Staal

Toepassingen van staal

Staal kent veel verschillende toepassingen en is verkrijgbaar in buizen, kokers, profielen en in plaat. Het is één van de meest gebruikte metalen voor plaatbewerking en constructiewerk.

Er zijn verschillende staalsoorten waaronder constructie-, machine, en gereedschapsstaal. In dit artikel zal constructiestaal het meest uitgebreid behandeld worden. De laatste twee hebben een andere toepassing en worden aan het eind kort besproken.

Enkele toepassingen van staal zijn: onderdelen in bruggen, machines, schepen, landbouwwerktuigen, kraanonderdelen, trailers, graafmachines, gebouwen en constructies. Om tot een eindproduct te komen is er vaak een serie van metaalbewerkingen nodig.

Constructiestaal

Constructiestaal, ook wel gewoon "staal" genoemd is vooral terug te vinden in statische constructies.

Het heeft een koolstofgehalte van maximaal 0,25% afhankelijk van de chemische samenstelling en de toepassing van het materiaal. Veelgebruikte staalsoorten zijn S235 en S355. Er bestaan nog veel meer soorten constructiestaal, welke allemaal de volgende kenmerken hebben:

• Laag koolstofgehalte
• Relatief zacht materiaal
• Goed koud en warm te vormen
• Goede lasbaarheid (zonder hard / bros te worden)
• Grote rek

Europese standaard

In Europa moet constructiestaal voldoen aan de kwaliteitseisen volgens de Europese Standaard EN 10025 - Warmgewalste producten van constructiestaal.

Er zijn veel verschillende staalsoorten waaronder: S195, S235, S275, S355, S420, S460. De EN 10025 is onderverdeeld in 6 subnormen (EN 10025-1 t/m EN 10025-6) waarin de verschillende staalsoorten behandeld worden:

• EN 10025-1: Algemeen technische leveringsvoorwaarden
• EN 10025-2: Technische leveringsvoorwaarden voor ongelegeerd constructiestaal
• EN 10025-3: Technische leveringsvoorwaarden voor normaalgegloeid/normaliserend gewalst fijnkorrelig constructiestaal
• EN 10025-4: Technische leveringsvoorwaarden voor thermomechanisch gewalst lasbaar fijnkorrelig constructiestaal
• EN 10025-5: Technische leveringsvoorwaarden voor weervast constructiestaal
• EN 10025-6: Technische leveringsvoorwaarden voor platte producten van constructiestaal met een hoge vloeigrens in de veredelde toestand

Materiaalaanduiding

Voor de aanduiding van staal zijn meerdere normen van toepassing. Voor constructiestaal zijn veel gegevens al vastgelegd in de norm EN 10025.

De materiaalaanduiding geeft de mechanische waarden van het materiaal weer. Daarnaast kent constructiestaal nog een aantal toevoegingen die iets over het de mechanische eigenschappen of het productieproces zeggen, bijv.: ‘J2’ ‘K2’ ‘C’ ‘Z’ ‘W’ ‘JR’ ‘JO’ ‘N’ of ‘NL’ ‘Q’ of ‘QL’ en ‘M’ of ‘ML’

• S = Staal (engels: structural), constructiestaal begint altijd met de letter "S"
• Getal achter de "S" = De spanningswaarde waarbij de vloeigrens optreedt in N/mm² (MPa)
• J2 / K2 / JR / JO = De brosheid volgens een kerfslagtest
• W = Geeft aan dat de plaat weerbestendig is
• Z = Trekproef in dikterichting (Z35-Z25-Z15 kwaliteit)
• C = Geschikt voor koudwalsen of staal met een hoog (C) = Koolstofgehalte
• N = Gegloeid en normaliserend gewalst staal
• NL = Gegloeid en normaliserend gewalst staal met min. gespecificeerde kerfslagwaarden onder -50°
• Q = Gehard en ontlaten staal
• QL = Gehard en ontlaten staal met min. gespecificeerde kerfslagwaarden onder -50°
• M = Thermo mechanisch gewalst staal
• ML = Thermo mechanisch gewalst staal met min. gespecificeerde kerfslagwaarden onder -50°

Kom meer te weten over de kerfslagwaarde en de kerfslagproef.

