AISI 304 versus 316 versus 316L: welk roestvast staal overleeft op zee?

AISI 304, 316 en 316L zien er identiek uit op een nieuwe weegschaal, maar na een seizoen zoute nevel, visbloed en dagelijkse wash-down kunnen ze zich heel verschillend gedragen. Het verschil komt neer op één legeringselement, molybdeen, en één onzuiverheidslimiet, koolstof. Dit artikel vergelijkt de drie kwaliteiten aan de hand van gepubliceerde samenstellings- en putcorrosiedata, legt uit hoe chloriden roestvast staal aantasten en waarom 316L van belang is voor gelaste frames.

Samenstelling: wat 304, 316 en 316L onderscheidt

Het belangrijkste verschil is molybdeen: 316 en 316L bevatten 2-3% Mo, terwijl 304 dit niet bevat. 316L is de koolstofarme versie van 316, met koolstof beperkt tot 0,03%. De tabel geeft op ASTM gebaseerde limieten samengesteld door de International Molybdenum Association (IMOA, Practical Guidelines for the Fabrication of Austenitic Stainless Steels, tabel 1).

Kwaliteit	UNS	EN	C max	Cr	Ni	Mo	N max	PREN
304	S30400	1.4301	0,07	17,5-19,5	8,0-10,5	-	0,10	18-20
304L	S30403	1.4307	0,03	17,5-19,5	8,0-12,0	-	0,10	18-21
316	S31600	1.4401	0,08	16,0-18,0	10,0-14,0	2,00-3,00	0,10	24-26
316L	S31603	1.4404	0,03	16,0-18,0	10,0-14,0	2,00-3,00	0,10	24-26
316L (variant met hoger Ni/Mo)	-	1.4435	0,03	17,0-19,0	12,5-15,0	2,50-3,00	0,11	27-29

Alle waarden zijn gewichts-%; Mn is voor alle kwaliteiten maximaal 2,00%. IMOA merkt op dat de EN-samenstelling niet exact overeenkomt met de ASTM-samenstelling, dus controleer het fabriekscertificaat voor de daadwerkelijk bestelde norm.

PREN: een getal voor putcorrosiebestendigheid

Het Pitting Resistance Equivalent Number (PREN) is een corrosiebestendigheidsindex berekend uit het chroom-, molybdeen- en stikstofgehalte van een staalsoort, plus wolfraam waar aanwezig, en rangschikt roestvaste staalsoorten naar bestendigheid tegen lokale corrosie in chloride-omgevingen. In de versie die IMOA gebruikt voor austenitische kwaliteiten telt chroom mee tegen nominale waarde, telt elk procent molybdeen ruim drie keer zo zwaar mee, en telt stikstof ook zwaar mee, hoewel het slechts in kleine hoeveelheden aanwezig is.

Elk procent molybdeen voegt iets meer dan drie punten toe, zodat de 2-3% Mo in 316 het PREN verhoogt van de 18-20 van 304 naar 24-26 (IMOA steel grades and PREN). IMOA noemt drie beperkingen bij het gebruik van dit getal:

• het beschrijft bestendigheid onder ideale omstandigheden en houdt geen rekening met intermetallische fasen, slechte warmtebehandeling, oppervlaktetoestand of reiniging na fabricage;
• het is een indicator, geen garantie: als een kwaliteit faalt door putcorrosie in een omgeving, is een kwaliteit met een hoger PREN nodig, maar hoeveel hoger staat niet vast;
• het mag niet worden gebruikt waar algemene corrosie in plaats van putcorrosie het waarschijnlijke mechanisme is.

316 en 316L hebben hetzelfde PREN-bereik. Voor put- en spleetcorrosiebestendigheid op zee zijn ze gelijkwaardig; het verschil tussen beide zit in lasbaarheid.

Hoe chloriden roestvast staal aantasten

Roestvast staal is bestand tegen corrosie dankzij een zeer dunne passieve chroomoxidelaag; putcorrosie en spleetcorrosie beginnen waar chloriden die laag lokaal doorbreken (IMOA, paragraaf 6.2.1). Factoren die aantasting bevorderen zijn hoge halogenidegehaltes, met name chloride, oxidatiemiddelen, hogere temperatuur en zure omstandigheden. Op een vissersvaartuig kunnen alle vier optreden: zeewaternevel, verdampende zoutafzettingen, gechloreerde desinfectiemiddelen en warme, zure residuen.

Spleetcorrosie is de gevaarlijkere vorm bij apparatuur. IMOA noemt schroefverbindingen, overlapverbindingen, O-ring- en pakkingafdichtingen, connectoren, vuil, vet, tape en afzettingen als veelvoorkomende spleetvormers. Binnen een spleet wordt de oplossing rijker aan chloride en lager in pH, waardoor corrosie zich binnen de spleet concentreert. De kritische spleetcorrosietemperatuur van een gegeven legering is altijd lager dan de kritische putcorrosietemperatuur, omdat spleetcorrosie gemakkelijker begint.

