Structurele gelegeerde staalsoorten
Inhoudsopgave
Structurele gelegeerde staalsoorten zijn staalsoorten die bedoeld zijn voor machine- en apparatuuronderdelen die worden gebruikt in omstandigheden die als typisch worden beschouwd voor de constructiemechanica, d.w.z. bij temperaturen tussen ongeveer –40 °C en 300 °C en in omgevingen die niet bijzonder chemisch agressief zijn. In de praktijk betekent dit dat wanneer mechanische belastingen overheersen en de omgeving geen corrosiebestendigheid of hittebestendigheid vereist, het basiskeuzecriterium een reeks mechanische eigenschappen is in plaats van ‘speciale’ eigenschappen.
De meest gevraagde parameter is niet zozeer de ’treksterkte’ zelf, maar de hoge vloeigrens, omdat deze bepaalt of het onderdeel onder werklast permanent zal vervormen. Tegelijkertijd werken constructie-elementen zelden onder perfect statische omstandigheden – in werkelijkheid treden variabele belastingen, schokken en trillingen op, waardoor de vermoeiingssterkte en de weerstand tegen brosse breuken erg belangrijk zijn. In dit verband is een belangrijk begrip de ductiel-bros-overgangstemperatuur (Tpk), omdat staal bij lage temperaturen veel brozer kan worden en dan zelfs lokale spanningsconcentraties (bijv. inkepingen, overgangen in de dwarsdoorsnede, oppervlaktefouten) gevaarlijk worden. Als een onderdeel onder wrijving en glijdende of rollende contacten moet werken, is er behoefte aan hoge hardheid en slijtvastheid, wat meestal wordt bereikt door een harde oppervlaktelaag te produceren met behoud van een ductiele kern.
Hier zien we waarom gelegeerd staal zo vaak de voorkeur krijgt boven koolstofstaal. Koolstofstaal kan na harding een hoge hardheid bereiken, maar de belangrijkste beperking is de lage hardbaarheid, wat betekent dat bij grotere doorsneden (het materiaal specificeert een limiet van ongeveer 25 mm) geen uniforme geharde toestand over de hele doorsnede kan worden bereikt. Als gevolg hiervan heeft het onderdeel na het daaropvolgende ontlaten verschillende eigenschappen aan het oppervlak en in de kern, wat vooral nadelig is in dynamisch belaste constructies. Gelegeerd staal zorgt dankzij additieven voor een meer ‘voorspelbare’ en uniforme reactie van het materiaal over de gehele doorsnede van het onderdeel.
Waarom legeren werkt
In constructiestaal is legering een middel dat voornamelijk de kinetiek van austeniettransformaties verandert en zo de structuur beïnvloedt die na afkoeling wordt verkregen. Het belangrijkste praktische effect is een toename van de hardbaarheid, d.w.z. het vermogen van staal om niet alleen aan het oppervlak, maar ook diep in het materiaal hardingsstructuren (martensiet of bainiet) te vormen. In de praktijk heeft dit twee belangrijke effecten. Ten eerste kunnen grotere componenten worden gehard in mildere koelmedia (bijvoorbeeld in olie in plaats van water), waardoor het risico op scheuren wordt verminderd en vervorming wordt beperkt. Ten tweede maakt het doorharding mogelijk na blussen en temperen, d.w.z. een reeks kern- en oppervlakte-eigenschappen die consistent zijn over de gehele doorsnede.
Het tweede belangrijke mechanisme is het effect van additieven op de fragmentatie van structurele componenten en op het gedrag van staal tijdens het temperen. Een fijnere structuur na de transformatie van onderkoeld austeniet betekent meestal een hogere sterkte met behoud van een betere breukweerstand. Tegelijkertijd zorgen veel legeringsadditieven ervoor dat het staal zijn gunstige eigenschappen tijdens het ontlaten ‘behoudt’ en deze niet zo gemakkelijk verliest, omdat de verzachtingsprocessen vertraagd worden of een hogere temperatuur vereisen. Dit is belangrijk omdat het bij machineontwerpen niet gaat om maximale hardheid, maar om een duurzaam compromis: hoge vloeigrens + slagvastheid + stabiliteit van eigenschappen.
