Standaard stalen: samenstelling, eigenschappen en toepassingen

Afbeelding: Shutterstock/CHIARI VFX

Staal is de collectieve term voor een grote familie ijzer-koolstoflegeringen die smeedbaar zijn, binnen een bepaald temperatuurbereik, direct na solidificatie uit de vloeistoftoestand.

De belangrijkste grondstoffen voor staalproductie zijn ijzererts, steenkool en kalksteen. Deze materialen worden in een hoogovenen omgezet in "gietijzer", dat aanzienlijke hoeveelheden koolstof, mangaan, zwavel, fosfor en silicium bevat. Gietijzer is hard, broos en ongeschikt voor directe verwerking tot gesmeedde vorm. Staalproductie is het proces van raffinage van gietijzer en ijzer- en staalschroot door ongewilde elementen uit de smelt te verwijderen en vervolgens gewenste elementen in vastgelegde hoeveelheden toe te voegen. Een primaire reactie in de meeste staalproductie is de combinatie van koolstof met zuurstof tot een gas. Als opgeloste zuurstof niet voor of tijdens het gieten uit de smelt wordt verwijderd, blijven de gasvormende producten evolueren tijdens de solidificatie. Als het staal sterk gedesoxideerd wordt door toevoeging van desoxideerende elementen, ontstaat geen gas en heet het staal "gedood" omdat het rustig in de gietvormen ligt. Toenemende graden van gasontwikkeling (afnemende desoxidatie) kennmerken stalen die "halfgedood", "gekapt" of "gerand" worden genoemd. De graad van desoxidatie beïnvloedt sommige eigenschappen van het staal. Naast zuurstof bevat vloeibaar staal meetbare hoeveelheden opgeloste waterstof en stikstof. Voor sommige kritische staaltoepassingen kunnen speciale desoxidatiepraktijken en vacuümbehandelingen worden gebruikt om opgeloste gassen te reduceren en controleren.

De koolstofgehalte van gangbare staalkwaliteiten varieert van enkele honderdsten van een procent tot ongeveer 1 procent. Alle stalen bevatten ook variërende hoeveelheden andere elementen, voornamelijk mangaan, dat fungeert als desoxideerder en warm verwerken vergemakkelijkt. Silicium, fosfor en zwavel zijn ook altijd aanwezig, al in sporen. Andere elementen kunnen aanwezig zijn, ofwel als residualen die niet bewust worden toegevoegd maar voortvloeien uit grondstoffen of staalproductiepraktijken, ofwel als legeringselementen die bewust worden toegevoegd om de eigenschappen van het staal te veranderen.

Stalen kunnen in vorm gegoten worden, of het gegoten blok of strand kan opnieuw verwarmd en warm verwerkt worden door walzen, smeden, extruderen of andere processen tot een gewalst profiel. Gewalste stalen zijn de meest gebruikte constructiematerialen en bieden een multitud van vormen, afwerkingen, sterktes en bruikbare temperatuurbereiken. Geen ander materiaal biedt vergelijkbare veelzijdigheid voor productontwerp.

Classificatie van standaard stalen

Gewalste stalen kunnen systematisch in groepen worden ingedeeld op basis van een gemeenschappelijke kenmerk, zoals chemische samenstelling, desoxidatiepraktijk, afwerkingsmethode of productvorm. Chemische samenstelling is de meest gebruikte basis voor identificatie en toewijzing van standaard aanduidingen aan gewalste stalen. Hoewel koolstof het belangrijkste verhardings- en versterkingselement in staal is, controleert geen enkel element de eigenschappen van het staal alleen. Het gecombineerde effect van verschillende elementen beïnvloedt de reactie op warmtebehandeling, hardheid, sterkte, microstructuur, corrosiebestendigheid en vormbaarheid. De standaard stalen kunnen ruwweg in drie hoofdcategorieën worden verdeeld: koolstofstalen, legeringsstalen en roestvrije stalen.

Koolstofstalen

Een staal kwalificeert als koolstofstaal wanneer de mangaaninhoud beperkt is tot 1,65% (max), silicium tot 0,60% (max) en koper tot 0,60% (max). Met uitzondering van desoxideerders en boor als gespecificeerd, worden geen andere legeringselementen bewust toegevoegd, maar ze kunnen als residualen aanwezig zijn. Als enige van deze toevallige elementen schadelijk worden geacht voor speciale toepassingen, kunnen maximum acceptabele limieten worden gespecificeerd. In tegenstelling tot de meeste legeringsstalen worden koolstofstalen meestal zonder een finale warmtebehandeling gebruikt; ze kunnen echter geanimeerd, genormaliseerd, oppervlaktegehard of aangebrand en aangehaard worden om verwerkings- of mechanische eigenschappen te verbeteren. Koolstofstalen kunnen gedood, halfgedood, gekapt of gerand zijn, en desnoods kan de desoxidatiemethode worden gespecificeerd.

