Metaal.pdf

# Het ijzer-koolstofdiagramma Het ijzer-koolstofdiagramma is een fase­diagram dat de structuur en eigenschappen van ijzer­koolstoflegeringen, zoals staal en gietijzer, weergeeft als functie van temperatuur en koolstofgehalte [30](#page=30). ## 1. Het ijzer-koolstofdiagramma ### 1.1 Zuiver ijzer Bij zuiver ijzer worden verschillende kristalroosters onderscheiden afhankelijk van de temperatuur [30](#page=30). * **α-ijzer (alfa-ijzer):** Kubisch ruimtelijk gecentreerd rooster. Verliest magnetische eigenschappen bij 768 °C [30](#page=30). * **γ-ijzer (gamma-ijzer):** Kubisch vlakken gecentreerd rooster. Ontstaat bij 906 °C [30](#page=30). * **δ-ijzer (delta-ijzer):** Kubisch ruimtelijk gecentreerd rooster. Ontstaat bij 1401 °C [30](#page=30). Zuiver ijzer smelt bij 1528 °C. Tijdens het stollen en afkoelen vinden omgekeerde fase­overgangen plaats bij nagenoeg dezelfde temperaturen, waarbij de eigenschappen van het ijzer veranderen [30](#page=30). ### 1.2 IJzer met koolstof Staal en gietijzer bevatten koolstof, wat een grote invloed heeft op de eigenschappen. Koolstof kan in gebonden toestand (cementiet, Fe₃C) of in vrije toestand voorkomen [30](#page=30). * **Cementiet (Fe₃C):** IJzercarbide, met een vaste samenstelling van 93,3 % ijzer en 6,67 % koolstof [30](#page=30). * **Ferriet:** IJzer met een zeer laag koolstofgehalte (kleiner dan 0,03 %) [30](#page=30). In staal (maximaal 1,9 % koolstof) komt koolstof voornamelijk in gebonden toestand voor, terwijl in gietijzer vrije koolstof voorkomt. IJzer-koolstoflegeringen met meer dan 6,67 % koolstof zijn technisch niet interessant [30](#page=30). ### 1.3 Fasen en gebieden in het ijzer-koolstofdiagramma Het ijzer-koolstofdiagramma toont de fasen die aanwezig zijn bij verschillende temperaturen en koolstofgehaltes [30](#page=30). #### 1.3.1 Vloeibaar gebied en begin van stolling Boven de lijn ABCD zijn alle ijzer-koolstofmengsels vloeibaar [31](#page=31). * Bij vloeibare mengsels met 0 % tot 4,3 % koolstof ontstaan bij aanvang van stolling γ-mengkristallen (austeniet) in de vloeistof (gebied I). Austeniet heeft een kubisch vlakken gecentreerd rooster [31](#page=31). * Punt E (1145 °C) geeft de maximale oplosbaarheid van koolstof in ijzer aan (1,7 %) [31](#page=31). * Bij legeringen met 4,3 % tot 6,67 % koolstof ontstaan, onder de lijn CD, cementietkristallen in de vloeistof (gebied II) [31](#page=31). #### 1.3.2 Solidus en vaste gebieden De lijn AECF is de solidus; onder deze temperaturen zijn alle legeringen vast [31](#page=31). * **Gebied III:** Legeringen met 0 % tot 1,7 % koolstof zijn onder de lijn AE opgebouwd uit vaste γ-mengkristallen (austeniet) [31](#page=31). * Bij koolstofgehaltes van 0 % tot 0,86 % verandert het kristalrooster van ijzer tijdens afkoeling van kubisch vlakken gecentreerd naar kubisch ruimtelijk gecentreerd (lijn GS). De omzetting is voltooid bij 721 °C [31](#page=31). * **Gebied IV (austeniet + ferriet):** In dit gebied zijn austeniet- en ferrietkristallen aanwezig [31](#page=31). * Bij 0,86 % koolstof ontstaat bij 721 °C een eutecticum van ferriet en cementiet, **perliet** genoemd. Perliet is een lamellair mengsel van fijne ferriet- en cementietkristallen [31](#page=31). * Bij 0,86 % tot 1,7 % koolstof ontstaat bij langzame afkoeling een structuur met perliet en cementiet [31](#page=31). * Bij 4,3 % koolstof ontstaat een eutecticum van austeniet en cementiet, **ledeburiet** genoemd. Dit is een mengsel van fijne kristallen, waarbij witte deeltjes cementiet en donkere deeltjes austeniet zijn [32](#page=32). * **Gebied IV (austeniet + cementiet):** In dit gebied zijn naast elkaar austeniet- en cementietkristallen aanwezig, omgeven door ledeburiet [32](#page=32). * **Gebied V (cementiet + ledeburiet):** Hier ontstaan cementiet en ledeburiet naast elkaar [32](#page=32). * Een mengsel van ferriet en perliet is te zien in figuur 4.16g [32](#page=32). ### 1.4 Gevolgen van koolstofgehalte in ongelegeerd staal Ongelegeerd staal bevat voornamelijk ijzer en koolstof, waarbij de eigenschappen afhangen van het koolstofgehalte [33](#page=33). * **Toenemend koolstofgehalte leidt tot:** 1. Toename van de treksterkte [33](#page=33). 2. Afname van de rek [33](#page=33). 3. Toename van de hardheid [33](#page=33). 4. Afname van de taaiheid [33](#page=33). Staal met meer dan 0,35 % koolstof is hardbaar [33](#page=33). ### 1.5 Ongewenste elementen in staal Ongelegeerd staal bevat naast koolstof ook kleine hoeveelheden andere elementen zoals silicium, mangaan, zwavel en fosfor [33](#page=33). * **Fosfor (P) en zwavel (S)** worden als schadelijk beschouwd omdat ze de treksterkte nadelig beïnvloeden en de lasbaarheid verminderen [33](#page=33). * De algemene maximale gehaltes zijn: maximaal 0,06 % zwavel (S) en maximaal 0,06 % fosfor (P) [33](#page=33). ### 1.6 Overige elementen en gelegeerd staal Elementen die onopzettelijk in het staal komen, mogen bepaalde maximale waarden niet overschrijden. Als er van bepaalde elementen (aangegeven met •) twee of meer aanwezig zijn, mag hun totale percentage niet meer bedragen dan 70 % van de som van de maximale grenswaarden [33](#page=33). * Er wordt gesproken van **gelegeerd staal** als het elementen bevat waarvan het gehalte hoger is dan de in figuur 6.2 genoemde grenswaarden [33](#page=33). > **Tip:** Het ijzer-koolstofdiagramma is een cruciaal hulpmiddel voor het begrijpen van de microstructurele veranderingen die plaatsvinden tijdens de warmtebehandeling en verwerking van staal en gietijzer. Concentreer je op de belangrijke punten zoals de eutectische en eutectoïde temperaturen en de fasen die in de verschillende gebieden voorkomen. --- # algemene eigenschappen van ongelegeerd staal Ongelegeerd staal kenmerkt zich door een hoofdbestanddeel van ijzer en koolstof, waarbij de eigenschappen sterk afhankelijk zijn van het koolstofgehalte en de aanwezigheid van ongewenste elementen [33](#page=33). ### 1.1 Basiscomponenten en invloed van koolstof Ongelegeerd staal bestaat primair uit ijzer en koolstof. De mechanische eigenschappen van deze staalsoorten worden direct beïnvloed door het koolstofgehalte [33](#page=33). #### 1.1.1 Effecten van toenemend koolstofgehalte Bij een toenemend koolstofgehalte worden de volgende veranderingen in de mechanische eigenschappen waargenomen: * De treksterkte neemt toe [33](#page=33). * De rek neemt af [33](#page=33). * De hardheid neemt toe [33](#page=33). * De taaiheid neemt af [33](#page=33). #### 1.1.2 Hardbaarheid Staal met meer dan 0,35 % koolstof wordt als hardbaar beschouwd [33](#page=33). ### 1.2 Overige elementen in ongelegeerd staal Naast koolstof bevat ongelegeerd staal ook kleine hoeveelheden van andere elementen, zoals silicium, mangaan, zwavel en fosfor. Deze elementen komen er meestal in tijdens het bereidingsproces en zijn niet opzettelijk toegevoegd [33](#page=33). #### 1.2.1 Schadelijke elementen Fosfor (P) en zwavel (S) worden beschouwd als schadelijke en ongewenste elementen omdat ze: * Een negatieve invloed hebben op de treksterkte [33](#page=33). * De lasbaarheid verminderen [33](#page=33). #### 1.2.2 Grenswaarden voor ongewenste elementen In het algemeen bevat staal niet meer dan 