De eigenschappen van verschillende staalsoorten

Er zijn veel verschillende staalsoorten. Deze worden gebruikt in allerlei industrieën: van de gereedschaps- en matrijzenbouw tot de luchtvaart en de algemene machinebouw. In dit artikel belichten we vijf soorten staal aan de hand van de werkstofmateriaalindeling van de Internationale Organisatie voor Standaardisatie (ISO).  

Elk materiaal heeft zijn eigen kenmerken. Er wordt specifiek ingegaan op het frezen van de volgende materialen:

• Staal
• Roestvaststaal
• Gietijzer
• Superlegeringen
• Harde staalsoorten

Staal

Staal (ISO P) is ‘s werelds belangrijkste constructie- en bouwmateriaal. Het wordt gebruikt in elk aspect van ons leven: in auto’s en bouwproducten, koelkasten en wasmachines, vrachtschepen en chirurgische scalpels. Staal is niet slechts één product. Er zijn meer dan 3500 soorten staal met veel verschillende fysische, chemische en milieu-eigenschappen. Ongeveer 75% van de moderne staalsoorten is in de afgelopen twintig jaar ontwikkeld. Als de Eiffeltoren vandaag opnieuw gebouwd werd, dan zouden ingenieurs slechts een derde van het staal nodig hebben dat oorspronkelijk is gebruikt.

Binnen de ISO-materiaalclassificering voor het machinaal bewerken wordt staal als volgt ingedeeld:

Laag koolstofstaal (P1)

Koolstofarme staalsoorten hebben een hoge vervormbaarheid. Naarmate de koolstofniveaus stijgen, neemt ook de hardheid en bewerkbaarheid toe. > 0,25% is een gebruikelijk koolstofgehalte in staal. Makkelijk bewerkbare soorten, zogenaamde automatenstalen, worden geproduceerd met toevoegingen van zwavel of lood om de bewerkingseigenschappen te bevorderen. Vanwege hun zeer lage koolstofgehalte reageren deze staalsoorten niet op warmtebehandeling. Ze worden gebruikt bij de vervaardiging van blikjes voor dranken en carrosserieën van auto’s, en als bouwstaal voor lage belastingen.

Niet- en laaggelegeerd staal met een hardheid van 160-225 HB (P2)

Dit is een brede groep van materialen, bestaande uit niet-gelegeerd koolstofstaal met een hoger koolstofgehalte (0,25-0,55) en laaggelegeerde staalsoorten met een treksterkte tot 900 N/mm².

Niet- en laaggelegeerd staal met een hardheid tot 300 HB (P3)

Dit is een groep met minder verspaanbare, niet-gelegeerde en laaggelegeerde gietstalen met een treksterkte tot 1000 N/mm².

Middelhoog tot hooggelegeerd staal (P4)

Deze staalsoorten zijn gehard en getemperd om de treksterkte te verhogen. Ook inbegrepen zijn de hoog gelegeerde gereedschapsstaalsoorten in hun gegloeide toestand. Gelegeerd gereedschapsstaal met een hoog koolstofgehalte en een totaal legeringsgehalte van meer dan 5% valt ook onder deze groep, mits ze in de volledig ontharde (verzachte) staat verkeren.

Roestvaststaal

Sinds de uitvinding, een eeuw geleden, is roestvaststaal (ISO M) een zeer belangrijk materiaal geworden door de corrosiewerende kwaliteiten. Dit maakt het perfect voor gebruik in een groot aantal verschillende omgevingen en omstandigheden. Door de toevoeging van legeringselementen zijn er verschillende soorten roestvaststaal gecreëerd. Deze worden geselecteerd vanwege hun eigenschappen, zoals hittebestendigheid of een betere bewerkbaarheid.

Populaire roestvaste staalsoorten zijn 304 en 316. Op een meer basaal niveau zijn er vijf soorten roestvrijstaal, waarvan er vier als volgt zijn ingedeeld:

Ferritisch (M1)

Ferritisch roestvaststaal bevat minder dan 0.10% koolstof en is magnetisch. Deze RVS-soort kan door het lage koolstofgehalte niet gehard worden middels een warmtebehandeling en kan ook niet hoogwaardig gelast worden. Desondanks is de toepassing toch nog behoorlijk breed.

Martensitisch (M2)

Dit type staal heeft een aantal overeenkomsten met ferritisch, maar heeft een hoger koolstofgehalte, tot  1%. Dit betekent dat ze getemperd en gehard kunnen worden en daarom zeer nuttig zijn in situaties waar de sterkte van het staal belangrijker is dan de weerstand tegen corrosie. Martensitische roestvaste staalsoorten hebben een hogere treksterkte en aanzienlijk lagere taaiheid dan andere typen en als gevolg daarvan vertoont hun bewerkbaarheid enige overeenkomst met die van zeer sterke staalsoorten.

Austenitisch (M3)

Dit is het meest voorkomende type roestvrijstaal. Het is goed voor zo’n 70% van de totale productie van roestvrijstaal. Zijn veelzijdigheid is voor een groot deel te danken aan het feit dat het goed kan worden gevormd en gelast.

Duplex (M4)

Eenvoudig gezegd is Duplex staal een combinatie van ferritisch en austenitisch staal. Deze dubbele structuur maakt het materiaal sterker.

Gietijzer

De term “gietijzer” (ISO K) duidt een metaalfamilie aan met een grote verscheidenheid aan eigenschappen. Het is een generieke term die, net zoals staal, een familie van metalen aanduidt. Staalsoorten en gietijzers zijn beide voornamelijk ijzer met koolstof (C) als het belangrijkste legeringselement.

