Koudvervormen van roestvast staal

Koudvervormen van roestvast staal wijkt in het algemeen af van het bewerken van laaggelegeerd staal en gewoon koolstofstaal. Dit komt doordat roestvast staal sterker, harder en taaier is en veel sneller deformatieharding vertoont. Deze kenmerken zorgen ervoor dat meer vermogen nodig is, dat rekening moet worden gehouden met grotere slijtage van de bewerkingsmachines en dat de corrosie-eigenschappen door mogelijke oppervlakteverontreiniging niet nadelig mogen worden beïnvloed. Het type roestvast staal dicteert in het algemeen de toe te passen bewerking.

Inleiding
Roestvast staal wordt gewoonlijk gekozen op grond van specifieke eigenschappen, zoals corrosievastheid of weerstand tegen hoge temperatuur, sterkte, taaiheid enzovoort. De respons van het staal op deformatieharding en het daarmee samenhangende effect op de mechanische eigenschappen spelen een belangrijke rol bij de keuze van een staaltype dat zal worden vervormd. Tabel 1 (zie volgende pagina) geeft een algemene indeling naar geschiktheid van een aantal veelgebruikte austenitische, martensitische en ferritische roestvaststaaltypen. Uit deze tabel blijkt dat austenitisch en ferritisch roestvast staal vrijwel zonder uitzondering geschikt is voor de meeste vormingsmethoden. Van de martensitische typen worden alleen 403, 410 en 414 aanbevolen voor koudvervorming.

Afbeelding 1. Effect van koudbewerken op mechanische eigenschappen.
 

Vervormbaarheid
De vervormbaarheid van een staal wordt voor een groot deel bepaald door de snelheid waarmee de rekgrens de treksterkte benadert als het materiaal wordt koudbewerkt. Versmalling van het interval tussen rekgrens en treksterkte laat zien dat de vervormbaarheid begrensd is (zie afbeelding 1). Deze versmalling toont dat het merendeel van de beschikbare plastische rek wordt gebruikt en dat verdere vervorming zal resulteren in breuk. Staaltypen waarbij rekgrens en treksterkte elkaar niet sterk naderen, beschikken over een betere vervormbaarheid. Een voorbeeld van zo’n staaltype is 301. Dit staal toont een hogere vervormbaarheid bij dezelfde mate van koudbewerking en staat aanzienlijke deformatie toe tijdens het vervormen.

Vervormbaarheid van austenitisch roestvast staal
Nikkel is het element dat de vorming en stabilisering van de austenitische kristalstructuur bevordert. Hoe groter de Ni/Cr-verhouding, des te stabieler de austeniet is. De mechanische eigenschappen, de versteviging als gevolg van koudvervormen en daarmee de vervormbaarheid hangen af van deze verhouding. Type 301 bezit het laagste nikkelgehalte (6,5%) van de austenitische typen en vertoont daarom de sterkste neiging tot deformatieharding. Hoewel 301 in de zachtgegloeide toestand een volledig austenitische structuur bezit, resulteert het lagere nikkelgehalte in de vorming van een grotere proportie martensiet tijdens plastisch vervormen. Hierdoor biedt het metaal weerstand tegen insnoering en ontstaat een gelijkmatiger vervorming. Door de sterke mate van deformatieharding kan een aanzienlijke toename in sterkte en stijfheid worden bereikt. Type UNS S30430 (gewoonlijk aangeduid als 302HQ of 304Cu) bevat 0,02% of minder koolstof, ongeveer 9% nikkel en 3% koper. Dit type vertoont de minste deformatieharding van de gangbare austenitische roestvaststaaltypen. De meer uitgesproken convergentie van de curven van treksterkte en rekgrens tijdens koudvervormen houdt in dat de totale vervorming vóór breuk kleiner is dan bij een type met sterke deformatieharding, zoals 301. Typen met een lagere rekgrens, zoals 302HQ, vergen bovendien veel minder kracht om vervorming op gang te brengen.
Austenitisch roestvast staal kan sterker worden vervormd dan ferritisch roestvast staal, als gevolg van de hoge ductiliteit, waardoor het in één bewerking een veel grotere vervorming aankan. Van de austenitische roestvaststaalsoorten kunnen de snel deformatiehardende typen 301 en 304 de grootste vervorming weerstaan gedurende één bewerking. De vervormbaarheid van koudbewerkt austenitisch roestvast staal staat bewerking toe zonder voorafgaand zachtgloeien. Het kan echter nodig zijn om tussentijds zacht te gloeien tijdens een reeks bewerkingen, om het staal te herstellen naar de oorspronkelijke ductiele toestand. De betere vervormbaarheid van austenitisch roestvast staal komt vooral tot uiting bij processen zoals strekbuigen, waarbij een hogere trekvervorming moet worden doorstaan, en bij trekbewerkingen, waarvoor hoge ductiliteit is vereist. Wegens de hogere sterkte in zachtgegloeide toestand en de respons op deformatieharding zijn voor austenitisch roestvast staal hogere vervormingskrachten nodig. De beginkracht moet bovendien worden opgevoerd naarmate het staal verder vervormt, om ruimte te bieden aan de effecten van deformatieharding. Austenitisch roestvast staal wordt in het algemeen steeds moeilijker vervormbaar naarmate het Ni-gehalte daalt. De aanwezigheid van stabiliserende elementen zoals titanium, niobium en tantaal, evenals een hoger koolstofgehalte, heeft een nadelige invloed op de vervormingskarakteristieken van de gestabiliseerde typen. Dit is het gevolg van de vorming van tweede-fase-deeltjes in de microstructuur, zoals titaniumcarbide en carbonitriden. Vervorming van 321 en 347 is daarom minder gunstig dan van typen 302HQ, 304 en 305. Verspaanbare typen zoals 303 bezitten een zeer slechte ductiliteit en mogen slechts lichte vervorming ondergaan.

