Gelegeerd staal: Eigenschappen en toepassingen

Bij gelegeerd staal onderscheidt men laaggelegeerd en hooggelegeerd staal. Tot gew. 1,5% aan legeringselementen heet het staal ongelegeerd. Bij 1,5% - 5% heet het staal laaggelegeerd en bij meer dan 5% heet het hooggelegeerd staal, waaronder roestvast en hittevast staal. De legeringselementen mangaan, silicium, chroom, vanadium, nikkel, molybdeen, wolfraam titanium, niobium en boron komen in de gelegeerd staal veel voor. De invloed van afzonderlijke legeringselementen is niet eenvoudig vast te stellen omdat deze elementen elkaars werking tegenwerken of versterken. We verdelen gelegeerd staal in constructiestaal en gereedschapstaal, waarbij met gereedschapstaal het constructiestaal bewerkt kan worden.

• IJzer- koolstofdiagram in evenwicht met stabiele structuren bij langzaam afkoelen
• Indeling gereedschapstaal
• Tabel Gereedschapstaal
• Indeling gelegeerd veredelingsstaal
• De invloed van legeringselementen in staal
• Aanduiding staalkwaliteiten algemeen
• Gelegeerd gereedschapsstaal
• Snelstaal

IJzer- koolstofdiagram in evenwicht met stabiele structuren bij langzaam afkoelen

De stabiele kristalstructuren in staal bij langzaam afkoelen:

1. Perliet = (α, Ferriet + Cementiet (Fe3C)) (ook 03, 11, 12)
2. Eutectoidicum (punt waar lijnen samenkomen)
3. Perliet = (α, Ferriet + Cementiet (Fe3C)) (ook 01, 11, 12)
4. α, Ferriet + γ, Austeniet
5. γ, Austeniet
6. Samen met 15: γ, Austeniet + Cementiet (Fe3C)
7. Ledeburiet: punt waar lijnen samenkomen (Eutecticum)
8. Vloeistof + γ, Austeniet
9. Vloeistof + Cementiet (Fe3C)
10. smelt (Vloeistof)
11. Perliet = (α, Ferriet + Cementiet (Fe3C)) (ook 01, 03, 12)
12. Perliet = (α, Ferriet + Cementiet (Fe3C)) (ook 01, 03, 11)
13. Cementietlijn: Chemische binding Fe3C ofwel ijzercarbide

Indeling gereedschapstaal

Met gereedschapstaal wordt ander (constructie) metaal bewerkt door draaien, boren, frezen, knippen, stansen, dieptrekken enzovoort. Gereedschapstaal is sterk, slijtvast, taai en ontlaatbestendig (warmvast). Om dat te bereiken is het gelegeerd met één of meerdere legeringselementen. Deze legeringselementen hebben ook invloed op verlaging van de kritische afkoelsnelheid en daarmee op de doorharding d.w.z. dat de warmtebehandeling dieper in het staal doordringt en bovendien bij langzamere afkoeling de risico op scheuren en vervormen (‘trekken’) kleiner wordt.

Op basis van het toe te passen afschrikmiddel is gereedschapstaal als volgt in te delen:

• Waterhardend
• Oliehardend
• Luchthardend

Tabel Gereedschapstaal

Indeling gelegeerd veredelingsstaal

De invloed van legeringselementen in staal

Koolstof (C)

Koolstof is het belangrijkste legeringselement.
Met toenemend koolstofgehalte neemt sterkte en hardbaarheid van het staal snel toe, echter de taaiheid dus vervormbaarheid neemt af. Zonder speciale maatregelen zoals het voorverwarmen van het staal wordt het lassen bij toenemende koolstofgehalte steeds moeilijker omdat in de zone naast de las door de snelle warmteafvoer naar/in het moedermateriaal een harde brosse zone ontstaat.Boven de 0,5% koolstof wordt lassen zonder speciale maatregelen afgeraden.

Aluminium (Al)

Aluminium heeft grote affiniteit tot zuurstof en stikstof en onder andere om die reden gebruikt als desoxidatiemiddel bij de staalbereiding. Aluminium bindt stikstof tot fijn verdeelde aluminiumnitride, waardoor de metaalstructuur fijner wordt (kleinere korrel) en de gevoeligheid voor veroudering wat leidt tot brosheid van het staal afneemt.

