Staal is in essentie ijzer en koolstof gelegeerd met bepaalde aanvullende elementen. Het legeringsproces wordt gebruikt om de chemische samenstelling van staal te wijzigen en de eigenschappen ervan ten opzichte van koolstofstaal te verbeteren of om deze aan te passen aan de vereisten van een bepaalde toepassing.
Voordelen van Steel Alloying Agents:
Verschillende legeringselementen hebben elk hun eigen effect op de eigenschappen van staal. Enkele van de eigenschappen die kunnen worden verbeterd door middel van legering zijn onder meer:
- Stabiliserend austeniet : elementen zoals nikkel , mangaan , kobalt en koper verhogen het temperatuurbereik waarin austeniet voorkomt.
- Stabiliserend ferriet : chroom , wolfraam , molybdeen , vanadium, aluminium en silicium kunnen de oplosbaarheid van koolstof in austeniet verminderen. Dit resulteert in een toename van de hoeveelheid carbiden in het staal en verlaagt het temperatuurbereik waarin austeniet bestaat.
- Carbidevorming : Veel minder belangrijke metalen, waaronder chroom , wolfraam, molybdeen, titanium , niobium, tantaal en zirkonium, vormen sterke carbiden die - in staal - de hardheid en sterkte verhogen. Dergelijke staalsoorten worden vaak gebruikt voor het maken van staal met hoge snelheid en heet gereedschapsstaal.
- Graphitizing : Silicium, nikkel, kobalt en aluminium kunnen de stabiliteit van carbiden in staal verminderen, waardoor hun afbraak en de vorming van gratis grafiet worden bevorderd.
- Afname van de eutectoïdeconcentratie : titanium, molybdeen, wolfraam, silicium, chroom en nikkel verlagen de eutectoïde concentratie van koolstof.
- Verhoog de corrosieweerstand : aluminium, silicium en chroom vormen beschermende oxidelagen op het oppervlak van staal, waardoor het metaal wordt beschermd tegen verdere verslechtering in bepaalde omgevingen.
Common Steel Alloying Agents:
Hieronder vindt u een lijst met veelgebruikte legeringselementen en hun effect op staal (standaardinhoud tussen haakjes):
- Aluminium (0,95-1,30%): een deoxidatiemiddel. Gebruikt om de groei van austenietkorrels te beperken.
- Borium (0,001-0,003%): een hardingsmiddel dat de vervormbaarheid en bewerkbaarheid verbetert. Boor wordt toegevoegd aan volledig gedood staal en hoeft alleen in zeer kleine hoeveelheden te worden toegevoegd om een verhardend effect te hebben. Toevoegingen van boor zijn het meest effectief in koolstofarme staalsoorten.
- Chroom (0,5-18%): een sleutelcomponent van roestvrij staal. Met een gehalte van meer dan 12 procent verbetert chroom de corrosieweerstand aanzienlijk. Het metaal verbetert ook de hardbaarheid, sterkte, respons op warmtebehandeling en slijtvastheid.
- Kobalt : verbetert de sterkte bij hoge temperaturen en magnetische permeabiliteit.
- Koper (0.1-0.4%): Meestal te vinden als een reststof in staal, wordt koper ook toegevoegd om precipitatiehardende eigenschappen te produceren en corrosiebestendigheid te verhogen.
- Lood : Hoewel vrijwel onoplosbaar in vloeibaar of vast staal, wordt lood soms via mechanische dispersie tijdens het gieten aan koolstofstaal toegevoegd om de bewerkbaarheid te verbeteren.
- Mangaan (0,25-13%): verhoogt de sterkte bij hoge temperaturen door de vorming van ijzersulfiden te elimineren. Mangaan verbetert ook de hardbaarheid, taaiheid en slijtvastheid. Net als nikkel is mangaan een austenietvormend element en kan het worden gebruikt in de AISI 200-serie van Austenitisch roestvast staal als vervangingsmiddel voor nikkel.
- Molybdeen (0,2-5,0%): in kleine hoeveelheden aangetroffen in roestvrij staal, verhoogt molybdeen de hardbaarheid en sterkte, vooral bij hoge temperaturen. Vaak gebruikt in chroom-nikkel austenitisch staal beschermt molybdeen tegen putcorrosie veroorzaakt door chloriden en zwavel chemicaliën.
- Nikkel (2-20%): een ander legeringselement dat van cruciaal belang is voor roestvrij staal, nikkel wordt toegevoegd met een gehalte van meer dan 8% aan hoogwaardig roestvrij staal. Nikkel verhoogt de sterkte, slagsterkte en taaiheid, terwijl het ook de weerstand tegen oxidatie en corrosie verbetert. Het verhoogt ook de taaiheid bij lage temperaturen wanneer het in kleine hoeveelheden wordt toegevoegd.
- Niobium : heeft het voordeel van het stabiliseren van koolstof door de vorming van harde carbiden en wordt daarom vaak aangetroffen in hogetemperatuurstaal. In kleine hoeveelheden kan niobium de vloeigrens en in mindere mate de treksterkte van staal aanzienlijk verhogen, evenals een matige neerslag die het effect versterkt.
- Stikstof : verhoogt de austenitische stabiliteit van roestvrij staal en verbetert de vloeigrens in dergelijke staalsoorten.
- Fosfor: fosfor wordt vaak toegevoegd met zwavel om de bewerkbaarheid in laaggelegeerde staalsoorten te verbeteren. Het voegt ook kracht toe en verhoogt de weerstand tegen corrosie.
- Selenium : verhoogt de bewerkbaarheid.
- Silicium (0,2-2,0%): dit metalloïde verbetert sterkte, elasticiteit, zuurbestendigheid en resulteert in grotere korrelgroottes, wat leidt tot een grotere magnetische permeabiliteit. Omdat silicium wordt gebruikt in een desoxidatiemiddel bij de productie van staal , wordt het vrijwel altijd in een bepaald percentage in alle staalsoorten aangetroffen.
- Zwavel (0,08-0,15%): in kleine hoeveelheden toegevoegd, zwavel verbetert de bewerkbaarheid zonder dat dit leidt tot warme kortheid. Met de toevoeging van mangaan wordt hete heetheid verder verminderd vanwege het feit dat mangaansulfide een hoger smeltpunt heeft dan ijzersulfide.
- Titanium : verbetert zowel de sterkte als de corrosiebestendigheid terwijl het de austenietkorrel beperkt. Bij 0,25-0,60% titaniumgehalte combineert koolstof met het titanium, waardoor chroom korrelgrenzen behoudt en oxidatie tegengaat.
- Tungsten : produceert stabiele carbiden en verfijnt de korrelgrootte om de hardheid te verhogen, vooral bij hoge temperaturen.
- Vanadium (0,15%): vanadium kan net als titanium en niobium stabiele carbiden produceren die de sterkte bij hoge temperaturen verhogen. Door een fijne korrelstructuur te bevorderen, kan ductiliteit worden behouden.
- Zirkonium (0,1%): verhoogt de sterkte en beperkt de korrelgroottes. De sterkte kan met name worden verhoogd bij zeer lage temperaturen (onder het vriespunt). Staalsoorten die zirkonium bevatten tot een gehalte van ongeveer 0,1%, hebben kleinere korrelgroottes en zijn bestand tegen breuken.
Bronnen: SubsTech. Stoffen en technologie. Effect van legeringselementen op stalen eigenschappen. (www.substech.com) Chase Alloys. Effecten van legeringselementen in staal. (www.chasealloys.co.uk)
Volg Terence op Google+