Wat maakt staal sterk en duurzaam? Het geheim zit hem in de chemische samenstelling. Dit artikel gaat in op de effecten van 19 verschillende elementen, zoals koolstof, silicium en mangaan, op de eigenschappen van staal. Van het verbeteren van sterkte en taaiheid tot het beïnvloeden van lasbaarheid en corrosiebestendigheid, je zult ontdekken hoe elk element een cruciale rol speelt. Duik in de materiaalkunde en begrijp hoe de juiste mix van elementen staal op maat kan maken voor verschillende toepassingen.
De rol van koolstof in staal is een delicaat evenwicht. Aan de ene kant, als de koolstofgehalte toeneemt, nemen de vloeigrens en treksterkte van het staal toe, maar aan de andere kant nemen de plasticiteit en slagvastheid af.
Daarom moet het koolstofgehalte worden afgestemd op het beoogde gebruik van het staal. Wanneer het koolstofgehalte hoger is dan 0,23%, verslechteren de lasprestaties aanzienlijk. Daarom mag het koolstofgehalte van laaggelegeerd constructiestaal dat voor lassen wordt gebruikt niet hoger zijn dan 0,20%.
Bovendien vermindert een te hoog koolstofgehalte de weerstand van het staal tegen atmosferische corrosie, waardoor staal met een hoog koolstofgehalte in openluchtomgevingen kwetsbaar is voor corrosie.
Een hoog koolstofgehalte is echter niet helemaal negatief, omdat het ook de brosheid bij koude en de gevoeligheid voor veroudering van het staal kan verbeteren.
Silicium wordt toegevoegd als reductie- en desoxidatiemiddel tijdens het staalproductieproces, wat resulteert in staal dat 0,15-0,30% silicium bevat. Als het siliciumgehalte hoger is dan 0,50-0,60%, wordt het beschouwd als een legeringselement.
Silicium kan de elasticiteitsgrens aanzienlijk verhogen, treksterkteen treksterkte van staal en wordt daarom veel gebruikt in verenstaal, zoals 65Mn en 82B, die 0,15-0,37% silicium bevatten.
Silicium van 1,0-1,2% toevoegen aan gehard en getemperd constructiestaal kan de sterkte verhogen met 15-20%.
In combinatie met elementen als molybdeen, wolfraam en chroom verbetert silicium bovendien de corrosie- en oxidatiebestendigheid van staal en wordt het gebruikt om hittebestendig staal te maken.
Laagkoolstofstaal met 1,0-4,0% silicium heeft een extreem hoge magnetische permeabiliteit en wordt gebruikt voor het maken van platen van siliciumstaal in de elektrische industrie.
Silicium heeft echter als nadeel dat het de lasprestaties van staal vermindert.
Tijdens het staalproductieproces werkt mangaan als een goede deoxidator en ontzwavelaar, en staal bevat doorgaans 0,30-0,50% mangaan.
Als er meer dan 0,70% mangaan aan koolstofstaal wordt toegevoegd, wordt het beschouwd als "mangaanstaal".
Dit type staal heeft niet alleen voldoende taaiheid, maar ook hogere sterkte en hardheid dan gewoon staal. Mangaan verbetert de hardbaarheid en warmverwerkbaarheid van staal; de vloeigrens van 16Mn staal is bijvoorbeeld 40% hoger dan die van A3 staal.
Staal met 11-14% mangaan heeft een extreem hoge slijtvastheid en wordt gebruikt voor toepassingen als graafmachinebakken en kogelmolenvoeringen. Een hoog mangaangehalte heeft echter ook nadelen.
Als het mangaangehalte hoog is, is het staal gevoeliger voor brosheid bij het ontlaten. Mangaan bevordert korrelgroei, waarmee rekening moet worden gehouden tijdens de warmtebehandeling. Als de massafractie mangaan 1% overschrijdt, nemen de lasprestaties van staal af.
Zwavel is een schadelijk element in staal dat afkomstig is van het staalproducerende erts en brandstofcokes. In staal komt zwavel voor in de vorm van FeS en vormt verbindingen met Fe die een laag smeltpunt hebben (985°C), terwijl de hete werktemperatuur van staal gewoonlijk 1150-1200°C is.
Als gevolg hiervan smelt de FeS-verbinding voortijdig tijdens hete bewerkingen, waardoor het werkstuk barst, een fenomeen dat bekend staat als "brosheid bij hoge temperaturen". Hoe hoger het zwavelgehalte, hoe ernstiger de brosheid bij hoge temperaturen, dus moet het zwavelgehalte onder controle gehouden worden.