0,06 % zwavel (S) en maximaal 0,06 % fosfor (P). Overige elementen die onopzettelijk in het staal zijn gekomen, mogen bepaalde maximale waarden niet overschrijden [33](#page=33). > **Tip:** Bij de aanwezigheid van twee of meer elementen die met een • zijn aangegeven in figuur 6.2, mag het totale percentage ervan niet meer bedragen dan 70% van de som van de maximale grenswaarden [33](#page=33). ### 1.3 Definitie van gelegeerd staal Er is sprake van gelegeerd staal wanneer het elementen bevat waarvan het gehalte hoger is dan de vastgestelde grenswaarden [33](#page=33). ### 1.4 Staal voor algemeen gebruik Staal voor algemeen gebruik wordt gedefinieerd door specifieke mechanische eigenschappen, chemische samenstelling en het ontbreken van voorgeschreven warmtebehandelingen [34](#page=34). #### 1.4.1 Mechanische eigenschappen De mechanische eigenschappen van staal voor algemeen gebruik moeten binnen bepaalde grenzen vallen, waaronder: * Minimale treksterkte $R_m \le 690$ N/mm² [34](#page=34). * Minimale vloeigrens $R_e \ge 360$ N/mm² [34](#page=34). * Minimale rek $A \ge 26$ % [34](#page=34). * Rockwell-hardheid $\ge 60$ HRB [34](#page=34). #### 1.4.2 Chemische samenstelling De chemische samenstelling moet voldoen aan: * Een koolstofgehalte van gelijk aan of hoger dan 0,1 % [34](#page=34). * Fosfor- en zwavelgehaltes die niet hoger mogen zijn dan 0,05 % [34](#page=34). #### 1.4.3 Toepassingen Staal voor algemeen gebruik is geschikt voor diverse toepassingen waarvoor geen hogere eisen aan het materiaal worden gesteld dan de eerder genoemde [34](#page=34). ### 1.5 Kwaliteitsstaal Kwaliteitsstaal voldoet aan één of meer kwaliteitseisen die betrekking kunnen hebben op natuurkundige, mechanische, scheikundige of technologische eigenschappen [35](#page=35). #### 1.5.1 Natuurkundige eigenschappen Eisen kunnen gesteld worden aan natuurkundige eigenschappen, zoals elektrische eigenschappen (geleidbaarheid) en magnetische eigenschappen (magnetische verliezen, magnetische inductie) [35](#page=35). #### 1.5.2 Mechanische eigenschappen Voor specifieke toepassingen, zoals stoomketels en drukvaten, moeten de mechanische eigenschappen afgestemd zijn op zowel lage als hoge temperaturen [35](#page=35). #### 1.5.3 Scheikundige eigenschappen De weerstand tegen corrosie door atmosferische invloeden is een belangrijke scheikundige eigenschap. De chemische samenstelling is vaak gebonden aan grenzen voor koolstof-, zwavel-, fosfor- en stikstofgehaltes [35](#page=35). #### 1.5.4 Technologische eigenschappen Eisen kunnen gesteld worden aan technologische eigenschappen zoals: * Koude vervormbaarheid (koudwalsen, koud stuiken, koudtrekken van draad en staven, kou flenzen, dieptrekken) [35](#page=35). * Geschiktheid voor buisvervaardiging [35](#page=35). * Lasbaarheid [35](#page=35). * Smeedbaarheid (bijvoorbeeld in matrijzen) [35](#page=35). * Mate van verspaanbaarheid in automatische draaimachines zonder toevoeging van speciale elementen [35](#page=35). * Geschiktheid voor warmtebehandelingen (niet alle kwaliteitsstaalsoorten zijn hiervoor geschikt) [35](#page=35). * Oppervlaktegesteldheid en afwerking van plaat en strip [36](#page=36). ### 1.6 Speciaalstaal (ongelegeerd) Onder ongelegeerd speciaalstaal verstaan we staal dat aan specifieke eisen voldoet en bereid wordt voor een bijzonder gebruiksdoel [36](#page=36). #### 1.6.1 Eisen aan speciaalstaal Speciaalstaal moet voldoen aan nauwkeurig omschreven eisen, waaronder: * Een gewaarborgde kerfslagwaarde voor gehard dan wel gehard en ontlaten staal [36](#page=36). * Een gewaarborgde chemische samenstelling, met onderscheid tussen: * Staal met fosfor- en zwavelgehalte gelijk aan 0,03 % [36](#page=36). * Staal met fosfor- en zwavelgehalte gelijk aan 0,02 % [36](#page=36). * Staal met een koolstofgehalte groter of gelijk aan 0,6 % en fosfor- en zwavelgehaltes gelijk aan 0,025 % [36](#page=36). * Zeer gunstige elektrische en magnetische eigenschappen die beter zijn dan die van kwaliteitsstaal [36](#page=36). * Het (zo goed als) ontbreken van verontreinigingen (metalen en niet-metalen) [36](#page=36). #### 1.6.2 Gebruiksdoelen van speciaalstaal Speciaalstaal wordt bereid en genoemd naar het specifieke gebruiksdoel, zoals: * Gereedschapsstaal [36](#page=36). * Veredelstaal [36](#page=36). * Carboneerstaal [36](#page=36). * Nitreer staal [36](#page=36). * Staal voor vlam- en inductieharden [36](#page=36). * Automatenstaal (ongelegeerd) [36](#page=36). --- # methoden voor het verkrijgen van staalsoorten met hoge zuiverheid Dit hoofdstuk behandelt de methoden die worden gebruikt om staal te raffineren en de zuiverheid ervan te verhogen, wat essentieel is voor hoogwaardige toepassingen [11](#page=11) [9](#page=9). ### 3.1 Chemische samenstelling van staal Staal is per definitie een legering van ijzer en koolstof met een koolstofgehalte tussen 0,06% en 2,0%. Zuiver ijzer, met minder dan 0,005% koolstof, is zacht en ductiel, en wordt enkel voor specifieke toepassingen gebruikt. Ruwijzer, dat een koolstofgehalte van 4% tot 5% kan hebben, bevat ook aanzienlijke hoeveelheden silicium, zwavel, fosfor, mangaan en niet-metallische insluitsels die de eigenschappen van staal negatief beïnvloeden. Het proces van staalbereiding richt zich daarom op het verwijderen van deze verontreinigingen, voornamelijk door middel van oxidatie [9](#page=9). ### 3.2 Raffinageprocessen Er zijn drie hoofdprocessen voor de zuivering van ruwijzer tot staal: * **Het oxystaalproces:** Dit is een peervormig stalen vat dat gevuld wordt met ongeveer 25% schroot en 75% gesmolten ruwijzer. Zuivere zuurstof wordt met hoge snelheid op het metaalbad geblazen, waarbij de reactiewarmte de benodigde hitte levert. Dit proces is zeer snel en economisch voordelig, waardoor het het belangrijkste staalraffinageproces is geworden. Driehonderd ton staal kan in ongeveer 25 minuten geraffineerd worden [11](#page=11). * **Het haardovenproces (Siemens-Martin-proces):** Dit proces, dat al sinds 1900 de standaard was, gebruikt gesmolten ruwijzer en schroot. De oven wordt verwarmd door brandstof en lucht te verbranden boven het metaalbad. Lucht wordt toegevoerd om de koolstof te oxideren, en zuurstoflansen bevorderen dit proces. Een lading van 300 ton kan ongeveer 8 uur duren om te raffineren [10](#page=10). * **Het elektro-ovenproces:** Elektro-ovens worden voornamelijk geladen met schroot, dat gesmolten wordt door een elektrische boog tussen de lading en grafiet elektroden. Deze ovens verbruiken veel energie, maar het raffinageproces verloopt sneller dan in een haardoven en levert over het algemeen zuiverder staal. Vóór de jaren zeventig werden deze ovens vooral gebruikt voor de bereiding van bijzondere legeringen [10](#page=10). ### 3.3 Staalsoorten met hoge zuiverheid Moderne industrieën stellen steeds hogere eisen aan de betrouwbaarheid van onderdelen, wat leidt tot de vraag naar staalsoorten geproduceerd met bijzondere smeltprocessen. De sterkte, vermoeiingslevensduur en taaiheid van staal zijn nauw verbonden met het gehalte en de grootte van niet-metallische insluitsels, zoals oxiden, silicaten en sulfiden. De zuiverheid op microschaal kan worden bepaald door het aantal