Chroom (Cr)

Chroom verbetert de doorharding door verlaging van de kritische afkoelsnelheid, waardoor er minder snel afgekoeld hoeft te worden en er minder kans is op scheuren en vervorming bij de warmtebehandeling. Veredelingsstaal is om die reden met chroom gelegeerd. Chroom vormt harde chroomcarbides, waardoor bijvoorbeeld bij gereedschapstaal de standtijd toeneemt en de algemene corrosieweerstand groter wordt door vorming van een beschermende chroomoxide laag.

Als minstens 12% chroom in het staal is opgelost spreekt men van roestvaststaal. De chroomcarbiden zijn hard en verhogen de sterkte, hardheid en slijtvastheid, echter de taaiheid vermindert. Vanaf een chroomgehalte van 12% is chroomstaal corrosievast. Bij een toenemend chroomgehalte wordt chroomstaal hittebestendig (warmvast). Het krijgt dan tevens een goede weerstand tegen de inwerking van zuren en bijtende stoffen.

Chroomstaal met een chroomgehalte van 12% wordt gebruikt voor het vervaardigen van onderdelen voor lagers, machineonderdelen, huishoudmessen, tandwielen en scharen. Chroomstaal met een chroomgehalte van meer dan 12% wordt gebruikt voor onderdelen die steeds in contact zijn met water en stoom, zoals afsluiters en onderdelen van stoominstallaties en turbines.

Kobalt (Co)

Kobalt beperkt bij hogere temperaturen de korrelgroei en verhoogt de warmvastheid. Om deze reden is gereedschapstaal vaak met kobalt gelegeerd.

Fosfor (P)

Fosfor Is meestal schadelijk. Door z’n lage diffusiesnelheid verdeelt fosfor zich niet homogeen er is sprake van plaatselijke concentraties. Fosfor in veredeld staal veroorzaakt ontlaatbrosheid, daling van de taaiheid en maakt het staal gevoelig voor slag- en stootbelasting. Fosfor verhoogt de roestweerstand, verhoogt de sterkte en de hardheid maar verbetert de verspaanbaarheid.

Mangaan (Mn)

Mangaan desoxideert het staal tijdens de staalbereiding, bindt zwavel tot mangaansulfide waardoor, de schadelijke werking van ijzersulfide (roodbrosheid) vermindert. In staal verbetert sulfide de verspaanbaarheid. In hardbaar staal verlaagt mangaan de kritische afkoelsnelheid en vergroot daardoor de hardingsdiepte, verhoogt rekgrens en treksterkte, verbetert smeedbaarheid en lasbaarheid.

Molybdeen (Mo)

Molybdeen wordt toegepast in combinatie met andere elementen, het is een carbide vormer. In veredeld staal vermindert het de ontlaatbrosheid, bevordert het fijnkorreligheid en verbetert de lasbaarheid.

Nikkel (Ni)

Nikkel is een austeniet vormer het verbetert de weerstand tegen brosse breuk van laaggelegeerd staal. De bestendigheid tegen een reducerend milieu wordt beter. Verbetert de taaiheid ook bij lagere temperaturen. Nikkel maakt de staallegering niet-magnetisch. Bij 25% nikkel is een staallegering corrosievast. Bij 36% nikkel is de uitzettingscoefficient van de ijzer-nikkel legering nul, het metaal zet dus niet uit bij verwarming wat leidt tot speciale toepassingen in combinatie met bijvoorbeeld glas. Als chroom en nikkel samen worden toegevoegd aan staal wordt de corrosievastheid en hittebestendigheid sterk verhoogd en ontstaan de bekende niet-magnetische austenitische roestvaste staalsoorten zoals AISI T304 en T316.

Nikkelstaal met een laag nikkelgehalte wordt gebruikt voor het vervaardigen van nokkenassen, tandwielen en kleppen voor verbrandingsmotoren. Nikkelstaal met een hoog nikkelgehalte wordt gebruikt voor het vervaardigen van onderdelen voor turbines en laboratoriuminstrumenten.

