Roestvast staal

Behalve sommige edelmetalen, zoals goud, die zich moeilijk met andere stoffen binden en daardoor wel als zuiver metaal in de natuur worden aangetroffen, worden metalen gewonnen als ertsen. Ertsen zijn steenachtige delfstoffen die bestaan uit verbindingen van het metaal met bijvoorbeeld zuurstof of zwavel. Met behulp van speciale (fysische en chemische) processen, bijvoorbeeld hoogovens voor de bereiding van staal uit ijzererts, worden de metalen uit de ertsen vrijgemaakt.
Door metalen onderling te mengen, ontstaan er metaallegeringen. Deze legeringen worden speciaal vervaardigd om ze voor bepaalde toepassingen geschikt te maken, bijvoorbeeld de roestvast staaltypen met toevoegingen van onder meer chroom (Cr), nikkel (Ni) en molybeen (Mo).

Bij bepaalde temperaturen (die mede afhankelijk zijn van de mataal samenstelling) gaan metalen en metaalverbindingen over in de vloeibare vorm. Deze temperatuur ligt voor bijvoorbeeld ijzerkoostoflegering tussen de 1150 ˚C en 1550 ˚C. als de temperatuur van het gesmolten metaal wordt verlaagd, zet beneden deze temperatuur de stolling in, waarna bij een nog lagere temperatuur het materiaal geheel vast wordt.
Bij ijzer en staal beginnen zich beneden de stollingstemperatuur kleine vaste deeltjes in de vloeibare massa af te zonderen die in aantal en grootte groeien, tot op een gegeven ogenblik alles vast is.
Deze stolling vindt niet willekeurig plaats, maar volgt bepaalde wetten; er treedt kristalvorming op. De meeste metalen kristalliseren kubisch, dat wil zeggen dat de metaalatomen zich ordenen op de hoekpunten van een denkbeeldige kubus. Een groot aantal kubussen naast, achter, boven of onder elkaar geeft dan een beeld dat wordt aangeduid als een kubisch rooster. Bij het stollen vormen zich op veel plaatsen in het gesmolten metaal kleine groepen in kubisch verband, waaraan zich andere atomen (eveneens in kubisch verband) hechten. Dit gaat door tot de korrel zoveel is gegroeid dat deze tegen een andere stoot.
Als het metaal vast is geworden, bestaat het dus uit een groot aantal atomen die zijn opgebouwd en in een regelmatig kubisch verband staan. Deze structuur van het metaal kan na een bepaalde oppervlaktebehandeling van het metaal (bijvoorbeeld slijpen, polijsten en etsen) microscopisch zichtbaar gemaakt worden.

Bij het kristalliseren van legeringen zijn er in principe twee mogelijkheden;

• De atomen van de bijgevoegde stof komen willekeurig verdeeld in de plaats van of tussen de oorspronkelijke atomen. In dat geval is er sprake van een vaste oplossing of mengkristal
• De atomen van de bijgevoegde stof vormen een zelfstandig verband; een rooster dat op zich eveneens tot kristalvorming aanleiding geeft. In dat geval heeft men te maken met een mengsel van verschillende korrels, elk met zijn eigen kristalstructuur.

Genoemde verschillen in de wijze van kristallisatie zijn voor een geoefend oog goed microscopisch te onderscheiden.

Bij ijzer en staal onderscheidt men een drietal kubische structuren te weten:

• Ferriet, met een kubisch rooster waarbij de ijzeratomen zich bevinden op de hoekpunten van een kubus, alsmede op het snijpunt van de ruimtediagonalen.
• Austeniet, eveneens met een kubisch rooster waarbij de ijzeratomen zich bevinden op de hoekpunten, alsmede op de snijpunten van de diagonalen in de zijvlakken. Het snijpunt van de ruimtediagonalen kan eventueel worden ingenomen door een koolstofatoom.
• Martensiet, een op ferriet gelijkende kubische structuur, waarbij door snelle afkoeling bepaalde afscheidingen (van koolstof) niet konden plaatsvinden. De hierdoor optredende spanningen in het metaal veroorzaken een verhoogde hardheid.

Roestvast staal

Roestvast staal werd omstreeks het begin van de eerste wereldoorlog ontwikkeld; toen kwam vast te staan dat staal met een chroomgehalte boven 13% spontaan aan de lucht passiveerde. Dat wil zeggen dat zich op het metaaloppervlak een afsluitende oxidische laag vormt, die het metaal afsluit voor corrosieve invloeden. De aanduiding roestvast staal geeft aan dat het staal onder de meest voorkomende atmosferische omstandigheden niet wordt aangetast; het metaal is evenwel niet roestvrij en kan onder speciale omstandigheden ernstige vormen van corrosie ondervinden. Behalve staalsoorten die tussen 13 en 17% chroom bevatten, die alle, afhankelijk van hun koolstofgehalte, tot de ferritische en/of martensitische typen behoren, werd omstreeks dezelfde tijd het zogeheten V²A staal ontwikkeld, dat naast chroom (18%) ook nikkel (8%) bevat en een austenitische structuur bezit.
Nikkel bleek de bestandheid tegen corrosie in belangrijke mate te verbeteren, onder meer doordat de vorming van chroomoxiden op het metaal wordt versneld.
Over het metaal roestvast staal bestaat ook nu nog vaak grote onduidelijkheid. Er zijn honderden legeringen, waarvan er slechts een beperkt aantal is gestandaardiseerd, en ook die zijn door verscheidenheid in eigenschappen nog moeilijk te overzien. Er zijn evenwel enkele belangrijke, veel toegepaste roestvast staaltypen, die kunnen worden beschouwd als variaties van een beperkt aantal hoofdsoorten. De overige standaardtypen zijn modificaties van deze “conventionele” staaltypen.