Uitleg begrip S355J2+N

S355J2+N is een aanduiding voor constructiestaal met een aantal eigenschappen en mechanische waarden.

Zo duidt de S op ”structural”, vrij vertaald "constructie" wat opgemerkt mag worden als constructiestaal in dit geval.De “355” geeft de vloeigrens in N/mm² (MPa) aan bij een dikte van 16 mm. Dit is een belangrijke waarde: zodra een trekkracht van 355 N/mm² wordt overschreden, bestaat de kans dat het staal gaat vloeien, waarna een blijvend plastische vervorming optreedt. Deze waarde kan enigszins fluctueren maar de gegeven waarde is de minimale waarde tot waar belast kan worden binnen de elastische zone.

De 2 letters achter de materiaalaanduiding geven de minimale kerfslagwaarde aan van het materiaal en en de temperatuur waarbij deze waarden behaald moeten worden. In het voorbeeld betekenen de letters "J2" een kerfslagwaarde van minimaal 27 Joule bij -20°C. De toevoeging "+N" is van betekening op het walsproces en de eventuele warmtebehandelingen. "+N" betekent dat het staal normaliserend gewalst is.

Chemische samenstelling

De chemische samenstelling van staal is extreem belangrijk. Het is een fundamentele factor die de mechanische eigenschappen van het staal sterk bepaald.

Vanwege deze fundamentele rol wordt er streng toegezien op de productie van staal volgens de geldende Europese normen. De chemische samenstelling is afhankelijk van de toepassing. De engineer / constructeur moet rekening houden met de chemische samenstelling en of de past bij de toepassing van het materiaal.

In de onderstaande tabel staan de waarden voor verschillende elementen in de materialen S235, S275 en S355.

Mechanische eigenschappen

De mechanische eigenschappen worden voor een groot deel bepaald door de chemische samenstelling van het staal i.c.m. met eventuele warmtebehandelingen.

Deze eigenschappen zeggen veel over de toepasbaarheid van het constructiestaal. Er zijn heel veel mechanische eigenschappen, zoals hardheid, taaiheid etc. maar voor staal zijn de vloeigrens en treksterkte het belangrijkste. Om precies te zijn, ontlenen bijvoorbeeld S235, S275 en S355 hun naam zelfs aan één van de belangrijkste mechanische eigenschappen: De vloeigrens.

Vloeigrens

De vloeigrens (punt 3) is één van de belangrijkste mechanische eigenschappen van staal, ongeacht de toepassing.

De vloeigrens wordt berekend doormiddel van een trekproef en is af te lezen uit het spanning-rekdiagram. De vloeigrens is het punt waarop het materiaal begint te vloeien. Het is de minimale kracht die nodig is om een materiaal blijvend plastisch vervormen. Het belang van de vloeigrens is voor zowel de plaatbewerker als voor de constructeur van belang. De plaatbewerker kan zo de minimale kracht bepalen die nodig is om het materiaal te kanten/zetten in de gewenste vorm. En de constructeur kan bepalen welke krachten de constructie / het materiaal maximaal kan verdragen voordat er ongewenste vervorming optreedt.

Treksterkte

De treksterkte of ultimate tensile strength (punt 4) is de maximale mechanische spanning die een materiaal bereikt om plastisch te vervormen.

Praktisch gezien is de vloeigrens veel meer van belang. Immers, als het materiaal tot de treksterkte komt, is het al sterk plastisch vervormd. Bij een langdurige spanning zal het materiaal uiteindelijk zelfs breken. De treksterkte is niet eenduidig aan te geven maar ligt tussen de waarden die in de onderstaande tabel worden weergegeven. Ook de treksterkte wordt berekend doormiddel van een trekproef en is af te lezen uit het spanning-rekdiagram.

