Staal (legering)

Uit Wikipedia, de vrije encyclopedie
Ga naar: navigatie, zoeken
Stalen brug
Hoogoven in productie

Staal is een legering bestaand uit ijzer en koolstof. De term staal wordt met name gebruikt voor ijzerlegeringen met een zodanig beperkt koolstofgehalte (typisch minder dan 1,9%) of gehalte aan toevoegingen als chroom, dat ze warm vervormd kunnen worden. Hierin onderscheidt staal zich van bijvoorbeeld gietijzer, dat een hoger koolstofgehalte heeft.

Er zijn veel verschillende legeringen met deze twee elementen, meestal ook met andere bestanddelen, er bestaan dus ook zeer veel soorten staal. Door de grote keuze en zijn goede bewerkbaarheid is het een veel gebruikt constructiemateriaal. Het koolstof wordt gebruikt om een hoge treksterkte en hardheid te verkrijgen.

Wereldwijd wordt er jaarlijks ongeveer 900 miljoen ton staal geproduceerd.

Geschiedenis van de staalbereiding[bewerken]

Oudheid[bewerken]

Bij verhitting verliest staal zijn sterkte op relatief lage temperatuur. Om staal tegen vuur te beschermen wordt het in gebouwen beschermd, bijvoorbeeld door een keramische laag.
Een onbeschermde staalconstructie buigt door onder invloed van hitte. Links is een doorgebogen balk te zien, de bluswerkzaamheden na een brand vinden nog plaats.

IJzer wordt al meer dan 4000 jaar gebruikt voor diverse doeleinden. Het bereiden van kwalitatief hoogwaardig staal is eeuwenlang erg moeilijk geweest.

Het eerste door mensen vervaardigde ijzer werd omstreeks 1500 v.Chr. in Turkije in laagovens gemaakt. Een tijdlang was deze techniek een zorgvuldig gekoesterd geheim van het Hettitische Rijk, maar na de val van dit rijk verspreidde deze metallurgische kennis zich betrekkelijk snel over grote delen van de Oude Wereld (IJzertijd).

Laagovens zijn lage ovens, waarin om beurten lagen houtskool en ijzererts werden gestapeld. Met blaasbalgen werd daar voorverwarmde lucht doorheen geblazen, waarbij de houtskool ging branden en er onder meer koolmonoxide werd gevormd, dat het ijzer uit zijn oxiden vrijmaakt volgens de reactie:

Fe2O3 + 3CO → 2Fe + 3CO2

Daarbij werden slechts temperaturen bereikt lager dan het smeltpunt van ijzer. Dat had tot gevolg dat het ijzer niet gescheiden werd van de resten van het erts, de zogenaamde slak, en dat het ook weinig van de koolstof opnam. Het product was een buigzaam maar zacht, vrijwel koolstofloos ijzer met veel stukjes slak erin.

Om van dit zachte smeedijzer een harder kwaliteitsstaal te maken, moesten eerst met veel geduld de stukjes erts en slak uit het ijzer worden gehamerd. Vervolgens moest het hete ijzer dan gedurende lange tijd met houtskool in contact worden gebracht, zodat het voldoende koolstof kon absorberen. Het was moeilijk dit proces goed te beheersen, zodat staal vele eeuwen lang een zeer kostbaar product bleef.

Nieuwe tijd[bewerken]

Hoogoven in de 17e eeuw.

Pas met de uitvinding van de hoogoven werd staal in grotere hoeveelheden geproduceerd. Dit proces werd reeds in de 5e eeuw v.Chr. in China toegepast[1]; in Europa ontdekte men dit pas in de 15e eeuw. Dit was een metershoge oven, die in principe op ongeveer dezelfde manier functioneerde als de laagoven, maar waarin wel een hogere temperatuur kon worden bereikt. Het ijzer kwam hierin wel tot smelten, zodat het gesmolten ijzer aan de voet van de oven kon worden afgetapt. Het ijzer was nu vrij van resten erts en slak, maar er was nu te veel koolstof in opgelost, nl. ongeveer 4%, terwijl goed staal 0,5 tot 2% koolstof bevat. Het aldus verkregen gietijzer was wel zeer hard, maar ook bros. Dit was voor sommige toepassingen een geschikt materiaal, maar onbruikbaar voor bijvoorbeeld zwaarden en snel bewegende machineonderdelen.