insluitsels onder een microscoop te tellen [11](#page=11). De methoden om insluitsels te verwijderen kunnen worden onderverdeeld in twee hoofdcategorieën: * **Vacuümsmelten of omsmelten:** * **Vacuümontgassen:** Gesmolten staal wordt in een grote luchtledige ruimte geroerd en tot ingots gegoten [12](#page=12). * **Vacuüm boogomsmelten:** Dit is de meest gebruikte methode. Cylindrische ingots worden opnieuw gesmolten door een boog te trekken tussen de ingot (als elektrode) en een met watergekoelde koperen vorm in een vacuüm. Elke druppel die langs de boog valt, wordt blootgesteld aan het vacuüm, wat zeer effectief is voor het verwijderen van insluitingen door de hoge energie [12](#page=12). * **Vacuüminductiesmelten:** Vast schroot of vloeibare ladingen worden in een vuurvast vat verhit met hoogfrequente inductiestromen in een vacuüm. Convectiestromen zorgen voor menging, en de ingots worden in hetzelfde vacuüm gegoten [12](#page=12). * **Elektronenstraalraffinage:** Gesmolten metaal wordt in een vacuümruimte via een stortgoot in een ingot-vorm gegoten en bestraald met een elektronenbundel, waardoor verontreinigingen verdampen [13](#page=13). * **Chemische reactie:** * **Argon-zuurstofontkoling:** Argon en zuurstof worden in een gesmolten lading geblazen om koolstof, zwavel en andere verontreinigingen te verminderen. Argon zorgt voor beroering, verfijnt oxiden en bevordert de verwijdering van opgeloste gassen [13](#page=13). * **Elektroslakomsmelting:** Vergelijkbaar met vacuüm boogomsmelten, maar zonder vacuüm. Het staal wordt door een gesmolten slak heen omgesmolten, waarbij de slak als reinigend vloeimiddel fungeert. Er ontstaan geen krimpholten in de ingot [13](#page=13). * **Gietpanraffinage:** Vaste materialen zoals calcium en zeldzame aardmetalen worden met een argonlans in gesmolten metaal geïnjecteerd. Deze reageren met verontreinigingen zoals zuurstof en zwavel. Hoewel nog niet zo effectief als andere methoden, biedt dit potentieel voor de bereiding van zeer zuivere staalsoorten zonder extreem hoge kosten [13](#page=13). ### 3.4 Gieten in ingots Na het smelten wordt het staal gegoten in een ingot-vorm. Tijdens het stollen kunnen er inhomogeniteiten en krimpeffecten optreden, bekend als segregatie en slinkholten [13](#page=13). * **Segregatie:** Ongelijke samenstelling binnen het materiaal, waarbij het eerst stolende metaal zuiverder is dan het laatst stolende [13](#page=13). * **Slinkholten:** Holtes die ontstaan als gevolg van krimp tijdens de stolling [13](#page=13). Om deze effecten te minimaliseren, worden verschillende soorten staal geproduceerd: * **Ongekalmeerd staal:** Vertoon de hoogste porositeit en sterkste segregatie [14](#page=14). * **Gedekseld staal:** Een deksel wordt op de gietvorm geplaatst om turbulentie te onderdrukken [14](#page=14). * **Halfrustig staal:** Er worden minder desoxidatiemiddelen toegevoegd dan aan gekalmeerd staal [14](#page=14). * **Gekalmeerd staal:** Er worden elementen zoals aluminium en silicium toegevoegd om opgeloste zuurstof te verwijderen, wat leidt tot een rustigere stolling. Dit staal heeft de meest homogene chemische samenstelling en bevat geen gas of slinkholten [14](#page=14). De prijs van deze staalsoorten is min of meer evenredig aan de zuiverheid, waarbij ongekalmeerd staal het goedkoopst is. Segregatie kan problemen geven bij het omvormen, omdat verschillende delen van het staal verschillende mechanische eigenschappen kunnen hebben. Gekalmeerd staal voorkomt delaminatie bij buigen en omvormen, maar is duurder en heeft vaak een slechtere oppervlakteafwerking dan ongekalmeerd staal [14](#page=14). ### 3.5 Continugieten Continugieten is een proces dat de ingot-fase overbodig maakt. Gesmolten staal wordt continu gegoten in een met watergekoelde vorm die de gewenste doorsnede heeft. Dit proces vereist gedesoxideerd (gekalmeerd) staal, omdat ongekalmeerd staal zou kolken tijdens de stolling, wat gaten zou veroorzaken. Het resulterende product wordt in stukken gesneden of verder verwerkt tot staven of dunne platen. Tegenwoordig wordt ongeveer 50% van het staal in westerse landen continu gegoten. Dit leidt tot een grotere uniformiteit in mechanische eigenschappen en de verwachting is dat segregatie en centrale insluitsels grotendeels zullen verdwijnen [15](#page=15). ### 3.6 Metaalkundige aspecten van gewalste stalen Het vervormen van staal omvat metaalkundige principes, waaronder metaalbinding en de beweging van atomen langs glijvlakken tijdens plastische vervorming. Tijdens het stollingsproces ontstaan dendritische kristallen, die na stolling korrels vormen met korrelgrenzen [17](#page=17). Bij een bepaald percentage legeringselementen kan een tweede fase worden gevormd. Een fase is een homogeen bestanddeel dat gescheiden is door een grensvlak [18](#page=18). Het verschil tussen warmgewalst en koudgewalst staal ligt in de behandeling van de korrels: * **Warmwalsen:** Ingots of continu-gietplakken worden in roodgloeiende toestand uitgewalst. De korrels rekristalliseren dynamisch, waardoor de hardheid gelijk blijft en het materiaal gemakkelijk vervormbaar blijft. Warmgewalste producten zijn zacht en hebben een geoxideerd oppervlak [19](#page=19) [20](#page=20). * **Koudwalsen:** Staal wordt na reiniging bij kamertemperatuur tussen walsrollen doorgevoerd. De korrels worden platgewalst, wat het staal harder maakt. Het materiaal moet mogelijk worden rekristalliserend gegloeid om de vervormbaarheid te herstellen. Koudgewalste stalen zijn veel sterker en hebben een betere oppervlakteafwerking [18](#page=18) [19](#page=19) [20](#page=20). ### 3.7 Het gebruik van toestandsdiagrammen Toestandsdiagrammen beschrijven de structuurtoestand van materialen, wat verwijst naar de ordening van atomen, en of het materiaal zich in een gas-, vloeibare of vaste fase bevindt. Verschillende vaste fasen van hetzelfde materiaal worden allotrope materialen genoemd. Materialen kunnen mengen (één fase) of ontmengen (meerdere fasen), afhankelijk van de energieverlaging die het systeem oplevert. Temperatuur speelt een cruciale rol in het mengings- of ontmengingsproces [23](#page=23). --- Deze sectie behandelt hoe toestandsdiagrammen worden gebruikt om de evenwichtstoestanden van materialen te begrijpen, met een focus op legeringen en hun stollingstrajecten [24](#page=24). ### 3.1 Toestandsdiagrammen en hun toepassing Toestandsdiagrammen geven de evenwichtstoestand van materialen weer als functie van temperatuur en samenstelling bij een gegeven druk, meestal atmosferische druk. Deze diagrammen zijn essentieel voor het begrijpen van de eigenschappen van materialen, aangezien de toestand (vast, gemengd, ontmengd) de materiaaleigenschappen direct beïnvloedt [24](#page=24). * **Invloed van temperatuur en samenstelling:** De toestand van een materiaal is afhankelijk van zowel de samenstelling als de temperatuur [24](#page=24). * **Invloed van druk:** Ook druk kan de toestand van een materiaal beïnvloeden, zoals de transformatie van grafiet naar diamant onder druk [24](#page=24). * **Streven naar lagere energietoestanden:** Materialen streven naar een toestand met de laagste energie-inhoud, wat leidt tot