Eigenschappen, samenstellingen en toepassingen van standaard staal

Staal is de algemene term voor een grote familie van ijzer-koolstoflegeringen die binnen een bepaald temperatuurbereik smeedbaar zijn, onmiddellijk na stollen vanuit de gesmolten toestand.

De belangrijkste grondstoffen die bij de staalproductie worden gebruikt, zijn ijzererts, steenkool en kalksteen. Deze materialen worden in een hoogoven omgezet in een product dat bekend staat als "ruwijzer", dat aanzienlijke hoeveelheden koolstof, mangaan, zwavel, fosfor en silicium bevat. Ruwijzer is hard, bros en ongeschikt voor directe verwerking tot smeedijzeren vormen. Staalproductie is het proces van raffinage van ruwijzer en ijzer- en staalschroot door ongewenste elementen uit de smelt te verwijderen en vervolgens gewenste elementen in vooraf bepaalde hoeveelheden toe te voegen. Een primaire reactie bij de meeste staalproductie is de combinatie van koolstof met zuurstof om een ​​gas te vormen. Als de opgeloste zuurstof voor of tijdens het gieten niet uit de smelt wordt verwijderd, blijven de gasvormige producten zich ontwikkelen tijdens het stollen. Als het staal sterk gedeoxideerd wordt door toevoeging van deoxiderende elementen, komt er geen gas vrij en wordt het staal “gedood” genoemd omdat het stil in de mallen ligt. Toenemende graden van gasontwikkeling (verminderde deoxidatie) karakteriseren staalsoorten die "halfgemalen", "afgetopt" of "omrand" worden genoemd. De mate van deoxidatie beïnvloedt enkele eigenschappen van het staal. Naast zuurstof bevat vloeibaar staal meetbare hoeveelheden opgeloste waterstof en stikstof. Voor sommige kritische staaltoepassingen kunnen speciale deoxidatiemethoden en vacuümbehandelingen worden gebruikt om opgeloste gassen te verminderen en te beheersen.

Het koolstofgehalte van gewone staalsoorten varieert van enkele honderdsten van procenten tot ongeveer 1 procent. Alle staalsoorten bevatten ook wisselende hoeveelheden andere elementen, voornamelijk mangaan, dat werkt als een deoxidator en het heet werken vergemakkelijkt. Silicium, fosfor en zwavel zijn ook altijd aanwezig, al was het maar in sporenhoeveelheden. Andere elementen kunnen aanwezig zijn, hetzij als residuen die niet opzettelijk zijn toegevoegd, maar het resultaat zijn van de grondstoffen of staalproductiepraktijken, hetzij als legeringselementen die worden toegevoegd om veranderingen in de eigenschappen van het staal te bewerkstelligen.

Staal kan in vorm worden gegoten, of de gegoten staaf of streng kan opnieuw worden verwarmd en warm worden bewerkt door walsen, smeden, extrusie of andere processen tot een gesmeed molenvorm. Smeedstaal is het meest gebruikte technische materiaal en biedt een veelvoud aan vormen, afwerkingen, sterke punten en bruikbare temperatuurbereiken. Geen enkel ander materiaal biedt een vergelijkbare veelzijdigheid voor productontwerp.

Standaard staalclassificatie

Smeedstaal kan systematisch in groepen worden ingedeeld op basis van een gemeenschappelijk kenmerk, zoals chemische samenstelling, deoxidatie, afwerkingsmethode of productvorm. Chemische samenstelling is de meest gebruikte basis voor het identificeren en toewijzen van standaardaanduidingen aan gesmeed staal. Hoewel koolstof het belangrijkste verhardende en versterkende element in staal is, bepaalt geen enkel element de eigenschappen van het staal. Het gecombineerde effect van verschillende elementen beïnvloedt de reactie op warmtebehandeling, hardheid, sterkte, microstructuur, corrosieweerstand en vervormbaarheid. De standaard staalsoorten kunnen grofweg worden onderverdeeld in drie hoofdgroepen:koolstofstaal, gelegeerd staal en roestvrij staal.

