Steels are Staal wordt vervaardigd door ijzer te legeren met koolstof. Recyclering van ijzererts of schroot kan worden gebruikt voor de vervaardiging van staal. Het geproduceerde vloeibare staal krijgt de vorm van een staaf door gieten of van een billet of knuppel door continugieten. Legeringselementen spelen een zeer belangrijke rol bij de eigenschappen van staal. Vooral in de laatste twee eeuwen heeft de mensheid veel profijt gehad van staal en legeringselementen. Wij kunnen dit legeringsproces onderzoeken aan de hand van het evenwichtsdiagram ijzer-koolstof. IJzer en koolstoflegeringen kunnen worden ingedeeld in staal en gietijzer. Legeringen gevormd met een koolstofgehalte tot 2,14% in ijzer noemen we staal. Vanaf deze samenstelling tot een koolstofgehalte van 6,7 gewichtsprocent is het gietijzer. Een eutectische transformatie treedt op bij 727 ̊ C graden met een koolstofsamenstelling van 0,76 gewichtsprocent.
Koolstof is het belangrijkste legeringselement van staal. Sommige onzuiverheden kunnen gevormd worden tijdens het legeren en het kan kleine hoeveelheden van andere elementen bevatten als gevolg van externe factoren. Op grond van hun samenstelling kunnen wij staal op 3 verschillende manieren indelen:
1. Koolstofstaal;
- Staal met laag koolstofgehalte (C <0,25%)
- Middelmatig koolstofgehalte (0,25% <C <0,55%)
- Staal met hoog koolstofgehalte (0,55% <C)
2. Gelegeerd staal;
- Laag gelegeerd staal
Laag gelegeerde staalsoorten bevatten minder dan 5% legeringselementen in hun samenstelling.
- Hoog gelegeerd staal
Hoog gelegeerde staalsoorten bevatten meer dan 5% legeringselementen in hun samenstelling.
3. Staalsoorten volgens het legeringselement in hun samenstelling;
- Roestvrij staal
- Mangaanstaal
- Chroom-nikkel staal
Staal; het wordt gebruikt op vele verschillende gebieden zoals keukenapparatuur, huishoudelijke apparaten, automobielindustrie, aardolie-industrie, leerindustrie, chemische industrie, pomp- en compressoronderdelen, luchtvaart, nucleaire industrie. Afhankelijk van de toepassingsgebieden worden enkele wijzigingen in de samenstelling aangebracht. De eigenschappen van staal variëren afhankelijk van de koolstofsamenstelling en de legeringselementen die het bevat. Elk legeringselement voegt in verschillende mate verschillende eigenschappen aan staal toe. Fabrikanten daarentegen produceren materialen die aan de verwachtingen voldoen door deze samenstellingen aan te passen aan de verwachtingen in het gebruiksgebied van het materiaal dat zij produceren. Verwachten dat een materiaal alle eigenschappen op de beste manier geeft, is zowel zeer moeilijk als zeer kostbaar. Daarom is het van groot belang het toepassingsgebied te bepalen en te bepalen welke eigenschappen bij deze toepassing het belangrijkst zijn.
Bij het ontwerpen van een kraan voor huishoudelijk gebruik bijvoorbeeld, zal dit materiaal vaak in contact komen met water. Daarom is het risico op corrosie groot. De corrosiebestendigheid van het materiaal moet hoog worden gehouden. Het materiaal zal geen sporen nalaten. Om deze reden is een zeer grote druksterkte niet vereist.
Legeringselementen en hoe zij het staal beïnvloeden
Koolstof, het belangrijkste legeringselement van staal; verhoogt de mechanische eigenschappen zoals sterkte, hardheid en mechanische weerstand. Maar naast deze toename nemen ook de smeedbaarheid, de vervormbaarheid en de taaiheid af. Bovendien kan de treksterkte tot op zekere hoogte toenemen. De toename van het koolstofgehalte in de staalsamenstelling vermindert de vervormbaarheid van het materiaal, dat wil zeggen dat het brosse eigenschappen gaat vertonen. Er bestaat een risico op scheurvorming in staal met een hoog koolstofgehalte ten gevolge van residueel austeniet dat na de warmtebehandeling zal ontstaan. Dit heeft een negatieve invloed op de smeed- en lasbaarheidseigenschappen van staal.
