MCB - De invloed van enkele legeringsbestanddelen in staal

De invloed van enkele legeringsbestanddelen in staal

Aluminium (Al)

Aluminium heeft een grote affiniteit tot zowel zuurstof als stikstof. In staal wordt dit element dan ook gebruikt als desoxidatiemiddel. Omdat tevens stikstof tot aluminiumnitriden gebonden wordt, neemt enerzijds de ouderingsgevoeligheid af, terwijl anderzijds de korrelgrootte afneemt. Wordt aluminium als legeringselement toegevoegd aan met name de ferritische hittevaste staalkwaliteiten, dan wordt de weerstand tegen oxidatie verhoogd.

Chroom (Cr)

In hardbare staalkwaliteiten verlaagt chroom de kritische afkoelsnelheid en verbetert dus de doorharding, waardoor in olie, respectievelijk lucht, afgeschrikt kan worden. De meeste veredelstalen zijn dan ook met chroom gelegeerd. Chroom is een sterke carbidevormer, waardoor in gereedschapsstalen de slijtvastheid en daarmee bijvoorbeeld de standtijd van snijkanten toeneemt. Met toenemende percentage chroom neemt de oxidatieweerstand toe.
Voor corrosievastheid is minimaal ca. 10,5% vrije chroom noodzakelijk. Bij chroomstalen neemt de lasbaarheid af met een toenemend percentage chroom.

Cobalt (Co)

Cobalt gaat bij hogere temperaturen de korrelgroei tegen en heeft een grote positieve invloed op de ontlaatbestendigheid en warmvastheid. Om deze reden zijn snelstalen en gereedschapsstalen, maar ook hittevaste stalen vaak met cobalt gelegeerd.

Fosfor (P)

In staal wordt fosfor in het algemeen als schadelijk gezien. Door primaire en secundaire segregatie ontstaat een inhomogene verdeling van dit element. Door de geringe diffusiesnelheid kan nauwelijks een homogene fosforverdeling verkregen worden. De nadelige invloed van fosfor bestaat bij de veredelstalen uit een toename van de gevoeligheid voor ontlaatbrosheid, hetgeen tot uiting komt in een daling van de duktiliteit en waardoor het staal gevoelig wordt voor slag- en stootbelastingen. In laaggelegeerd staal verhoogt fosfor de sterkte en de weerstand tegen atmosferische aantasting (weervaste staalkwaliteiten).

Koolstof (C)

Koolstof is het belangrijkste legeringselement in staal. Met toenemend percentage koolstof nemen de sterkte en de hardbaarheid van het staal toe, terwijl de vervormbaarheid, smeedbaarheid en de lasbaarheid afnemen. Zolang staal, behoudens verontreinigingen, uitsluitend koolstof bevat, wordt van ongelegeerd staal gesproken.

Koper (Cu)

Koper wordt als legeringselement slechts weinig toegepast. Onder bepaalde omstandigheden kan het percentage koper in het oppervlak sterk stijgen, waardoor in het oppervlak tijdens bewerkingen op hogere temperatuur gemakkelijk scheuren kunnen ontstaan.

In weervaste staalkwaliteiten wordt koper toegevoegd, omdat dit element, in combinatie met fosfor, laaggelegeerd staal bestand maakt tegen atmosferische corrosie. In corrosievaste staalkwaliteiten verbetert koper de weerstand tegen met name zwavelzuur.

Mangaan (Mn)

Mangaan bindt zwavel tot mangaansulfiden, waardoor de schadelijke werking van ijzersulfiden (roodbrosheid) verminderd wordt. In automatenstaal verbeteren de gevormde mangaansulfiden de verspaanbaarheid. In hardbare staalkwaliteiten verlaagt mangaan de kritische afkoelsnelheid. Ongelegeerd veredelstaal bevat dan ook altijd mangaan. Het verhoogt de rekgrens en de treksterkte. Staalkwaliteiten met een hoog percentage koolstof en ca. 12% mangaan hebben bij kamertemperatuur een austenitische structuur. Deze kwaliteiten worden gekenmerkt door een aanzienlijke versteviging onder invloed van deformatie. Ze worden dan ook vaak als slijtvaste kwaliteiten ingezet.