Koolstofstaal

Een staal komt in aanmerking als koolstofstaal wanneer het mangaangehalte beperkt is tot 1,65 procent (max), silicium tot 0,60 procent (max) en koper tot 0,60 procent (max). Met uitzondering van deoxidatiemiddelen en boor, indien gespecificeerd, zijn er opzettelijk geen andere legeringselementen toegevoegd, maar deze kunnen als residuen aanwezig zijn. Als een van deze incidentele elementen nadelig wordt geacht voor speciale toepassingen, kunnen maximaal aanvaardbare limieten worden gespecificeerd. In tegenstelling tot de meeste gelegeerde staalsoorten, wordt koolstofstaal meestal gebruikt zonder een laatste warmtebehandeling; ze kunnen echter worden gegloeid, genormaliseerd, gehard of afgeschrikt en getemperd om de fabricage of mechanische eigenschappen te verbeteren. Koolstofstaal kan worden gedood, halfgedood, afgedekt of omrand en, indien nodig, kan de methode van deoxidatie worden gespecificeerd.

Gelegeerd staal

Gelegeerd staal omvat niet alleen die kwaliteiten die de grenswaarden voor het elementgehalte voor koolstofstaal overschrijden, maar ook elke kwaliteit waaraan andere elementen dan die gebruikt voor koolstofstaal worden toegevoegd, binnen specifieke bereiken of specifieke minima, om mechanische eigenschappen, fabricagekenmerken of enig ander kenmerk van het staal. Volgens deze definitie omvat gelegeerd staal alle andere staalsoorten dan koolstofstaal; echter volgens afspraak worden staalsoorten met meer dan 3,99 procent chroom beschouwd als "speciale soorten" gelegeerd staal, waaronder roestvast staal en veel van de gereedschapsstaalsoorten.

In technische zin is de term gelegeerd staal gereserveerd voor die staalsoorten die een bescheiden hoeveelheid legeringselementen bevatten (ongeveer 1-4 procent) en die over het algemeen afhankelijk zijn van thermische behandelingen om specifieke mechanische eigenschappen te ontwikkelen. Gelegeerde staalsoorten worden altijd gedood, maar speciale deoxidatie- of smeltpraktijken, waaronder vacuüm, kunnen worden gespecificeerd voor speciale kritische toepassingen. Gelegeerde staalsoorten vereisen over het algemeen extra zorg tijdens hun fabricage omdat ze gevoeliger zijn voor thermische en mechanische bewerkingen.

Roestvrij staal

Roestvast staal is hooggelegeerd staal en heeft een superieure corrosieweerstand ten opzichte van koolstof en conventionele laaggelegeerde staalsoorten omdat ze relatief grote hoeveelheden chroom bevatten. Hoewel andere elementen ook de corrosieweerstand kunnen verhogen, is hun bruikbaarheid in dit opzicht beperkt.

Roestvast staal bevat over het algemeen ten minste 10 procent chroom, met of zonder andere elementen. In de Verenigde Staten is het echter gebruikelijk om in de roestvaststaalclassificatie die staalsoorten op te nemen die slechts 4 procent chroom bevatten. Samen vormen deze staalsoorten een familie die bekend staat als de roestvaste en hittebestendige staalsoorten, waarvan sommige een zeer hoge sterkte en oxidatieweerstand hebben. Weinigen bevatten echter meer dan 30 procent chroom of minder dan 50 procent ijzer.

In de ruimste zin kunnen de standaard roestvaste staalsoorten op basis van hun structuur in drie groepen worden verdeeld:austenitisch, ferritisch en martensitisch. In elk van de drie groepen is er één samenstelling die de basislegering voor algemeen gebruik vertegenwoordigt. Alle andere samenstellingen zijn afgeleid van de basislegering, waarbij specifieke variaties in samenstelling worden gemaakt om zeer specifieke eigenschappen te verkrijgen.

De austenitische kwaliteiten zijn niet-magnetisch in de gegloeide toestand, hoewel sommige licht magnetisch kunnen worden na koud werken. Ze kunnen alleen worden gehard door koud te werken, en 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-nikkelsoorten en de minder vaak gebruikte chroom-mangaan-laag-nikkelsoorten. De basissamenstelling in de chroom-nikkelgroep is algemeen bekend als 18-8 (Cr-Ni) en is de austenitische kwaliteit voor algemeen gebruik. Deze kwaliteit is de basis voor meer dan 20 modificaties die als volgt kunnen worden gekarakteriseerd:de chroom-nikkelverhouding is gewijzigd om de vormkenmerken te veranderen; het 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 het chroom- en nikkelgehalte is verhoogd om de corrosie- of oxidatieweerstand te verbeteren.