Om deze reden worden gelegeerde staalsoorten vaak in een warmtebehandelde toestand gebruikt. De chemische samenstelling alleen is zelden voldoende. Om staal in de praktijk als een zeer betrouwbaar constructiemateriaal te kunnen gebruiken, wordt het hele pakket ontworpen: staalselectie + proceskeuze (normaliseren, warmtebehandeling, carboneren, nitreren, oppervlakteharding) + keuze van koel- en temperparameters. Alleen dan wordt legeren echte ‘structuurcontrole’ en niet alleen het toevoegen van elementen aan de chemische analyse.
Laaggelegeerde staalsoorten met verhoogde sterkte
Laaggelegeerde staalsoorten met verhoogde sterkte, die vaak in genormaliseerde toestand worden gebruikt, nemen een belangrijke plaats in onder de constructiestaalsoorten. Hun specificiteit ligt in het feit dat ze een verhoogde vloeigrens (het materiaal geeft een bereik van ongeveer 300-460 MPa) moeten combineren met praktische lasbaarheid. Om de lasbaarheid te behouden, is het koolstofgehalte beperkt – het materiaal specificeert dat het niet hoger is dan ongeveer 0,22%. Dit is erg belangrijk: in deze groep is het doel niet om de eigenschappen te verbeteren door ‘het koolstofgehalte te verhogen’, maar door de structuur te controleren en gematigde legeringsadditieven te gebruiken.
In de genormaliseerde toestand zijn er twee ‘modellen’ van microstructuur. Het eerste is perlitisch staal met een ferritisch-perlitische structuur, waarbij legeringselementen aanwezig zijn in de vaste oplossing in ferriet of deel uitmaken van carbiden in perliet. De toename in sterkte ten opzichte van koolstofstaal met een vergelijkbaar koolstofgehalte is te danken aan het feit dat de additieven het ferriet verharden, een hoger aandeel hardere componenten bevorderen en korrelverfijning ondersteunen. De typische additieven in deze groep zijn voornamelijk mangaan, koper, silicium en aluminium, en in sommige varianten ook vanadium en niobium; er worden ook typische bereiken gegeven, waaronder mangaan in het bereik van 1,0–1,8% en silicium in het bereik van 0,20–0,60%.
Het tweede model betreft bainitische staalsoorten, die in een genormaliseerde toestand een bainitische structuur verkrijgen dankzij een reeks additieven die diffusietransformaties vertragen en de vorming van bainiet tijdens het afkoelen bevorderen. Het materiaal merkt op dat deze groep kleine hoeveelheden additieven kan bevatten, zoals molybdeen en boor, evenals additieven die de kinetica van transformaties beïnvloeden, zoals mangaan en chroom, waardoor zeer hoge sterkteniveaus kunnen worden bereikt, zelfs bij afkoeling in lucht (het materiaal geeft een bereik van 1100-1200 MPa). Dit toont de logica van deze materiaalfamilie aan: de lasbaarheid blijft behouden dankzij het lage koolstofgehalte en de ‘sterkte’ wordt geleverd door de structuur die wordt verkregen door normaliseren, ondersteund door een geschikte legering.
Staalsoorten voor carboneren en oppervlakteharding
Staalsoorten voor carboneren worden voornamelijk geselecteerd op basis van het feit dat het onderdeel een zeer harde oppervlaktelaag moet hebben, terwijl de kern ductiliteit en weerstand tegen scheuren moet behouden. Daarom zijn dit staalsoorten met een laag koolstofgehalte in de kern; het materiaal ligt doorgaans in het bereik van ongeveer 0,14-0,25% C. De technologische reden hiervoor is eenvoudig: de kern blijft ‘zacht’ (minder broos) en de hoge hardheid komt alleen voor in de oppervlaktezone, waar tijdens het carboneren koolstof is toegevoegd en deze laag vervolgens is gehard.
Het is mogelijk om koolstofstaal te carboneren, maar het materiaal benadrukt dat deze oplossing vooral zinvol is voor kleine onderdelen met kleine doorsneden of wanneer slijtvastheid belangrijk is, maar een hoge kernsterkte niet vereist is. Bij grotere doorsneden kan koolstofstaal een hard oppervlak opleveren, maar de kern bereikt niet de gewenste sterkte omdat het onderdeel niet in de doorsnede hard wordt. Bovendien is voor het waarborgen van de hardheid van de laag in koolstofstaal vaak een snellere afkoeling nodig, wat vervorming en het risico op scheuren vergroot.
