Roestvaste staalsoorten en nikkelgebaseerde legeringen worden vaak gekozen voor tal van toepassingen in corrosieve omgevingen. Hoewel hun corrosiebestendigheid ze tot een gunstige keuze maakt, kan slecht tribologisch gedrag een bredere toepassing van deze materialen belemmeren. Het Kolsterising®-proces is een bewezen methode voor het oppervlakteharden van deze materialen door de diffusie van koolstof. Dit artikel beoogt de verbeteringen te belichten die doorgaans worden waargenomen in mechanische eigenschappen, waaronder weerstand tegen vreten, slijtvastheid en cavitatie-erosie. Ongebruikelijk, vanwege de aard van het proces, worden deze eigenschappen over het algemeen verbeterd zonder de gebruikelijke bijbehorende vermindering van de corrosiebestendigheid. De verbeteringen in eigenschappen zullen worden aangetoond aan de hand van zowel nieuwe als bestaande gegevens uit Europa en Noord-Amerika.
Indien vloeibare of gasvormige media en deeltjes in contact komen met het oppervlak van corrosiebestendige materialen, bestaat het risico op voortijdige slijtage. Bovendien is het essentieel voor drukdragende componenten in kleppen om hun structurele integriteit te behouden, aangezien deze voortijdige slijtage en vreten kan leiden tot verlies van effectiviteit of falen. Historisch gezien zijn veel coatings en warmtebehandelingsprocessen gebruikt om deze problemen tegen te gaan. Een nieuwere technologie is een oppervlaktehardingsproces bij lage temperatuur om de klepcomponenten te beschermen in agressieve omgevingen.
Austenitisch roestvrij staal
De voor- en nadelen van austenitische roestvaste staalsoorten zijn algemeen bekend, en de positieve aspecten zoals hoge corrosiebestendigheid, hoge taaiheid en niet-magnetische eigenschappen worden al vele jaren benut. Echter, de inherente zwakheden van lage sterkte, lage slijtvastheid en gevoeligheid voor put-, spannings- en spleetcorrosie hebben hun toepassing in bepaalde situaties beperkt.
Conventioneel carboneren
Doorgaans worden bij conventioneel carboneren of nitreren chroomcarbiden of -nitriden gevormd aan de korrelgrenzen als gevolg van hoge procestemperaturen (>500 ºC). Dit leidt tot chroomverarming en verlies van corrosiebestendigheid, zie figuur 1.
Kolsterising®
Bij het gepatenteerde Kolsterising® proces wordt koolstof interstitieel gediffundeerd in de FCC-matrix, wat residuele drukspanningen veroorzaakt (zie figuren 2 en 3). Vanwege de lage temperaturen die hierbij betrokken zijn, worden er geen chroomcarbiden gevormd in het geëxpandeerde austeniet, vaak S-fase genoemd. Als gevolg hiervan wordt de oppervlaktehardheid aanzienlijk verhoogd zonder verlies van corrosiebestendigheid.
Procesdetails
Het Kolsterising® proces is nooit gepatenteerd, waardoor de exacte parameters eigendom blijven van Bodycote. De basisdetails zijn echter:
- De oppervlaktehardheid neemt doorgaans toe tot 800 tot 1200 HV0.05 (gelijk aan 65 tot 72 HRc)
- Low temperature process (< 500ºC or < 932ºF)
- Koolstof in grote hoeveelheden (doorgaans 8-10 gew.%) in het oppervlak gediffundeerd.
- Diffusielaag van 10 tot 40 μm (0,0004” tot 0,00157”) gevormd in austenitisch roestvrij staal
- In staat om zowel kleine onderdelen in bulk als grotere onderdelen met individuele behandeling te behandelen
- Geen maatveranderingen door lage temperaturen
Voor een optimaal succes van het proces is het noodzakelijk de aanwezigheid van δ-ferriet en deformatie-martensiet te verwijderen, of op zijn minst te minimaliseren, zie figuur 4.
Programma voor mechanische tests
Nieuw programma
Een testprogramma werd ontworpen in samenwerking met de Bodycote-vestiging in Skokie, IL. Monstermateriaal werd verkregen van een lokale staalfabriek en werd geselecteerd op basis van beschikbaarheid in plaats van optimale eigenschapsontwikkeling. Legeringen die in het programma werden gebruikt, waren AISI 304, AISI 316 en de duplexlegering SAF 2205. Het materiaal werd verdeeld in batches, één voor referentie (onbehandeld) en één voor Kolsterising®. De Kolsterising® monsters werden vacuümoplossingsgegloeid voorafgaand aan de behandeling.
Mechanische eigenschappen en hardheid
Diverse tests zijn uitgevoerd op deze monsters. De hieronder weergegeven resultaten betreffen de meest relevante mechanische eigenschappen. De vermoeiingssterkte wordt doorgaans met 10 tot 100% verhoogd, zie figuur 5.