De standaard ferritische kwaliteiten zijn altijd magnetisch en bevatten chroom maar geen nikkel. Ze kunnen tot op zekere hoogte worden uitgehard door koud te werken, maar niet door warmtebehandeling, en ze combineren corrosie en hittebestendigheid met matige mechanische eigenschappen en decoratieve aantrekkingskracht. De ferritische soorten zijn over het algemeen beperkt tot een kleiner bereik van corrosieve omstandigheden dan de austenitische soorten. De basis ferritische kwaliteit bevat 17 procent chroom. In deze serie zijn er vrij verspanende modificaties en soorten met een verhoogd chroomgehalte om de weerstand tegen kalkaanslag te verbeteren. Ook in deze ferritische groep zit een 12 procent chroomstaal (de basissamenstelling van de martensitische groep) waaraan andere elementen, zoals aluminium of titanium, zijn toegevoegd om verharding te voorkomen.

De standaard martensitische kwaliteiten zijn magnetisch en kunnen worden uitgehard door afschrikken en ontlaten. Ze bevatten chroom en, op twee uitzonderingen na, geen nikkel. De basis martensitische kwaliteit bevat normaal 12 procent chroom. Er zijn meer dan 10 standaard composities in de martensitische serie; sommige zijn gemodificeerd om de bewerkbaarheid te verbeteren en andere hebben kleine toevoegingen van nikkel of andere elementen om de mechanische eigenschappen of hun reactie op warmtebehandeling te verbeteren. Weer andere hebben een sterk verhoogd koolstofgehalte in het assortiment gereedschapsstaal en zijn hardbaar tot de hoogste niveaus van alle roestvaste staalsoorten. De martensitische kwaliteiten zijn uitstekend geschikt voor gebruik in milde omgevingen zoals de atmosfeer, zoet water, stoom en zwakke zuren, maar zijn niet bestand tegen ernstig corrosieve oplossingen.

Nummersystemen voor metalen en legeringen

Er zijn verschillende nummeringssystemen ontwikkeld voor metalen en legeringen door verschillende handelsverenigingen, professionele ingenieursbureaus, standaardisatieorganisaties en particuliere industrieën voor eigen gebruik. De numerieke code die wordt gebruikt om het metaal of de legering te identificeren, kan al dan niet gerelateerd zijn aan een specificatie, die een verklaring is van de technische en commerciële vereisten waaraan het product moet voldoen. Nummeringssystemen die in gebruik zijn, zijn onder meer 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), Aluminium Association, Copper Development Association, U.S. Department of Defense (militaire specificaties) en het General Accounting Office (Federale specificaties).

Het Unified Numbering System (UNS) is ontwikkeld door een gezamenlijke inspanning van de ASTM en de SAE om een ​​manier te bieden om de verschillende nummeringssystemen voor metalen en legeringen die een commerciële status hebben, met elkaar in verband te brengen. Dit systeem vermijdt de verwarring die ontstaat wanneer meer dan één identificatienummer wordt gebruikt om hetzelfde materiaal te specificeren, of wanneer hetzelfde nummer wordt toegekend aan twee totaal verschillende materialen. Het is belangrijk om te begrijpen dat een UNS-nummer geen specificatie is; het is een identificatienummer voor metalen en legeringen waarvoor elders gedetailleerde specificaties worden gegeven. UNS-nummers worden weergegeven in tabel 1; elk nummer bestaat uit een letterprefix gevolgd door vijf cijfers. In sommige gevallen suggereert de letter de familie van metalen die door de reeks worden geïdentificeerd, zoals A voor aluminium en C voor koper. Waar mogelijk bevatten de nummers in de UNS-groepen nummerreeksen die rechtstreeks uit andere systemen zijn overgenomen om de identificatie van het materiaal te vergemakkelijken; het corresponderende UNS-nummer voor AISI 1020-staal is bijvoorbeeld G10200. De UNS-nummers die overeenkomen met de veelgebruikte AISI-SAE-nummers die worden gebruikt om koolstofstaal, gelegeerd staal en gereedschapsstaal te identificeren, worden gegeven in tabel 2.

Samenvatting

In dit artikel worden de belangrijkste soorten standaardstaal beschreven. Lees meer over de eigenschappen van materialen in het Machinery's Handbook, 30th Edition, dat is gepubliceerd en verkrijgbaar bij Industrial Press op Amazon.

Om leveranciers van staal te vinden, bezoekt u het Thomas Supplier Discovery Platform, waar u potentiële leveranciers kunt vinden voor meer dan 70.000 verschillende product- en servicecategorieën.