Staalkwaliteiten uitgelegd: Chemische samenstelling, eigenschappen en selectiegids

De definerende kenmerken van staal

Staalkwaliteitssystemen overwegen chemische samenstelling, behandeling en mechanische eigenschappen om fabricanten in staat te stellen het geschikte product voor hun toepassing te selecteren. Naast het daadwerkelijke percentage koolstof en andere legeringen in het materiaal, heeft de microstructuur ook een significante invloed op de mechanische eigenschappen van staal.

Het is belangrijk om de definitie van microstructuur te begrijpen — en de manier waarop de microstructuur van staal gemanipuleerd kan worden met behulp van warmte en koud vormgeven en na productie. Deze technieken kunnen gebruikt worden om producten te ontwikkelen met specifieke mechanische eigenschappen. Echter, manipuleren van samenstelling en microstructuur zal resulteren in een afweging tussen verschillende eigenschappen. Bijvoorbeeld, harder staal kan eindigen met verminderde kracht.

Microstructuur

De microstructuur van een materiaal is de manier waarop de moleculen samengevoegd zijn met krachten die werken tussen die moleculen. Verwarmings- en afkoelprocessen worden gebruikt om de microstructuur van de ene vorm in de andere te veranderen, daarbij de eigenschappen van het materiaal wijzigend.

Microstructuur is niet waarneembaar met het blote oog maar kan bestudeerd worden onder een microscoop. Staal kan verschillende distincte microstructuren aannemen — ferriet, perliet, martensiet, cementiet, en austeniet.

Ferriet

Ferriet is de term gebruikt voor de moleculaire structuur van zuiver ijzer bij kamertemperatuur. Staal met een zeer laag koolstofgehalte zal ook dezezelfde microstructuur aannemen. De kenmerkende vorm van ferriet is een lichaam-gecentreerde kubieke (BCC) kristalstructuur. Visueel, verbeeld een kubus met één molecuul in elk hoekpunt en een molecuul in het centrum van de kubus. De moleculen zijn minder dicht gepakt in BCC dan in andere microstructuren die meer moleculen binnen elke kubus bevatten. Echter, de hoeveelheid koolstof die toegevoegd kan worden zonder de ferriet microstructuur te veranderen, is laag op slechts 0,006% bij kamertemperatuur.

Austeniet

Austeniet is een microstructuur die gevormd wordt wanneer ijzer-gebaseerde legeringen verhit worden boven 1500°F maar onder 1800°F. Als de juiste legering in het staal aanwezig is, zoals nikkel, zal het materiaal deze microstructuur behouden zelfs wanneer afgekoeld. De kenmerkende vorm van austeniet is een vlak-gecentreerde kubieke (FCC) kristalstructuur. Visueel, verbeeld een kubus met één molecuul in elk hoekpunt en een molecuul in het centrum van elke zijde van de kubus. De moleculen in een austeniet configuratie zijn dichter gepakt dan die van ferriet. Austeniet kan tot 2% koolstof bevatten en is een veelvoorkomende microstructuur van roestvrij staal.

Cementiet

Wanneer koolstofstaal verhit wordt in het austeniet bereik — en daarna afgekoeld zonder enige legering aanwezig om de austeniet vorm te behouden — keert de microstructuur terug naar de ferriet vorm. Echter, als de koolstofinhoud groter is dan 0,006%, combineren de overtollige koolstofatomen met ijzer om een chemische verbinding te vormen genaamd ijzercarbide (Fe3C), ook bekend als cementiet. Cementiet treedt niet op zich op omdat een deel van het materiaal in ferriet vorm blijft.

Perliet

Perliet is een gelaagde structuur gevormd door afwisselende lagen van ferriet en cementiet. Het treedt op wanneer staal langzaam afgekoeld wordt, vormend een eutectische mengsel. Een eutectisch mengsel is een mengsel waarin twee gesmolten materialen gelijktijdig kristalliseren. Onder deze condities worden ferriet en cementiet allebei tegelijkertijd gevormd, resulterend in afwisselende lagen binnen de microstructuur.

