Precipitatiehardend roestvast staal in de luchtvaart

Vliegtulgen worden nog steeds voor het overgrote deel ontworpen en gebouwd, met zeer geavanceerde aluminiumlegeringen, waarbij de eigenschappen nog steeds worden verbeterd. De toepassing van vezelversterkte kunststoffen is gegroeid. Titaniumlegeringen vertonen een constant tot groeiend aandeel in de verschillende gebruikte materialen in de vliegtuigbouw. Een constante hoeveelheid staalsoorten worden en zullen blijvend worden gebruikt. Voorbeelden daarvan zijn: landingsgestellen, hoogbelaste verbindingsmiddelen (o.a. bouten), dragende constructies met hoge stijfheid, sterkte etc. De zeer hoge sterkte-staalsoorten worden nog steeds gecadmeerd voor corrosiebescherming. De vliegtuigbouw bevindt zich in een uitzonderingspositie, waardoor cadmium nog mag worden toegepast. Bij een nieuw ontwerp bestaat de mogelijkheid om de 'gewone' staalsoorten gedeeltelijk door precipitatiehardende (PH) roestvaststaalsoorten te vervangen. Een overzicht zal hier worden gegeven van de eigenschappen van verschillende PH-stalen en beschikbare productvormen.

Dr. Giel Vaessen
 

Historie metaalkunde PH-stalen

 
Roestvast staalwordt vaak ingedeeld in vijf groepen: martensiet, ferriet, austeniet, precipitatiehardend (PH) en duplex. De chemische samenstelling van enkele veel gebruikte PH-stalen is in tabell gegeven. Na oplosgloeien en afkoelen tot circa kamertemperatuur is de microstructuur compleet martensitisch. Deze martensier is oververzadigd met o.a. koper (voor 17-4-PH). Door een precipitatiebehandeling bij temperaturen in het bereik van 900F (480°C) tot 1150F (620°C) precipiteert een koperrijke fase in de martensiet, waardoor de sterkte en hardheid toenemen. 17-4-PH bevat in de microstructuur grove uitscheidingen van delta-ferriet. Deze fase is bros en beïnvloedt de breuktaaiheid en ook de vermoeiingseigenschappen. Daarom o.a. heeft Armco als leverancier en patenthouder in het verleden (voor, 1980) de chemische samenstelling gewijzigd en is 15-5-PH ontstaan, die nog een minimale hoeveelheid delta-ferriet kan bevatten. Door de toevoeging van aluminium en molybdeen werd de hogere-sterktelegering PH 13-8Mo ontwikkeld. De PH-stalen kunnen in een oplosgegloeide toestand worden geleverd, conditie A genoemd. In deze relatief zachte toestand kunnen de meeste bewerkingen, zoals verspanen, gemakkelijk worden uitgevoerd. PH-staal kan door een warmtebehandeling bij een relatief lage temperatuur van 900F (480°C) tot1150F (620°C) op de gewenste sterkte en corrosiebescherming worden gebracht. Na deze warmtebehandeling wordt de toestand van deze PH-stalen aangeduid met een letter 'H', gevolgd door de precipitatietemperatuur in graden Fahrenheit. Door deze precipitatiewarmtebehandeling wordt ookeen gedeeltelijk spanningsarmgloeien uitgevoerd, zeker als de temperaturen de 1150Fnaderen. Dit is mooi meegenomen om de spanningen, geïntroduceerd door bijvoorbeeld verspanen, te reduceren.

 

Tabel 1 Chemische samenstelling van enkele precipitatiehardende roestvaststaalsoorten.

