte put Hollis, L.I <3 jim 25.tm Pittsburgh, Pa. 466 <3 m 25 jim Kingston,N.Y <3 gm niet Camden, N.J. 630 <3 j.tm niet Deze tabel heeft betrekking op 30 4 (X5CrNi 18-9) bij temperatuur van 60 C. 81

71 Rivierwater: Aantasting van 302 (X12 CrNi 18-8) Locatie tijdsduur dagen corrosie snelheid Allegheny 330 <3 im/j Monongahela 338 <3a) jm/j Monongahela 178b) <3 j.tm/j Potomac 394b) <3 im/j Mississippi 1095 <3.tm/j Savannah 148 <3 im/j Colorado 300 Delavare <3 tm/j 70 Hudson <3 60 im/j < im/j Ier vergelijking koolstof staal corrosiesnelheid van 686 jim/j in deze test b) Test in heet water condenser systeem In dit onderzoek is geen sprake van putcorrosie bij 302 in rivierwater. Dit is tegenwoordig niet meer waarschijnlijk, omdat de waterkwaliteit sindsdien veranderd is, maar de resultaten stammen dan ook uit Dit geeft aan dat onderzoek van 20 jaar geleden niet de huidige situatie weergeven. Bron [15] Onderzoek 5: Corrosie in zeewater systemen In dit rapportje worden de resultaten van onderzoek naar corrosie van hooggelegeerde roestvast staal soorten besproken. Het onderzoek betreft onder andere de roestvast staal soorten 904L (1.4539) en duplex 2205 (1.4462). Ter plaatse van de lassen werden 904L en duplex 2205 aangetast. De putdiepte bij 904L was 0.1 mm en bij duplex mm na 3 maanden. Spleetcorrosie trad eveneens op bij deze soorten. De diepte bij duplex 2205 was 0.7 mm. Bron [17] 82

72

73