De eigenschappen van roestvast staal worden bepaald door de samenstelling van legeringselementen, de uitgevoerde warmtebehandelingen en aanwezige onzuiverheden. Dit artikel beschrijft systematisch hoe individuele legeringselementen de corrosiebestendigheid, mechanische eigenschappen, microstructuur en verwerkbaarheid van austenitisch, ferritisch, martensitisch, duplex en precipitatiehardend (PH) roestvast staal beïnvloeden.
Overzicht: hoofdeffecten per legeringselement
Hoofdlegeringselementen
1. Chroom (Cr) – Basis van roestvastheid
Relevante RVS-families: Alle typen
Chroom is het essentiële legeringselement dat roestvast staal definieert. Vanaf een minimum van circa 10,5 massa-% chroom vormt zich een hecht, passief chroomoxide (Cr₂O₃) dat algemene corrosieweerstand biedt.
Effecten:
• Passiviteit: Vorming van beschermende oxide-laag; hogere Cr-gehalten versterken deze laag • Algemene corrosie: Verbetert weerstand tegen uniforme corrosie in oxiderende milieus • Hoge-temperatuuroxidatie: Verhoogt schaal- en gloeibestendigheid (thermische toepassingen zoals ovens, uitlaatsystemen) • Microstructuur: Sterke ferrietvormer; in combinatie met nikkel ontstaan austenitischestructuren
Praktijk:
• Ferritisch RVS: 10,5–30% Cr (bijv. 1.4016, 1.4509) • Austenitisch RVS: 16–26% Cr, in combinatie met Ni (bijv. 1.4301, 1.4404) • Martensitisch RVS: 12–18% Cr, vaak met koolstof (bijv. 1.4021, 1.4057)
2. Nikkel (Ni) – Austenietvormer en taaiheidsverbeteraar
Nikkel is het belangrijkste element voor het stabiliseren van een austenitischemicrostructuur bij kamertemperatur en verhoogt de taaiheid en vervormbaarheid aanzienlijk.
Effecten:
• Microstructuur: Stabiliseert austeniet (kubisch vlakken gecentreerd rooster) • Taaiheid: Verhoogt slagvastheid en ductiliteit, ook bij lage temperaturen • Corrosie in actieve toestand: Verlaagt de corrosiesnelheid in reducerende zure omgevingen • Lasbaarheid: In combinatie met laag koolstof verbetert Ni de lasbaarheid van martensitische typen door lagere WBZ-hardheid
Praktijk:
• Standaard austenitisch (18-8): 8–10,5% Ni (1.4301, 1.4307) • Super-austenitisch: tot 25% Ni voor extreme corrosiebestendigheid (1.4529) • PH-staal: 3–9% Ni voor precipitatieharding (1.4542, 1.4568) Let op: Ni kan gedeeltelijk vervangen worden door mangaan en stikstof (kostenbesparing, nikkelallergieën).
3. Molybdeen (Mo) – Bescherming tegen lokale corrosie
Molybdeen is essentieel voor weerstand tegen put- en spleetcorrosie in chloride-houdende milieus zoals zeewater, zwembaden en chemische installaties.
Effecten:
• Lokale corrosie: Verhoogt sterk de weerstand tegen pitting en crevice corrosion • PREN-waarde: Molybdeen draagt zwaar bij aan de Pitting Resistance Equivalent Number: PREN = %Cr + 3,3×%Mo + 16×%N • Microstructuur: Sterke ferrietvormer; hogere gehalten verschuiven de balans naar ferriet in duplex staal • Secundaire fasen: Verhoogt risico op sigma-fase bij ongunstige warmtebehandeling (600–1000°C), met name in duplex en super-austenitisch RVS
Praktijk:
• Standaard austenitisch: 0% Mo (1.4301) • Mo-gelegeerd austenitisch: 2–3% Mo (1.4401, 1.4404, 1.4571) • Super-austenitisch: 4–6% Mo (1.4529) • Duplex: 2,5–4% Mo (1.4462, 1.4410)
Stikstof is een zeer effectief element dat zowel de mechanische sterkte als de lokale corrosieweerstand aanzienlijk verbetert, zonder grote reductie van ductiliteit.