Daarom domineren in de praktijk gelegeerde staalsoorten voor carboneren, aangezien legeringsadditieven een grotere hardbaarheid bieden en gunstige eigenschappen mogelijk maken, niet alleen van de laag maar ook van de kern, vaak wanneer deze in olie wordt gehard. Het materiaal vestigt de aandacht op een belangrijke beperking: overmatige legering, vooral in een laag met een verhoogd koolstofgehalte, kan de vorming van meer rest-austeniet bevorderen, wat op zijn beurt de hardheid van de gecarbureerde laag kan verminderen. Dit is een belangrijke praktische conclusie, omdat het aantoont dat carboneren niet gaat om het maximaliseren van additieven, maar om hun optimale selectie.
Het artikel benadrukt de rol van chroom, dat in vrijwel alle staalsoorten voor carboneren aanwezig is, meestal in hoeveelheden van 1-2%, omdat het de hardbaarheid effectief verhoogt en de vorming van een harde laag tijdens oliekoeling vergemakkelijkt. Een verdere verbetering van de hardbaarheid en de kerneigenschappen wordt bereikt door toevoeging van nikkel, waardoor belangrijke onderdelen vaak worden vervaardigd uit chroom-nikkelstaal. Tegelijkertijd wordt erop gewezen dat nikkel een schaars bestanddeel is, zodat het gebruik ervan eerder gerechtvaardigd is door operationele vereisten dan door ‘gebruik’. In de praktijk worden ook mangaanoplossingen gebruikt, maar dan is het noodzakelijk om ongewenste verschijnselen (bijvoorbeeld met betrekking tot korrelgrootte) te beheersen, en worden additieven zoals molybdeen of titanium gebruikt als hulpmiddelen om de eigenschappen te verbeteren en fragmentatie te bevorderen.
Staalsoorten voor oppervlakteharding worden geselecteerd volgens een vergelijkbare logica, waarbij het doel is om een hard oppervlak met een sterke kern te verkrijgen. Het materiaal geeft vaak een koolstofgehalte aan van 0,4-0,6% voor staalsoorten die voor dit type behandeling worden gebruikt, en in het geval van hogere eisen aan de kern-eigenschappen (vooral bij grotere doorsneden) is het gebruikelijk om eerst het hele element te warmtebehandelen en pas daarna oppervlakteharding toe te passen.
Staalsoorten voor warmtebehandeling en gespecialiseerde groepen
Staalsoorten voor warmtebehandeling zijn ontworpen om na harding en hoog temperen een zeer gunstig compromis te bereiken: hoge sterkte en vloeigrens met behoud van ductiliteit en slagvastheid.
Warmtebehandeling (harding + hoog temperen) leidt tot sorbietstructuren en is de basismanier om hoge eigenschappen in machineonderdelen te verkrijgen. Het materiaal geeft aan dat de typische ontlaatstemperaturen tussen ongeveer 500–700 °C liggen en dat de eigenschappen Rm 750–1500 MPa en Re 550–1350 MPa kunnen bereiken. Het is ook van cruciaal belang dat gelegeerd staal deze toestand over het hele oppervlak met grotere dwarsdoorsneden mogelijk maakt, terwijl koolstofstaal meestal voldoende is voor dwarsdoorsneden tot ongeveer 20–25 mm.
In deze groep procesparameters wordt de keuze niet ‘blindelings’ gemaakt, omdat temperen een compromis is: een hogere temperatuur verbetert meestal de plasticiteit ten koste van de sterkte, terwijl een lagere temperatuur een hogere sterkte oplevert ten koste van een grotere gevoeligheid voor scheuren. Het materiaal vertoont ook het fenomeen van temperbroosheid, dat zich uit in een afname van de slagvastheid bij bepaalde temperatuurbereiken. Er is een karakteristieke afname rond 300 °C en een tweede afname boven 500 °C vastgesteld, waarbij het in het laatste geval van praktisch belang is dat de afkoelsnelheid na het temperen aanzienlijk is: versnelde afkoeling (bijvoorbeeld in water of olie) kan het nadelige effect verminderen in vergelijking met langzame afkoeling. Dit toont aan dat de ’temperingstemperatuur’ niet de enige variabele is – de manier waarop het proces wordt voltooid is ook belangrijk.