Om hiervan goed staal te maken, moest het product lange tijd in hete toestand worden gehamerd, zodat het grootste deel van de koolstof aan de lucht kon verbranden. Dat was een zo omslachtig proces dat men vaak verkoos staal te bereiden uit smeedijzer dat in laagovens was geproduceerd. Kwalitatief hoogwaardig staal bleef dus een kostbaar product. Het ijzerverbruik steeg in de meeste landen daarom niet ver boven het traditionele pre-industriële niveau van ongeveer 1 à 2 kilo per hoofd per jaar. Als gevolg van verbeteringen in de winning van ijzer kwam er in Engeland in 1755 zo'n 10 kg ijzer per hoofd van de bevolking per jaar beschikbaar.[2]

Heden[bewerken]

Pas de laatste 200 jaar is men door verbetering van het productieproces (bijvoorbeeld het Bessemerprocedé) erin geslaagd het ijzer betrekkelijk gemakkelijk te zuiveren tot een zodanig lager koolstofgehalte (minder dan 2%) dat het ductiel genoeg was om te kunnen bewerken (bijvoorbeeld: walsen).

Andere verbeteringen van de afgelopen twee eeuwen:

  • men ging cokes gebruiken in plaats van houtskool, zodat grootschalige ijzerproductie geen aanslag meer deed op de bossen, maar wel een eerste aanzet was tot het grootschalig gebruik van fossiele brandstof.
  • door toegenomen kennis van de chemie leerde men welke stoffen men aan het erts moest toevoegen om ongewenste bestanddelen (bijvoorbeeld te veel zwavel of te veel fosfor) om te zetten in stoffen die zich met de slak vermengen, zodat het veel gemakkelijker werd om een kwalitatief hoogwaardig ijzer te vervaardigen.

De mogelijkheid om op goedkope wijze kwalitatief hoogwaardig staal te produceren, heeft het ijzerverbruik enorm doen stijgen (in veel ontwikkelde landen ongeveer 500 kilo per hoofd per jaar).

Processtappen[bewerken]

1rightarrow blue.svg Zie ook geïntegreerd staalbedrijf voor meer details.

Hoogovens[bewerken]

Hoogovens produceren ruwijzer, dit bevat ongeveer 4-5% koolstof en ook een aantal andere verontreinigingen (onder andere fosfor en zwavel).

Convertor[bewerken]

Door de aanwezigheid van bovengenoemde verontreinigingen is het ruwijzer nog onbruikbaar. Daarom wordt het nog verder gereinigd. Dit wordt gedaan in een convertor, waar met hoge snelheid bijna 100 procent zuurstof door het vloeibare ruwijzer geblazen wordt. Doordat zuurstof en koolstof zich erg makkelijk met elkaar verbinden wordt er koolstofmonoxide (CO) en koolstofdioxide (CO2) gevormd, welke als gasvormige fase ontstaan en zich dus makkelijk laten verwijderen van het vloeibare ruwijzer. Bij dit proces komen zeer hoge temperaturen voor, waarbij 1650 graden Celsius een gemiddelde waarde is van de lading.

Door deze behandeling komt er echter wel wat zuurstof in het staal te zitten. Dit kan later weer verwijderd worden door mangaan, aluminium of silicium toe te voegen. Het zuurstof zal zich aan deze stoffen binden. De gevormde oxiden drijven op het vloeibare staal, omdat hun dichtheid lager is dan die van staal. Deze drijvende laag oxiden op het staal noemt men de slak en moet gescheiden worden van het staal alvorens het staal verder bewerkt kan worden. Er zal altijd een kleine hoeveelheid verontreinigingen in het staal achterblijven. Deze hoeveelheid is door de ver ontwikkelde staalbereidingsprocessen echter zo klein geworden dat het niet hinderlijk is.