Molybdeen (Mo)

Molybdeen wordt in het algemeen in combinatie met andere elementen toegepast.
In veredelstalen vemindert het de gevoeligheid voor ontlaatbrosheid, bevordert het de fijnkorreligheid en heeft het een gunstige invloed op de lasbaarheid. Molybdeen is een sterke carbidevormer en wordt om die reden aan onder andere snelstaal toegevoegd.

Nikkel (Ni)

Nikkel verbetert de weerstand tegen brosse breuk van ongelegeerd en laaggelegeerd staal aanzienlijk en wordt om die reden aan tal van staalkwaliteiten toegevoegd. In roestvast staal zorgt een nikkelpercentage van meer dan ca. 7% voor een austenitische structuur bij kamertemperatuur, terwijl tevens de weerstand tegen reducerende milieus verbeterd wordt.

Austenitische staalkwaliteiten hebben boven ca. 600 °C een betere weerstand tegen kruip dan de ferritische kwaliteiten. Hoge nikkelgehalten leiden tot staalkwaliteiten met bijzondere fysische eigenschappen, bijvoorbeeld een lage uitzettingscoëfficient (Invar).

Niobium (Nb)

Niobium is een sterke carbidevormer en wordt als zodanig onder andere toegepast in roestvaste staalkwaliteiten. Niobium verhoogt de kruipsterkte en wordt daarom in austenitische staalkwaliteiten voor drukvaten toegepast.

Bij het thermomechanisch walsen van microgelegeerde staalkwaliteiten wordt vaak een geringe hoeveelheid niobium gebruikt om de rekristallisatie tijdens het warmwalsen te onderdrukken.

Silicium (Si)

Silicium is evenals mangaan in iedere staalkwaliteit aanwezig. Het is onder andere afkomstig uit ijzererts. Silicium verhoogt de sterkte en de slijtvastheid. Het wordt in verenstaal toegepast omdat het de rekgrens aanzienlijk verhoogt.

In hittevaste stalen verbetert silicium de weerstand tegen oxidatie. In verband met de nadelige invloed op de warm- en koudvervormbaarheid kan silicium niet onbeperkt worden toegevoegd.

Stikstof (N)

In ongelegeerd en laaggelegeerd staal wordt stikstof als schadelijk gezien. Bij toenemend percentage stikstof neemt de taaiheid af en wordt het materiaal ouderingsgevoelig en bros in het temperatuurgebied 300-350 °C. Tevens bevordert stikstof het ontstaan van interkristallijne spanningscorrosie.

In austenitisch en duplex roestvast staal verhoogt stikstof de sterkte zonder de taaiheid nadelig te beïnvloeden. Ook wordt de weerstand tegen putvormige corrosie verbeterd.

Titaan (Ti)

Titaan heeft een grote affiniteit tot zuurstof, stikstof, zwavel en koolstof. In roestvast staal wordt titaan gebruikt om koolstof te binden, waardoor het materiaal ongevoelig wordt voor interkristallijne corrosie. In hoogvaste, microgelegeerde staalkwaliteiten vormt titaan uitscheidingen die met name de rekgrens verhogen en korrelverfijnend werken.

Vanadium (V)

Vanadium werkt korrelverfijnend en wordt daarom wel aan fijnkorrelige staalkwaliteiten toegevoegd.

Het is een sterkte carbidevormer die vaak wordt toegepast in gereedschapsstaal, waardoor de slijtvastheid en de ontlaatbestendigheid verbeterd worden.

Wolfram (W)

Wolfram is een sterke carbidevormer. Het verbetert de taaiheid, gaat korrelgroei tegen, verbetert de warmvastheid en ontlaatbestendigheid alsmede de slijtvastheid bij hogere temperaturen. Wolfram wordt met name toegepast in gereedschapsstaal, snelstaal en warmvaste staalkwaliteiten.

Zwavel (S)

Van alle verontreinigingen heeft zwavel de grootste neiging tot segregeren. IJzersulfide maakt staal roodbros, omdat het laagsmeltende eutecticum op de korrelgrenzen aanwezig is.

Zwavel wordt in staal gebonden met mangaan dat een grotere affiniteit tot zuurstof heeft dan ijzer. Aan staalkwaliteiten waaraan hoge eisen ten aanzien van de verspaanbaarheid worden gesteld, wordt zwavel bewust toegevoegd. Om alle zwavel te binden tot de mangaansulfiden, zal tevens met voldoende mangaan gelegeerd moeten worden. De mangaansulfiden zorgen voor het kort afbreken van de spaan.