Materialen kennis

Belangrijk!

De juiste staalsoort wordt niet alleen bepaald door de chemische samenstelling.
De bekende DIN, SAE en AISI etc. geven wel keurig de chemische samenstelling in procenten, maar houden de normen geen rekening met een aantal
karakteristieken als: homogeniteit, de aanwezigheid van onzuiverheden, de verdeling en de grootte van carbiden. Homogeniteit kan voor een gebruiker van belang zijn, denk aan brosheid, stabiliteit in de warmtebehandeling, verspaanbaarheid en poreusheid. Hoe minder homogeen een staalsoort is, hoe groter de kans op problemen. De onzuiverheden kunnen echter problemen geven zoals: sterk verminderde taaiheid en het risico van harde plekken tijdens het verspanen. De grootte van de carbiden is afhankelijk van de chemische analyse en het productieproces. Net als onzuiverheden zoals slakinsluiting kunnen de carbidengrootte van invloed zijn op het breukgedrag van gereedschappen. Gelijkmatig verdeelde carbiden, en grootte verdeeld in een metaalmatrix geeft de beste homogeniteit aan het materiaal. Ook een nauwere tolerantie van de legeringelementen zal zorg dragen voor een reproduceerbare materiaalkwaliteit. Dit resulteerd in voordelen zoals constante verspaningsparameters, en beperking van het aantal gereedschappen

Bron: Guhring:

De belangrijkste eigenschappen van metalen

Voor het fabriceren van onderdelen worden verschillende materialen gebruikt het ligt niet voor de hand om zomaar een willekeurig materiaal te gaan gebruiken al naar gelang de toepasbaarheid zal er rekening moeten worden met de eigenschappen van het te gebruiken materiaal.
Voor verschillende constructies worden veelal verscheidene materialen gebruikt het frame van een machine wordt bijvoorbeeld vervaardigd uit gietijzer terwijl de spindels, handwielen, klauwplaat e.d. uit verschillende staalsoorten en legeringen bestaan. Hierbij is het materiaal doelbewust gekozen met de eigenschappen die passen bij de eisen die hieraan worden gesteld.

We kunnen vier verschillende eigenschappen onderscheiden nl.

1. Mechanische eigenschappen
2. Chemische eigenschappen
3. Fysische eigenschappen
4. Technologische eigenschappen

Mechanische eigenschappen

Om een beeld te vormen van de treksterkte van een materiaal wordt het materiaal onderworpen aan de z.g trekproef hierbij wordt aan een staafje van 1 mm ² geleidelijk zoveel gewicht gehangen tot deze breekt. Breekt de staaf bij bijv. 40 kg dan noemt men de treksterkte 40kg/mm² oftewel 400 Newton mm² Heeft de staaf een diameter van 100mm² dan is de treksterkte van de staaf 100 x 40 = 400 hieruit blijkt dat de belastbaarheid van een materiaal afhankelijk is van de treksterkte per mm² vermenigvuldigd met de werkelijke oppervlakte.
Het materiaal kan ook op een andere manier worden belast maar in het algemeen kan men zeggen dat de treksterkte de maat is.

Mechanische eigenschappen

Om een beeld te vormen van de treksterkte van een materiaal wordt het materiaal onderworpen aan de z.g trekproef hierbij wordt aan een staafje van 1 mm ² geleidelijk zoveel gewicht gehangen tot deze breekt. Breekt de staaf bij bijv. 40 kg dan noemt men de treksterkte 40kg/mm² oftewel 400 Newton mm² Heeft de staaf een diameter van 100mm² dan is de treksterkte van de staaf 100 x 40 = 400 hieruit blijkt dat de belastbaarheid van een materiaal afhankelijk is van de treksterkte per mm² vermenigvuldigd met de werkelijke oppervlakte.
Het materiaal kan ook op een andere manier worden belast maar in het algemeen kan men zeggen dat de treksterkte de maat is.

