Legeringselementen in staal

Staal bestaat grotendeels uit ijzer (Fe) met een beperkt percentage koolstof (C). Daarnaast komen er altijd gewenste en ongewenste elementen voor in staal.

Deze elementen noemen we legeringselementen. Bepaalde elementen hebben een negatieve invloed op bepaalde mechanische waarden en worden zo goed mogelijk uit de samenstelling verwijderd. Andere elementen worden juist toegevoegd omdat ze een verbeterend effect hebben.

Wat zijn legeringselementen?

Staal is een mix van ijzer (Fe) en verschillende legeringselementen.

Ieder legeringselement heeft unieke eigenschappen. Door deze elementen toe te voegen aan staal zijn de (mechanische) eigenschappen te beïnvloeden. Door bijvoorbeeld molybdeen aan staal toe te voegen is een hogere slijtvastheid te bereiken. Een ander voorbeeld is het toepassen van chroom waardoor de corrosieweerstand veel beter wordt. De invloed van de belangrijkste legeringselementen staan in de onderstaande lijst weergegeven.

Ongelegeerd, laag en hoog gelegeerd staal

Staal is verkrijgbaar als ongelegeerd, laag gelegeerd en hoog gelegeerd. Het percentage legeringselementen bepaald onder welke groep de staalvariant valt.

  • Ongelegeerd staal bestaat uit ijzer (Fe), maximaal 2% koolstof (C) en maximaal 1,5% aan legeringselementen. Koolstof wordt niet gezien als legeringselement. Als staal echter meer dan 2% koolstof bevat, wordt het gietijzer genoemd.
  • Laag gelegeerd staal bevat naast koolstof tussen de 1,5% en 5% aan legeringselementen. Hoogsterkte staal valt vaak in deze categorie.
  • Zodra staal meer dan 5% legeringselementen bevat wordt het hoog gelegeerd staal genoemd. Een bekend voorbeeld is roestvast staal (RVS), waarbij o.a. minimaal 10,5% chroom is toegevoegd als legeringselement.

Aluminium wordt in staal als desoxidatiemiddel gebruikt omdat de atomen zich goed hechten aan zowel zuurstof als stikstof.

Aluminium en stikstof vormen samen aluminiumnitriden waardoor de ouderingsgevoeligheid en de korrelgrootte afnemen. Bij Ferritische hitte vaste staalsoorten wordt aluminium als legeringselement toegevoegd om de weerstand tegen oxidatie te verhogen.

Chroom komt veel voor in veredelstalen omdat het de kritische afkoelsnelheid en doorharding verbetert.

Het is een sterke carbidevormer en wordt daarom vaak in gereedschapsstalen gebruikt om de slijtvastheid te bevorderen. Hoe meer chroom aan staal wordt toegevoegd hoe groter de weerstand tegen oxidatie (minimaal 10,5% voor corrosievastheid). Het verhogen van het percentage chroom heeft als groot nadeel dat de lasbaarheid afneemt.

Fosfor wordt in het algemeen als schadelijk element gezien.

De diffusiesnelheid is erg laag waardoor er geen goede homogene verdeling van fosfor kan ontstaan. Bij veredelstalen is er een toename van gevoeligheid voor ontlaatbrosheid, de ductiliteit verlaagt en de gevoeligheid voor slag- en stootbelasting neemt toe. In laag gelegeerd staal is fosfor in staat om de sterkte te verhogen. Fosfor wordt ook toegepast in weervaste staalkwaliteiten omdat het de weerstand tegen atmosferische aantasting verbetert.

Kobalt is vaak terug te vinden in gereedschapsstalen en hittevaste stalen vanwege de positieve invloed op de ontlaatbestendigheid en warmvastheid.

Dit komt omdat kobalt korrelgroei bij hogere temperaturen tegengaat.

Koper wordt in staal bijna slechts zeer beperkt als legeringselement toegepast.

Een te hoog percentage koper aan het oppervlak kan ervoor zorgen dat er tijdens thermische bewerkingen (snijden, lassen) scheurvorming ontstaat. Koper kan in combinatie met fosfor toegepast worden in weervaste staalkwaliteiten. In CorTen A zit bijvoorbeeld slechts 0,30 tot 0,55% koper. In corrosievaste staalkwaliteiten is koper in staat om de weerstand tegen zwavelzuur te verbeteren.

Mangaan vormt samen met zwavel mangaansulfiden, hierdoor vermindert de schadelijke werking van ijzersulfiden.

Mangaansulfiden verbeteren de verspaanbaarheid en worden daarom veel in automatenstaal gebruikt. Mangaan verlaagt de kritische afkoelsnelheid in hardbare staalkwaliteiten. Mangaan is in staat om de rekgrens en treksterkte te verhogen en is altijd in ongelegeerd veredelstaal aanwezig. Door een hoog percentage koolstof en +/- 12% mangaan toe te voegen krijgt staal een austenitische structuur. Hierdoor ontstaat een aanzienlijke versteviging onder invloed van deformatie. Deze samenstelling wordt dan ook vaak in slijtvast staal gebruikt.