diffusie totdat evenwicht is bereikt [24](#page=24). * **Evenwicht tussen toestanden:** Soms kan evenwicht bestaan tussen twee verschillende toestanden, bijvoorbeeld tussen vast en vloeibaar bij de smelttemperatuur van een metaal [24](#page=24). * **Binaire toestandsdiagrammen:** Deze diagrammen beschrijven systemen met twee componenten en tonen de toestand als functie van samenstelling en temperatuur [24](#page=24). ### 3.2 Stollingspunt van zuivere metalen Zuivere metalen hebben een scherp smeltpunt en stollingspunt. De afkoelingskromme van een zuiver metaal vertoont een duidelijk haltepunt tijdens het stollen, waarbij de temperatuur constant blijft. Boven dit punt is het metaal vloeibaar, en eronder is het vast [24](#page=24). ### 3.3 Smelt- en stollingstrajecten van metaallegeringen Metaallegeringen, samengesteld uit twee of meer metalen, vertonen een smelt- of stollingstraject in plaats van een enkel smeltpunt. Er zijn drie belangrijke mogelijkheden voor de oplosbaarheid van metalen in vaste toestand binnen legeringen [25](#page=25): 1. **Metalen zijn volledig oplosbaar in vaste toestand:** * Tijdens het stollen daalt de temperatuur continu tussen het begin- en eindpunt van het stollingstraject [25](#page=25). * De temperatuur daalt langzamer tijdens het stollen dan voor en na het proces [25](#page=25). * De legering is tijdens het stollen "brijachtig" [25](#page=25). * De gevormde legering is opgebouwd uit mengkristallen [25](#page=25). 2. **Metalen zijn niet oplosbaar in vaste toestand:** * De temperatuur daalt tijdens het stollen minder snel, en er ontstaat een haltepunt [25](#page=25). * De temperatuur blijft constant tot de gehele massa gestold is, waarna deze verder daalt [25](#page=25). * De gevormde legering bestaat uit een mengsel van kristallen van de afzonderlijke metalen [25](#page=25). 3. **Metalen zijn gedeeltelijk oplosbaar in vaste toestand:** * Dit is een combinatie van de twee voorgaande mogelijkheden. De specifieke kenmerken van het stollingstraject hangen af van de mate van gedeeltelijke oplosbaarheid en worden weergegeven in specifieke toestandsdiagrammen [25](#page=25). > **Tip:** Het begrijpen van de oplosbaarheidsgrenzen in vaste toestand is cruciaal voor het voorspellen van het stollinggedrag en de microstructuur van legeringen [25](#page=25). --- # legeren van staal Het legeren van staal omvat het toevoegen van metalen en/of niet-metalen (metalloïden) om staalsoorten met verbeterde eigenschappen te verkrijgen voor specifieke toepassingen. ### 7.1 Algemeen Onder gelegeerd staal verstaan we staalsoorten die zijn gelegeerd met metalen en/of niet-metalen (metalloïden) [38](#page=38). #### Doel van het legeren Het doel van het legeren van staal is om staalsoorten te verkrijgen met betere eigenschappen dan ongelegeerd staal, waardoor ze beter geschikt zijn voor een bepaald gebruiksdoel. Deze eigenschappen kunnen betrekking hebben op de mechanische, chemische of technologische eigenschappen van het staal [38](#page=38). #### Soorten gelegeerd staal Gelegeerde staalsoorten kunnen worden onderscheiden in: * **Zwak- of laaggelegeerd staal**: Hierbij bedraagt het percentage legeringsbestanddelen maximaal 5% en het koolstofgehalte niet meer dan 0,2%. Laaggelegeerd staal kan gelegeerd zijn met elementen zoals mangaan, silicium, chroom, nikkel, eventueel met een geringe hoeveelheid van andere elementen zoals molybdeen (Mo), nikkel (Ni), titaan (Ti), zirkonium (Zr), of koper (Cu) [38](#page=38). * **Gelegeerd staal**: Hierbij is het percentage legeringbestanddelen hoger dan 5%. De kwaliteiten van deze staalsoorten zijn afhankelijk van de soort en hoeveelheden van de legeringselementen, in samenhang met het koolstofgehalte [38](#page=38). #### Aanduiding van legeringen De benaming van gelegeerde staalsoorten volgt algemeen gebruikelijke benamingen en die uit het tabellenboek. Deze benamingen kunnen betrekking hebben op de legeringselementen waarmee het staal is gelegeerd, de toepassingen van het staal, of de chemische eigenschappen van het staal [38](#page=38). De metalen en niet-metalen die als legeringselementen in aanmerking komen, worden verder toegelicht in Tabel 7.1 [38](#page=38). > **Tip:** Benamingen kunnen dus gebaseerd zijn op de samenstelling, het beoogde gebruik, of specifieke chemische weerstand [38](#page=38). #### Tabel 7.1 Benamingen van gelegeerde staalsoorten (samenvatting) | Benaming naar legeringselementen | Benaming naar toepassingen | Benaming naar chemische eigenschappen | | :------------------------------- | :---------------------------------- | :------------------------------------ | | mangaanstaal | verenstaal | corrosievaststaal | | chroomstaal | automatenstaal | | | nikkelstaal | veredelstaal | | | chroom-nikkelstaal | staal voor oppervlakteharding | | | chroom-vanadiumstaal | nitreer staal | | | chroom-molybdeen staal | gereedschapsstaal | | ### 7.2 De invloed van legeringselementen Verschillende legeringselementen hebben verschillende invloeden op de eigenschappen van staallegeringen. Een gedetailleerde tabel hierover is te vinden in het tabellenboek voor metaaltechniek [40](#page=40). ### 7.3 Laaggelegeerd staal Laaggelegeerde staalsoorten hebben over het algemeen een hogere rekrens en een fijnere structuur, wat wordt bereikt met een laag koolstofgehalte (bijvoorbeeld 0,06% of lager) [40](#page=40). #### Eigenschappen van laaggelegeerd staal Er zijn laaggelegeerde staalsoorten die de volgende eigenschappen kunnen bezitten: * Een hoge of zeer hoge rekrens, variërend van circa 300 tot 900 MPa [40](#page=40). * Goed lasbaar zijn [40](#page=40). * Bestand zijn tegen extreem lage temperaturen [40](#page=40). * Goed bestand zijn tegen atmosferische corrosie [40](#page=40). Vaak is ook een combinatie van deze eigenschappen te bereiken [40](#page=40). #### Toepassingen van laaggelegeerd staal Laaggelegeerd staal wordt toegepast in: autoplaatwerk, vrachtwagenbouw, gelaste stalen bruggen, hijskranen, draglines, landbouwwerktuigen, spoorwagons, tankschepen, gelaste drukvaten, stoomketels, en tanks voor transport van propaan, butaan, ammoniak, enzovoort [40](#page=40). ### 7.4 Mangaanstaal Mangaanstaal is staal dat gelegeerd is met 1% tot circa 15% mangaan [41](#page=41). #### Eigenschappen van mangaanstaal Door het mangaangehalte bezit het staal een grote slijtvastheid. De treksterkte varieert, afhankelijk van het mangaangehalte, van 650 N/mm² tot 1000 N/mm². Mangaanstaal is hardbaar [41](#page=41). #### Toepassingen van mangaanstaal * **Laag mangaangehalte (1%... circa 3% Mn)**: Toegepast voor zwaar belaste assen, krukassen, bouten, ankerbouten, moeren, remhefbomen, enzovoort [41](#page=41). * **Hoog mangaangehalte (12%... 