Effecten:
• Microstructuur: Zeer sterke austenietvormer; stabiliseert austeniet in duplex staal • Mechanische eigenschappen: Verhoogt rekgrens en treksterkte door vaste-oplossing-versterking • Lokale corrosie: Verbetert weerstand tegen put- en spleetcorrosie (synergistisch met Mo); draagt bij aan PREN-waarde • Ferritisch/martensitisch RVS: Nadelig voor taaiheid en corrosie; moet laag blijven (<0,03%)
Praktijk:
• Standaard austenitisch: 0,05–0,11% N (1.4301) • Hoog-N austenitisch: 0,15–0,22% N (1.4439) • Duplex: 0,14–0,20% N (1.4462) • Superduplex: 0,24–0,32% N (1.4501, 1.4410) Let op: Te hoge N-gehalten kunnen tijdens lassen leiden tot porositeit; mangaan verhoogt de N-oplosbaarheid.
Koolstof is een sterke austenietvormer en verhoogt de mechanische sterkte aanzienlijk, maar heeft belangrijke nadelen voor corrosie en lasbaarheid.
Effecten:
• Sterkte/hardheid: Zeer effectief in verhoging van sterkte, met name na harden (martensitisch RVS) • Sensitisatie: Vormt chroomcarbiden aan korrelgrenzen bij 450–850°C, wat interkristallijne corrosie veroorzaakt • Lasbaarheid: Hoger C-gehalte verhoogt hardheid in warmtebeïnvloede zone (WBZ), vergroot risico op scheuren • Taaiheid: Verlaagt taaiheid in ferritisch en martensitisch RVS
Praktijk:
• Martensitisch: 0,15–1,2% C (afhankelijk van gewenste hardheid) • Austenitisch standaard: max 0,07% C (1.4301) • Austenitisch laag-koolstof (L-kwaliteiten): max 0,03% C (1.4307, 1.4404) voor betere lasbaarheid • Ferritisch: max 0,025% C Oplossingen voor sensitisatie:
• Toepassing laag-koolstof kwaliteiten (L-grades) • Stabilisatie met Ti (1.4541) of Nb (1.4550) • Oplossingsgloeien (1020–1100°C) na lassen
6. Mangaan (Mn)
Relevante RVS-families: Austenitisch, duplex
Mangaan wordt toegepast om ductiliteit bij hoge temperatuur te verbeteren en kan gedeeltelijk nikkel vervangen als austenietvormer.
Effecten:
• Microstructuur: Bij lage temperatuur austenietvormer, bij hoge temperatuur ferrietvormer • Stikstof-oplosbaarheid: Verhoogt oplosbaarheid van N in de smelt, waardoor hogere N-gehalten bereikbaar zijn zonder porositeit • Nikkel-substituut: Kan gedeeltelijk Ni vervangen (kostenreductie, nikkelvrije kwaliteiten voor medisch gebruik) • Hoge temperatuur: Verbetert ductiliteit bij verhoogde temperatuur
Titaan wordt toegevoegd om koolstof te binden en zo interkristallijne corrosie te voorkomen (stabilisatie).
Effecten:
• Koolstofbinding: Vormt TiC (titaniumcarbide) bij hogere temperatuur dan Cr-carbiden, waardoor Cr in oplossing blijft • Interkristallijne corrosie: Voorkomt sensitisatie; kwaliteiten blijven bestand tegen IK na lassen/warmtebehandeling • Microstructuur: Sterke ferriet- en carbidevormer • Precipitatieharding: In PH-staal vormt Ti intermetallische fasen voor hoge sterkte
Praktijk:
• Austenitisch gestabiliseerd: 1.4541 (AISI 321): Ti ≥ 5×%C • Ferritisch gestabiliseerd: 1.4510 (AISI 430Ti) • PH-staal: variabel, in combinatie met Al, Cu Let op: Overstabilisatie (Te hoog Ti) kan in ferritisch RVS leiden tot taaiheidsvermindering.
Niobium heeft een vergelijkbare functie als titaan: koolstofbinding ter voorkoming van sensitisatie, maar met subtiele verschillen.
Effecten:
• Koolstofbinding: Vormt NbC; bindt koolstof effectiever dan Ti bij lagere temperaturen • Interkristallijne corrosie: Voorkomt sensitisatie; geschikt voor toepassingen met thermische cyclus • Hoge-temperatuureigenschappen: Verbetert kruipsterkte en tijdstandsterkte • Microstructuur: Ferriet- en carbidevormer
Praktijk:
• Austenitisch gestabiliseerd: 1.4550 (AISI 347): Nb ≥ 10×%C • Nb wordt vaak verkozen boven Ti in toepassingen met hoge temperaturen (>550°C)
Wolfraam verbetert de putcorrosieweerstand in combinatie met molybdeen en verhoogt de hoge-temperatuursterkte.