Legeringsstalen

Legeringsstalen omvatten niet alleen die kwaliteiten die de elementgehaltegrenzen voor koolstofstaal overschrijden, maar ook elke kwaliteit waaraan andere elementen dan die voor koolstofstaal worden toegevoegd, binnen specifieke bereiken of specifieke minimums, om mechanische eigenschappen, verwerkingskenmerken of andere attributen van het staal te verbeteren. Volgens deze definitie omvatten legeringsstalen alle stalen behalve koolstofstalen; bij conventie worden stalen met meer dan 3,99% chroom echter als "speciale typen" legeringsstaal beschouwd, wat roestvrije stalen en veel gereedschapsstalen omvat.

In technische zin is de term legeringsstaal gereserveerd voor stalen die een bescheiden hoeveelheid legeringselementen bevatten (ongeveer 1-4%) en doorgaans afhangen van thermische behandelingen om specifieke mechanische eigenschappen te ontwikkelen. Legeringsstalen zijn altijd gedood, maar speciale desoxidatie- of smeltpraktijken, inclusief vacuüm, kunnen worden gespecificeerd voor speciale kritische toepassingen. Legeringsstalen vereisen doorgaans extra zorg tijdens hun productie omdat ze gevoeliger zijn voor thermische en mechanische bewerkingen.

Roestvrije stalen

Roestvrije stalen zijn hooggelegerde stalen met superieure corrosiebestendigheid ten opzichte van koolstof- en conventionele laaglegeringsstalen omdat ze relatief grote hoeveelheden chroom bevatten. Hoewel andere elementen de corrosiebestendigheid ook kunnen verhogen, is hun nut in dit opzicht beperkt.

Roestvrije stalen bevatten doorgaans minimaal 10% chroom, met of zonder andere elementen. In de VS is het echter gebruikelijk om in de roestvrij staalclassificatie ook stalen op te nemen die slechts 4% chroom bevatten. Samen vormen deze stalen een familie die bekend is als roestvrije en hittebestendige stalen, waarvan enkele zeer hoge sterkte en oxidatiebestendigheid bezitten. Weinige bevatten echter meer dan 30% chroom of minder dan 50% ijzer.

In de ruimste zin kunnen de standaard roestvrije stalen in drie groepen worden verdeeld op basis van hun structuur: austenitisch, ferrietisch en martensitisch. In elk van de drie groepen is er één samenstelling die de basale, algemene legering vertegenwoordigt. Alle andere samenstellingen zijn afgeleid van de basale legering, met specifieke variaties in samenstelling om zeer specifieke eigenschappen te verkrijgen.

De austenitische kwaliteiten zijn niet-magnetisch in de aangebrande toestand, hoewel sommige na koudvervorming licht magnetisch kunnen worden. Ze kunnen alleen door koudvervorming worden gehard, niet door warmtebehandeling, en combineren uitstekende corrosie- en hittebestendigheid met goede mechanische eigenschappen over een breed temperatuurbereik. De austenitische kwaliteiten worden verder ingedeeld in twee subgroepen: de chroom-nikkel types en de minder gebruikte chroom-mangaan-laag-nikkel types. De basale samenstelling in de chroom-nikkel groep is breed bekend als 18-8 (Cr-Ni) en is de algemene austenitische kwaliteit. Deze kwaliteit is de basis voor meer dan 20 wijzigingen die als volgt gekenmerkt kunnen worden: de chroom-nikkel verhouding is gewijzigd om de vormgevingseigenschappen te veranderen; de koolstofgehalte is verlaagd om interkristallijne corrosie te voorkomen; de elementen niobium of titanium zijn toegevoegd om de structuur te stabiliseren; of molybdeen is toegevoegd of de chroom- en nikkelgehalten zijn verhoogd om corrosie- of oxidatiebestendigheid te verbeteren.