Grijs gietijzer (K1)

Grijs gietijzer is heel anders dan wit gietijzer. Grijs gietijzer is gewoonlijk gemakkelijk machinaal verwerkbaar, zelfs bij hardheden in de buurt van 40 Rockwell. Het is ook bestand tegen vreten, in tegenstelling tot sommige smeedijzeren. Het wordt vaak gebruikt voor oliecarters, carters en tandwielkasten die worden gebruikt in sectoren zoals landbouw, automobiel en textiel.

Getemperd gietijzer (K2)

Temperen is een warmtebehandeling die wordt gebruikt om de taaiheid te vergroten. Het wordt gedaan om de overtollige hardheid die optreedt tijdens verharding te verminderen.

Nodulair gietijzer (K3 en K4)

Nodulair gietijzer wordt in veel toepassingen als een technisch materiaal gebruikt. Om nodulair gietijzer te produceren, wordt een kleine hoeveelheid magnesium aan het gesmolten ijzer toegevoegd. Dit verandert de gevormde grafietstructuur. Nodulair gietijzer is flexibel, net als smeedbaar ijzer, en vertoont een lineair verband tussen spanningsbelasting. Het kan in verschillende groottes en in verschillende diktes worden gegoten.

Superlegeringen

Hittebestendige materialen zoals titanium, Ti-legeringen en superlegeringen of hoogwaardige legeringen vormen de top van de staalmarkt. Ze hebben een relatief laag verbruiksaandeel (0,02% van alle staalsoorten zijn S-Groep-materialen). Superlegeringen zijn echter onontbeerlijk in extreme omgevingen, waar enorme hitte- en corrosieweerstand essentieel is.

Ti-gebaseerde legeringen (S1)

Zuiver titanium is een zilverkleurig metaal met een lage dichtheid (ongeveer de helft van het gewicht van staal) en is sterk en corrosiebestendig. Het wordt gebruikt voor orthopedische en tandheelkundige implantaten, maar het wordt meestal toegepast als een legering met onder andere ijzer, aluminium, vanadium en/of molybdeen. Titaniumlegeringen worden over het algemeen ingedeeld in drie hoofdcategorieën:

• Alfa-legeringen, die alleen neutrale legeringselementen bevatten (zoals Sn) en/of alpha-stabilisatoren (zoals Al, O) en niet warmte behandelbaar zijn.
• Alfa + beta-legeringen, die over het algemeen een combinatie van alfa- en bètastabilisatoren bevatten en in verschillende mate met warmte behandelbaar zijn.
• Beta-legeringen, die metastabiel zijn en voldoende bèta-stabilisatoren bevatten (zoals Mo, V) om de beta-fase volledig te behouden na afschrikking. Daarnaast kunnen ze met een oplossing worden behandeld en verouderd om een significante toename in sterkte te bereiken.

Fe-gebaseerde legeringen (S2)

Op ijzer gebaseerde superlegeringen zijn minder duur dan op kobalt of nikkel gebaseerde kwaliteiten. Er zijn drie soorten op Fe gebaseerde superlegeringen gecategoriseerd volgens de versterkingsmethode: martensitische, austenitische en precipitatie hardende. Toepassingen vinden we in de gehele industrie, van bouw en gereedschap maken tot gespecialiseerde medische en chemische synthesetoepassingen.

Ni-gebaseerde legeringen (S3)

Op nikkel gebaseerde superlegeringen hebben een uitzonderlijke combinatie van hoge hittebestendigheid, taaiheid en weerstand tegen corrosie. Vanwege deze kenmerken worden ze veel gebruikt in vliegtuigen en turbines voor opwekking van elektriciteit, raketmotoren, kerncentrales, chemische verwerkingsfabrieken en andere uitdagende omgevingen. Legeringen op nikkelbasis AISI 718, 725 en 925 worden vaak gebruikt bij de productie van olie en aardgas.

Co-gebaseerde legeringen (S4)

Op kobalt gebaseerde superlegeringen zijn non-ferromagnetische legeringen met hoge sterkte en taaiheid, uitstekende corrosie- en oxidatieweerstand en hoge hittebestendigheid. Kobalt kan ook worden gemagnetiseerd. De toepassingen worden gevonden in componenten van straalmotoren, prothetische apparaten, magneten en snijgereedschap.

Harde staalsoorten

Staal kan worden behandeld door intense hitte om de hardheid te beïnvloeden. Dit is afhankelijk van de hoeveelheid koolstof in het staal (alleen koolstofstaal kan worden gehard en getemperd).

Staal met een hardheid van 40-50 HRc (H1)

Staal dat is gehard en getemperd tot een hardheid van 40-50 HRc.

Wit gietijzer (H2)

Wit gietijzer wordt vaak gebruikt vanwege de goede druksterkte (voor machinebases, enz.). Het heeft echter ook een uitstekende hardheid en slijtvastheid, zelfs bij hoge temperaturen. Dit materiaal wordt gebruikt voor transportrollen en andere apparatuur die alleen slijtvast of hittebestendig hoeft te zijn en geen goede vervormbaarheid vereist. Het is relatief moeilijk om te bewerken, snijden of lassen.

Staal met een hardheid van 50-55 HRc (H3)

Staal dat is gehard en getemperd tot een hardheid van 50-55 HRc.

Staal met een hardheid van >55 HRc (H4)

Staal dat is gehard en getemperd tot een hardheid van meer dan 55 HRc.

Meer weten over de bewerking van verschillende staalsoorten?

U kunt altijd bij ons terecht voor persoonlijk advies! Of het nu gaat over frezen, boren of draaien. Stuur onze experts een bericht of bel ons op 088 304 16 03 (Nederland) of 034 40 59 01 (België).