Ongelijksoortige verbindingen: RVS aan koolstofstaal

Een verbinding tussen twee verschillende materialen is geen gewone las met een ander etiket. Er ontstaat een overgangszone met een samenstelling die in geen van beide materialen voorkomt, en die zone bepaalt of de verbinding twintig jaar meegaat of na twee jaar scheurt.

Dit artikel behandelt de meest voorkomende combinatie, austenitisch roestvast staal aan koolstofstaal, en de principes die ook voor andere combinaties gelden.

1. Het probleem van de verdunning

Het lasmetaal mengt zich met beide basismaterialen. Bij een verbinding tussen 316L en S355 betekent dat een aanzienlijke verdunning met koolstofstaal, waardoor het chroom- en nikkelgehalte in het lasmetaal daalt. Zakt dat te ver, dan ontstaat martensiet in plaats van austeniet, en martensiet in deze positie is hard en scheurgevoelig.

Het Schaeffler- of DeLong-diagram maakt dat zichtbaar: door de chroom- en nikkelequivalenten van beide basismaterialen en het toevoegmateriaal uit te zetten, ziet u in welk gebied het lasmetaal terechtkomt. Het doel is het austeniet-plus-ferrietgebied met een paar procent ferriet.

2. Het juiste toevoegmateriaal

De standaardkeuze is 309L of 309LMo. Die zijn hoger gelegeerd dan 308L of 316L en verdragen daardoor de verdunning met koolstofstaal zonder in het martensietgebied te belanden. Voor de meeste ongelijksoortige verbindingen bij kamertemperatuur is dat de veilige, beproefde keuze.

Bij hogere bedrijfstemperaturen of zwaardere dienst wordt een nikkelbasis toevoegmateriaal gebruikt, bijvoorbeeld ERNiCrMo-3. Dat verdraagt een nog bredere verdunningsmarge en heeft bovendien een uitzettingscoefficient tussen die van staal en RVS in, wat de thermische spanningen verlaagt.

3. Koolstofdiffusie bij temperatuur

Bij bedrijfstemperaturen boven ongeveer 350 graden migreert koolstof vanuit het koolstofstaal naar het chroomrijke lasmetaal. Aan de staalzijde ontstaat daardoor een ontkoolde, zachte zone en aan de lasmetaalzijde een hard carbiderijk bandje. Die combinatie is een klassieke breuklocatie.

Een nikkelbasis toevoegmateriaal vertraagt dit aanzienlijk, omdat nikkel veel minder affiniteit met koolstof heeft dan chroom. Bij hoge temperaturen is dat de reden om de meerprijs te accepteren.

4. Uitzetting en restspanning

Austenitisch RVS zet ongeveer anderhalf keer zoveel uit als koolstofstaal. In een verbinding die opwarmt en afkoelt betekent dat een terugkerende wisselende spanning precies op de overgangszone. Bij cyclische bedrijfsvoering is dat vaak de werkelijke faaloorzaak, niet de las zelf.

Beperk die spanning door de overgang weg te houden uit spanningsconcentraties, door een nikkelbasis toevoegmateriaal te kiezen en door in het ontwerp ruimte voor uitzetting te laten. Bij zware wisselingen wordt soms bewust een tussenstuk toegepast.