Voor staal van hoge kwaliteit is het zwavelgehalte minder dan 0,02-0,03%; voor kwaliteitsstaal is het minder dan 0,03-0,045%; en voor gewoon staal is het minder dan 0,055-0,07%. In sommige gevallen wordt zwavel aan staal toegevoegd.
Zo kan het toevoegen van 0,08-0,20% zwavel aan staal de bewerkbaarheid bij het snijden verbeteren, wat resulteert in wat bekend staat als vrij-zwavelig staal.snijstaal.
Zwavel heeft echter ook negatieve effecten op de lasprestaties en kan de corrosiebestendigheid verminderen.
Fosfor wordt via het erts in staal gebracht. Over het algemeen is fosfor een schadelijk element in staal. Hoewel het de sterkte en hardheid van staalHet vermindert de plasticiteit en slagvastheid aanzienlijk.
Bij lage temperaturen maakt fosfor het staal aanzienlijk bros, een fenomeen dat bekend staat als "koude brosheid", waardoor het staal minder goed koud te verwerken is en minder goed bestand is tegen hoge temperaturen. lasbaarheid.
Hoe hoger het fosforgehalte, hoe ernstiger de brosheid bij koude, dus de controle van het fosforgehalte in staal is streng.
Hoogwaardig staal heeft een fosforgehalte van minder dan 0,025%, kwaliteitsstaal heeft een fosforgehalte van minder dan 0,04% en gewoon staal heeft een fosforgehalte van minder dan 0,085%.
Zuurstof is een schadelijk element in staal dat van nature in het staalproductieproces terechtkomt. Ondanks de toevoeging van mangaan, silicium, ijzer en aluminium voor deoxidatie aan het einde van de staalproductie, is het niet mogelijk om alle zuurstof te verwijderen.
Zuurstof verschijnt in staal als FeO, MnO, SiO2, Al2O3 en andere insluitingen, die de sterkte en plasticiteit van staal verminderen. Zuurstof heeft vooral een grote invloed op vermoeiingssterkte en slagvastheid.
Ferriet heeft een laag vermogen om stikstof op te lossen. Als stikstof oververzadigd is in staal, zal het na lange tijd of na verhitting tot 200-300 °C neerslaan in de vorm van nitriden, waardoor de hardheid en sterkte van het staal toenemen, maar de plasticiteit afneemt en veroudering optreedt.
Om de neiging tot veroudering te elimineren, kan Al, Ti of V worden toegevoegd aan het gesmolten staal voor een stikstoffixatiebehandeling, waarbij stikstof wordt gefixeerd in de vorm van AlN, TiN of VN.
Chroom verbetert de sterkte, hardheid en slijtvastheid van constructiestaal en gereedschapsstaal enorm en geeft het staal een goede oxidatie- en corrosiebestendigheid.
Daarom is chroom een belangrijk legeringselement voor roestvrij staal en hittebestendig staal. Chroom verbetert ook de hardbaarheid van staal en is een cruciaal legeringselement.
Chroom verhoogt echter ook de brosse overgangstemperatuur van het staal, verhoogt de brosheid bij ontlaten en kan problemen veroorzaken bij het verwerkingsproces.
Nikkel verhoogt de sterkte van staal met behoud van een goede plasticiteit en taaiheid. Het heeft een hoge weerstand tegen corrosie door zuren en alkaliën en is roest- en hittebestendig bij hoge temperaturen. Omdat nikkel echter een schaarse grondstof is, worden vaak andere legeringselementen gebruikt in plaats van nikkel-chroomstaal.
Molybdeen verfijnt de korrelstructuur van staal, verbetert de hardbaarheid en hittebestendigheid en behoudt voldoende sterkte en weerstand tegen kruip bij hoge temperaturen (wanneer vervorming optreedt onder langdurige spanning bij hoge temperaturen).
Wanneer molybdeen aan constructiestaal wordt toegevoegd, verbetert het de mechanische eigenschappen en vermindert het ook de brosheid van het staal. gelegeerd staal door vuur. Als molybdeen aan gereedschapsstaal wordt toegevoegd, verbetert het bovendien de rode hardheid.