Martensiet

Martensiet heeft een lichaam-gecentreerde tetragonale kristallijne structuur. Deze microkristallijne vorm wordt bereikt door staal snel af te koelen wat ervoor zorgt dat koolstofatomen vastzitten binnen het ijzerrooster. Het netto resultaat is een zeer harde, naald-achtige structuur van ijzer en koolstof. Staal met een martensiet microkristallijne structuur is meestal een laag-koolstof staallegering met ongeveer 12% chroom.

Het is belangrijk voor staalfabrikanten en consumenten om de microstructuur van staal te begrijpen en hoe het de mechanische eigenschappen van het materiaal beïnvloedt. Koolstofgehalte, legeringsconcentraties, en afwerkingsmethoden hebben allemaal een impact op de microstructuur en kunnen daarom gebruikt worden om de eigenschappen van het eindproduct te manipuleren. Het is mogelijk dat twee monsters met dezelfde legeringsinhoud verschillende microstructuren hebben afhankelijk van de afwerkingsmethoden en warmtebehandelingen gebruikt.

Warm en koud vormgeven

Eenmaal gesmolten staal gegoten is, moet het in zijn eindvorm gevormd worden en daarna afgewerkt om corrosie te voorkomen. Staal wordt meestal gegoten in machine-klaar vormen: bloemen, billets, en platen. De gegoten vormen worden daarna gevormd door walzen. Walzen kan warm, lauw, of koud uitgevoerd worden afhankelijk van het materiaal en de doeltoepassing. Tijdens het walzen wordt compressievervorming bereikt door het gebruik van twee werkwalsen. De walsen roteer snel om het staal tegelijkertijd te trekken en te knijpen.

Koud vormgeven

Koud vormgeven is het proces van walzen van staal onder de rekristallisatietemperatuur. De druk uitgeoefend door de walsen op het staal veroorzaakt dislocaties in de microstructuur van het materiaal, daarbij korrels in het materiaal creërend. Naarmate deze dislocaties opbouwen, wordt het staal harder en moeilijker om verder te vervormen. Koud walzen zorgt er ook voor dat het staal bros wordt, wat overwonnen kan worden door warmtebehandeling.

Na voltooiing van het walzen, worden de staalstukken afgewerkt met behulp van secundaire verwerkingstechnieken om corrosie te voorkomen en mechanische eigenschappen te verbeteren:

• Coating
• Oppervlaktebehandeling
• Warmtebehandeling

Warmtebehandeling

Effecten van warmtebehandeling

De microstructuur van staal kan gewijzigd worden door gecontroleerd verwarmen en afkoelen. Dit heeft geleid tot de ontwikkeling van diverse methoden van warmtebehandeling om de microstructuur te wijzigen en een gewenste verandering in mechanische eigenschappen te bereiken.

Staalmicrostructuren ervaren faseringsveranderingen op specifieke temperaturen. Warmtebehandeling is gebaseerd op het begrijpen en manipuleren van bepaalde transformatiepunten:

• Normaliserings temperatuur
  Austeniet is de fase waaruit andere structuren gevormd worden. Meeste warmtebehandelingen beginnen met het verwarmen van het staal tot een uniforme austenitische fase van 1500–1800°F.
• Bovenste kritieke temperatuur
  De bovenste kritieke temperatuur is het punt waarbenevens cementiet of ferriet beginnen te vormen. Dit treedt op wanneer staal afkoelt van de normaliserings temperatuur. Afhankelijk van koolstofinhoud, rust dit punt tussen 1333–1670°F.
• Onderste kritieke temperatuur
  Onderste kritieke temperatuur is het punt van austeniet-naar-perliet transformatie. Austeniet kan niet bestaan onder de onderste kritieke temperatuur van 1333°F.

