Roestvrij staal productie: van fabriek tot eindproduct

Van de staalfabriek naar de fabriek, hoe kwalitatief roestvrij staal gemaakt wordt

We produceren staal al duizend jaar, maar roestvrij staal is een relatieve nieuwkomer. Het werd uitgevonden in 1913 door Harry Brearley, een Britse metallurg. Chemici, ingenieurs en materiaalkundigen hebben sindsdien geëxperimenteerd. Als roestbestendige legering kan het dezelfde materiaaleigenschappen bieden als staal met de roestbestendigheid van legeringen zoals aluminium, maar tegen lagere kosten. In het begin werd roestvrij staal meestal in kleine toepassingen gebruikt, als onderdelen voor watermeters of pompen, evenals uitstekend bestek. Deze dagen wordt het ook gebruikt als structureel bouwmateriaal, in veel grotere hoeveelheden.

Er zijn twee manieren waarop een roestvrij staal object gemaakt kan worden: Een product kan gemaakt worden van rauwe staalstukken die gehammeld, gewalst en gevoegd worden. Of het kan gemaakt worden van gesmolten staal in een vorm gegoten die gevormd is als het eindproduct. Welke de efficiëntere roestvrij staal productiemethode is, hangt af van wat het product is en waar het voor gebruikt kan worden.

Het roestvrij staal productieproces

Roestvrij staal productie is een meerstaps proces: staalschroot wordt gesmolten, in een vaste vorm gegoten, warmtebehandeld, gereinigd en gepolijst.

• Smelten en gieten
• Vormgeven
• Warmtebehandeling
• Ontschillen
• Werkverharding
• Snijden of bewerken
• Afwerking

Smelten en gieten

Staal en legeringsmetalen worden in een elektrisch boogoven geladen. Eenmaal in de oven, wordt het metaal verwarmd tot een specifieke temperatuur boven het smeltpunt, meestal boven de 1540°C. Vanwege de extreme temperaturen, precisie en grote volumes vereist, vereist de smeltfase doorgaans 8–12 uur. Tijdens deze fase controleren staaltechnici regelmatig de badtemperatuur en chemische samenstelling.

Nadat de staallegering volledig gesmolten is, wordt het mengsel gereinigd. Argongas en zuurstof worden in de oven gepompt, waar ze onzuiverheden omzetten in gas en anderen laten slak vormen voor gemakkelijke verwijdering. Voor de meeste toepassingen wordt het gereinigde staal in vormen gegoten, inclusief bloemen, blokken, platen, staven en buizen. Deze worden gebruikt als de rauwmaterialen voor gesmeede producten. Gieterijen kunnen roestvrij staal in de uiteindelijke beoogde vorm gieten door een vorm voor dat ontwerp te creëren. Deze vorm kan enige bewerking ondergaan als afwerkingsstap in plaats van een productiestap.

Vormgeven

Het meeste gegoten staal wordt gevormd door warmwalzen – de plaat, bloem of blok wordt verwarmd en door grote walsen gepasseerd, het uitrekend in een langere, dunner vorm. Warmwalzen gebeurt boven de rekristallisatietemperatuur van het staal. Elke plaat wordt gevormd in een vel, plaat of strook, terwijl bloemen en blokken gevormd worden in draden en staven.

Koudwalzen wordt gebruikt wanneer nauwkeurigere afmetingen of een superieure oppervlakteglans vereist zijn. Het gebeurt onder de rekristallisatietemperatuur van het staal. Koudwalzen gebruikt kleine diameter wielen met een reeks ondersteunende wielen om gladde, brede vellen roestvrij staal te creëren tot nauwe toleranties.

Warmtebehandeling

Warmtebehandeling versterkt gewalst roestvrij staal door de vervormde microstructuur te rekristalliseren. Meest roestvrij staal wordt warmtebehandeld door uitgloeien. Het roestvrij staal wordt verwarmd tot een exacte temperatuur boven de kristallisatietemperatuur, en langzaam afgekoeld onder gecontroleerde omstandigheden. Dit proces verlicht interne spanningen en verzacht het roestvrij staal. De uitgloeitemperatuur, tijd en afkoelsnelheid beïnvloeden allemaal de eigenschappen van het complete staal.