Chemische eigenschappen

De eigenschappen van een materiaal worden bepaald door de stoffen waaruit een materiaal is opgebouwd.
Het koolstof gehalte bijvoorbeeld heeft bijzonder veel invloed op de eigenschappen van het materiaal om de eigenschappen van het materiaal aan te passen worden er bepaalde stoffen toegevoegd z.g. legeringen deze zijn van invloed op o.a. de bewerkbaarheid en de mechanische eigenschappen van het materiaal.

Fysische eigenschappen

De fysische eigenschappen hebben vooral betrekking op soortelijk gewicht, smeltpunt, geleidingsvermogen van warmte en elektriciteit en op de magnetische eigenschappen.

Technologische eigenschapen

Afhankelijk van het doel waarvoor het materiaal wordt ingezet is het mogelijk dat het materiaal een of meerdere van bovengenoemde eigenschappen bezit dit is van invloed op de bewerkbaarheid van het materiaal.

Invloed van de afzonderlijke elementen

Aluminium

Bij de staalbereiding wordt aluminium evenals silicium gebruikt als desoxidatiemiddel. Door grote affiniteit van A1 voor zuurstof wordt de oxidatie van andere legeringselementen voorkomen. Aluminium wordt aan staal toegevoegd niet alleen om zuurstof, maar ook om de in het staal aanwezige koolstof te binden. Daardoor is staal dat tevens met aluminium is gedesoxideerd veel minder gevoelig geworden voor veroudering. Aluminiumnitriden belemmeren de korrelgroei tijdens het normaalgloeien. Als legeringelement komt aluminium met een gehalte van ca 1% voor in nitreerstaal. Ook in ferritisch hittevast staal wordt aluminium als legeringselement toegepast (0,5-1,5 %); het staaloppervlak wordt daardoor vuurvast en het afbladderen van oxideschilfers wordt voorkomen.
Terug

Koolstof

Koolstof is een austenietvormend element. Zonder koolstof is staal niet hardbaar door afschrikken. Koolstof verhoogt de sterkte en de hardbaarheid. Het verlaagt de rek, de lasbaarheid en de bewerkbaarheid. Met ferrietvormende elementen vormt het carbiden, die dikwijls bepalend zijn voor speciale eigenschappen en daardoor voor de toepassing van een staallegering.
Terug

Chroom

Chroom is een ferrietvormend element. Het is een sterke carbidevormer. De carbiden maken het chroomhoudende staal slijtvast en geven het goede snijeigenschappen. Hoewel de sterkte van staal door legeren met chroom toeneemt, wordt de rek nauwelijks minder. Per procent chroom neemt de treksterkte 80-100N/mm2 toe, de elasticiteitsgrens gaat minder sterk omhoog; de kerfslagtaaiheid wordt verminderd. een staalsoort met tenminste 13 % Cr en vrijwel geen koolstof is roestvast omdat er een laagje chroomoxide op het staal wordt gevormd, waardoor het onderliggende staal van de lucht wordt afgesloten. Door naast chroom ook nikkel toe te voegen wordt austenitisch corrosievast staal verkregen, dat belangrijk betere corrosievaste eigenschappen heeft dan chroomstaal. Wegens het hechte laagje chroomoxide levert het legeren met chroom ook zeer goede hittevaste eigenschappen op. Voor invloed van chroom op mangaanstaal, zie onder mangaan.
Terug

Koper

Door legeren ,et circa 0,5% koper wordt staal beter bestand tegen atmosferische invloeden. Door koper wordt de verhouding elasticiteitsgrens-treksterkte vergroot evenals de doorhardbaarheid. de rek wordt kleiner. Bij warmvormgeving kan de aanwezigheid van koper leiden tot scheuren wegens roodbroosheid.
Terug