Molybdeen wordt veel gebruikt in combinatie met andere elementen.

Molybdeen is – net als vanadium en wolfraam – een sterke carbidevormer. De gevoeligheid voor ontlaatbrosheid in veredelstalen wordt verminderd door molybdeen. Fijnkorreligheid en lasbaarheid worden positief beïnvloedt door dit element toe te voegen.

Nikkel wordt vaak aan ongelegeerd en laag gelegeerd staal toegevoegd omdat de weerstand tegen brosse breuk toeneemt.

In roestvast staal ontstaat een austenitische structuur wanneer meer dan 7% nikkel wordt toegevoegd. Hierdoor verbetert bovendien de weerstand tegen corrosie.

Silicium heeft een positieve invloed op de sterkte en slijtvastheid van staal.

Het is – net als mangaan – in iedere staalkwaliteit aanwezig. Omdat het ook de rekgrens aanzienlijk verhoogt wordt het veel toegepast in verenstaal. Silicium wordt ook veel in hittevaste stalen gebruikt omdat het de weerstand tegen oxidatie verbetert. Door de negatieve invloed op warm- en koud vervormbaarheid is het echter niet mogelijk om onbeperkt silicium toe te voegen.

Vanadium is – net als molybdeen en wolfraam – een sterke carbidevormer.

In legeringen voor gereedschapsstaal is vaak vanadium te vinden omdat het de slijtvastheid en ontlaatbestendigheid verbetert. Vanadium wordt veel aan fijnkorrelige staalkwaliteiten toegevoegd vanwege de korrel verfijnende werking.

Wolfraam verbetert de taaiheid, warmvastheid, ontlaatbestendigheid en de slijtvastheid bij hogere temperaturen.

Gereedschapsstaal, warmvaste staalsoorten en snelstaal bevatten vaak het legeringselement wolfraam vanwege deze eigenschappen. Ook is wolfraam een sterke carbidevormer die bovendien korrelgroei tegengaat.

Zwavel is net als fosfor een verontreiniging in het staal.

Het heeft de grootste neiging tot segregeren. Door ijzersulfide wordt staal roodbros. Zwavel kan ook bewust toegevoegd worden, bijvoorbeeld wanneer er hoge eisen ten aanzien van verspaanbaarheid zijn. Dit kan echter alleen wanneer ook voldoende mangaan wordt toegevoegd. Dan ontstaan mangaansulfiden die ervoor zorgen dat de spaan kort afbreekt.

None

Invloed van legeringselementen

Al Cr P Cu Co Mn* Mn** Mo Ni* Ni** Si V W S
Hardheid 0 +2 +1 +1 +1 +1 -3 +1 +1 -2 +1 +1 +1 0
Sterkte 0 +2 +1 +1 +1 +1 +1 +1 +1 +1 +1 +1 +1 0
Rekgrens 0 +2 +1 +2 +1 +1 -1 +1 +1 -1 +2 +1 +1 0
Rek 0 -1 -1 0 -1 0 +3 -1 0 +3 -1 0 -1 -1
Insnoering -1 -1 -1 0 -1 0 0 -1 0 +2 0 0 -1 -1
Kerfslagwaarde -1 -1 -3 0 -1 0 0 +1 0 +3 -1 +1 0 -1
Elasticiteit 0 +1 0 0 0 +1 0 0 0 0 +3 +1 0 0
Warmtevastheid 0 +1 0 +1 +2 0 0 +2 +1 +3 +3 +2 +3 0
Afkoelsnelheid 0 -3 0 0 +2 -1 -2 -2 -2 -2 -1 -2 -2 0
Carbidevorming 0 +2 0 0 0 0 0 +3 0 0 -1 +4 +2 0
Slijtvastheid 0 +1 0 0 +3 -2 0 +2 -2 0 -3 +2 +3 0
Smeedbaarheid -2 -1 -1 -3 -1 +1 -3 -1 -1 -3 -1 +1 -2 -3
Verspaanbaarheid 0 0 +2 0 0 -1 -3 -1 -1 -3 -1 0 -2 +3
Walshuid vorming -2 -3 0 0 -1 0 -2 +2 -1 -2 -1 -1 -2 0
Nitreerbaarheid +3 +2 0 0 0 0 0 +2 0 0 -1 +1 +1 0
Corrosieweerstand 0 +3 0 +1 0 0 0 0 0 +2 -1 +1 0 -1

* = Austenitisch | ** = Perlitisch | - = Negatieve invloed | 0 = Minimale of geen invloed | + = Positieve invloed.
Het cijfer geeft de mate van de invloed weer.

Meer informatie over:

Snijden Buigen Verspanen Lassen

Bekijk ook

Buigkracht berekenen

Bereken de kracht die nodig is om een plaat te buigen bijvoorbeeld m.b.v. een kantbank.

Lees meer
Gat-afstand berekenen

Bereken eenvoudig en snel de minimale afstand van de rand van gaten tot aan de zetlijn om vervorming te voorkomen.

Lees meer
Lineaire uitzetting

De wijzing in lengte of volume onder invloed van een temperatuurverandering.

Lees meer