De afkoelsnelheid — van de normaliserings temperatuur en door de bovenste en onderste kritieke temperaturen — zal de resulterende staalmicrostructuur bij kamertemperatuur bepalen.

Warmtebehandeling omvat een reeks processen, inclusief aanlaten, afschrikken, en aanlaten. In staal hebben duktiliteit en kracht een inverse relatie. Warmtebehandelingen kunnen ofwel duktiliteit verhogen ten koste van kracht, of vice versa.

Typen warmtebehandeling

Sferoidiseren (Spheroidizing)

Sferoidiseren treedt op wanneer koolstofstaal verhit wordt tot ongeveer 1290°F voor 30 uur. De lagen van cementiet in de perliet microstructuur worden getransformeerd in sferoïden, wat resulteert in de zachtste en meest duktiele vorm van staal.

Volledig aanlaten (Full annealing)

Koolstofstaal wordt geanleed door eerst iets boven de bovenste kritieke temperatuur te verwarmen — die temperatuur een uur handhaven — dan afkoelen met een snelheid van ongeveer 36°F per uur. Dit proces produceert een grove perliet structuur die duktiel is zonder interne spanningen.

Proces aanlaten (Process annealing)

Proces aanlaten verlicht spanning in koud-gewerkt, laag-koolstof staal (> 0,3% C). Het staal wordt verhit tot 1025–1292°F voor één uur. Dislocaties in de microstructuur worden hersteld door het hervormen van het kristal voor afkoeling.

Isothermisch aanlaten (Isothermal annealing)

Hoog-koolstof staal wordt eerst boven de bovenste kritieke temperatuur verhit. Dan wordt het gehandhaafd, afgekoeld tot de onderste kritieke temperatuur, en opnieuw gehandhaafd. Het wordt dan geleidelijk afgekoeld tot kamertemperatuur. Dit proces zorgt ervoor dat het materiaal een uniforme temperatuur en microstructuur bereikt voordat de volgende afkoelstap volgt.

Normaliseren

Koolstofstaal wordt verhit tot de normaliserings temperatuur voor één uur. Op dit punt treedt het staal volledig in de austeniet fase. Het staal wordt dan lucht-gekoeld. Normaliseren creëert een fijn perliet microstructuur met hoge kracht en hardheid.

Afschrikken (Quenching)

Middel of hoog-koolstof staal wordt verhit tot de normaliserings temperatuur, dan afgeschrikt (snel afkoelen door onderdompeling in water, pekel, of olie) tot de bovenste kritieke temperatuur. Het afschrikproces produceert een martensitische structuur — extreem hard, maar bros.

Aanlaten van afgeschrikt staal (Tempering quenched steel)

De meest voorkomende warmtebehandeling omdat het resultaat nauwkeurig voorspeld kan worden. Afgeschrikt staal wordt opnieuw verhit tot een temperatuur onder de onderste kritieke punt, dan afgekoeld. Temperaturen variëren volgens beoogde uitkomst — met het bereik 298–401°F het meest voorkomend. Dit proces herstelt een beetje zwaarte aan het broze afgeschrikte staal door toe te laten dat enige sferoidiet vormt.

Mechanische eigenschappen

Mechanische eigenschappen worden gemeten in overeenstemming met internationale standaarden zoals de ASTM (American Society for Testing and Materials) of SAE (Society of Automotive Engineers).

Belangrijkste mechanische eigenschappen van staal

Hardheid

Hardheid is het vermogen van een materiaal om slijtage te weerstaan. Hardheid verhogen kan bereikt worden door het koolstofgehalte te verhogen, en door afschrikken wat leidt tot de vorming van martensiet.

Kracht (Strength)

Metaalkracht is de hoeveelheid kracht nodig om een materiaal te vervormen. Normaliseren van een staalstuk zal de kracht verbeteren door een consistente microstructuur door het materiaal heen te creëren.