Met betrekking tot het legeren van staal voor warmtebehandeling benadrukt het materiaal de rol van additieven zoals chroom (verhoogt de hardbaarheid en beïnvloedt het tempergedrag), molybdeen (helpt bij het verminderen van enkele nadelige effecten, waaronder de neiging tot temperbroosheid, en verhoogt de hardbaarheid) en nikkel, dat bijzonder waardevol is omdat het de hardbaarheid verhoogt en de plastische eigenschappen verbetert, en bovendien de overgangstemperatuur tussen ductiel en bros verlaagt, wat belangrijk is bij het werken bij verlaagde temperaturen.
Het materiaal geeft aan dat chroom-nikkelstaal tot de beste in deze groep behoort, hoewel het vereist dat temperingsgerelateerde verschijnselen worden gecontroleerd, vandaar de praktijk om molybdeen en soms ook vanadium toe te voegen.
Naast staalsoorten voor versterking zijn er groepen structurele gelegeerde staalsoorten met een vrij duidelijk omschreven functie. Staalsoorten voor nitreren worden geselecteerd om een harde laag nitriden te produceren; daarom worden additieven zoals aluminium, chroom en molybdeen gebruikt en wordt het proces meestal voorafgegaan door een warmtebehandeling, waarbij de ontlaat temperatuur hoger moet zijn dan de nitreringstemperatuur zodat de kern tijdens het nitreren zelf zijn structuur niet verandert. Veerstalen zijn ontworpen voor een hoge elasticiteitsgrens en vermoeiingslevensduur; het materiaal benadrukt de rol van silicium en het belang van de oppervlaktekwaliteit (oxidatie en ontkoling hebben een ernstig nadelig effect op de vermoeiingslevensduur), en de typische verwerking omvat harden en ontlaten om een hoge sterkte te behouden. Lagerstaal moet een zeer hoge hardheid en weerstand tegen slijtage en contactdruk bieden. Het materiaal verwijst naar typisch koolstofrijk, chroomrijk staal en typische verwerking: olieharding en lage tempering bij ongeveer 180 °C om fijnkorrelige structuren met fijne carbiden te verkrijgen.
Het materiaal verwijst ook naar meer gespecialiseerde oplossingen, maar nog steeds binnen het ‘structurele’ domein in brede zin. Maraging-staal (ijzer legeringen met nikkel) vormt na het harden ductiel martensiet en bereikt pas een hoge sterkte na veroudering, wanneer intermetallische fase-precipitaten verschijnen; dit is de weg naar uitzonderlijke eigenschappen, maar tegen een hoge prijs. Op hun beurt combineren warmte- en plastische behandeling de plastische vervorming van austeniet met harding, zodat martensiet een dichtere dislocatiestructuur en fragmentatie ‘erft’, wat resulteert in een aanzienlijke toename van de sterkte (het materiaal stelt dat met maar liefst enkele tot enkele tientallen procenten), maar de daaropvolgende bewerking bemoeilijkt.
Gelegeerde constructiestaal – samenvatting
Gelegeerde constructiestaalsoorten worden gebruikt wanneer het nodig is om bepaalde, herhaalbare mechanische eigenschappen te verkrijgen onder typische bedrijfsomstandigheden en tegelijkertijd de veiligheid van het onderdeel onder variabele belastingen te behouden. Hun voordeel ten opzichte van koolstofstaal is voornamelijk te danken aan hun grotere hardbaarheid, waardoor warmtebehandeling en vormgeving van eigenschappen op grotere dwarsdoorsneden mogelijk is, vaak met een zachtere afkoeling en dus met minder risico op scheuren en vervormingen. In de praktijk is de keuze van gelegeerd constructiestaal de keuze van het hele systeem: samenstelling + type warmtebehandeling (normaliseren, verfijnen, carboneren, nitreren, oppervlakteharding) + procesparameters, omdat alleen deze combinatie de microstructuur bepaalt en de microstructuur de eigenschappen bepaalt.
Binnen deze groep vallen de volgende soorten op: laaggelegeerde genormaliseerde staalsoorten (waarbij lasbaarheid en vloeigrens van cruciaal belang zijn), staalsoorten voor carboneren en oppervlakteharding (waarbij een harde laag en een ductiele kern belangrijk zijn, met beheersing van verschijnselen zoals rest-austeniet), staalsoorten voor warmtebehandeling (waarbij het compromis tussen eigenschappen en bewuste keuze van tempering, inclusief aandacht voor temperbroosheid, van cruciaal belang is), en gespecialiseerde groepen zoals staalsoorten voor nitreren, veerstaal en lagerstaal.
