Hoogsterkte staal

Toepassing van hoogsterkte staal

De toepassing van hoogsterkte staal is zeer uitgebreid. Staalvarianten met hogere treksterktes worden gebruikt in o.a. de bruggenbouw, mijnbouw, kraanbouw, hijs- en heftechniek en offshore industrie. Kenmerkend aan hoogsterkte staal is de grote belastbaarheid, hoge rekgrens en een laag koolstofpercentage. Veel van de moderne constructies zouden niet maakbaar zijn zonder de toepassing van hoogsterkte staal. Hoewel er andere voordelen zijn is het toepassen van hoogsterkte staal vaak een noodzakelijke overweging.

De toepassing van hoogsterkte staal is niet beperkt tot constructies die zwaar belast worden. Omdat het materiaal per vierkante millimeter meer belasting aankan is het mogelijk om dunwandiger en lichtere constructies te maken. Toepassing van hoogsterkte staal kan dus eigenlijk in elke sector en voor elk product een voordeel bieden. Tosec kan u helpen bij het snijden, kanten/zetten, frezen en lassen van hoogsterkte staal.

HSLA: High Strength – Low Alloy

Staal met een rekgrens hoger dan 420 MPa wordt ook wel High Strength Low Alloyed genoemd, vaak afgekort als HSLA. Ligt de vloeigrens nog hoger (boven de 700 MPa) dan wordt het UHSLA – Ultra High Strength Low Alloyed genoemd. Staal met een rekgrens boven de 355 MPa kan als hoogsterkte staal toegepast worden, maar dit kan per sector verschillen. Dit is o.a. afhankelijk van de toepassing en de gecalculeerde belasting van de constructie.

Plaatwerk met een hoge sterkte is in twee soorten verkrijgbaar; in bandplaat en in quarto-plaat. De bandplaat is verkrijgbaar tot 20 mm dik en doorgaans beschikbaar tot breedtes van 2150 mm. Bekende hoogsterkte staalsoorten zijn Strenx van SSAB en Ympress van Tata steel. Dit zijn slechts twee voorbeelden, er nog veel meer fabrikanten die hoogsterkte staal (tot 700 MPa) kunnen leveren. Bandplaat is verkrijgbaar met een vloeigrens tot 1.100 MPa. Door continue ontwikkelingen in de staalsector worden steeds sterkere staalsoorten ontwikkeld en veranderd deze waarde dus. Met name voor de automobielindustrie zijn de ontwikkelingen van (ultra) hoogsterkte staalsoorten zeer belangrijk voor het almaar veiliger maken van het passagierscompartiment en daarnaast het dunner, dus lichter, kunnen construeren.

Hoogsterkte staal is ook verkrijgbaar als quarto-plaat. De plaatdikte varieert dan (afhankelijk van merk en type) van 4 mm tot 160 mm. De rekgrens varieert van 700 MPa tot 1.300 MPa. Verkrijgbare hoogsterkte staalsoorten zijn bijvoorbeeld Dillimax, met de veel gebruikte staalsoort S690 en Strenx® met een rekgrens tot zelfs 1.300 MPa. Hoogsterkte quarto-platen worden veel toegepast in de mijnbouw, kraanbouw en offshore industrie.

Productieproces

Hoogsterkte staal wordt volgens specifieke processen geproduceerd. Hoewel er nog meer processen zijn worden hier alleen het proces voor bandplaten en het proces voor quarto-platen kort besproken.

Bandplaten worden uitgewalst in een serie opeenvolgende walsen, voorzien van walsrollen. Zo ontstaat een brede en lange staalband. De staalband wordt in een continu proces gekoeld en opgerold tot een coil. Op een afrollijn wordt de staalband gevlakt en geknipt op de juiste plaatlengte. De toleranties van bandplaat zijn vastgelegd in de Europese norm EN 10051.

Quartoplaat of dikke plaat wordt gewalst in twee walstuigen (elk bestaande uit vier walsrollen), totdat de gewenste dikte is bereikt. De plaat wordt vervolgens afgekoeld en gevlakt. Deze techniek laat het toe om bredere platen en grotere diktes te bereiken. Afhankelijk van de gewenste kwaliteit worden de materiaaleigenschappen van de quartoplaat vaak verbeterd door warmtebehandelingen zoals normaliseren. De toleranties op afmetingen en vorm waaraan de quartoplaat moet voldoen staan beschreven in de Europese norm EN 10029.

Bandplaten en quartoplaten bestaan in een grote variëteit van kwaliteiten, elk met hun eigen chemische en mechanische eigenschappen. Er is voor iedere toepassing een geschikte oplossing te vinden.