Oppervlaktehardheid is van primair belang voor het verhogen van de weerstand tegen slijtage en vreten. Er zijn drie 'normale' Kolsterising®-behandelingen: 33 micron, 22 micron en duplex. De '33' en '22' verwijzen naar de nominale hardingsdiepte in microns. Een speciale behandeling is noodzakelijk voor duplexlegeringen, aangezien er een risico op verbrossing bestaat bij hoge behandelingstemperaturen.
De oppervlaktehardheid moet worden gemeten met micro-Vickers of Knoop, met een maximale belasting van 50gf. Zie de hardheidsprofielmeting in figuur 6 voor verschillende behandelingen op een gestandaardiseerd 316L oplossingsgegloeid monster.
Vreetweerstand
Het gebrek aan weerstand tegen vreten is een ernstige tekortkoming van austenitische roestvaste staalsoorten gebleken en is breed gerapporteerd. Een Faville-test werd gebruikt om de vreetweerstand van elk monster te evalueren. Bij deze test wordt een as met 330 tpm geroteerd, terwijl deze wordt vastgehouden in een paar klemmen met een sluitkracht van 707 N. De volgende foto's tonen de as en klemmen na het testen onder drie omstandigheden: onbehandeld (figuur 7), conventioneel
nitreren (figuur 8), en Kolsterising® (figuur 9).
Slijtbestendigheid
Kogel-op-schijf slijtagetest. Een aluminiumoxide kogel, Ø 5 mm, werd met een kracht van 20 N tegen het cilindrische oppervlak van een roterende schijf gedrukt. Onder druk werd de schijf met een snelheid van ongeveer 50 mm/s geroteerd. De rotatie duurde iets meer dan 2,5 uur, wat resulteerde in een continu slijtspoor van 500 m over de schijf. Dit werd uitgevoerd op onbehandeld 316L-materiaal en 316L met toegepaste Kolsterising®. Nadat de test was voltooid, werden de monsters tactiel gemeten met behulp van een profielmeter. De oppervlakteprofielen van de twee monsters zijn weergegeven in Figuur 10. Een hoog slijtagevolume wordt aangegeven voor het onbehandelde monster, terwijl het Kolsterised monster slechts een zekere inbedding aan het oppervlak vertoont.
Samenvatting en conclusies
Voor corrosieve omgevingen zijn austenitische en duplex roestvaststalen vaak de eerste keuze van ontwerpers en gebruikers. Echter, vanwege de materiaalspecifieke zwakke tribologische eigenschappen en met name de lage slijtvastheid, vormen ze een bijzondere uitdaging.
Om de mechanische prestaties te verbeteren met behoud van de ductiliteit van het basismateriaal, kunnen coatings of harde toplagen worden aangebracht. Deze methode ter verbetering van de slijtvastheid kan potentieel risicovol zijn vanwege mogelijke afschilfering, corrosieproblemen onder de coating, of hoge nabewerkingsinspanningen die de totale kosten verhogen.
De optimale oplossing voor een hard maar toch ductiel oppervlak, zonder de noodzaak van modificaties, is Kolsterising® oppervlakteharding. Door de hoge ductiliteit in combinatie met zeer hoge drukspanningen kan de impact van slijtage en vreten aanzienlijk worden verminderd voor veel toepassingen en roestvaststalen materialen. Dit is van vitaal belang bij drukdragende componenten zoals klephuizen en -zittingen, evenals andere klepcomponenten zoals bevestigingsmiddelen.
Door de gegevens van nieuwe en bestaande mechanische tests te onderzoeken, is het duidelijk dat bepaalde belangrijke mechanische eigenschappen van austenitische roestvaste staalsoorten en nikkellegeringen kunnen worden verbeterd door het gebruik van het Kolsterising® proces.
- De oppervlaktehardheid wordt aanzienlijk verhoogd, tot een bereik van 800 tot 1.200 HV0.05 (gelijk aan 65 tot 72 HRc)
- De corrosiebestendige eigenschappen blijven behouden, of worden zelfs verbeterd (geen carbidevorming)
- De weerstand tegen vreten is aanzienlijk verhoogd.
- Slijtage-eigenschappen zijn verbeterd
- De effecten van cavitatie-erosie worden verminderd
- Vermoeiingseigenschappen vertonen een aanzienlijke verbetering
Vermeldenswaard is tevens dat componenten, dankzij de lage behandelingstemperatuur, geen verandering in afmetingen of kleur vertonen, en dat de verharding uniform is op scherpe randen, in boringen, blinde gaten en in spleten van slechts enkele microns.
Dit artikel werd voor het eerst gepubliceerd in Valve World Americas – september 2021