Duktiliteit (Ductility)

Duktiliteit is het vermogen van een metaal om te vervormen onder trekkracht. Koud-gevormd staal heeft een lage duktiliteit door de dislocaties in de microstructuur. Proces aanlaten zal dit verbeteren door kristallen te laten hervormen en dus sommige dislocaties te elimineren.

Zwaarte (Toughness)

Zwaarte is het vermogen om spanning te weerstaan zonder te breken. Afgeschrikt staal kan zwaarder gemaakt worden door aanlaten wat sferoïden aan de microstructuur toevoegt.

Bewerkbaarheid (Machinability)

Bewerkbaarheid is de gemakkelijkheid waarmee staal gevormd kan worden door snijden, slijpen of boren. Bewerkbaarheid wordt primair beïnvloed door hardheid. Hoe harder het materiaal, hoe moeilijker te bewerken.

Lasbaarheid (Weldability)

Lasbaarheid is het vermogen van staal om te lassen zonder defecten. Het is primair afhankelijk van chemische samenstelling en warmtebehandeling. Smeltpunt, alsook elektrische en warmteleiding, hebben allemaal een invloed op de lasbaarheid van een materiaal.

Voor meer informatie over de mechanische eigenschappen en testen van staal, zie de eigenschappen en productie van staalgieterijen.

Kwaliteitsaanduidingen

Kwaliteitsaanduidingen worden toegepast op staalproducten in brede categorieën zoals handels-, industriële, of structurele kwaliteit. Deze labels markeren bepaalde staal als geschikt voor specifieke toepassingen en fabricageprocessen, wat snellere marktnavigatie en besluitvorming toelaat. Staal wordt in specifieke categorieën geplaatst op basis van verschillende factoren:

• Interne klankbaarheid
• Chemische samenstelling en uniformiteit
• Graad van oppervlakteimperfecties
• Omvang van testen tijdens productie
• Het aantal, de grootte, en de verdeling van insluitsels
• Verhardbaarheid

Staalkwaliteitssystemen

Specificaties, zoals die uitgegeven door ASTM, AISI (American Iron and Steel Institute), en SAE, bieden een standaardtaal voor ingenieurs, fabricanten, en consumenten om de eigenschappen van staal te communiceren. Gradering is vaak zeer specifiek — inclusief alles van chemische samenstellingen, fysieke eigenschappen, warmtebehandelingen, fabricageprocessen, en vormen.

ASTM

Het ASTM systeem gebruikt een beschrijvende letter gevolgd door een volgnummer. Bijvoorbeeld, 'A' duidt op een ferro metaal, en '53' is het nummer toegewezen aan gegalvaniseerd koolstofstaal.

ASTM A53 zou de volgende eigenschappen hebben:

• Chemische samenstelling, Max %
  • Koolstof: 0,25 (Kwaliteit A), 0,30 (Kwaliteit B)
  • Mangaan: 0,95 (Kwaliteit A), 1,20 (Kwaliteit B)
  • Fosfor: 0,05
  • Zwavel: 0,045
• Mechanische eigenschappen
  • Trekkracht, UTS: 330 MPa of 48.000 psi (Kwaliteit A), 414 MPa of 60.000 psi (Kwaliteit B)
  • Trekkracht, Yield: 207 MPa of 30.000 psi (Kwaliteit A), 241 MPa of 35.000 psi (Kwaliteit B)
• Vorm en behandeling
  • Buis NPS 1/8 – NPS 26
  • Gegalvaniseerd staal
  • Zwart en warmte-gedipt
  • Zink gecoat
  • Gelast en naadloos

SAE

Het AISI/SAE nummeringssysteem gebruikt een 4-cijferig nummer voor classificatie. De eerste twee cijfers duiden op het staaltype en legeringsconcentratie, en de laatste twee cijfers duiden op koolstofconcentratie.

Bijvoorbeeld, SAE 5130 beschrijft een staal met 1% Chroom en 0,30% Koolstof. Lettervoorvoegsels worden gebruikt als kwaliteitsaanduidingen voor handelskwaliteit.