Laboratoriumdata zetten dit in perspectief: 316L heeft een kritische putcorrosietemperatuur (ASTM G48) van 10 °C in ferrichloride en wordt door IMOA beschreven als niet geschikt voor stoomcondensorbuizen in zeewater, een toepassing die hooggelegeerde kwaliteiten met 6% Mo wel aankunnen. 316 is daarom een verstandige keuze voor spatwater, nevel en wash-down, geen materiaal dat onder alle omstandigheden immuun is voor zeewater.

Een kwaliteit kiezen op basis van de omgeving

De European Hygienic Engineering and Design Group geeft een praktische drempelwaarde (EHEDG Document 8, 2e editie, 2004, paragraaf 4.3):

Gebruiksomstandigheden	EHEDG-richtlijn
pH ongeveer 6,5-8, chloriden tot ongeveer 50 mg/l, temperatuur tot ongeveer 25 °C	AISI 304 of 304L
Chloriden en temperatuur beide boven ongeveer het dubbele van die waarden	Grotere spleet- en putcorrosiebestendigheid nodig: AISI 316, of 316L voor gelast leidingwerk en vaten
Temperaturen die 150 °C naderen bij hoge chloride en hoge spanning	Zelfs 316 kan spanningscorrosiescheuren vertonen; andere legeringen kunnen nodig zijn

Zeewater, pekel in het visruim en zoutbeladen nevel liggen ver boven 50 mg/l chloride, wat de reden is waarom marine weegapparatuur op blootgestelde plaatsen normaal gesproken van 316 of 316L wordt gebouwd. 304 kan nog steeds geschikt zijn voor onderdelen op droge, met zoet water gereinigde plaatsen uit de buurt van nevel. Oppervlakteafwerking, spleetvrij ontwerp en reiniging zijn even belangrijk als de kwaliteit; zie reiniging en wash-down van weegschalen.

Lassen, sensitisatie en waarom 316L bestaat

Bij standaard austenitische kwaliteiten kunnen chroomcarbiden neerslaan op korrelgrenzen wanneer het staal wordt gehouden in het bereik van 425-900 °C, waardoor chroomarme zones met lagere corrosiebestendigheid ontstaan. Dit is sensitisatie (IMOA, paragraaf 3.3). Tijdens het lassen doorloopt de warmte-beïnvloede zone dit bereik, en aan weerszijden van de las kan een band van gesensitiseerd metaal ontstaan, bekend als lasverval (paragraaf 6.3.1).

IMOA noemt drie manieren om dit te voorkomen: gebruik een koolstofarme L-kwaliteit, gebruik een gestabiliseerde kwaliteit, of gloei op oplossing na het lassen. L-kwaliteiten bevatten doorgaans minder dan 0,03% koolstof en zijn bestand tegen sensitisatie tijdens normaal fabricagelassen; IMOA merkt op dat het ongeveer een uur duurt om een Type 304 met 0,042% koolstof te sensitiseren bij de snelste sensitisatietemperatuur, veel langer dan een typische thermische lascyclus (paragraaf 12.1.7.7). De L-kwaliteiten beschermen niet tegen langdurige blootstelling in gebruik binnen het sensitisatiebereik, wat geen zorg is voor weegschalen.

Laskwaliteit beïnvloedt corrosie net zo sterk als de kwaliteit van het staal:

• Aanloopkleuren en lasfouten zoals ondersnijding, slakinsluitingen en start-stopfouten zijn typische putcorrosieplekken; beitsen na het lassen herstelt de corrosiebestendigheid.
• Onvolledige doorlassing laat een spleet achter die vuil vasthoudt, de corrosiebestendigheid verlaagt en zeer moeilijk te reinigen is (paragraaf 12.1.7.1).
• IJzerverontreiniging door gereedschap van koolstofstaal, slijpstof of gedeelde fabricageruimtes veroorzaakt roestvlekken op roestvaste oppervlakken; IMOA raadt aan de fabricage van roestvast staal en koolstofstaal te scheiden.

Gemengde metalen op dek

Wanneer roestvast staal elektrisch is verbonden met minder edele metalen in zeewater, corrodeert het minder edele metaal sneller. In de galvanische reeks in zeewater, gepubliceerd door het UK National Physical Laboratory, zijn aluminiumlegeringen, zink en koolstofstaal elektronegatiever dan passief 316. Een klein oppervlak van het minder edele metaal gekoppeld aan een groot roestvast oppervlak is het slechtste geval. Keuzes voor bevestigingsmiddelen en montage komen aan bod in corrosie voorkomen en de levensduur van een weegschaal verlengen.

Hoe WPL dit aanpakt

De M2-serie en de M5- en M6-platformweegschalen zijn gebouwd in AISI 316, en de M3 wetenschappelijke weegschaal in 316L. Meer over materialen, afdichting en hygiëne staat op de hub hygiëne en materialen.