15% Mn)**: Dit wordt ook wel slijtvast staal genoemd en wordt toegepast voor onderdelen die sterk aan slijtage onderhevig zijn en op stoten worden belast [41](#page=41). > **Example:** Voorbeelden van toepassingen met hoog mangaangehalte zijn spoorrails, spoorwissels, en bakken voor baggermolens. Baggerbakken worden niet volledig van mangaanstaal gemaakt, maar alleen de slijtvaste delen. Gietstalen wielen voor spoorwagons krijgen velgen van mangaanstaal door middel van opkrimpen [41](#page=41). ### 7.5 Chroomstaal Chroomstaal is staal dat gelegeerd is met 1% tot circa 30% chroom [41](#page=41). #### Eigenschappen van chroomstaal Chroom geeft het staal een grote hardheid, treksterkte en taaiheid. Chroomstaal dat 11% of meer chroom bevat, is corrosievast en bestand tegen hoge temperaturen. De treksterkte van chroomstaal met een chroomgehalte van 11% tot 18% varieert van 50 tot 800 N/mm² [41](#page=41). #### Toepassingen van chroomstaal 1. **Chroomstaal 1% ... 8% chroom**: * Stempels, kogels en onderdelen voor kogellagers. Deze toepassingen vereisen hardheid en slijtvastheid [42](#page=42). 2. **Chroomstaal 6% ... 12% chroom**: * A. Messen, omdat deze niet mogen oxideren [42](#page=42). * B. Rollen voor rollagers, omdat deze hard en bestand moeten zijn tegen slijtage [42](#page=42). 3. **Chroomstaal 10% ... 18% chroom**: * A. Schoon voor stoomturbines en andere onderdelen die bestand moeten zijn tegen hoge temperaturen [42](#page=42). * B. Toepassingen in de chemische, zuivel- en voedingsmiddelenindustrie, omdat dit staal onder andere bestand is tegen zuren [42](#page=42). 4. **Chroomstaal 20% ... 30% chroom**: * Onderdelen die bestand moeten zijn tegen zeer hoge temperaturen (circa 1200 graden Celsius), bijvoorbeeld voor gasturbines [42](#page=42). --- # aluminium en zijn legeringen Dit hoofdstuk behandelt aluminium, een licht metaal met een lage soortelijke massa, en de legeringen ervan, waarbij de invloeden van legeringselementen, eigenschappen, toepassingen en bewerkbaarheid centraal staan [58](#page=58). ### 5.1 Algemene principes van aluminium Zuiver aluminium is moeilijk te bereiden en bevat doorgaans 0,2 % tot 1 % andere elementen om de sterkte-eigenschappen te verbeteren. Op blootgesteld aluminium vormt zich snel een dun, dicht oxidelaagje dat het metaal beschermt tegen verdere oxidatie [58](#page=58). #### 5.1.1 Soorten aluminium Aluminium kan worden onderverdeeld in: a) **Ongelegeerd aluminium**: Bevat 99,0 % tot 99,5 % aluminium [58](#page=58). b) **Aluminiumkneedlegeringen**: Gelegeerd met elementen zoals mangaan (Mn) tot 1 %, magnesium (Mg) 1 % tot 10 %, en koper (Cu) 0,5 % tot 4 % [58](#page=58). c) **Aluminiumgietlegeringen**: Gelegeerd met onder andere silicium (Si) 5 % tot 17 % en magnesium (Mg) tot 10 % [58](#page=58). #### 5.1.2 Doel van legeren Het legeren van aluminium heeft als doel: - Het verbeteren van de mechanische eigenschappen [58](#page=58). - Het verbeteren van de gietbaarheid [58](#page=58). #### 5.1.3 Invloeden van legeringselementen * **Koper (Cu)**: Vergroot de treksterkte en hardheid, maakt de legering hardbaar, vermindert de corrosieweerstand enigszins, en verhoogt de elektrische geleidbaarheid [58](#page=58). * **Mangaan (Mn)**: Vergroot de treksterkte slechts weinig, maar verbetert de corrosievastheid. De geleiding van warmte en elektriciteit nemen iets af [58](#page=58). * **Magnesium (Mg)**: Vergroot de treksterkte en hardheid. De geleiding van warmte en elektriciteit nemen iets af [58](#page=58). * **Silicium (Si)**: Vergroot de treksterkte, bevordert de gietbaarheid en de corrosievastheid [58](#page=58). Aluminium bevat zeer lage percentages (sporen) van andere elementen die over het algemeen de mechanische eigenschappen verbeteren. Koper en zink verminderen echter de corrosieweerstand [59](#page=59). #### 5.1.4 Eigenschappen en toepassingen Aluminium is: * Tamelijk goed bestand tegen oxidatie [59](#page=59). * Een goede warmte- en elektrische stroomgeleider; legeren vermindert deze geleiding enigszins [59](#page=59). * Niet bestand tegen soda, zeewater, zwavelzuur, zoutzuur, etc. [59](#page=59). * Zeer dun uit te walsen tot een dikte van ca. 0,006 mm, vooral ongelegeerd aluminium [59](#page=59) [61](#page=61). * Goed te anodiseren (kunstmatige oxidehuid) [59](#page=59). De specifieke eigenschappen en toepassingen van aluminium en zijn legeringen zijn afhankelijk van hun samenstelling [59](#page=59). ### 5.2 Verbeteren van mechanische eigenschappen De mechanische eigenschappen van aluminiumlegeringen kunnen worden verbeterd door: * **Koudvervormen** (voor kneedlegeringen) [60](#page=60). * **Warmtebehandelingen** (voor giet- en kneedlegeringen) [60](#page=60). #### 5.2.1 Koudvervormen Koudvervormen, zoals walsen, persen, forceren en dieptrekken, maakt het metaal harder en stugger, verhoogt de treksterkte en vermindert de rek. Aluminium is verkrijgbaar in platen met verschillende hardheden: zacht (Z), halfhard (HH of ½ H), ¾ hard (¾ H) en hard (H). Ongewenste hardheid, ontstaan tijdens bewerking, kan worden hersteld door zacht gloeien [60](#page=60). #### 5.2.2 Warmtebehandelingen van AI-kneedlegeringen Een voorbeeld van een warmtebehandeling voor aluminiumkneedlegeringen zoals AlCu4Mg1 omvat: 1. **Zacht gloeien**: Verwarming tot ca. 350°C gevolgd door langzame afkoeling maakt het materiaal zacht en vermindert de treksterkte, wat gemakkelijke bewerking mogelijk maakt. Dit wordt toegepast bij langdurige bewerkingen (langer dan drie uur) [61](#page=61). 2. **Homogeen gloeien (natuurlijke dispersieharding)**: Verwarming tot ca. 500°C gevolgd door snelle afkoeling maakt het materiaal tijdelijk zacht. Het materiaal wordt na ongeveer drie uur vanzelf weer hard, met volledige terugkeer naar oorspronkelijke hardheid na ca. vijf dagen. Dit proces wordt natuurlijke dispersieharding genoemd. Dit is geschikt voor kortere bewerkingstijden (korter dan drie uur) [61](#page=61). 3. **Dispersieharden (kunstmatige dispersieharding)**: Om de oorspronkelijke hardheid sneller te bereiken, wordt het materiaal gedurende enige tijd verwarmd op 120°C tot 180°C, gevolgd door afkoeling [61](#page=61). Homogeen gegloeid materiaal kan, voordat natuurlijke dispersieharding optreedt, een of meerdere keren tussentijds worden gegloeid, afhankelijk van de bewerking [61](#page=61). ### 5.3 Bewerkbaarheid van aluminium Aluminium is: 1. **Goed te verspanen** [62](#page=62). 2. **Goed te vervormen in koude toestand** [62](#page=62). 3. **Zeer dun uit te walsen** tot ca. 0,006 mm, bekend als aluminiumfolie [62](#page=62). 4. **Moeilijk te solderen en te lassen** vanwege snelle oxidatie bij verhitting. Met speciale vloeimiddelen is solderen redelijk goed mogelijk; booglassen kan met argon-arc [62](#page=62). 5. **Te lijmen** als alternatief voor solderen of lassen [62](#page=62). 6. **Moeilijk te gieten** omdat het in vloeibare toestand snel gassen opneemt [62](#page=62). 7. **Goed te polijsten** [62](#page=62). Aluminiumlegeringen zijn in het algemeen goed te verspanen, maar met lagere snijsnelheden dan zuiver aluminium. Warmtebehandelde (veredelde) aluminiumlegeringen zijn minder goed te verspanen. Verschillende aluminiumkneedlegeringen zijn moeilijk koud te vervormen. Zacht- en hardsolderen is mogelijk met speciale vloeimiddelen. Veel aluminiumlegeringen zijn goed te lassen met argon-arc. Aluminium en aluminiumkneedlegeringen kunnen ook worden verbonden met lijm op kunstharsbasis [62](#page=62). ### 5.4 Handelsvormen van aluminium Ongelegeerd aluminium is verkrijgbaar in de volgende vormen: * **Platen**: Dikte 0,3 mm tot ca. 25 mm, afmetingen 2000 mm x 1000 mm, in kwaliteiten van zacht tot hard [62](#page=62). * **Aluminiumfolie**: Dikte 0,006 mm tot 0,15 mm [62](#page=62). * **Staven en draad** [62](#page=62). ### 5.5 Corrosiebestrijding bij metalen Corrosie kan worden bestreden door: 1. Weren van vocht [67](#page=67). 