De standaard ferrietische kwaliteiten zijn altijd magnetisch en bevatten chroom maar geen nikkel. Ze kunnen tot op zekere hoogte door koudvervorming worden gehard, maar niet door warmtebehandeling, en combineren corrosie- en hittebestendigheid met matige mechanische eigenschappen en decoratieve aantrekkingskracht. De ferrietische kwaliteiten zijn doorgaans beperkt tot een smaller bereik van corrosieve omstandigheden dan de austenitische kwaliteiten. De basale ferrietische kwaliteit bevat 17% chroom. In deze serie zijn er vrijbewerkende wijzigingen en kwaliteiten met verhoogde chroomgehalte voor betere schuweerstand. Ook in deze ferrietische groep zit een 12% chroom staal (de basale samenstelling van de martensitische groep) met andere elementen, zoals aluminium of titanium, toegevoegd om verharding te voorkomen.

De standaard martensitische kwaliteiten zijn magnetisch en kunnen door aanbranden en aanlassen worden gehard. Ze bevatten chroom en, met twee uitzonderingen, geen nikkel. De basale martensitische kwaliteit bevat normaal 12% chroom. Er zijn meer dan 10 standaard samenstellingen in de martensitische serie; sommige zijn gewijzigd om de bewerkbaarheid te verbeteren en anderen hebben kleine toevoegingen van nikkel of andere elementen om de mechanische eigenschappen of hun reactie op warmtebehandeling te verbeteren. Anderen hebben een sterk verhoogde koolstofgehalte, in het bereik van gereedschapsstaal, en zijn verhardeerbaar tot de hoogste niveaus van alle roestvrije stalen. De martensitische kwaliteiten zijn uitstekend voor dienst in milde omgevingen zoals de atmosfeer, zoet water, stoom en zwakke zuren, maar niet bestendig tegen zwaar corrosieve oplossingen.

Nummeringssystemen voor metalen en legeringen

Verschillende nummeringssystemen zijn ontwikkeld voor metalen en legeringen door diverse brancheverenigingen, professionele ingenieursverenigingen, normatieve organisaties en private industrieën voor hun eigen gebruik. De numerieke code die het metaal of de legering identificeert, kan al dan niet gerelateerd zijn aan een specificatie, die een statement is van de technische en commerciële eisen die het product moet voldoen. Nummeringssystemen in gebruik omvatten die ontwikkeld door het American Iron and Steel Institute (AISI), Society of Automotive Engineers (SAE), American Society for Testing and Materials (ASTM), American National Standards Institute (ANSI), Steel Founders Society of America, American Society of Mechanical Engineers (ASME), American Welding Society (AWS), Aluminum Association, Copper Development Association, U.S. Department of Defense (Militaire Specificaties), en de General Accounting Office (Federale Specificaties).

Het Unified Numbering System (UNS) is ontwikkeld door een gezamenlijke inspanning van ASTM en SAE om een middel te bieden voor het correleren van de verschillende nummeringssystemen voor metalen en legeringen die commercieel staan. Dit systeem voorkomt verwarring wanneer meer dan één identificatienummer wordt gebruikt om hetzelfde materiaal te specificeren, of wanneer hetzelfde nummer aan twee volledig verschillende materialen wordt toegewezen. Het is belangrijk te begrijpen dat een UNS-nummer geen specificatie is; het is een identificatienummer voor metalen en legeringen waarvoor gedetailleerde specificaties elders worden gegeven. UNS-nummers worden weergegeven in Tabel 1; elk nummer bestaat uit een lettervoorvoegsel gevolgd door vijf cijfers. In sommige gevallen is de letter suggestief voor de metaalfamilie die door de serie wordt geïdentificeerd, zoals A voor aluminium en C voor koper. Waar mogelijk bevatten de nummers in de UNS-groepen nummerreeks die direct uit andere systemen zijn overgenomen om de identificatie van het materiaal te vergemakkelijken; bijv. het corresponderende UNS-nummer voor AISI 1020 staal is G10200. De UNS-nummers die corresponderen met de veelgebruikte AISI-SAE nummers die gebruikt worden om gewoon koolstof-, legerings- en gereedschapsstalen te identificeren, zijn gegeven in Tabel 2.

Samenvatting

Dit artikel beschreef de hoofdtypen standaard stalen. Leer meer over materialeneigenschappen uit de Machinery's Handbook, 30e editie, gepubliceerd en verkrijgbaar via Industrial Press op Amazon.

Om bronnen van staalvoorziening te lokaliseren, bezoek het Thomas Supplier Discovery Platform waar u potentiële leveranciers kunt vinden voor meer dan 70.000 verschillende product- en dienstcategorieën.