De slijtvastbaarheid van RVS is een belangrijk aandachtspunt bij onderdelen die voortdurend bewegen, langs elkaar schuiven of in contact komen met harde deeltjes. Roestvast staal wordt vaak gekozen vanwege zijn corrosiebestendigheid, hygiënische eigenschappen en verzorgde uitstraling. Dat betekent echter niet dat iedere RVS-soort van nature goed bestand is tegen mechanische slijtage.
Vooral austenitische kwaliteiten, zoals RVS 304 en RVS 316L, hebben een relatief zacht oppervlak. Bij intensief gebruik kunnen daardoor krassen, maatverlies, adhesieve slijtage of vreten ontstaan. Door het oppervlak gericht te behandelen en rvs harden zorgvuldig in het ontwerp mee te nemen, kunnen onderdelen langer functioneren zonder de gewenste eigenschappen van het basismateriaal direct op te geven.
Waarom is roestvast staal niet automatisch slijtvast?
De term roestvast staal zegt vooral iets over de weerstand tegen corrosie. Het materiaal bevat voldoende chroom om aan het oppervlak een dunne passieve chroomoxidelaag te vormen. Deze laag beschermt het onderliggende metaal tegen veel vormen van aantasting.
Corrosiebestendigheid en slijtvastheid zijn echter twee verschillende materiaaleigenschappen. Een onderdeel kan uitstekend tegen vocht en chemicaliën bestand zijn, maar toch snel slijten wanneer het langs een ander onderdeel beweegt.
Austenitisch RVS combineert een goede corrosiebestendigheid met taaiheid en vervormbaarheid. De oppervlaktehardheid is echter relatief beperkt. Hierdoor kunnen de bovenste materiaallagen bij hoge contactdruk of herhaalde wrijving beschadigd raken. Ook kan materiaal van het ene contactvlak aan het andere gaan hechten. Dit vergroot de kans op vreten en uiteindelijk vastlopen.
Welke vormen van slijtage komen bij RVS voor?
Slijtage ontstaat niet altijd op dezelfde manier. De aard van de belasting bepaalt welke beschadiging optreedt en welke maatregel het meest geschikt is.
Bij abrasieve slijtage bewegen harde deeltjes of ruwe oppervlakken over het RVS. Deze werken als kleine snijgereedschappen en veroorzaken groeven of krassen. Dit komt bijvoorbeeld voor bij pomponderdelen, menginstallaties en componenten die met poeders of vaste deeltjes in aanraking komen.
Adhesieve slijtage ontstaat wanneer twee metalen oppervlakken onder druk langs elkaar bewegen. Plaatselijk kunnen de contactvlakken zich aan elkaar hechten. Bij verdere beweging worden kleine materiaaldeeltjes losgetrokken. Dit proces kan snel verergeren en wordt bij RVS vaak in verband gebracht met vreten of koudlassen.
Daarnaast kunnen onderdelen te maken krijgen met erosieve slijtage, kleine oscillerende bewegingen of een combinatie van slijtage en corrosie. De werkelijke belasting moet daarom eerst worden onderzocht voordat een oppervlaktebehandeling wordt gekozen.
Wat bepaalt hoe snel een RVS-onderdeel slijt?
De materiaalsoort is slechts één van de factoren. Ook het ontwerp, de tegenlooppartner en de gebruiksomstandigheden hebben grote invloed.
Belangrijke factoren zijn:
- De contactdruk tussen de onderdelen
- De snelheid en richting van de beweging
- De hardheid en ruwheid van beide oppervlakken
- De aanwezigheid van zand, poeder of andere deeltjes
- De temperatuur tijdens het gebruik
- Het gebruikte smeermiddel
- De chemische omgeving
- Het aantal bewegings- of productiecycli
Een onderdeel dat langzaam beweegt, kan alsnog snel slijten wanneer de contactdruk hoog is. Andersom kan een relatief snelle beweging goed functioneren wanneer de oppervlakken correct zijn ontworpen, gesmeerd en behandeld.