Eigenschappen Hoogsterkte staal

Als het productieproces goed is uitgevoerd heeft hoogsterkte staal een unieke combinatie van eigenschappen. Mechanisch gesproken heeft het een zeer hoge vloeigrens die kan oplopen tot 1300 MPa. Bovendien heeft het materiaal vaak een gehard oppervlak. Gekeken naar de variabelen in het spanning rekdiagram is er sprake van een sterk en taai materiaal, uiterst bruikbaar voor toepassing in de mobiele kranen, graafmachines, offshore constructies, heavy duty grondvoertuigen en bruggen.

Bij hoogsterkte staalsoorten is er sprake van een zeer hoge homogeniteit. Hiermee wordt bedoeld dat de eigenschappen per plaat sterk op elkaar lijken. Anders gezegd: bij de productie van een grote serie platen is de kans zeer groot dat een willekeurige plaat dezelfde eigenschappen heeft als een volgende plaat. Ter vergelijking: bij S235 is er veel minder sprake van homogeniteit. De spreiding ligt zo ver uit elkaar dat een plaat S235 een vloeigrens van 235 N/mm² maar ook van 355 N/mm² kan hebben.

Verschillende productieprocessen en staalsoorten en -merken hebben hun eigen mechanische waarden. Het is raadzaam altijd de waarden van de gekozen staalsoort te bestuderen alvorens tot bouw wordt overgegaan.

Voordelen hoogsterkte staal

Construeren met hoogsterkte staal heeft veel voordelen. Behalve de betrouwbaarheid en de hoge rekgrens zijn er ook nog andere voordelen te noemen:

Constructie voordelen

Doordat hoogsterkte staal een (veel) hogere vloeigrens heeft dan constructiestaal is het belastbaar vermogen per vierkante millimeter (mm²) hoger. Een constructie kan met een plaatdiktes gefabriceerd worden, bij gelijkblijvend belastbaar vermogen. Door hoogsterkte staal toe te passen is het mogelijk om lichtere, dunwandige en slankere constructies te bouwen. Minder materiaal is vooral in bewegende constructies erg gunstig, omdat een lager gewicht minder energie kost om te verplaatsen. HSLA wordt daarom veel toegepast in bruggen en hijsequipment.

Economische voordelen

Sommige constructies zouden zonder toepassing van hoogsterkte staal helemaal niet gemaakt kunnen worden. Er zijn echter ook constructies waarbij de constructeur wel de keuze heeft voor S235 of S355 materiaal. Ook in die gevallen kan het toepassen van S690 of S420 economische voordelen bieden. De prijs per kilo is hoger, maar omdat de belastbaarheid per kilo ook hoger is, kan het totale constructiegewicht afnemen. Er is dus een lager aantal kilo’s materiaal vereist om de constructie te bouwen. Minder kilo’s kunnen de kostprijs gunstig beïnvloeden. Zwaar belaste constructies kunnen door toepassen van hoogsterkte staal langer meegaan, met op termijn dus een lagere kostprijs over de levensduur. In het geval van kranen, vrachtwagens e.d. kan het uitgespaarde gewicht in de constructie gebruikt worden om een hogere last te verwerken of transporteren.

Andere voordelen HSLA

Hoogsterkte staal heeft bijzondere eigenschappen die, afhankelijk van de eisen en wensen van de constructeur, grote voordelen kunnen bieden:

• Minder gewicht, dit kan leiden tot een lagere totaalprijs
• “Onmogelijke” constructies worden mogelijk door de hoge treksterkte
• Hoogsterkte staal is een homogeen en zeer vlakke plaat
• Kleiner lasvolume, minder lasmateriaal en vermindering van lastijden

Dit laatste voordeel wordt in de volgende alinea nog verder uitgewerkt.

Kleiner lasvolume

In de voorgaande paragrafen en figuren zijn de voordelen van hoogsterkte staal besproken. Daar is o.a. beschreven dat een materiaal met een hogere rekgrens kan leiden tot dunwandige constructies. Vanuit dit principe kijken we nog een stap verder, naar het effect van hoogsterkte staal op het lassen.

Bij de keuze voor een dunnere, maar sterkere plaat, wordt het lasvolume kleiner. Het lastoevoegmateriaal moet minimaal dezelfde treksterkte hebben als het te lassen materiaal en heeft daarmee dezelfde voordelen als het basismateriaal. Een las is vaak opgebouwd uit meerdere lagen. Doordat er minder lagen aangebracht hoeven te worden kan een flinke besparing op de lastijd behaald worden. Bij het juist toepassen van hoogsterkte staal kan op de productiekosten aanzienlijk bespaart worden. Hierbij is het wel van belang te weten dat hoogsterkte staal vaak wat meer aandacht vergt aan de de lasprocedures zelf. Platen moeten soms voorverwarmd worden of beschermd worden tegen te snelle afkoeling. Dit nadeel weegt vaak makkelijk op tegen alle voordelen die hoogsterkte stalen opleveren.