Discontinu-gietproces[bewerken]

Als het staal zuiver genoeg is, moet het in een vaste vorm gegoten worden. Vroeger gebeurde dit in zogenaamde ingots of blokvormen, grote cilindrische gietvormen. Als het staal in de ingot geheel afgekoeld was, werd het verder bewerkt tot platen of profielen. Dit had echter een groot nadeel: de verontreinigingen die nog in het staal zaten concentreerden zich veelal in het midden van de ingot, waardoor er daar een hoge concentratie verontreinigingen ontstaat, wat - indien niet voldoende gecontroleerd - voor problemen kan zorgen.

Continu-gietproces[bewerken]

Uit de converter waar het ruwijzer is omgezet in staal (boven 2% koolstofgehalte wordt het ijzer genoemd, onder de 2% koolstofgehalte heet het staal) gaat het staal naar een panbehandelings installatie alwaar het staal gehomogeniseerd wordt. Door toeslagstoffen (bijvoorbeeld niobium, mangaan, silicium, aluminium en schroot) wordt het staal op 'smaak' gebracht voor verdere verwerking. In een gekoelde gietvorm wordt het staal gegoten waar het al gedeeltelijk wordt afgekoeld. Zodra er een huid om het vloeibare staal is gevormd, wordt het door middel van startkettingen uit de gietvorm getrokken en door rollen ondersteund als een streng staal uit de machine geleid. Hierna worden er door zuurstofbranders plakken van ongeveer 225 mm dik van gesneden.

Een andere manier van continu gieten is het gietwals-proces. De dikte van de plak is hier ongeveer 70 mm en na het gieten wordt de plak door een oven geleid en direct gewalst. Dit levert een besparing op ten opzichte van de dikkere plak: die moet eerst weer opgewarmd worden alvorens gewalst te kunnen worden.

Recycling van staal[bewerken]

Ongeveer een vierde van de wereldstaalproductie is thans afkomstig van gerecycled schroot. Schroot kan op verschillende manieren worden hersmolten naar staal. Dit kan gebeuren in de convertor, waar een hoeveelheid schroot wordt toegevoegd aan het geconverteerde ruwijzer om het te koelen. Een andere mogelijkheid is de vlamboogoven, die uitsluitend schroot als grondstof gebruikt.

De kwaliteit van het schroot speelt een belangrijke rol. Sterk verontreinigd schroot zal problemen opleveren bij het hersmelten. Vooral sporen van koper kunnen een probleem vormen, omdat koper niet uit ijzer kan worden geoxideerd. Daarom is het zorgvuldig uitselecteren van schroot in verschillende categorieën belangrijk. De aanwezigheid van roest in het schroot is soms juist een voordeel. De in het roest gebonden zuurstof helpt in de convertor bij het verwijderen van de overtollige koolstof in het ruwijzer.

Soorten staal[bewerken]

Legeringen[bewerken]

Fasediagram ijzer-koolstof
Stabiele kristalstructuren in staal

01: Perliet = (α, Ferriet + Cementiet (Fe3C)) (ook 03, 11, 12)
02: Eutectoidicum (punt waar lijnen samenkomen)
03: Perliet = (α, Ferriet + Cementiet (Fe3C)) (ook 01, 11, 12)
04: α, Ferriet + γ, Austeniet
05: γ, Austeniet
06: Samen met 15: γ, Austeniet + Cementiet (Fe3C)
07: Ledeburiet: punt waar lijnen samenkomen (Eutecticum)
08: Vloeistof + γ, Austeniet
09: Vloeistof + Cementiet (Fe3C)
10: smelt (Vloeistof)
11: Perliet = (α, Ferriet + Cementiet (Fe3C)) (ook 01, 03, 12)
12: Perliet = (α, Ferriet + Cementiet (Fe3C)) (ook 01, 03, 11)
13: Cementietlijn: Chemische binding Fe3C of ijzercarbide