Het is daarom niet voldoende om alleen te vragen of een bepaalde RVS-soort slijtvast is. De complete tribologische situatie moet worden bekeken: het RVS-onderdeel, het tegenmateriaal, de beweging, de belasting en de omgeving.
Waarom oppervlaktehardheid zoveel verschil maakt
Bij veel toepassingen begint slijtage aan het buitenste deel van het component. De kern van het materiaal hoeft daarom niet altijd volledig te worden gehard. Een hard oppervlak gecombineerd met een taaie kern kan juist gunstig zijn.
Een hogere oppervlaktehardheid maakt het moeilijker voor scherpe deeltjes of oneffenheden om in het materiaal te dringen. Ook neemt de gevoeligheid voor plastische vervorming en materiaaloverdracht af.
Het behandelen van alleen de buitenste zone beperkt bovendien de invloed op de rest van het onderdeel. De oorspronkelijke taaiheid, vorm en materiaaleigenschappen van de kern kunnen grotendeels behouden blijven.
Bij een laagtemperatuur diffusieproces voor austenitisch en duplex RVS wordt een harde zone in het bestaande oppervlak gevormd. Het gaat dus niet om het aanbrengen van een losse deklaag, maar om een verandering van de buitenste materiaalstructuur.
Hoe werkt het oppervlakteharden van RVS?
Austenitisch RVS kan niet op dezelfde manier worden gehard als veel conventionele staalsoorten. De structuur reageert anders op traditionele warmtebehandelingen. Daarom worden voor deze RVS-kwaliteiten gespecialiseerde thermochemische diffusieprocessen gebruikt.
Eerst wordt de natuurlijke passieve chroomoxidelaag tijdelijk geactiveerd. Daarna kunnen stikstof- en koolstofatomen bij een gecontroleerde, relatief lage temperatuur in het oppervlak diffunderen.
De extra atomen komen in het kristalrooster terecht en veroorzaken hoge drukspanningen. Hierdoor ontstaat een harde zone die expanded austenite of S-fase wordt genoemd. Na de behandeling wordt het oppervlak gereinigd en kan opnieuw een passieve chroomoxidelaag ontstaan.
Het proces is vooral ontwikkeld voor austenitische en duplex RVS-soorten. De geschiktheid van andere legeringen moet per materiaal en toepassing worden beoordeeld.
Hoge hardheid zonder dikke coating
Een diffusiebehandeling verschilt wezenlijk van een coating. Bij een coating wordt een afzonderlijke laag op het basismateriaal aangebracht. Bij diffusie worden elementen in het bestaande RVS-oppervlak opgenomen.
Hierdoor ontstaat geen traditionele deklaag die op dezelfde manier kan afbladderen of loskomen. De maatverandering blijft bovendien beperkt, wat belangrijk is bij nauwkeurig passende machineonderdelen.
Volgens de technische gegevens kan de behandelde zone een oppervlaktehardheid van ongeveer 1200 tot 1400 HV0,05 bereiken. De hardingsdiepte ligt doorgaans tussen 10 en 30 micrometer. Het uiteindelijke resultaat hangt onder meer af van de RVS-soort, oppervlaktegesteldheid en vervormingsgraad van het materiaal.
De laag is relatief dun, maar kan bij de juiste toepassing een groot verschil maken. Het is wel belangrijk dat de belasting bij het werkingsprincipe past. Een dunne harde zone vervangt bijvoorbeeld geen constructief ontwerp dat onvoldoende sterk is.
Corrosiebestendigheid behouden
Bij traditionele nitreerprocessen kan chroom zich binden aan stikstof of koolstof. Hierdoor ontstaan chroomnitriden of chroomcarbiden. Het chroom is dan minder beschikbaar voor het vormen van de beschermende passieve laag, waardoor de corrosiebestendigheid kan afnemen.