Chroom is het meest gebruikte legeringselement in staal. Het belangrijkste kenmerk is dat het een roestvrije eigenschap aan het staal toevoegt dankzij de heldere oxidelaag die het vormt op het oppervlak van het staal. De samenstelling van roestvast staal bevat ongeveer 12% chroom. Chroom verhoogt ook de hardheid dankzij de carbiden die het in het staal creëert. Hoewel het net als koolstof de treksterkte en hittebestendigheid verhoogt, vermindert het ook de vervormbaarheid.
Nikkel kan in staalmaterialen aanwezig zijn tot voor 5% van het gewicht van de samenstelling. Nikkel verbetert de hardheid en de sterkte-eigenschappen van het materiaal zonder de ductiliteit en de taaiheid te verminderen, in tegenstelling tot chroom en koolstof. Het wordt veel gebruikt in roestvrij staal.
Mangaan verbetert de mechanische eigenschappen van staal. Het verhoogt de sterkte en vermindert de ductiliteit. Het verhoogt de vervormbaarheid door een reactie met de zwavel die in de samenstelling aanwezig is. Vanuit thermisch oogpunt verlaagt het de kritische afkoelsnelheid. Het vermogen van mangaan om de hardheid en sterkte te verhogen hangt ook af van de koolstofsamenstelling van het materiaal. Het kan ook voor een verbetering van de lasbaarheid van het materiaal zorgen.
Zwavel is een ongewenst legeringselement anders dan bij vrij snijdend staal omdat het het staal broos maakt. Daarom wordt het effect geminimaliseerd door te reageren met mangaan. Het is gewenst in de samenstelling omdat het de bewerking in vrij-snijdend staal vergemakkelijkt.
Silicium wordt gebruikt als zuurstof- en ontgassingsmiddel tijdens de productie. Het zorgt ook voor vloeibaarheid bij het gieten. Het verbetert de magnetische eigenschappen van staal en verhoogt de hittebestendigheid ervan. Hoewel het de hardbaarheid en slijtvastheid van het materiaal verhoogt, heeft het een nadelige invloed op de oppervlaktekwaliteit.
Molybdeen wordt gebruikt om broosheid te voorkomen in staal dat molybdeen, een laag chroomgehalte en nikkel bevat. Het verhoogt de hittebestendigheid van staal. Molybdeen heeft het effect van het verhogen van de effecten van andere legeringselementen. Daarom wordt het vaak niet alleen gebruikt, maar samen met andere legeringselementen. Molybdeen verbindt zich met koolstof om carbide te vormen. Aangezien carbiden de hardheid verhogen, wordt het vaak gebruikt voor gereedschapsstaal.
Vanadium verhoogt de sterkte, hardheid en slijtvastheid van staal. Kleine hoeveelheden toegevoegd vanadium kunnen korrelverruwing voorkomen. Temperen en verweking na warmtebehandeling geven geen resultaat. Daarom wordt het veel gebruikt in gereedschapsstaal.
Wolfraam; verhoogt de slijtvastheid, hardheid en taaiheid van staal. Het voorziet warm werken en verbeterd de snijd-efficiëntie van het materiaal bij hoge temperaturen. Om deze reden is het populair in gereedschapsstaal en snelstaal. Het wordt bij voorkeur gebruikt in de structuur van hittebestendig staal.
Kobalt vertraagt het korrel vergroten bij hoge temperaturen. Verhoogt de hittebestendigheid van het materiaal en de sterkte bij hoge temperaturen. Daarom geniet het de voorkeur in gereedschapsstaal.
Aluminium wordt gebruikt als desoxidatiemiddel. Het heeft een korrelverfijnende werking, waardoor het de groei van austenietkorrels verhindert. Verhoogt de weerstand tegen veroudering. Om deze reden bevatten diepgetrokken platen aluminium in hun structuur.
Fosfor maakt, net als zwavel, staal broos. Om die reden is fosfor ook ongewenst. Het verhoogt de hardbaarheid van het staal, maar het veroorzaakt een enorme daling van de vervormbaarheid. Deze daling wordt meer waargenomen bij staal met een hoog koolstofgehalte.
Koper verleent staal corrosiebestendigheid en hardheidseigenschappen. Maar tegelijkertijd vermindert het de vervormbaarheid zeer sterk. Daarom wordt het beperkt tot maximaal 0,5% in de samenstelling.
Stikstof verhoogt de sterkte- en hardheidseigenschappen. Het verhoogt de hardheid door nitride te vormen in de structuur van het staal. Het vergemakkelijkt het bewerkingsproces. Het verhoogt de breekbaarheid.
Referentie