Overzicht van beschikbare productvormen van PH-staalsoorten

Verschillende productvormen, zoals plaat, staf, smeedstukken etc. uit PH-staal zijn verkrijgbaar volgens materiaalspecificaties, die in de luchtvaart Aerospace Material Specifications (AMS) en Werkstoff-Leistungsblatt (WL) Luft und Raumfahrt worden genoemd. Deze specificaties garanderen: de hoge kwaliteitseisen die aan luchtvaartmaterialen gesteld worden. Overigens zijn PH-stalen ook leverbaar volgens ASTM-specificaties.
Weerstand tegen spanningscorrosie voor hoge-sterktestaalsoorten is van groot belang. Daarom wordt voor de PH -stalen 17-4-PH en 15-5-PH een precipitatiebehandeling bij 1025F aanbevolen (4 uur bij 540 tot 560°C). Voor PH13-8Mo in een H1000 conditie zijn geen schadegevallen met als oorzaak spanningscorrrosie bekend. In tabel 2 zijn de beschikbare productvormen voor PH-stalen in de H1025-conditie samengevat. In afbeelding 1 is een voorbeeld van een hoge-sterktebout uit PH-13-8Mo te zien.



Tabel 2. Overzicht van beschikbare productvormen van enkele precipitatiehardende (PH)
roestvast staalsoorten eri de biibehorende materiaalspecificaties AMS en WL.


Tabel 3 Vergelijking van materiaaleigenschappen voor staf- en smeedstukken uit verschillende PH-stalen in de precipitatiegeharde H1025-conditie. De waarden tussen [ ] zijn maxima voor de gegeven precipitatietemperatuur.



Afbeelding 1 Bout uit roestvast staal PH 13-8Mo H1000 met gerolde schroefdraad.



Afbeelding 2 Taaiheid bij schokbelasting (impact energy) als functie van de 0,2% vloeispanning voor staf uit PH 13-8Mo. Typische data van Armco [1].



Afbeelding 3 Taaiheid bij schokbelasting (impact energy) als functie van de 0,2%-vloeispanning voor staf uit 15-5-PH. Typische data van Armco [1].



Afbeelding 4 Breukspanningen van verschillende roestvaste PH-staalsoorten. De 'Custom'-legeringen worden door 'Carpenter Specialty Alloys' [2] geproduceerd.

Vergelijking van materiaaleigenschappen

Om de goede sterkte-eigenschappen en chemische zuiverheid van 15-5-PH te bereiken, wordt deze PH-staal geproduceerd volgens consumable electrode vacuurn arc remelting (VAC CE). Voor PH 13-8Mo wordt het smeltproces vacuum induction melting plus consumable ekctrode vacuum arc rernelting (VIM+VAR/CE) uitgevoerd om o.a. de nauwe toleranties voor de chemische samenstelling te controleren. Tabel 3 geeft een vergelijking van materiaaleigenschappen voo! 17-4-PH, 15-5-PH en. PH 13-8Mo, allen in de H1025 conditie.Uit de vergelijking van de eigenschapp_en volgens tabel 2 volgt:
 

• 17-4-PH en 15-5-PH bezitten ongeveer dezelfde sterkteeigenschappen;
• 15-5-PH bezit betere sterkte-eigenschappen in dwarsrichting dan 17-4-PH;
• 15-5-PH vertoont isotroop gedrag van sterkte-eigenschappen in lang -en dwarsrichting;
• PH 13-8Mo bezit de hoogste sterkte-eigenschappen van deze PH-stalen.

Een indicatie voor de taaiheid bij schokbelasting van deze PH-stalen wordt a angegeven door de 'impact energy' bepaald met behulp van een ISO-V gekerfd proefstuk. In de afbeeldingen 2 en 3 zijn typische data van impact energies [1] als functie van de vloeispanning voor PH13-8Mo en 15-5-PH aangegeven. In het algemeen is de taaiheid voor PH 13-8Mo groter dan voor 15:5-PH.



Nieuwe PH-stalen

 
IN afbeelding 4 is een vergelijking tussen recenter ontwikkelde PH-stalen en de reeds besproken PH13-8Mo te zien[2]. De Custom 465-legering bezit een nog hogere sterkte dan PH13-8Mo. Echter bij deze legeringen kan door een bepaalde precipitatiebehandeling een unieke combinatie van sterkte, breuktaaiheid, corrosiegedrag en verspaanbaarheid worden ingesteld. Het geheel van deze eigenschappen bepaalt de toepassingsmogelijkheden van PH-stalen.

Literatuur

Armco Precipitation-Hardening Stainless Steels, 1984