Bij een geschikt laagtemperatuurproces wordt geprobeerd deze ongewenste verbindingen te voorkomen. De stikstof- en koolstofatomen blijven in oververzadigde vorm in de austenitische structuur aanwezig. Zo kan een hogere hardheid worden bereikt zonder de corrosiebestendigheid van het RVS onnodig aan te tasten.
Het proces moet daarvoor nauwkeurig worden beheerst. De officiële technische informatie beschrijft een behandeling bij een temperatuur waarbij de expanded-austenitezone wordt gevormd en de vorming van schadelijke chroomverbindingen wordt beperkt.
Behoud van corrosiebestendigheid is vooral belangrijk in de voedingsmiddelenindustrie, medische techniek, chemische procesindustrie en machinebouw. In deze sectoren wordt RVS juist gekozen omdat onderdelen regelmatig met vocht, reinigingsmiddelen of procesmedia in contact komen.
Toepassingen voor slijtvaster RVS
Een oppervlaktebehandeling is vooral interessant wanneer een onderdeel door slijtage vroegtijdig uitvalt, terwijl de rest van het materiaal nog in goede staat is.
Voorbeelden zijn assen, lageroppervlakken, zuigers, geleidingen, kleppen, afsluiters, schroefdraadverbindingen en onderdelen van pompen. Ook componenten in doseer-, meng- en verpakkingsmachines kunnen baat hebben bij een harder loopvlak.
Bij schroefdraadverbindingen helpt een slijtvaster oppervlak om beschadiging tijdens herhaald vast- en losdraaien te beperken. Bij glijdende onderdelen kan de weerstand tegen adhesieve slijtage worden verbeterd. Pomponderdelen profiteren vooral wanneer zij met vloeistoffen, vaste deeltjes of terugkerende wrijving te maken krijgen.
Niet ieder oppervlak van een onderdeel wordt even zwaar belast. Toch vormt een diffusielaag zich over het volledige behandelde oppervlak, waaronder geschikte boringen, spleten en schroefdraden. Dat kan een voordeel zijn bij complexe componenten waarbij een aangebrachte coating moeilijk gelijkmatig te verdelen is.
Het onderdeel al tijdens het ontwerp beoordelen
Oppervlakteharding moet bij voorkeur niet pas worden overwogen nadat een machineonderdeel meerdere keren is uitgevallen. Door slijtage al tijdens de ontwerpfase mee te nemen, kunnen materiaal, toleranties en nabewerking beter op elkaar worden afgestemd.
De engineer moet onder andere kijken naar de benodigde laagdiepte, oppervlakteruwheid en contactbelasting. Ook moet duidelijk zijn of het onderdeel na behandeling nog verder wordt geslepen, gepolijst of verspaand.
Een intensieve mechanische nabewerking kan een deel van de geharde zone verwijderen. Kritische maatvoering en oppervlakteafwerking worden daarom bij voorkeur vóór de behandeling gerealiseerd. Alleen noodzakelijke en vooraf afgestemde nabewerkingen vinden daarna nog plaats.
Ook scherpe randen, diepe beschadigingen en lokale vervorming verdienen aandacht. De conditie van het basismateriaal beïnvloedt namelijk de gelijkmatigheid en uiteindelijke diepte van de behandelde zone.
Schoon aanleveren voor een gelijkmatig resultaat
Een diffusieproces vraagt om een schoon en metallisch oppervlak. Olie, vet, verf, lijm, oxidatie of resten van koelmiddelen kunnen de activering en diffusie verstoren.
Onderdelen moeten daarom zorgvuldig worden gereinigd. Ook restanten in blinde gaten, schroefdraad en nauwe ruimtes moeten worden verwijderd.
De aanbevolen voorbereiding hangt af van de productiegeschiedenis van het onderdeel. Een pas verspaand component vraagt mogelijk om een andere reiniging dan een gebruikt onderdeel dat al met smeermiddelen of procesvloeistoffen in contact is geweest.
