Blog Ko Buijs - IJzer en staal

Soms hoor ik wel eens dat ijzer feitelijk hetzelfde is als staal maar metaalkundig gezien rammelt deze stelling behoorlijk. Eigenlijk hebben we in de praktijk maar zelden van doen met ijzer, of beter gezegd met zuiver ijzer. Het allermeeste wat we in de praktijk zien, is staal en dat is ijzer waarin een paar tienden procent koolstof aanwezig is. Gemakshalve wordt dit ook wel koolstofstaal genoemd. Men zou dan kunnen denken ‘wat maken die paar tienden van procenten koolstof nu uit?’ Dat maakt nu net het verschil, want dat geringe percentage koolstof zorgt er namelijk wel voor dat staal mechanisch sterk wordt. Het wordt dan dermate sterk dat er staalconstructies, zoals spanten, van gemaakt kunnen worden.

Blog Ko Buijs - Innomet Consultancy BV

Zuiver ijzer is in de praktijk niet gemakkelijk te maken. Er zijn namelijk speciale technieken nodig om die hoge zuiverheid te verkrijgen. Daarbij kan vooral gedacht worden aan elektrolyse en smelten in hoog vacuüm alsmede met het zogenaamde zonesmelten. Het streven is hierbij om het koolstofgehalte zo laag mogelijk te maken maar dat geldt ook voor de overige vreemde elementen. In de onderstaande tabel zijn enkele zeer zuivere ijzersoorten qua samenstelling te zien.



Enige bekende zuivere ijzersoorten.


Een bekende variant van zuiver ijzer is weekijzer. Dit type ijzer is vooral interessant vanwege de magnetische eigenschappen. Zuivere ijzersoorten verliezen namelijk onmiddellijk hun magnetisme, nadat een op het materiaal geplaatste magneet is verwijderd. Dat is zeer wenselijk in een wisselend magnetisch veld, zoals bij transformatoren. Deze worden dan ook om die reden met een kern van weekijzer voorzien. Dit komt ten goede aan het rendement van de transformator. Deze eigenschap heeft staal niet omdat de aanwezige koolstof ervoor zorgt dat het ontstane magnetisme voor een deel behouden blijft. Ook wordt soms zuiver ijzerpoeder gebruikt om er gesinterde producten van te maken.


Zuiver staal bezit lage mechanische waarden, waardoor het ongeschikt is om er constructies van te maken. In onderstaande tabel wordt daar een indruk van gegeven. Om een beter inzicht te krijgen, zijn ook de mechanische waarden van laag gelegeerd koolstofstaal F355 weergegeven. Daaruit blijkt dat gewoon staal een rekgrens heeft die wel twee keer zo hoog is dan zuiver ijzer. Dat is te danken aan de aanwezigheid van 0,2% koolstof. Daartegenover staat dat de breukrek van staal circa de helft is. Vooral het grote verschil in hardheid valt extra op en daarmee is tevens het woord ‘weekijzer’ verklaard.


De strekgrens is dus de mechanische spanning, waarbij het materiaal blijvend wordt vervormd zodra die spanning nog hoger wordt. Vooral deze waarde geeft aan, dat zuiver ijzer ongeschikt is om er constructies van te maken. M.a.w. als balken van weekijzer worden gebruikt voor een draagconstructie van een gebouw, dan zal het gebouw in elkaar zakken als deze balken dezelfde afmetingen hebben als die van het gebruikelijke staal.



Mechanische waarden van zuiver ijzer en koolstofstaal.


Staal wordt vaak koolstofstaal genoemd, omdat het zijn unieke sterkte-eigenschappen vooral aan het element koolstof te danken heeft. Dit koolstof kan zich op drie manieren manifesteren in staal en wel in de volgende hoedanigheid:
 

• Interstitieel opgelost in de matrix, zoals in het geval van staal;
• In elementaire vorm oftewel als grafiet;
• Als gebonden koolstof zoals ijzercarbide.

In dit blog beperken we ons tot de eerste situatie, waarbij het element koolstof interstitieel is opgelost in de matrix. Dit houdt in dat de koolstofatomen ‘huisvesting’ vinden tussen de ijzeratomen. Dat geeft de hoge sterkte aan het staal omdat koolstof positieve verstoringen geeft, waardoor atomaire glijvlakken een verhoogde weerstand ervaren om ten opzichte van elkaar af te schuiven.


Atomen kunnen ook substitutioneel een plaats verwerven in de matrix en dat is het geval zodra de verschillende atomen volledig in elkaar oplossen. Dat gebeurt vooral als de verschillende metaalatomen qua grootte, niet veel van elkaar verschillen. Die worden ook wel mengkristallen genoemd. In dat geval nemen bepaalde atomen de plaats in, waar normaal gesproken een ijzeratoom zou moeten zitten. Onderstaand wordt dit schematisch weergegeven.



Links substitutionele atomen en rechts interstitiële atomen.



Naast koolstof kan staal verder gelegeerd worden met andere elementen zoals o.a. chroom, nikkel en molybdeen, waardoor er nog hogere mechanische waarden ontstaan, alsmede bijzondere eigenschappen. In dit geval spreekt men over laag gelegeerd staal.