Staal valt in drie groepen in te delen aan de hand van de hoeveelheid toegevoegde elementen (legeringselementen):

  • ongelegeerd staal (maximaal 1,5% aan legeringselementen)
  • laaggelegeerd staal (van 1,5% tot 5% aan legeringselementen)
  • hooggelegeerd staal (meer dan 5% aan legeringselementen)

Koolstof is bij staal geen legeringselement. Als er meer dan 2% koolstof in ijzer zit spreken we over gietijzer.

Ongelegeerd staal[bewerken]

Onder ongelegeerd staal valt het staal dat maximaal 1,5% aan legeringselementen (exclusief koolstof (C)) bevat. Veel gebruikte legeringselementen zijn onder andere mangaan (Mn) en silicium (Si). Net als koolstof worden mangaan en silicium gebruikt om de sterkte en hardheid te verhogen. Silicium is tevens een bijproduct van het staalbereidingsproces, het wordt gebruikt om zuurstof aan het staal te onttrekken.

Ongelegeerd staal is het meest gebruikte staal ter wereld. Dit komt doordat het relatief goedkoop is en erg goed bewerkbaar.

Laaggelegeerd staal[bewerken]

Deze groep bevat tussen de 1,5 en 5% legeringselementen (exclusief koolstof). Net als bij ongelegeerd staal zijn mangaan en silicium veel voorkomende legeringselementen (Si = 0,7% Mn = 1,6%). Maar ook chroom (Cr), vanadium (V), nikkel (Ni) en molybdeen (Mo) zijn in deze groep veel voorkomende legeringselementen.

De invloeden van deze elementen zijn bij gebruik van verschillende elementen in één soort staal niet zo makkelijk te bepalen daar sommige van deze elementen elkaar tegenwerken en andere elkaar juist weer versterken.

Chroom wordt vaak gebruikt om staal oxidatie- en corrosiebestendig te maken. Ook van de harde en slijtvaste eigenschappen van chroom wordt veel gebruikgemaakt in de staalindustrie. Chroom wordt veel gebruikt in combinatie met nikkel of molybdeen. Chroom in combinatie met molybdeen (het zogenaamde Chroom-molybdeen staal) maakt het staal uitstekend bestand tegen hoge temperaturen en ook erg sterk. Vanadium wordt ook veel gebruikt in combinatie met chroom en molybdeen daar het ongeveer dezelfde eigenschappen geeft aan staal. Ook in gereedschapsstaal wordt veel vanadium gebruikt, het maakt het staal ook een stuk taaier wat erg gunstig is voor gereedschap.

Nikkel heeft gunstige invloed op staal bij heel hoge en heel lage temperaturen. Het wordt ook veel gebruikt om een aantal ongunstige eigenschappen van chroom tegen te gaan.

Een voorbeeld van een gelegeerd stalen product: een kruk-as in bewerking op een gereedschapswerktuig.

Hooggelegeerd staal[bewerken]

Hooggelegeerd staal bevat meer dan 5% aan legeringselementen. De bekendste vorm is roestvast staal (rvs). Een ander hooggelegeerd staal is gereedschapsstaal.

Hoofdlegeringselementen in rvs zijn chroom (Cr) en nikkel (Ni). Chroom kan alleen gebruikt worden om staal roestvast te maken maar meestal wordt er een combinatie van chroom en nikkel gebruikt, omdat nikkel een aantal ongewenste effecten van chroom tegenwerkt (bijvoorbeeld 18% Cr en 8% Ni).

