Blog Ko Buijs - De kenmerken van koolstofstaal

Koolstofstaal is een legering van de elementen ijzer en koolstof. Belangrijke kenmerken zijn de aantrekkelijke mechanische waarden, de goede smeedbaarheid en een hoge taaiheid, dat ook wel ductiliteit wordt genoemd. Naast deze omschrijving, moet het koolstofgehalte lager zijn dan 1,9%. Koolstofstaal, zoals men dat in de praktijk meestal tegenkomt, bevat ongeveer 0,2% koolstof. Zonder koolstof is het staal niet geschikt als constructiestaal, omdat koolstof zorgt voor geschikte mechanische eigenschappen. M.a.w. een staalconstructie van zuiver ijzer zal onmiddellijk in elkaar zakken, zodra deze moet gaan dragen.


Door Ko Buijs - Innomet Consultancy BV


Bij teveel koolstof ontstaat grijs gietijzer en dat betekent dat er ongebonden koolstof in de structuur aanwezig is als lamellen. Op zich is dat prima als men er bepaalde onderdelen van wil gieten, maar het is vanwege de lage treksterkte en geringe rek, absoluut niet geschikt als constructiemateriaal. Dit kan overigens wel verbeterd worden als de lamellen koolstofbolletjes worden dankzij de toevoeging van magnesium. In dat geval wordt het nodulair gietijzer genoemd. Maar dan geldt nog steeds dat het niet geschikt is als constructiemateriaal. Daarnaast hoort men in de praktijk ook wel de term ruwijzer. Ruwijzer ontstaat tijdens de eerste fase in het hoogovenproces, waarbij ijzererts wordt omgezet in ijzer. Dit ruwijzer bevat veel koolstof en is hard alsmede zeer bros. In de staalfabriek wordt hiervan staal gemaakt m.b.v. zuurstof; het koolstof verbrandt dan voor een groot gedeelte.

Staalconstructie van koolstofstaal (foto De Korte Staalbouw)

Staal onderscheidt zich dus van ruwijzer door o.a. een veel lager koolstofgehalte. Het koolstofgehalte van ruwijzer ligt tussen 2 en 6,7% en is daarom op zich niet bruikbaar als gereed product. Staal kan naast koolstof ook andere elementen bevatten en dan spreken we over (laag) gelegeerd staal. Het legeren kan verschillende redenen hebben. De drie belangrijke argumenten voor de aanwezigheid van andere elementen in staal zijn:
 

• Elementen die feitelijk verontreinigingen zijn. In de grondstof, die wordt gebruikt bij de bereiding van staal, zijn andere elementen aanwezig die tijdens de bereiding niet (geheel) zijn verwijderd. Voorbeelden hiervan zijn zuurstof, stikstof, zwavel, fosfor e.d.
• Elementen die nodig zijn voor de bereiding van staal. Voor bepaalde staalproducten worden metalen toegevoegd, die niet als element van de legering worden beschouwd. Voorbeelden hiervan zijn aluminium en mangaan.
• Elementen ter verbetering van de eigenschappen. Als tijdens de bereiding elementen worden toegevoegd om de eigenschappen van het staal te verbeteren, dan worden deze legeringselementen genoemd. De uitdrukking ‘gelegeerd staal’ is dan op zijn plaats. Voorbeelden hiervan zijn de legeringselementen chroom, nikkel, molybdeen, vanadium, silicium e.d. Voegt men minstens 12% chroom toe aan het staal dan wordt het materiaal tot op zekere hoogte roestvast. Dit wordt dan ook wel chroomstaal genoemd. Chroomstalen zijn roestvaste staalsoorten die geen of weinig nikkel bevatten en in vele soorten verkrijgbaar zijn. Het chroomgehalte moet minimaal 11% zijn, waardoor een passief gedrag van het staal gegarandeerd wordt onder bepaalde voorwaarden.In alle gevallen van gelegeerd staal geldt dat koolstof niet mag ontbreken. Dit feit ligt voor chroomstaal enigszins genuanceerder.

De eigenschappen van staal kunnen verbeterd worden door het gloeien. Twee belangrijke gloeiprocessen zijn spanningsvrij gloeien en veredelen. Spanningsvrij gloeien van koolstofstaal is eigenlijk een bijzondere vorm van gloeien. Hierbij treedt namelijk geen merkbare structuurverandering op of een vermindering van de trekvastheid. Er komt alleen een bepaalde relaxering ofwel ontspanning van de metaalkristallen. Daarbij worden de mechanische spanningen bij grote smeedstukken en bij gecompliceerde voorbewerkte componenten voor een groot deel opgeheven. Dit vindt plaats bij een temperatuur van ongeveer 600-650°C. Eigenlijk is de term ‘spanningsvrij gloeien’ behoorlijk misleidend, omdat er namelijk altijd restspanningen in het materiaal achterblijven. De uitdrukking ‘spanningsarm gloeien’ dekt dan veel beter de lading. Het veredelen van staal bestaat uit een hardingsproces, gevolgd door afschrikken in een koelmiddel met aansluitend ontlaten bij hogere temperatuur (meestal boven 450°C). Men beoogt daarmee een gunstige combinatie van taaiheid en trekvastheid te krijgen. Over het algemeen betekent dat een belangrijke verhoging van de mechanische eigenschappen in vergelijking met die van staal in geharde of gegloeide toestand. Vooral worden daardoor de elasticiteit en de hoogte van de vloeigrens verbeterd.