Go to top

Hardfacing legeringen

Hardfacing legeringen beslaan een groot aantal legeringen, carbiden en combinaties hiervan. Conventionele hardfacing legeringen worden gewoonlijk geclassificeerd als carbiden (WC-Co), nikkel legeringen, kobalt legeringen en ferro legeringen (hoog-chroom wit ijzer, laaggelegeerd staal, austenitisch mangaan staal en roestvast staal). Roestvast staal hardfacing omvat martensitische en austenitische typen, waarbij laatstgenoemden hoge mangaan (5 tot 10%) en hoge silicium (3 tot 5%) gehalten bezitten. Er zijn zowel kobalthoudende als kobaltvrije hardfacing austenitische roestvast-staaltypen ontwikkeld.

Keuze van hardfacing vindt primair plaats op basis van slijtage en prijs overwegingen. Er moeten echter ook andere factoren in ogenschouw worden genomen, zoals basismetaal, wijze van aanbrengen, corrosie, oxidatie en thermische vereisten. Meestal komt het erop neer dat het hardfacingproces de hardfacing of lastoevoegmetaal productvorm dicteert.
Hardfacing legeringen zijn gewoonlijk leverbaar als onbeklede staf, met flux beklede staf, lange massieve draad, lange holle draad (met of zonder flux), of poeder. Tabel 1 toont de populairste processen en de vormen die et elk proces zijn geassocieerd.

Opbouw legeringen

 
Deze legeringen omvatten laaggelegeerd perlitisch staal, austenitisch mangaan (Hadfield) staal en hoog-mangaan houdend austenitisch roestvast staal. Deze legeringen zijn niet ontworpen om slijtage te weerstaan maar om versleten onderdelen tot hun oorspronkelijke dimensies terug te brengen en om als onderlaag te dienen voor echt hardfacing materiaal. Het roestvast staal in deze groep is AWS EFeMn-Cr met een hardheid van 24 HRC en een samenstelling zoals weergeven in tabel 2.


Martensitisch lucht-hardend staal


Deze legeringen omvatten ook roestvast staal en het zijn legeringen voor slijtage tussen metaal en metaal. Ze kunnen worden aangebracht opde slijtvlakken van machine onderdelen. Het roestvast staal in deze groep is AWS ER420 met een hardheid van 45 HRC en een samenstelling zoals weergeven in tabel 3.

Kobaltvrij austenitisch roestvast staal


Dit staal is ontwikkeld om hardfacing legeringen op basis van kobalt (Stelliet) te vervangen in kerncentrales. Kobaltlegeringen werden traditioneel gebruikt voor hardfacing van afsluiters in kerncentrales, omdat ze hoge weerstand tegen corrosie paren aan superieur tribologisch gedrag onder glijdende condities. Echter, zelfs de gewoonlijk geringe corrosie en glijding slijtage van de hardfacings leidde tot het vrijkomen van deeltjes met een hoog kobaltgehalte. Ze komen terecht in het koelmiddel dat door de kern stroomt waarbij Co60 wordt gevormd, een sterke gammastralingsbron. De geactiveerde deeltjes worden opgenomen in de oxidelagen van primaire systeemonderdelen en dragen in aanzienlijke mate bij tot de dagelijkse hoeveelheid straling waaraan personeel blootstaat dat inspecties, onderhoud, reparaties aan of vervanging van onderdelen moet uitvoeren. Tevens is gebleken dat kobalt hardfacings beperkte weerstand bezitten tegen erosie-corrosie en cavitatie. Kobaltvrij roestvast staal kan heel goed op een ondergrond van roestvast en koolstof staal worden aangebracht door middel van TIG lassen, in elke positie en zonder voorwarming. Nominale samenstellingen zijn vermeld in tabel 4.
De microstructuur bestaat uit een austeniet matrix die eutectische legeringscarbiden bevat. Hun prestaties komen overeen of overstijgen die van kobaltlegeringen wat betreft corrosie, materiaalverlies als gevolg van slijtage.


 
Tabel 1. Gangbare oplasprocessen.


Tabel 2. Chemische samenstelling AWS EFeMn-Cr.


Tabel 3. Chemische samenstelling AWS ER420.


Tabel 4. Nominale chemische samenstelling van kobaltvrije hardfacing legering.
 

Kobalthoudend austenitisch roestvast staal


Dit staal is ontwikkeld door Hydro-Quebec voor de reparatie van cavitatie schade aan hun hydraulische turbines. Cavitatie gaat gepaard met uitbrokkelen van kleine metaaldeeltjes uit het oppervlak. Dit leidt uiteindelijk tot ernstige corrosie schade aan het metaaloppervlak.