Ferritisch roestvast staal
De mechanische eigenschappen van ferritisch roestvast staal, vergeleken met die van gewoon koolstofstaal, laten zien dat voor deze roestvaststaalsoort andere koudbewerkingsmethoden vereist zijn. De methoden voor ferritisch roestvast staal zijn dezelfde als die voor austenitisch roestvast staal; alleen de vervormingscondities verschillen. De hogere rekgrens van ferritisch roestvast staal in vergelijking met koolstofstaal houdt in dat meer vermogen nodig is voor een gegeven mate van vervorming. De hoge treksterkte duidt erop dat hogere belastingen kunnen worden aangelegd voordat breuk optreedt. De lagere rek betekent dat minder plastische vervorming kan optreden vóór breuk. Hoewel hogere beginkrachten nodig zijn, hoeft de belasting/kracht niet te worden opgevoerd naarmate de vervorming vordert, omdat ferritisch roestvast staal niet in dezelfde mate deformatieharding vertoont als austenitisch roestvast staal. De slechte kerfslagtaaiheid van ferritisch roestvast staal in dikwandig materiaal betekent dat de snelheid waarmee de belasting wordt aangebracht lager moet zijn dan bij laaggelegeerd staal of koolstofstaal. Ferritisch roestvast staal neigt tot breuk onder schokbelasting en bij lage temperaturen. De rekgrens van type 430 convergeert snel naar de treksterkte naarmate de koudvervorming voortgaat (zie afbeelding 1). Omdat de rekgrens moet worden overschreden voordat plastische vervorming optreedt, leidt de sterke convergentie van rekgrens en treksterkte tot breuk. Deze respons is kenmerkend voor ferritisch roestvast staal. Dit effect, plus de snelle daling in ductiliteit bij toenemende koudvervorming, maakt het noodzakelijk om volledig zachtgegloeide plaat te gebruiken en mogelijk tussentijds zacht te gloeien tijdens de bewerking. Bij het forceren of walsen van ferritisch roestvast staal zijn meer tussentijdse zachtgloeibehandelingen nodig dan bij koolstofstaal. Niettemin worden typen als 409 en 430 dikwijls gebruikt voor toepassingen die vervorming vereisen door middel van buigen, trekken, ponsen of forceren. 

Afbeelding 2. Vergelijking van ductiliteit van zes roestvast-staaltypen en van het type breuk dat het gevolg is van dieptrekken.

Martensitisch roestvast staal
De vervormingskarakteristieken van de typen 403, 410 en 414 (de typen met een lager koolstofgehalte) in de volledig zachtgegloeide toestand komen sterk overeen met die van ferritisch roestvast staal. De overige martensitische typen, zoals 420, 431 en 440C, worden niet aanbevolen voor koudvervormen.
 

Tabel 1. Relatieve geschiktheid van roestvast staal voor verscheidene vervormingsmethodes.

Duplex roestvast staal
Duplex roestvast staal bezit hogere rekgrenswaarden dan conventioneel austenitisch roestvast staal. Daarom is meer vermogen nodig om vervorming op gang te brengen. Als eenmaal de rekgrens is bereikt, vloeit duplex roestvast staal net zo gemakkelijk als austenitisch roestvast staal. Wegens de hogere rekgrens moet rekening worden gehouden met sterkere terugvering. Overbuigen met ongeveer 10% bij een buigingshoek van 90° is voldoende om hiervoor te compenseren. Het gebruik van hydraulische persen wordt sterk aanbevolen. Duplex roestvast staal zoals 2205 vereist grotere binnenbuigstralen, doorgaans 3 tot 4 keer de plaatdikte. Sterke buiging moet altijd worden uitgevoerd in een richting die haaks staat op de walsrichting. Op plaatsen waar sterk is koudvervormd, moet worden overwogen om deze—nadat al het koudvervormingswerk gereed is—een oplosgloeibehandeling te geven, zeker als tijdens gebruik zware corrosiecondities worden verwacht.

Spannings-rekrelaties
Afbeelding 2 toont belasting-rekkrommen voor zes typen roestvast staal:

• 4 austenitische typen (202, 301, 302 en 304);
• 1 martensitisch type (410);
• 1 ferritisch type (430).

Afbeelding 3. Vervormbaarheidslimiet diagram voor vijf roestvast-staaltypen.

Vervormbaarheidslimietdiagrammen
Deze diagrammen zijn bruikbaar als directe weergave van de vervormbaarheid van roestvaststaalplaat. Ze geven de biaxiale combinatie van rek weer die kan optreden zonder dat breuk ontstaat. Deze diagrammen worden gemaakt door een stelsel van cirkels met doorgaans een diameter van 2,5 mm op het plaatoppervlak aan te brengen. Als vervorming optreedt, worden de individuele cirkels ellipsen, behalve op plaatsen waar puur biaxiale rek optreedt. De grote en kleine as van de ellipsen worden vergeleken met de cirkels van het oorspronkelijke netwerk om op elke locatie de grootste en kleinste rek te bepalen. De gebieden direct grenzend aan scheuren zijn van bijzonder belang bij het evalueren van de vervormbaarheidscapaciteit van het metaal. Breuk kan aan de hand van verschillende criteria worden bepaald, maar het begin van zichtbare insnoering wordt het vaakst toegepast. De meetkundige plaats van rekcombinaties die leiden tot breuk definieert de vervormbaarheidslimietcurve. Het oppervlak onder deze curve omvat alle combinaties van rek die het metaal kan weerstaan.