Mangaan

Mangaan wordt bij de staalfabricage gebruikt voor het ontzwavelen van het slaalbad, met als gevolg dat het vrijwel altijd in staal wordt aangetroffen. Het verhoogt de sterkte van staal. Mangaan is een austenietvormend element en vormt geen carbiden. zwavel wordt door mangaan gebonden tot mangaansulfiden, en daar de affiniteit (bindingneiging) van zwavel tot mangaan de blauwbrosheid, die een gevolg zou zijn van de aanwezigheid van ijzersulfiden. In automatenstaal zorgt mangaansulfide voor het breken van draaikrullen tot korte spanen. Mangaan verminderd sterk de kritische afkoelsnelheid, waardoor de doorhardingsdiepte aanmerkelijk wordt vergroot. de lasbaarheid wordt gunstig beïnvloed. De elasticiteitsgrens en treksterkte worden tot een gehalte van 5 % circa 100N/mm2 per procent mangaan verhoogd. deze aanzienlijke vergroting van de sterkte is een gevolg van:
– Roosterversteviging in het ferriet door het oplossen daarin van mangaan;
– Korrelverfijning van de ferriet;
– Vergroting van de perliethoeveelheid;
– Fijnere perlietlamellen.
Staal met meer dan 12 % mangaan is austenitisch en daarom erg taai. Onder een stotende en wrijvende belasting wordt het staaloppervlak door martensietvorming zeer sterk verstevigd, terwijl de kern taai blijft. Is er meer dan 18% mangaan in het staal, dan zal de austenietstructuur blijven bestaan, waardoor zo’n staalsoort onder geen enkele omstandigheid is te magnetiseren. Staal met 16-18 % Mn en 8-10 % Cr is zeer goed corrosievast en beslist niet ferromagnetisch.
Terug

Molybdeen

Molybdeen, dat een sterk carbidevormend element is, wordt als legeringselement altijd samen met andere legeringselementen toegepast. Toevoegingen van molybdeen vergroten de treksterkte vooral bij hogere temperatuur evenals de kruipsterkte. Molybdeen bevordert de carbidevorming en kan daardoor de fijnkorriligheid van staal beïnvloeden. In sneldraaistaal gelegeerd, verbeterd het de snijeigenschappen. In deze gevallen is de werking ongeveer gelijk aan die van wolfraam, waarbij geldt, dat één dee lmolybdeen dezelfde werking heeft als twee delen wolfraam. Molybdeen als legeringsbestanddeel in corrosievast chroom-nikkelstaal voorkomt putcorrosie als het staal in aanraking is met zuren en agressieve chemicaliën (vooral chloriden)
Terug

Zuurstof

Zuurstof komt in staal in gebonden vorm voor en is altijd schadelijk. Het verslechtert de mechanische eigenschappen, in het bijzonder de kerfslagwaarde. Het veroorzaakt brosheid door veroudering. Daarom wordt zuurstof met behulp van zuurstofbindende elementen bij staalbereiding zo grondig mogelijk verwijderd.
Terug

Fosfor

De aanwezigheid van fosfor is voor het staal nadelig, daar het staal daardoor koudbros wordt. In de verschillende normen zijn meestal maximale gehalten voor dit element voorgeschreven. Fosfor wordt toegepast in zg. weervast staal.
Terug

Lood

Lood is niet in staal oplosbaar. Het wordt toegevoegd aan automatenstaal in een hoeveelheid van 0,2 tot 0,5 %. Het lood is dan uiterst fijn in het staal gedispergeerd, waardoor het de mechanische eigenschappen niet nadelig beïnvloedt. Het staal wordt echter wel beter bewerkbaar. daar het de wrijving tussen staal en beitel verminderd, wordt de standlijn van de beitel verlengd en het bewerkte oppervlak gladder.
Terug

Zwavel

zwavel maakt staal roodbros en is daarom schadelijk. Evenals fosfor is in de verschillende normen het zwavelgehalte meestal gebonden aan een
maximale waarde van 0,2 tot 0,4 %. Het vormt samen met het aan staal toegevoegde mangaan, mangaansulfide-slak-insluitingen waarop de krul bij
verspanende bewerkingen in korte spanen breekt.
Terug