Zoals de naam al doet vermoeden is rvs bestand tegen oxidatie en corrosie. Deze eigenschap is te danken aan de chemische verbinding die chroom aangaat met zuurstof. Door die chemische verbinding vormt er zich een oxidehuid op het staal. De oxidehuid is heel dun en daardoor doorzichtig. Ze bestaat uit een netwerk van chroom (III)oxide, dat wel elektronen kan geleiden maar geen ionen. Daardoor is het metaal tegen corrosie bestand mits de oxidehuid intact blijft. Dat is helaas niet het geval in een chloride oplossing, zoals zeewater of in gechloreerd zwemwater. Het resultaat is dan gelokaliseerde putvormige corrosie die heel moeilijk te stoppen is, omdat het chlorideion zich vooral in de corrosieputten verzamelt. Een toeslag van molybdeen kan wel bestendigheid tegen chloor opleveren, bijvoorbeeld voor gebruik in zwembaden. Om de eigenschappen te verbeteren is dan ofwel een laag koolstofgehalte wenselijk, maar dan is de verspaanbaarheid slechter, ofwel een toeslag van titanium, maar dan is de lasbaarheid slechter.

Sterkte[bewerken]

Voormalig werd de mate van treksterkte van de legering gebruikt ter onderscheid van het soort legering. "Staal 52" betekende dat de treksterkte 52 kg/mm² was. Later werd de benaming van "Staal 52" veranderd in "Fe 510" omdat de treksterkte in het SI-stelsel 510 N/mm² is. Later ging men over tot het onderscheiden met toevoeging van de rekgrens (bv. S355).

Snelstaal (High Speed Steel - HSS) is staal dat bij hogere temperaturen zijn hardheid behoudt. Daardoor is het zeer geschikt voor gereedschap dat heet kan worden, zoals metaal- en betonboren. De sterkte of hardheid van het staal wordt bepaald door de hoeveelheid koolstof.

Trivia[bewerken]

  • Lineaire uitzettingscoëfficiënt bij kamertemperatuur 12 x 10-6 K-1, oplopend naar 16 x 10-6 K-1 bij 600 graden Celsius en daarboven weer afnemend
  • Een bekend staalproducent in Nederland is Tata Steel IJmuiden (Hoogovens IJmuiden), die jaarlijks bijna 7 miljoen ton staal produceert.
  • ArcelorMittal is de grootste producent van staal ter wereld, met een productie van 109,7 miljoen ton staal per jaar. De onderneming beschikt over minstens 61 vestigingen in 27 landen en heeft wereldwijd zo'n 320.000 werknemers in dienst. De omzet in 2009 bedroeg $65 miljard.
  • De term "pisbakkenstaal" wordt soms gebruikt om een staalsoort van slechte kwaliteit aan te duiden (net als waaibomenhout gebruikt wordt om slecht hout aan te duiden). Soms wordt pisbakkenstaal afgekort tot PBS, vergelijkbaar met de afkorting RVS voor roestvast staal. In werkelijkheid moet echter voor een stalen urinoir juist een goede staalsoort gekozen worden vanwege de zuren in de urine.
  • "Ledikantenijzer" is de alternatieve term om gooi-en-smijtkwaliteit in staal aan te duiden.
  • De naam Stalin die de Sovjetdictator Josef Djoegasvili voor zichzelf koos, betekent "De Man van Staal".
  • Het soortelijk handelsgewicht van staal bedraagt 8.000 kg/m3.
  • De typische Duitse soldatenhelm uit de Eerste en Tweede Wereldoorlog wordt als Stahlhelm (stalen helm) aangeduid.
  • In de taal wordt staal ook gebruik als aanduiding voor "waardevol" en/of "duurzaam", zoals:

Zie ook[bewerken]

Bronnen, noten en/of referenties
  1. Temple, Robert K.G., (2007). The Genius of China: 3,000 Years of Science, Discovery, and Invention (3rd edition). London: André Deutsch, pp. 44-5. ISBN 9780233002026
  2. Ernst Hijmans (1963). Mens, metaal, machine : hun rol in onze behoeftevoorziening. p.25.
Zoek dit woord op in WikiWoordenboek