Effecten:
• Lokale corrosie: Draagt bij aan PREN-waarde (factor ≈ 3,3, vergelijkbaar met Mo) • Hoge-temperatuursterkte: Vormt carbiden en intermetallische fasen • Microstructuur: Ferrietvormer
Praktijk:
• Superduplex: 0,5–2% W (in combinatie met Mo voor PREN >40)
Zwavel wordt bewust toegevoegd aan verspaanbare (free-cutting) RVS-kwaliteiten om de machinabiliteit te verbeteren, maar heeft nadelen voor corrosie en mechanische eigenschappen.
Effecten:
• Bewerkbaarheid: Vormt mangaan-sulfiden (MnS) die spaanafbreking vergemakkelijken • Corrosie: Verlaagt algemene en lokale corrosieweerstand • Ductiliteit: Verlaagt rek en taaiheid • Lasbaarheid: Vermindert lasbaarheid (risico op scheuren)
Praktijk:
• Verspaanbaar austenitisch: 0,15–0,35% S (1.4305) • Standaard RVS: zo laag mogelijk, meestal <0,015% S
RVS-families: welke elementen zijn essentieel?
Austenitisch RVS (1.43xx)
Kernlegering: Cr (16–26%) + Ni (8–25%)
Belangrijke secundaire elementen:
• Mo (0–6%): Lokale corrosieweerstand (1.4401, 1.4404, 1.4571, 1.4529) • N (0,05–0,22%): Sterkte en corrosieweerstand (hoog-N kwaliteiten) • Ti of Nb: Stabilisatie tegen interkristallijne corrosie (1.4541, 1.4550) • C (laag, <0,03%): L-kwaliteiten voor optimale lasbaarheid (1.4307, 1.4404) • Cu, Mn: Speciale toepassingen (zure corrosie, Ni-vervanging) Toepassingen: Algemene constructie, chemie, voedingsmiddelen, architectuur
Ferritisch RVS (1.40xx, 1.45xx)
Kernlegering: Cr (10,5–30%) + zeer laag C (<0,025%)
Belangrijke secundaire elementen:
• Ti en/of Nb: Stabilisatie voor taaiheid en corrosieweerstand (1.4510, 1.4509) • Mo (0–4%): Verhoogde corrosieweerstand (1.4521, 1.4547) • Si: Hoge-temperatuuroxidatie Te vermijden: Hoge C, N (verlagen taaiheid en corrosieweerstand sterk)
Legeringselementen werken niet afzonderlijk, maar beïnvloeden elkaar:
• PREN-waarde (lokale corrosie): PREN = %Cr + 3,3×%Mo + (0,5–3,3)×%W + 16×%N Hoe hoger, hoe beter de weerstand tegen put- en spleetcorrosie. • Austeniet/ferriet-balans: • Austeniet-vormers: Ni, C, N, Mn, Cu • Ferriet-vormers: Cr, Mo, Si, Ti, Nb, V, Al, W. Schaeffler- en DeLong-diagrammen voorspellen de microstructuur na lassen. • Sigma-fase: Hoge Cr + Mo + lage Ni verhogen het risico op sigma-fase bij 600–1000°C (vermindert taaiheid en corrosieweerstand). Kritisch in duplex, super-austenitisch en ferritisch RVS. • Sensitisatie: Cr + C → Cr₂₃C₆ aan korrelgrenzen bij 450–850°C → interkristallijnecorrosie. Voorkomen door: laag C, stabilisatie (Ti, Nb), of oplossingsgloeien.
Praktische keuzerichtlijnen
Conclusie
De juiste keuze van een RVS-kwaliteit vereist inzicht in de rol van elk legeringselement. Chroom is de basis voor roestvastheid, nikkel zorgt voor taaiheid en austenietischestructuur, molybdeen en stikstof verhogen de lokale corrosieweerstand, terwijl koolstof primair de sterkte en hardbaarheid bepaalt. Secundaire elementen zoals titaan, niobium, koper en mangaan bieden mogelijkheden voor stabilisatie, specifieke corrosieweerstand of kostenoptimalisatie. Voor complexe of kritische toepassingen is het raadzaam om niet alleen de basissamenstelling, maar ook de invloed van interacties (PREN-waarde, austeniet/ferriet-balans, sensitisatie, sigma-fase) in overweging te nemen, eventueel in overleg met materiaalspecialisten of leverancier.