Wanneer niet bekend is welke verontreiniging aanwezig is, moet dit vooraf worden besproken. Een gelijkmatige behandeling begint namelijk bij een geschikt voorbereid oppervlak.
Slijtvastheid in de praktijk testen
Een hoge gemeten hardheid betekent niet automatisch dat ieder slijtageprobleem is opgelost. Het gedrag in de praktijk hangt af van de volledige combinatie van materialen en omstandigheden.
Test een behandeld onderdeel daarom bij voorkeur onder een representatieve belasting. Gebruik dezelfde tegenlooppartner, snelheid, druk, temperatuur en eventuele smering als in de uiteindelijke machine.
Vergelijk niet alleen het zichtbare slijtspoor. Meet ook maatverlies, wrijving, oppervlaktebeschadiging en het aantal cycli tot onderhoud of uitval.
Een praktijktest maakt duidelijk of de gekozen behandeling daadwerkelijk de standtijd verlengt. De uitkomst kan ook aanleiding zijn om de oppervlakteruwheid, passing of het smeerconcept verder aan te passen.
Harden of coaten?
De keuze tussen oppervlakteharden en coaten hangt af van de toepassing. Een coating kan geschikt zijn wanneer een specifieke chemische, optische of wrijvingseigenschap nodig is. Een diffusiebehandeling ligt meer voor de hand wanneer de bestaande RVS-eigenschappen zoveel mogelijk behouden moeten blijven.
Omdat de harde zone onderdeel wordt van het materiaaloppervlak, is er geen afzonderlijke coatingovergang. Dat kan gunstig zijn bij nauwkeurige onderdelen en toepassingen waarin loslatende laagdeeltjes ongewenst zijn.
Een oppervlakteharding heeft echter ook grenzen. De behandelde zone is relatief dun en kan bij extreme puntbelasting of zware beschadiging worden doorbroken. De onderliggende constructie, materiaalkeuze en geometrie blijven daarom bepalend voor de betrouwbaarheid.
De beste oplossing ontstaat niet door één proces standaard voor ieder component voor te schrijven, maar door eerst de slijtageoorzaak vast te stellen.
Minder onderhoud en een langere standtijd
Wanneer slijtage wordt beperkt, hoeven onderdelen minder vaak te worden vervangen of nabewerkt. Dat kan leiden tot langere onderhoudsintervallen en minder onverwachte stilstand.
De economische waarde hangt sterk af van de toepassing. Bij een eenvoudig, snel vervangbaar onderdeel kan behandelen minder interessant zijn. Bij een kritisch machineonderdeel dat productiestilstand veroorzaakt, kan een langere standtijd juist veel waarde opleveren.
Vergelijk daarom niet alleen de behandelingskosten met de aanschafprijs van het onderdeel. Neem ook montage, productieverlies, inspectie, voorraad en onderhoudsuren mee.
Een slijtvaster component kan bovendien bijdragen aan een constantere productkwaliteit. Wanneer geleidingen, kleppen of doseeronderdelen minder snel van maat veranderen, blijft het proces langer binnen de gewenste toleranties.
Slijtvastbaarheid van RVS gericht verbeteren
De slijtvastbaarheid van RVS hangt af van meer dan alleen de gekozen legering. Contactdruk, beweging, oppervlaktekwaliteit, tegenmateriaal en procesomgeving bepalen samen hoe snel een onderdeel beschadigt.
Bij austenitisch en duplex RVS kan een thermochemische oppervlaktebehandeling de hardheid en weerstand tegen abrasieve en adhesieve slijtage sterk verhogen. Een correct uitgevoerd laagtemperatuurproces vormt een harde diffusiezone zonder de corrosiebestendigheid onnodig te verminderen.
Wie rvs harden overweegt, doet er goed aan om materiaalsoort, maatvoering, slijtagevorm en gebruiksomstandigheden vooraf technisch te laten beoordelen. Zo wordt de behandeling onderdeel van een complete oplossing en niet slechts een reactie op terugkerende schade.