Titanium is een sterke deoxidator in staal. Het maakt de interne structuur van staal dichter, verfijnt de korrelstructuur, vermindert verouderingsgevoeligheid en brosheid bij koude en verbetert de lasprestaties. Het toevoegen van de juiste hoeveelheid titanium aan Cr18Ni9 austenitisch roestvast staal kan het volgende voorkomen interkristallijne corrosie.
Vanadium is een uitstekende deoxidator in staal. Door 0,5% vanadium aan staal toe te voegen, wordt de korrelstructuur verfijnd en worden sterkte en taaiheid verbeterd. De carbiden die gevormd worden door de combinatie van vanadium en koolstof verbeteren de weerstand tegen waterstofcorrosie bij hoge temperatuur en druk.
Wolfraam heeft een hoog smeltpunt en een hoge dichtheid, waardoor het een cruciaal legeringselement is. De carbiden gevormd uit wolfraam en koolstof hebben een hoge hardheid en slijtvastheid. Toevoeging van wolfraam aan gereedschapsstaal verbetert de rode hardheid en hittebestendigheid aanzienlijk, waardoor het geschikt is voor gebruik als snijgereedschappen en smeedmatrijzen.
Niobium verfijnt de korrelstructuur van staal en vermindert de gevoeligheid voor oververhitting en broosheid, terwijl het ook de sterkte verbetert, maar de plasticiteit en taaiheid vermindert.
Toevoeging van niobium aan gewoon laaggelegeerd staal verhoogt de weerstand tegen atmosferische corrosie en de weerstand tegen waterstof-, stikstof- en ammoniakcorrosie bij hoge temperaturen. Niobium verbetert ook de lasprestaties. Bij toevoeging aan austenitisch roestvast staal voorkomt niobium interkristallijne corrosie.
Kobalt is een zeldzaam en waardevol metaal dat vooral wordt gebruikt in speciale staalsoorten en legeringen, zoals hittebestendig staal en magnetische materialen.
WISCO-staal, gemaakt van Daye Ore, bevat vaak koper. Koper verbetert de sterkte en taaiheid, met name de atmosferische corrosieprestaties. Het nadeel is dat brosheid eerder optreedt tijdens warme verwerking. Als het kopergehalte hoger is dan 0,5%, wordt de plasticiteit sterk verminderd, maar als het kopergehalte lager is dan 0,50%, heeft het geen invloed op de lasbaarheid.
Aluminium is een veelgebruikt desoxidatiemiddel in staal. Door een kleine hoeveelheid aluminium aan staal toe te voegen, wordt de korrelstructuur verfijnd en de slagvastheid verbeterd, zoals te zien is in 08Al staal dat wordt gebruikt voor dieptrekplaten. Aluminium is ook bestand tegen oxidatie en corrosie.
In combinatie met chroom en silicium zorgt aluminium voor een aanzienlijke verbetering van de prestaties bij hoge temperaturen en van de weerstand tegen corrosie bij hoge temperaturen. Aluminium heeft echter een negatieve invloed op de warme verwerkbaarheid, lasprestaties en snijprestaties van staal.
Door een kleine hoeveelheid boor aan staal toe te voegen, worden de compactheid en warmwalseigenschappen van het staal verbeterd en de sterkte verhoogd.
Zeldzame aardelementen zijn de 15 lanthaniden met atoomnummers 57-71 in het periodiek systeem. Deze elementen zijn allemaal metalen, maar hun oxiden lijken op "aarde", dus worden ze gewoonlijk zeldzame aardmetalen genoemd. Het toevoegen van zeldzame aardelementen aan staal verandert de samenstelling, vorm, verdeling en eigenschappen van de insluitingen in het staal, waardoor verschillende eigenschappen zoals taaiheid, lasbaarheid en koude bewerkbaarheid verbeteren. Het toevoegen van zeldzame aardelementen aan ploegschaarijzer verbetert de slijtvastheid.
Zie ook:
Als oprichter van MachineMFG heb ik meer dan tien jaar van mijn carrière gewijd aan de metaalbewerkingsindustrie. Door mijn uitgebreide ervaring ben ik een expert geworden op het gebied van plaatbewerking, verspaning, werktuigbouwkunde en gereedschapsmachines voor metalen. Ik denk, lees en schrijf voortdurend over deze onderwerpen en streef er voortdurend naar om voorop te blijven lopen in mijn vakgebied. Laat mijn kennis en expertise een aanwinst zijn voor uw bedrijf.
NL 
EN 
AR 
DE 
ES 
FR 
IT 
JA 
PT 
PT_BR 
RU 
KO