Structural Steel vloeigrens en treksterkte bij 16mm staal.

Om tot een eindproduct te komen is er een serie van metaalbewerkingen nodig. Enkele voorbeelden hiervan zijn: lasersnijden, plasmasnijden, kanten, frezen en lassen.

Hoogsterkte en slijtvaste staalsoorten

Naast de standaard constructiestaal soorten zijn er nog vele andere staalsoorten waarvan de hoogste ongelegeerde staalsoort een vloeigrens heeft van 1.300 N/mm² (MPa).

Dit zijn hoogsterkte staalsoorten met een zeer hoge vloeigrens. Typen die veel gebruikt worden zijn o.a. Strenx, Dillimax, of S690 die hun toepassing vinden in bijv. kraanonderdelen en constructies die onderhevig zijn aan grote belasting. Ook zijn er staalsoorten met een hoge hardheid, met als kenmerk dat zij zeer slijtvast zijn. Dit zijn bijv. Hardox® wear plate 450 en Hardox® wear plate 500, met een hardheid van respectievelijk 450 en 500 Brinell. Niet alle hoogsterkte staalvarianten vallen onder de EN 10025. Deze kunnen ook onder een vergelijkbare norm vallen, de EN 10149. Daarnaast zijn er enkele varianten die onder geen van beide normen vallen, maar voldoen aan door de fabrikant opgestelde minimale of maximale chemische of mechanische waarden.

Machine- en gereedschapsstaal

Machinestaal en gereedschapsstaal zijn, in tegenstelling tot constructiestaal, materialen met vrij specifieke toepassingen.

Meer informatie over over de verschillende varianten van metalen vind je in ons wiki-artikel over metaalsoorten.

Machinestaal / veredelstaal

Machinestaal heeft een koolstofpercentage tussen 0,3 en 0,6%. Het is een laag gelegeerde staalsoort met tussen de 1,5% en 5% aan legeringselementen (bijv. chroom, vanadium, nikkel en molybdeen). Zoals de naam al doet vermoeden wordt dit veel toegepast voor machines en dan met name de inwendige onderdelen. Hierbij valt te denken aan: tandwielen, koppelingen, spieën enz.

De term veredelstaal komt voort uit het feit dat deze staalsoorten te harden zijn. Harden en ontlaten wordt ook wel veredelen genoemd.

Machinestaal heeft de volgende globale kenmerken:

• Sterker en harder
• Goed te snijden
• Moeilijk te vervormen (koud niet mogelijk, warm slechts beperkt)
• Hardingsverschijnselen bij het lassen
• Laag gelegeerd of hoog gelegeerd.
• D.m.v. warmtebehandelingen is het materiaal te harden.

Gereedschapsstaal

Gereedschapsstaal heeft een koolstofpercentage tussen 0,6% en 1,5%. Het is een hoog gelegeerde staalsoort met meer dan 5% aan legeringselementen. Gereedschapsstaal wordt ook wel snelstaal of High Speed Steel (HSS) genoemd. Het materiaal behoudt ook bij hogere temperaturen zijn hardheid en is daardoor zeer geschikt voor gereedschap dat heet kan worden, zoals metaal- en betonboren, hamers, snijgereedschap, tasters en meetgereedschap. De sterkte en hardheid worden o.a. bepaald door de chemische samenstelling van het materiaal en warmtebehandelingen.

Vaak wordt er onderscheid gemaakt tussen harde en taaie gereedschapsstalen, elk met hun eigen toepassingsgebied.

Over het algemeen hebben gereedschapsstalen de volgende eigenschappen:

• Hoog gelegeerd
• Sterk en hard
• Bestendig tegen stoten (taai)
• Eenvoudig te bewerken