Niobium (Nb)

Niobium is een sterke carbidevormer en wordt als zodanig in gelegeerde staal vaak in een kleine hoeveelheid gebruikt om rekristallisatie tijdens warmwalsen tegen te gaan, waardoor er een fijnere structuur ontstaat. Niobium maakt het zogenaamde uitscheidingsharding. (precipitatieharding) mogelijk)

Silicium (Si)

Silicium s evenals mangaan in ieder staal aanwezig. Het komt voor in ijzererts. Silicium verhoogt de sterkte en de slijtvastheid. Het wordt in verenstaal toegepast omdat het de rekgrens aanzienlijk verhoogt. In hittevaste stalen verbetert silicium de weerstand tegen oxidatie. Nadelige invloed op de warm- en koudvervormbaarheid. Silicium is tijdens de staalbereiding een desoxidator.

Stikstof (N)

Stikstof in laaggelegeerd staal is in het algemeen schadelijk. Bij toenemend stikstofgehalte neemt de taaiheid af en wordt het materiaal verouderingsgevoelig, er vormen zich namelijk precipitaten in het temperatuurgebied 300-350 °C waardoor het staal bros wordt. Tevens bevordert stikstof het ontstaan van interkristallijne spanningscorrosie.

Titaan (Ti)

Titaan heeft een grote affiniteit tot zuurstof, stikstof, zwavel en koolstof. Staalkwaliteiten met hoge sterkte komen mede tot stand door uitscheidingen van titaanverbindingen die korrelverfijnend werken en mede daardoor de rekgrens verhogen.

Vanadium (V)

Vanadium werkt korrelverfijnend en om die reden aan fijnkorrelige staal toegevoegd. Het is een sterkte carbide vormer die vaak wordt toegepast in gereedschapsstaal, waardoor de slijtvastheid en de ontlaatbestendigheid verbetert.

Wolfram (W),

Een carbidevormer, verbetert de taaiheid, gaat korrelgroei tegen, verbetert de warmvastheid, alsmede de slijtvastheid bij hogere temperaturen. Wolfram wordt toegepast in gereedschapsstaal en warmvast staal.

Zwavel (S)

Heeft neiging tot segregeren. IJzersulfide maakt staal roodbros, omdat het op de korrelgrenzen aanwezig is. Zwavel wordt in staal gebonden met mangaan tot Mangaansulfide. Staal met goede verspaanbaarheid (een korte spaan) bevatten extra zwavel. Laagsmeltende sulfide vermindert de lasbaarheid en de taaiheid dwars op de walsrichting.

Molybdeen(Mo)

Carbidevormer; verbetert hardbaarheid, taaiheid en sterkte, vermindert de ontlaatbrosheid, bevordert korrelverfijning, verhoogt sterkte, rekgrens en warmvastheid.

Aanduiding staalkwaliteiten algemeen

EN 10027-1 verdeelt aanduidingen van staalsoorten op twee manieren:
Groep 1: staalsoorten die worden aangeduid op basis van hun gebruik en mechanische of fysische eigenschappen.
Groep 2: staalsoorten die worden aangeduid op basis van hun chemische samenstelling.

Ongelegeerd staal

De staalsoort aanduiding is C gevolgd door koolstofgehalte x 100, geldt voor alle stalen.
Voorbeeld: aanduiding ongelegeerd staal met 0,45 % koolstof = C45

Laaggelegeerd staal

De staalsoort aanduiding is als volgt: Nominale percentage koolstof x 100, gevolgd door de chemische symbolen van de legeringselementen, gevolgd door de percentage legeringselementen maal een factor die afhankelijk is van gebruikelijke percentage van deze groep legeringselementen.

Voorbeeld: 42CrMo4 is een laaggelegeerd staal met nominaal 0,42% koolstof, gelegeerd met nominaal 1% chroom (Cr) en een niet nader aangegeven percentage molybdeen (Mo).