De buitengewone weerstand tegen cavitatie corrosie van kobalthoudend austenitisch roestvast staal is het gevolg van een chemische samenstelling met een hoog gehalte aan interstitiële koolstof en stikstof waarmee de hoogst mogelijke deformatiehardingssnelheid wordt bereikt. Om dezelfde reden en om een volledig austenitische structuur te behouden is nikkel vervangen door mangaan en kobalt, die in balans zijn met silicium en chroom ten behoeve van een goede corrosieweerstand. De nominale samenstelling van deze legeringen is gegeven in tabel 5.

De elementen met een gunstige invloed op de weerstand tegen cavitatie zijn in fanemende volgorde: koolstof, stikstof, kobalt en silicium. De combinatie van koolstof en stikstof heeft een equivalent effect, terwijl chroom en mangaan een neutraal effect vertonen tussen de 8 en 12% Co. Nikkel is schadelijk. Afbeelding 1 toont het effect van koolstof plus stikstof en afbeelding 2 toont het effect kobalt op de cavitatie corrosie. Deze resultaten maken de formulering mogelijk van legeringen met de juiste hoeveelheid austenietbevorderende elementen (koolstof, stikstof, kobalt, mangaan) en ferrietbevorderende elementen (chroom, silicium en molybdeen) om de austeniet faze te stabiliseren bij kamertemperatuur. Kobalt alleen is niet voldoende als austenietbevorderend element, omdat het de martensiettransformatie temperatuur slechts licht verlaagt. Er moet dus mangaan, koolstof en stikstof worden bijgevoegd. Om de taaiheid en corrosieweerstand te verhogen kan koolstof worden vervangen door stikstof.
 


Tabel 5. Nominale samenstelling van roestvast staal met hoge weerstand tegen cavitatie erosie.


Afbeelding 1. Effect van koolstof plus stikstof op cavitatie erosie van kobalthoudende legeringen.


Afbeelding 2. Effect van kobalt op cavitatie erosie van austenitisch roestvast staal.


De microstructuur is nu van dien aard dat als gevolg van cavitatie de implosie van belletjes aan het metaaloppervlak zorgen voor oppervlakteharding. In dit stadium treedt er weinig materiaalverlies op de hardheid neemt toe en het oppervlak is glad.

Nadat het oppervlak volledig is gehard, veroorzaakt verdere cavitatie schade door initiatie van vermoeiingsscheuren en opvolgend loslaten van metaaldeeltjes. Deze deeltjes zijn echter zo klein dat het resultaat een uniforme en trage degradatie van het metaaloppervlak is. Het hoofdeffect van deze chemische samenstellingsmodificaties op de mechanische eiegenschappen van austenitisch roestvast staal is te zien op de trekkrommen op afbeelding 3. De deformatieharding neemt sterk toe gaande van 304 naar 301 en in het bijzonder het kobalthoudende roestvast staal. Verlaging van het nikkelgehalte en vervanging door kobalt resulteert in een aanzienlijke stijging van de rekgrens en de treksterkte. Aanvankelijk verschilt de mate van deformatieharding maar weinig voor de drie staaltypen, maar naarmate de rek groter wordt neemt die van het kobalthoudende staal sterk toe.

Afbeelding 4a toont de actuele hardheden die worden bereikt aan het metaaloppervlak dat is blootgesteld aan cavitatie. Bij 1020 koolstofstaal trad er nagenoeg geen harding op, terwijl er bij austenitisch roestvast staal en de kobaltlegering aanzienlijke deformatieharding werd gemeten. Afbeelding 4b laat zien dat de deformatieharding beperkt blijft tot een zeer dunne oppervlaktelaag (< 50 µm), die zelfs nog dunner is bij de kobalthoudende legeringen.

Kobalthoudend austenitisch roestvast staal is ongeveer tien keer beter bestand tegen cavitatie erosie dan standaard roestvast staal uit de 300 reeks (afbeelding 5). Hoewel kobalthoudend roestvast staal minder taai wordt als gevolg van de hogere mate van deformatieharding, is deze nog goed genoeg om te worden gelast of gegoten zonder scheuring.


Afbeelding 3. Trekkrommen van 308, 301 en kobalthoudend roestvast staal.




Afbeelding 4. Door cavitatie opgewekte oppervlakte (a) en dwarsdoorsnede (b) harding in diverse metalen.


Afbeelding 5. Vergelijking van cavitatie erosie van verschillende legeringen.
 

Nieuwsbrief

Schrijf u nu in voor onze nieuwsbrief en blijf op de hoogte van alle niet te missen ontwikkelingen in de Aluminium en Roestvast Staal branche.

Velden met een * zijn verplicht