2. Voorkomen van aantasting door elektrolytische werking (kathodische en anodische bescherming) [67](#page=67). 3. Aanbrengen van deklagen ter isolatie van de omgeving [67](#page=67). 4. Ongevoelig maken van het metaal voor corrosie door legering [67](#page=67). 5. Beïnvloeden van contactvloeistoffen om de vorming van corrosie-elementen te voorkomen [67](#page=67). #### 5.5.1 Weren van vocht Dit kan bereikt worden door: 1. Invetten van het metaal [68](#page=68). 2. Inpakken in plasticfolie en hermetisch afsluiten (mottenballenbewerking) [68](#page=68). 3. Toepassen van dunne metaallakken [68](#page=68). #### 5.5.2 Kathodische bescherming Bij aantasting door elektrolytische werking kan kathodische bescherming worden toegepast. Hierbij worden blokken van een onedeler metaal, zoals zink, geplaatst nabij het te beschermen object. Het object (bijvoorbeeld een stalen leiding) wordt de kathode en het zinken blok de anode, die oxideert terwijl de kathode gespaard blijft. De anode moet periodiek worden vernieuwd [68](#page=68). #### 5.5.3 Anodische bescherming Bepaalde metaaloxiden, zoals aluminiumoxide, vormen een dichte laag die het metaal afsluit van de omgeving. Aluminium en zijn legeringen kunnen worden beschermd door opzettelijk een oxidelaag aan te brengen, waarbij het voorwerp als anode in een zuurbad functioneert [68](#page=68). * **Zwavelzuuranodiseren**: Gebruik van verdund zwavelzuur (10 % - 20 %) als badvloeistof vergroot de corrosieweerstand. Deze methode is niet geschikt voor geklonken en gepuntlaste constructies [68](#page=68). * **Chroomzuur-anodiseren**: Gebruik van chroomzuur als badvloeistof [68](#page=68). Na anodiseren is grondig spoelen nodig om zuurresten te verwijderen [68](#page=68). #### 5.5.4 Aanbrengen van deklagen Beschermende metaallagen (zoals zink, koper, nikkel) of niet-metalen lagen (zoals ijzermenie, lakken, bitumen) kunnen worden aangebracht op het metaal. Methoden hiervoor zijn elektrolyse, dompelen, metaalspuiten en plateren [69](#page=69). --- # Stollingsdiagrammen van metaallegeringen Stollingsdiagrammen, ook wel toestandsdiagrammen genoemd, visualiseren het stollingstraject van metaallegeringen als functie van hun samenstelling en temperatuur [27](#page=27). ### 6.1 Principes van stollen in metaallegeringen Metaallegeringen, bestaande uit twee metalen, kennen een smelttraject in plaats van een vast smeltpunt. De manier waarop deze legeringen stollen, hangt af van de oplosbaarheid van de samenstellende metalen in vaste toestand [25](#page=25): * **Volledige oplosbaarheid in vaste toestand:** Bij legeringen waarvan de componenten in vaste toestand volledig in elkaar oplosbaar zijn, daalt de temperatuur tijdens het stollen geleidelijk. De legering bevindt zich gedurende dit traject in een brijachtige toestand en vormt mengkristallen [25](#page=25). * **Geen oplosbaarheid in vaste toestand:** Bij legeringen waarbij de componenten in vaste toestand niet in elkaar oplosbaar zijn, daalt de temperatuur tijdens het stollen minder snel en ontstaat er een temperatuurhaltepunt. Pas nadat de gehele massa is gestold, daalt de temperatuur verder. De legering bestaat dan uit een mengsel van kristallen van de afzonderlijke metalen [25](#page=25). * **Gedeeltelijke oplosbaarheid in vaste toestand:** Dit is een combinatie van de voorgaande twee gevallen, waarbij de metalen in vaste toestand gedeeltelijk in elkaar oplosbaar zijn [25](#page=25). ### 6.2 Stollingsdiagrammen en hun interpretatie Een stollingsdiagram (toestandsdiagram) legt de begin- en eindpunten van het stollingstraject voor elke mogelijke mengverhouding van twee metalen vast [27](#page=27). #### 6.2.1 Stollingsdiagrammen bij volledige oplosbaarheid in vaste toestand In een stollingsdiagram voor legeringen met volledige oplosbaarheid in vaste toestand worden de **liquiduslijn** (bovenste lijn) en de **soliduslijn** (onderste lijn) onderscheiden. Tussen deze lijnen bevindt de legering zich in een brijachtige toestand [27](#page=27). > **Voorbeeld:** Koper-nikkellegeringen en goudzilverlegeringen vertonen dit type stollingsgedrag [27](#page=27). #### 6.2.2 Stollingsdiagrammen bij geen oplosbaarheid in vaste toestand (eutectic Figuur 4.12 toont een stollingsdiagram voor legeringen waarbij de metalen in vaste toestand niet in elkaar oplosbaar zijn. Bij een specifieke mengverhouding, het **eutecticumpunt** (aangegeven met E in fig. 4.12), heeft de legering geen stollingstraject maar een vast stollingspunt. Dit eutecticum bestaat uit een mengsel van zeer kleine, met het blote oog niet waarneembare kristallen van de twee metalen, wat resulteert in een fijnkorrelige structuur [27](#page=27). In dit type diagram worden de volgende gebieden onderscheiden: * **I:** Vloeibaar mengsel van A en B [27](#page=27). * **II:** Vloeibaar mengsel met vaste kristallen van metaal A [27](#page=27). * **III:** Vloeibaar mengsel met vaste kristallen van metaal B [27](#page=27). * **IV:** Vaste legering bestaande uit kristallen van metaal A, met daartussen het eutecticum van A en B [27](#page=27). * **V:** Vaste legering bestaande uit kristallen van metaal B, met daartussen het eutecticum van A en B [27](#page=27). > **Voorbeeld:** Lood-antimoonlegeringen vallen onder dit type [27](#page=27). #### 6.2.3 Stollingsdiagrammen bij gedeeltelijke oplosbaarheid in vaste toestand Figuur 4.13 illustreert een stollingsdiagram voor legeringen waarbij één metaal gedeeltelijk oplosbaar is in het andere in vaste toestand, terwijl het andere metaal niet oplosbaar is. De lijnen D EF (liquidus) en DGEK (solidus) definiëren de grenzen tussen vloeibare en vaste fasen. Ook hier kan een eutecticum ontstaan bij een specifieke samenstelling [28](#page=28). De gebieden in dit type diagram zijn: * **I:** Tot ca. 62% B en 38% A, ontstaan mengkristallen tot temperatuur Tl [28](#page=28). * **II:** Tijdens afkoeling ontstaan uitsluitend kristallen van metaal B tot temperatuur Tl [28](#page=28). * **III:** Beneden lijn DG, vaste legeringen bestaan uit mengkristallen rijk aan metaal A [28](#page=28). * **IV:** Tussen temperaturen Tl en Ta (voor legeringen van 90% A, 10% B tot 80% A, 20% B), ontmengt de gestolde massa gedeeltelijk, waarbij metaal B als kristallen uitscheidt [28](#page=28). * **V:** Bij mengverhoudingen van 80% A en 20% B tot ca. 38% A en 62% B, ontstaan mengkristallen omgeven door eutecticum van A en B in de vaste toestand [28](#page=28). * **VI:** Vaste legeringen bestaan uit kristallen van metaal B omgeven door eutecticum van A en B [28](#page=28). Punt G geeft aan dat maximaal 20% van metaal B oplosbaar is in metaal A bij temperatuur Tl [28](#page=28). > **Voorbeeld:** Lood-tinlegeringen vertonen dit gedrag [28](#page=28) [29](#page=29). > **Tip:** Het is essentieel om de specifieke samenstellingen en temperaturen bij de overgangen tussen de verschillende gebieden in het diagram te kunnen interpreteren [29](#page=29). ### 6.3 Het ijzer-koolstofdiagramma Het