Ferritische typen zijn chroomstaalsoorten met een gehalte van minder dan 0,15% koolstof en 13-17% chroom. Voor speciale toepassingen zijn superferrieten ontwikkeld met 18-20% chroom en 0-4% molybdeen. Dit materiaal kan niet worden gehard door een warmtebehandeling, is slechts bestand tegen weinig agressieve milieus en sterk magnetisch. In de praktijk van het ziekenhuis komt het gebruik van ferritische roestvast staalsoorten niet voor.
Martensitische typen zijn chroomstaalsoorten met een koolstofgehalte dat hoger is dan dat van de ferritische typen, namelijk meer dan 0,15% en, evenals de ferrieten, 13-17% chroom. Door het hogere koolstofgehalte is martensitisch staal wel hardbaar door warmtebehandeling, namelijk door het staal te verhitten tot circa 1000˚C en vervolgens snel af te koelen. Het procedé van afkoelen bepaalt mede de structuur van het staal. Deze hardbaarheid maakt dit staal geschikt voor chirurgische instrumenten, messen en andere snijgereedschap, als mede  voor de vervaardiging van machineonderdelen en bij de industriële procesvoering. De weerstand tegen corrosieve aantasting is niet beter dan van de ferritische typen en bovendien zeer gevoelig voor een nadelige beïnvloeding door warmteontwikkeling tijdens lassen. Het  materiaal is eveneens magnetisch.
Austenitische typen zijn staalsoorten met chroom en nikkeltoevoegingen die als belangrijkste eigenschap een goede tot zeer goede weerstand bezitten te gen corrosie.
Globaal kunnen drie groepen worden onderscheiden
Typen met 17-20% chroom en 8-32% nikkel
Typen met 16-25% chroom en 15-25% nikkel en 2-6% molybdeen
Typen met 16-25% chroom en 15-25% nikkel en 2-6% molybdeen en 0,7-3.5% koper.

De ‘conventionele’ typen met 17-19% chroom en 8-10% nikkel, al of niet met 2-4% molybdeen, hebben een goede weerstand tegen corrosie en worden veel gebruikt voor de vervaardiging van instrumenten en apparatuur in de medische wereld. De hoger gelegeerde typen hebben een grote corrosieweerstand en worden ingezet onder zeer agressieve omstandigheden die zich in het ziekenhuis normaal gesproken niet voordoen. De koperhoudende typen zijn speciaal ontwikkeld voor toepassingen waarbij een goede weerstand tegen de inwerking van zwavelzuur gewenst is.
Austenitisch roestvast staal is niet magnetisch en daarmee op eenvoudige wijze van het matensitische en ferritische type te onderscheiden. Het materiaal kan niet door warmtebehandeling gehard worden. Het kan wel gevoelig zijn voor een temperatuurverhoging tussen 500˚C en 800˚C, bijvoorbeeld door laswerkzaamheden. Doordat bij deze temperatuur chroom aan koolstof wordt gebonden, vorming van chroomcarbiden, en er dus plaatselijk chroomverarming ontstaat, kan hierdoor een plaatselijk verhoogde corrosiegevoeligheid ontstaan.
Austenitisch roestvast staal bevat naast chroom (Cr) en nikkel (Ni) vaak nog geringe toevoegingen van andere elementen, zoals molybdeen (Mo), titaan (Ti) en niobium (Nd). Het chroomgehalte bepaalt in belangrijke mate de weerstand tegen corrosie; het nikkel veroorzaakt voornamelijk de austenitische structuur en verbetert de bestandheid tegen corrosie. Molybdeen verhoogt vooral d bestandheid tegen putvormige corrosie. Deze bestandheid wordt wel uitgedrukt in het zogeheten Pitting Resistance Equivalent (PRE).

Titaan en niobium worden speciaal toegevoegd om de reeds genoemde nadelige warmtebeïnvloeding tijdens het lassen (lasgevoeligheid) te verminderen. Een andere mogelijkheid is het gebruik van een roestvast staaltype met een lager koolstofgehalte, zoals de AISI-typen met L- aanduiding, bijvoorbeeld 316L. voor speciale toepassingen zijn de zogeheten “duplex roestvast staaltypen” ontwikkeld, die gekenmerkt worden door een structuur met een austeniet-ferrietverhouding van circa 1. de ontwikkeling is betrekkelijk jong en veel problemen die ontstaan bij de toepassing – onder andere bij de exploitatie van aardolie en aardgas- van dit materiaal zijn nog een onderwerp van onderzoek.

Aanduiding van roestvast staal

De gebruikelijkste aanduiding voor roestvast staal is die volgens de “Standard Types of Stainless and Heatresisting Steels” van het “American Iron and Steel Institute” AISI.
Daarnaast wordt in Europa veelvuldig de Duitse Norm DIN 17440 gehanteerd.