Hooggelegeerd staal

Bij hooggelegeerd staal vervalt de vermenigvuldigingsfactor. De staal aanduiding: X gevolgd door gew.% koolstof x 100, gevolgd door de chemische symbolen van de legeringselementen, gevolgd door nominale gehalte aan de legeringselementen. X staat voor hooggelegeerd staal. Voorbeeld: X5CrNi18-10 is een (hoog)gelegeerd roestvast staal met koolstofgehalte 0,05%, gelegeerd met nominaal 18% chroom en 10% nikkel.

Gelegeerd gereedschapsstaal

Om gelegeerd gereedschapsstaal te verkrijgen worden voornamelijk chroom (Cr), vanadium (V), nikkel (Ni), mangaan (Mn), wolfraam (W) en/ of molybdeen (Mo) toegevoegd. Bij gelegeerd gereedschapstaal speelt de standtijd een grote rol. Men streeft naar grote hardheid en dus slijtvastheid bij hogere temperatuur (hoge ontlaattemperatuur) en een grote breeksterkte. Compromissen spelen bij het ontwerpen van gereedschapstaal een grote rol omdat de verbetering van hardheid en dus slijtvastheid vaak leidt tot verslechtering van de taaiheid en dus het gevaar van brosse breuk.

Chroom-Vanadiumstaal

Chroom-vanadium staal is bekend in de werkplaats. Het heeft een gunstige combinatie van hardheid, slijtvastheid, trekvastheid (sterkte) en taaiheid. Het wordt toegepast voor het vervaardigen van o.a. ringsleutels, steeksleutels, dopsleutels en schroevendraaiers. Chroom en Vanadium lijken veel op elkaar en het duurde in de negentiende eeuw dertig jaar voordat men ontdekte dat vanadium geen chroom is maar een ander element. Vanadium heeft de metaalstructuur van chroom en is evenals chroom bestand tegen zuren en basen.

Stempelstaal

Stempelstaal heeft een koolstofpercentage tussen 1,5- l,9%. Het is gelegeerd met chroom en een weinig molybdeen, vanadium, wolfraam of mangaan. Stempelstaal wordt gebruikt voor het vervaardigen van buig- en trekstempels en draadtrekstenen.

Snelstaal

Staal met 0,7-0,8%C wordt gelegeerd met wolfraam (W), vanadium (V), chroom (Cr), kobalt (Ko) en molybdeen (Mo). Gehard bij hoge temperatuur en krijgt daardoor een harde structuur, die ook bij hogere temperaturen behouden blijft.

Bases van snelstaal

Snelstaal is niet laaggelegeerd maar hooggelegeerd staal. Het bases type snelstaal bevat 18% wolfraam, 4% chroom, 1% vanadium en 1% koolstof. Wolfraam vormt met koolstof harde wolfraamcarbiden; chroom zorgt voor doorharding; vanadium maakt het staal taaier en verbetert de slijtagebestendigheid. Wolfraam wordt wel voor een deel vervangen door molybdeen dat ook met koolstof harde carbiden vormt. 1% molybdeen heeft hetzelfde effect als 2% wolfraam.

Er is een simpele test om aan te tonen of de boor van snelstaal- of van koolstofstaal is vervaardigd. De vonkenregen van snelstaal bestaat uit doffe, dus niet heldere, oranje sterren. De vonkenregen van Koolstofstaal bestaat uit zeer heldere oranje sterren.

Boren van snelstaal

Boren worden in enorme hoeveelheden gebruikt in de "zelf doe" markt. Een interessant product voor dubieuze handel. In “doe het zelf winkels” en bouwmarkten liggen vaak boren van zogenaamde "hoogwaardig gereedschapstaal" voor een lage prijs en de kwaliteit is navenant! Er zijn bij staalboren twee mogelijkheden: Koolstof (C) staal tegen lage prijs of snelstaal (HSS) tegen hogere prijs. De eerste categorie (koolstofstaal) is geschikt voor boren in zachte materialen maar niet bruikbaar voor gelegeerd staal. Goede boren zijn gemaakt van snelstaal (HSS). HSS betekent “High Speed Steel”, Binnen HSS staal bestaan variaties in de samenstelling voor speciale toepassingen.