Selenium

De invloed van selenium in automatenstaal is ongeveer gelijk aan die van zwavel. Het heeft een iets grotere invloed op de bewerkbaarheid. Het wordt vooral toegepast in corrosievast automatenstaal, omdat het de corrosievastheid minder nadelig beinvloedt dan zwavel.
Terug

Silicium

Silicium is een ferrietvormend element. Reeds met een gehalte van 1,7 % is de austenietvorming volkomen onderdrukt. Silicium is altijd in staal aanwezig. Het is afkomstig uit het erts en uit de oven- of convertorbekleding. Silicium werkt bij de staalbereiding desoxiderend. Bij een gehalte van 0,50 % geldt het als legeringsbestanddeel, daaronder als bijmengsel. Door silicium wordt de verhouding van rekgrens tot treksterkte groter. Per procent silicium worden deze beide waarden met circa 100 N/mm2 vergroot, zodat de rekgrens relatief sterker stijgt dan de treksterkte. Daaromwerkt silicium gunstig op de elastische eigenschappen van staal bestemd voor veren. Silicium wordt ook toegepast in hittevast staal met een gehalte van 1-2 %, daar het de hittevastheid bevordert. Silicium heeft ook invloed op de elektrische en magnetische eigenschappen van staal. Het verlaagt de geleidbaarheid, coërcitieve veldsterkte en de wervelstroomverliezen, daarom worden ijzer-siliciumlegeringen toegepast als dynamo- en transformatorblik.
Terug

Titaan

Titaan heeft een grotere affiniteit tot zuurstof, stikstof, zwavel en koolstof. Daarom werkt het desoxyderend, bindt stikstof en zwavel en is een sterke carbidevormer. Het is daardoor een element dat bijzonder geschikt is als stabilisator is austenitisch corrosievast staal, het werkt korrelgroei remmend en het verhoogt de sterkte bij hoge temperatuur. In staal voor permanente magneten vind het toepassing daar het de coërcitieve veldsterkte vergroot.
Bovenstaande informatie is ontleend aan de publicatie van het Staalcentrum Nederland over gelegeerd staal.

Terug

Tabel legeringselementen

Pijlen naar boven = verhogend effect Pijlen naar beneden verlagend effect
Meer pijlen = sterkere werking
~ = ongeveer gelijkblijvend
– =niet karakteristiek of onbekend

Nitreerstaal

Nitreerstaal heeft ten opzichte van inzetstaal als groot voordeel, dat het door de invloed van de legeringelementen aluminium en chroom na het nitreren – bij een temperatuur van 500 – 520 °C – een zeer hoge oppervlaktehardheden bereikt en uitermate maatvast blijft.

Terug

De gelegeerde fijnkorrel staalsoorten met een zeer hoge trekvastheid zijn speciaal ontwikkeld voor zware belaste, lichte constructies, ook bij lage temperaturen – tot min 60 °C in te zetten. er zijn ook soorten met een hoge strekgrens om koud te vervormen. deze kwaliteiten worden in de regel voor sterk te vervormen delen gebruikt. Door de lage percentage koolstof, fosfor en zwavel zijn deze materialen bijzonder geschikt om te lassen.

Poeder metallurgisch staal ( PM )

Poeder metallurgisch staal heeft de eigenschap dat het materiaal vanaf de schil tot de kern dezelfde homogene structuur bezit. Het materiaal wordt als volgt verkregen: Het gesmolten basismateriaal wordt d.m.v. stikstof tot poeder verstoven waarna het verkregen poeder in een stalen ommanteling wordt geplaatst welke wordt afgesloten waarna het geheel koud isostatisch wordt geperst ( 400 MPa. ), daarna wordt het materiaal verwarmd tot 1150°C en vervolgens nogmaals isostatisch samengeperst ( 100 MPa )