Ontschillen

Een gewalst stuk roestvrij staal verkrijgt een laag geoxideerde "malmschelp", die weggespoeld moet worden om een glanzende oppervlakteafwerking te herstellen. Malmschelp wordt doorgaans verwijderd door chemische middelen zoals elektro-reinigen en beitsen. Bij beitsen wordt het roestvrij staal gedompeld in een bad van salpeterzuur-hydrofluoriezuur. Elektro-reinigen maakt gebruik van een kathode en fosforzuur om een stroom door te geven op het roestvrij staal oppervlak. Het ontchilde metaal wordt afgerond met een hoge-druk waterafspoeling, wat een heldere, glanzende afwerking achterlaat.

Werkverharding

Werkverharding is het proces van versterking van materiaal door vervorming. Roestvrije stalen harden over het algemeen snel, met de exacte snelheid bepaald door de specifieke graad. Austenitische stalen harden sneller dan andere graden.

Snijden of bewerken

Roestvrij staal wordt gesneden tot een gespecificeerde vorm en grootte. Het roestvrij staal kan geschoren worden met cirkelmesjes, gezaagd met hoge-snelheid zagen, of uitgepund met stempels. Alternatieve methoden zoals vlam, plasma en waterstraal snijden worden soms gebruikt.

Voor objecten in een gieterij gegoten die al dicht bij de eindvorm zijn, kan deze snij-/bewerkingsfase slechts bedoeld zijn om laslijnen schoon te maken, metingen tot nauwe toleranties te brengen, of een oppervlakteafwerking te creëren.

Afwerking

Roestvrije stalen kunnen gemaakt worden met een breed scala aan oppervlakteafwerkingen. De gekozen oppervlakteafwerking is niet puur esthetisch. Bepaalde afwerkingen maken roestvrij staal meer corrosieweerstandig, makkelijker te reinigen, of makkelijker te gebruiken in productie. Het type afwerking wordt bepaald door de beoogde toepassing.

Oppervlakteafwerkingen zijn het gecombineerde resultaat van fabricageprocessen en afwerkingsmethoden. Warmwalzen, uitgloeien en ontchillen produceren een matte afwerking. Warmwalzen gevolgd door koudwalzen op polijstwielen produceert een heldere afwerking. Een combinatie van koudwalzen, uitgloeien en buffen met een fijn oppervlak creëert een reflecterend oppervlak. Een reeks slijpen, polijsten, buffen en zandstraalapparatuur wordt gebruikt bij het afwerken van roestvrij staal oppervlakken.

Kwaliteitscontrole en inspectie

Hoewel in-process controles bestaan gedurende de productie en fabricage van roestvrije stalen, zijn ze doorgaans niet genoeg om internationale kwaliteitsstandaarden te halen. Voordat ze verzonden worden, moet elke partij roestvrij staal chemische en mechanische tests ondergaan om te zorgen dat het de gewenste specificaties haalt.

Mechanische testen

Mechanische testen meten de fysieke capaciteit van een roestvrij staal om belasting, spanningen en impacten te weerstaan. Mechanische tests omvatten de trek-, Brinell- en zwaarte-tests die bovenstaand in mechanische eigenschappen beschreven zijn.

Chemische testen

Chemische tests controleren de exacte chemie van een monster voordat de roestvrij staalkwaliteit gecertificeerd wordt. Chemische tests worden doorgaans uitgevoerd door non-destructieve spectrochemische analyse. Corrosieweerstand is van bijzonder belang voor roestvrije stalen. Staalfabrieken testen en meten corrosieweerstand met zoutspuittesten – hoe langer het staal ongeschonden blijft door corrosie na blootstelling aan zoutspuit, hoe hoger de corrosieweerstand.

Wereldwijde productie van roestvrij staal

Na de uitvinding van roestvrij staal, vonden ingenieurs en uitvinders snel toepassingen ervoor. Bestek was in productie vijf jaar na Brearley realiseerde dat zijn chroom-staal roestbestendig was. In 1926, toen roestvrij staal dertien was, werd het gebruikt in chirurgische implantaten. 1935 zag het eerste roestvrij staal beklede vliegtuig. Oorlogsinspanningen hielpen de productiecapaciteit voor roestvrij staal te vergroten.

Tussen 2005 en 2018 verdubbelde de roestvrij staalproductie, tot een wereldwijde output van 50,7 miljoen metriek ton. China is de grootste producent van het metaal ter wereld.

Als een relatieve nieuwkomer in bouwmaterialen, is roestvrij staal een materiaal met nog meer mogelijkheden. Innovaties zoals duplex roestvrij staal gebeuren nog steeds. Naarmate nieuwe chemieën verkend worden, is het mogelijk dat nieuwe graden van roestvrij staal blijven ontdekt worden, voor toepassingen die we nog niet hebben verbeeld.