Blog Ko Buijs: Gelegeerd Staal
Zoals in de blogs 1 en 2 is behandeld, is staal een legering van ijzer en koolstof. Dit maakt het materiaal geschikt voor de bouwsector en vele industriële toepassingen. Het koolstofgehalte mag echter het percentage van 1,9% niet overschrijden, wil het materiaal de naam ‘staal’ blijven behouden. Dat neemt niet weg, dat de meeste staalsoorten slechts een paar tienden procenten aan koolstof bevatten. Uitzonderingen zijn de gereedschapstalen die vaak wel hogere gehaltes aan koolstof moeten hebben vanwege de mechanische belastingen waar deze materialen aan blootgesteld moeten worden.
Door Ko Buijs - Innomet Consultancy BV
Koolstof zorgt er ook voor dat het materiaal in toenemende mate eerder gaat smelten. Vanuit het ijzer-koolstofdiagram is te zien dat zuiver ijzer smelt bij 1539⁰C. Maar zodra er 4,3% koolstof aanwezig is, dan smelt het al bij 1147⁰C. Bovendien verhoogt een hoog koolstofgehalte de vloeibaarheid van het gesmolten metaal, waardoor het een interessant materiaal is geworden om er gietijzeren voorwerpen van te maken m.b.v. het smeltproces. Tot zover de informatie over gietijzer maar het zal verder duidelijk zijn dat daar ook veel over te zeggen is.
Ondanks de interessante eigenschappen van staal, is er door de jaren heen voortdurend behoefte geweest om nog betere staalsoorten te maken, die nog betere mechanische eigenschappen bezitten. Dat heeft ertoe geleid dat er door de decennia heen, wel honderden verschillende staalsoorten zijn ontwikkeld, ieder met hun eigen specifieke eigenschappen. Ook is er door de voortschrijdende technologische ontwikkeling behoefte ontstaan aan speciale staalsoorten met andere kenmerken en karakteristieken. Daarbij kan bijvoorbeeld gedacht worden aan materialen die beter kruipbestendig zijn of minder last hebben van vermoeiing. Ook een hogere hitte- of slijtbestendigheid kan in diverse gevallen bovendien zeer wenselijk zijn. Binnen dit kader is het zeker vermeldingswaardig om het materiaal ‘Maraging-staal’ te noemen. Dat zijn legeringen met extreem hoge mechanische waarden dankzij het precipitatieharding. Zie desgewenst de volgende blog: Maraging Staal
Indien de Eiffeltoren opnieuw gebouwd zou moeten worden, zou men met hoger gelegeerde staalsoorten, tientallen procenten gewicht kunnen uitsparen. De vraag is echter dan wel, of het esthetisch gezien, nog wel fraai is om zo’n magere uitgeklede toren te bekijken. Moderne rekenmethoden hebben er ook toe bijgedragen dat er lichter geconstrueerd kan worden. Hierbij kan o.m. gedacht worden aan de ‘Eindige-Elementen rekenmethode’. Een goed voorbeeld hiervan zijn de ouderwetse stoomlocomotieven die uiterst zwaar werden gebouwd om geen breuk te krijgen. Dit was toen al niet nodig geweest als men destijds het geheel had kunnen doorrekenen zoals dat tegenwoordig kan.
Om die bijzondere eigenschappen te verwezenlijken, kan het staal gelegeerd worden met elementen zoals chroom, vanadium, nikkel, silicium, niobium, wolfraam, mangaan en koper. Koper is nodig om het beter bestendig te maken tegen weersinvloeden, een bekend voorbeeld daarvan is Cortenstaal. Dit materiaal roest wel maar deze roestvorming stopt op een gegeven moment dankzij de corrosie-remmende werking van het aanwezige koper. Koper werkt dan als een inhibitor. Zolang het chroomgehalte niet hoger is dan 12% zullen alle staalsoorten in meer of mindere mate gevoelig blijven voor corrosie dat veelal in de volksmond roesten wordt genoemd.
Feitelijk kan men het staal opdelen in drie categorieën t.w.:
- Ongelegeerd staal
- Laag gelegeerd staal
- Hoog gelegeerd staal
De uitdrukking ongelegeerd staal is een beetje ongelukkig gekozen, omdat er wel degelijk wat legeringselementen aanwezig kunnen zijn naast het koolstof. Daarbij kan gedacht worden aan geringe hoeveelheden silicium en mangaan, die beiden een gunstige invloed hebben op de sterkte en hardheid.
Laag gelegeerd staal bevat veelal tot maximaal 5% legeringselementen en dan gaat het vooral om chroom en vanadium maar soms ook over nikkel en molybdeen. Een goed voorbeeld is een steeksleutel waarop ‘chroom-vanadium’ te lezen is. De percentages hiervan zijn maximaal 1,2% chroom en 0,15% vanadium. Voorts zijn er ook een paar tienden procenten silicium en mangaan toegevoegd. Vooral chroom en vanadium zorgen ervoor dat het staal zeer sterk wordt. Chroom zorgt er ook voor dat het materiaal beter hardbaar is. Vanadium is tevens een korrelverfijner dat ook weer ten goede komt aan de mechanische waarden. Samen met chroom wordt deze staallegering beduidend harder en behoudt het zijn vormvastheid. Dat laatstgenoemde is heel belangrijk voor de veiligheid van de mensen die ermee werken.
Stalen steeksleutel gelegeerd met chroom en vanadium.
Het legeren van staal met enig nikkel, leidt ook tot betere sterkte-eigenschappen terwijl wolfraam de hittebestendigheid aanzienlijk verbetert. Hoog gelegeerd staal bevat meer dan 5% legeringselementen en een van de meest bekende soorten is roestvast staal dat minstens 12% chroom bevat en daarnaast ook veelal nikkel en molybdeen. Vaak is het dan een vereiste dat het koolstofgehalte zo laag mogelijk wordt gehouden. Dat betekent dan ook, dat de mechanische eigenschappen meestal weer lager zijn dan in het geval van koolstofstaal met uitzondering van duplexsoorten. Voor mangaanstaal wordt verwezen naar het blog: Is Mangaanstaal nu wel of niet slijtvast?