ijzer-koolstofdiagram is van cruciaal belang voor het begrijpen van staal en gietijzer, aangezien koolstof de eigenschappen van ijzer sterk beïnvloedt [30](#page=30). #### 6.3.1 Het stollen van zuiver ijzer Zuiver ijzer kent verschillende allotropische vormen (kristalroosters) bij oplopende temperatuur: α-ijzer (kubisch ruimtelijk gecentreerd) γ-ijzer (kubisch vlakken gecentreerd) bij 906 °C, en δ-ijzer (kubisch ruimtelijk gecentreerd) bij 1401 °C. Zuiver ijzer smelt bij 1528 °C. Tijdens afkoeling vinden deze faseovergangen in omgekeerde volgorde plaats [30](#page=30). #### 6.3.2 IJzer met koolstof Koolstof kan in ijzer voorkomen als gebonden koolstof (ijzercarbide of cementiet, Fe3C) of als vrije koolstof. Cementiet bestaat uit 93,3% ijzer en 6,67% koolstof. Staal (tot 1,9% koolstof) bevat gebonden koolstof, terwijl gietijzer vrije koolstof kan bevatten. IJzer-koolstoflegeringen met meer dan 6,67% koolstof zijn technisch minder relevant. Het stollingsdiagram van ijzer-koolstoflegeringen wordt het ijzer-koolstofdiagram genoemd [30](#page=30). --- # warmtebehandelingen van staal Warmtebehandelingen van staal worden toegepast om de eigenschappen van het materiaal te verbeteren, zoals hardheid, taaiheid en slijtvastheid [52](#page=52). ### 9.1 Harden Harden is een warmtebehandeling die de sterkte en hardheid van een metaallegering verhoogt door het transformeren naar martensiet, een zeer harde fase met interne spanningen. Bij staal wordt het materiaal verhit tot in het austenietgebied en vervolgens snel afgekoeld om perlietvorming te onderdrukken en martensiet te verkrijgen. Dit proces verhoogt de hardheid en slijtvastheid aanzienlijk [52](#page=52). Het proces verloopt als volgt: * Het werkstuk wordt gelijkmatig verhit tot het een gele kleur heeft, wat een indicatie is van de fase waarin het materiaal zich bevindt [52](#page=52). * Aansluitend vindt afkoeling plaats in koud water of olie. De keuze van de afkoelvloeistof hangt af van de materiaalsamenstelling en beïnvloedt de afkoelsnelheid; te langzame afkoeling verhindert verharding, terwijl te snelle afkoeling tot scheuren kan leiden [52](#page=52). Na het harden is ontlaten noodzakelijk om het staal minder bros te maken [52](#page=52). ### 9.2 Ontlaten Ontlaten, ook wel aanlaten genoemd, is een warmtebehandeling die na het harden wordt toegepast om het staal minder breekbaar en taaier te maken. Het werkstuk wordt verwarmd tot temperaturen tussen 200 °C en 330 °C en daarna afgekoeld. Hierdoor neemt de hardheid af, de taaiheid toe en verdwijnen de meeste interne materiaalsspanningen [53](#page=53). De mate van hardheid na ontlaten is afhankelijk van: * De ontlatingstemperatuur: een hogere temperatuur resulteert in lagere hardheid [53](#page=53). * De duur van de ontlating [53](#page=53). Het ontlatingsproces omvat: * Verwijderen van de oxidelaag van het werkstuk [53](#page=53). * Opnieuw verhitten [53](#page=53). * Wederom afkoelen in koud water of olie [53](#page=53). ### 9.3 Gloeien Gloeien omvat verschillende warmtebehandelingen die worden toegepast om de microstructuur en bewerkbaarheid van staal te verbeteren [54](#page=54). #### 9.3.1 Uitgloeien Uitgloeien wordt toegepast om gehard staal weer zacht te maken voor bewerkingen zoals reparaties of het verhelpen van harde plekken. Het staal wordt verwarmd tot de hardingstemperatuur en daarna langzaam afgekoeld, wat resulteert in een aanzienlijke afname van de hardheid [54](#page=54). #### 9.3.2 Normaalgloeien Normaalgloeien is bedoeld om grove kristallen, ontstaan door processen zoals smeden of persen, om te zetten in fijne kristallen (een fijnkorrelige structuur). Dit verbetert de sterkte en bewerkbaarheid van het staal. De behandeling vindt plaats door verhitting tot 700 °C à 720 °C en is geschikt voor staalsoorten met maximaal 0,9 % koolstof. Het wordt ook toegepast bij dieptrekwerk dat tussentijds gegloeid wordt [54](#page=54). #### 9.3.3 Zachtgloeien Zachtgloeien wordt toegepast op staalsoorten met meer dan 0,9 % koolstof om hun verspaanbaarheid te vergroten. Het staal wordt verwarmd tot rond 740 °C en langzaam afgekoeld, wat resulteert in een korreligere structuur die beter verspaanbaar is [55](#page=55). #### 9.3.4 Spanningvrij gloeien Spanningvrij gloeien heft inwendige spanningen op die ontstaan zijn door gieten, lassen of smeden. Deze spanningen kunnen leiden tot breuk of vervorming. Voor het harden van gesmede werkstukken is het aan te raden om eerst spanningvrij te gloeien om hardingsscheurtjes te voorkomen. De behandeling omvat verhitting tot 500 °C à 600 °C en langzame afkoeling [55](#page=55). ### 9.4 Veredelen Veredelen is een combinatie van eerst harden en daarna ontlaten bij een hoge temperatuur (500 °C à 600 °C). Dit proces verhoogt zowel de sterkte als de taaiheid van het staal, waardoor het beter bestand is tegen stotende belastingen. Toepassingen zijn onder meer spindels voor slijpmachines, onderdelen voor stempels, nokken en stalen walsrollen. De genoemde temperaturen gelden specifiek voor ongelegeerd staal [55](#page=55). ### 9.5 Oppervlakteharden Oppervlakteharden richt zich op het verharden van alleen de oppervlaktelaag van een onderdeel, terwijl de kern zacht en taai blijft. Dit is ideaal voor onderdelen die zowel slijtvast moeten zijn als bestand tegen stotende of buigende belastingen [55](#page=55). #### 9.5.1 Cementeren (inzetten of pakharden) Bij cementeren worden onderdelen verpakt in een koolstofhoudende stof in een luchtdicht afgesloten bak, die gedurende enkele uren wordt verhit tot circa 850 °C à 950 °C. De oppervlakte neemt koolstof op. Na langzame afkoeling worden de onderdelen opnieuw verhit tot de hardingstemperatuur en afgekoeld in water of olie, waardoor de koolstofrijke oppervlakte (met ongeveer 1 % koolstof) hard wordt. De dikte van de inzetlaag (ongeveer 1 à 1,5 mm na vier uur bij 850 °C à 950 °C) is afhankelijk van de duur van het proces en het gebruikte inzetpoeder (houtskool- of speciaal inzetpoeder). De dikte kan gecontroleerd worden met proefstaafjes (verklikkers). Gecementeerde werkstukken kunnen alleen nog worden bewerkt door middel van slijpen [56](#page=56). #### 9.5.2 Carboniseren met gas De onderdelen worden in een oven verhit in een gasvlam met een overmaat aan koolstof (koolmonoxide). Het metaaloppervlak neemt in gloeiende toestand koolstof op. Vaak worden de werkstukken na dit proces direct afgekoeld in olie of water [56](#page=56). #### 9.5.3 Carboniseren in zoutbaden Onderdelen worden ondergedompeld in gesmolten zout dat zowel koolstof als stikstof bevat. Deze elementen maken de oppervlakte hardbaar. Na het proces worden de werkstukken afgekoeld in water of olie. Een voordeel is dat de werkstukken nagenoeg blank blijven [56](#page=56). #### 9.5.4 Nitreren Bij nitreren wordt een hardbare oppervlaktelaag verkregen met behulp van stikstof. Machineonderdelen worden gedurende 50 tot 120 uur op ongeveer 500 °C gehouden in een gesloten ruimte waar ammoniakdampen doorheen stromen. De stikstof wordt opgenomen door het werkstukoppervlak, wat resulteert in een harde laag bestaande uit een stikstof-ijzerverbinding. Toepassingen zijn onder meer cilindervoeringen, kleppen en krukassen [56](#page=56) [57](#page=57). Voordelen van nitreren: * Onderdelen blijven blank gedurende het proces [57](#page=57). * Nabewerking is overbodig, waardoor onderdelen zuiver op maat gemaakt kunnen worden vóór het proces [57](#page=57). * De relatief lage temperatuur minimaliseert de kans op kromtrekken [57](#page=57). * Genitreerd staal en gietijzer zijn bestand tegen oxidatie [57](#page=57). #### 9.5.5 Vlamharden Vlamharden is een veelgebruikte methode waarbij de onderdelen van hardbaar staal met een speciale brander worden verwarmd en daarna snel met water worden afgekoeld. De verwarming is zo snel dat alleen de oppervlakte tot een diepte van 0,5 mm tot 3,5 mm de hardingstemperatuur bereikt. De hardingsdiepte is afhankelijk van de vlamtemperatuur, de brander-loopsnelheid en de materiaaldikte [57](#page=57). #### 9.5.6 Inductieharden Inductieharden, ook wel hoogfrequentieharden genoemd, maakt gebruik van wisselstromen met een frequentie tot circa 500.000 Hz. Een spoel met een kern genereert een magnetisch veld dat het stalen werkstuk magnetiseert en de oppervlakte sterk verwarmt tot op de hardingstemperatuur. De afkoeling is afhankelijk van de staalsoort. Toepassingen zijn onder meer het harden van krukassen, nokkenassen en tandwielen voor automotoren [57](#page=57). --- # Legeringen van staal en hun eigenschappen Dit hoofdstuk behandelt diverse staallegeringen en hun specifieke eigenschappen en toepassingen, voortbouwend op de basisprincipes van staalbewerking. ### 8.1 Mangaanstaal Mangaanstaal is een legering met 1 tot ongeveer 15 procent mangaan. Het hoge mangaangehalte verleent het staal een aanzienlijke slijtvastheid. De treksterkte van mangaanstaal varieert van 650 tot 1000 N/mm², afhankelijk van het mangaangehalte. Het staal is tevens hardbaar [41](#page=41). #### 8.1.1 Toepassingen van mangaanstaal Mangaanstaal met een laag mangaangehalte (1 tot circa 3% Mn) wordt gebruikt voor zwaar belaste onderdelen zoals assen, krukassen, bouten, ankerbouten, moeren en remhefbomen [41](#page=41). Mangaanstaal met een hoog mangaangehalte (12 tot 15% Mn), ook wel slijtvast staal genoemd, is geschikt voor onderdelen die onderhevig zijn aan intense slijtage en stootbelasting. Voorbeelden hiervan zijn spoorrails, spoorwissels, en bakken voor baggermolens. Gietstalen wielen voor spoorwagons kunnen voorzien worden van velgen van mangaanstaal [41](#page=41). ### 8.2 Chroomstaal Chroomstaal is gelegeerd met 1 tot circa 30 procent chroom. Chroom verhoogt de hardheid, treksterkte en taaiheid van het staal. Staalsoorten met 11% of meer chroom zijn corrosievast en bestand tegen hoge temperaturen. De treksterkte van chroomstaal met 11% tot 18% chroom varieert tussen 500 en 800 N/mm² [41](#page=41). #### 8.2.1 Toepassingen van chroomstaal 1. **1% tot 8% chroom:** Wordt toegepast voor stempels, kogels en onderdelen voor kogellagers, vanwege de vereiste hardheid en slijtvastheid [42](#page=42). 2. **6% tot 12% chroom:** Gebruikt voor messen die niet mogen oxideren, en voor rollen in rollenlagers die hard en slijtvast moeten zijn [42](#page=42). 3. **10% tot 18% chroom:** Toepassingen omvatten schoepen voor stoomturbines en andere onderdelen die bestand moeten zijn tegen hoge temperaturen. Ook wordt het gebruikt in de chemische, zuivel- en voedingsmiddelenindustrie vanwege de bestendigheid tegen zuren [42](#page=42). 4. **20% tot 30% chroom:** Geschikt voor onderdelen die bestand moeten zijn tegen zeer hoge temperaturen, tot circa 1200°C, zoals in gasturbines [42](#page=42). ### 8.3 Nikkelstaal Nikkelstaal bevat 2% tot 50% nikkel. Nikkel verhoogt de treksterkte, hardheid en taaiheid van staal. Bij een nikkelgehalte van 8% tot 10% toont het staal een hoge treksterkte (ongeveer 1200 N/mm²) en taaiheid bij zeer lage temperaturen (ongeveer -200°C). Nikkel bevordert de kernharding, wat betekent dat de kern van het materiaal eveneens goed hard wordt tijdens het harden. Nikkelstaal met ongeveer 25% nikkel is grotendeels corrosievast. Een nikkelgehalte van 36% resulteert in een staal dat praktisch ongevoelig is voor uitzetting, met een uitzettingscoëfficiënt van 1,5 x 10⁻⁶/°C. Bij een hoog nikkelgehalte, zoals ongeveer 50%, bezit het staal uitstekende magnetische eigenschappen, waaronder een grote magnetische veldsterkte en magnetische permeabiliteit [43](#page=43). #### 8.3.1 Toepassingen van nikkelstaal 1. **2% tot 5% nikkel:** Gebruikt voor nokken, nokkenassen, tandwielen, kleppen voor verbrandingsmotoren, drijfstangen en ketelplaat [43](#page=43). 2. **8% tot 10% nikkel:** Wordt toegepast in apparatuur voor de opslag en het transport van vloeibare gassen [43](#page=43). 3. **25% nikkel:** Geschikt voor schoepen van stoomturbines en andere onderdelen die bestand moeten zijn tegen hoge temperaturen en oxidatie [43](#page=43). 4. **36% nikkel (invarstaal):** Gebruikt voor onderdelen van meetinstrumenten, standaardlengtematen, en stalen bruggen in motorzuigers om vervorming bij hoge temperaturen te voorkomen [43](#page=43). 5. **50% nikkel:** Wordt toegepast voor kernen van elektromotoren en transformatoren vanwege de hoge magnetische veldsterkte [43](#page=43). ### 8.4 Chroom-nikkel staal Chroom-nikkelstaal bevat 12% tot 26% chroom en 1% tot 20% nikkel. Dit zijn hoogwaardige staalsoorten met bijzondere kwaliteiten. De meeste chroom-nikkelstaalsoorten zijn zuur- en corrosievast. Een bekende variant is de 18/8 kwaliteit, met 18% chroom en 8% nikkel. Chroom-nikkelstaal met 18% tot 25% chroom en 7% tot 20% nikkel is hittevast. De treksterkte ligt tussen 500 N/mm² en 800 N/mm², met een grotere taaiheid, rek en hardheid dan ongelegeerd constructiestaal [44](#page=44). #### 8.4.1 Toepassingen van chroom-nikkel staal De toepassingen variëren afhankelijk van het chroom- en nikkelgehalte: 1. **12% tot 14% chroom en 1% nikkel:** Medische instrumenten, kleppen voor verbrandingsmotoren, schoepen voor stoomturbines, en matrijzen voor kunststofvormen [44](#page=44). 2. **10% tot 20% chroom en 1% tot 10% nikkel:** Onderdelen en installaties voor de chemische industrie [44](#page=44). 3. **18% tot 20% chroom en 8% tot 10% nikkel:** Onderdelen en installaties voor de voedingsmiddelenindustrie, en onderdelen voor verbrandingsmotoren zoals krukassen en nokkenassen [44](#page=44). ### 8.5 Roestvast staal Roestvast staal is goed bestand tegen oxidatie en de inwerking van agressieve chemische stoffen. Dit wordt bereikt door legering met minimaal 11% chroom, dat een beschermend oxidelaagje vormt [45](#page=45). #### 8.5.1 Samenstelling en eigenschappen van roestvast staal Op basis van samenstelling worden roestvaste staalsoorten onderverdeeld in: 1. **Chroomstaal:** 11% tot 30% chroom [45](#page=45). 2. **Chroom-nikkelstaal:** 17% tot 20% chroom en 6% tot 17% nikkel [45](#page=45). #### 8.5.2 Invloed van legeringselementen op roestvast staal Molybdeen verbetert de weerstand tegen putcorrosie in ferritisch staal. Zwavel en selenium verbeteren de verspaanbaarheid. Titaan verbetert de lasbaarheid door korrelgroei tegen te gaan en zo de taaiheid te behouden [45](#page=45). #### 8.5.3 Toepassingen van roestvast staal 1. **Ferritische roestvaste staalsoorten:** * Chroomgehalte 12% tot 16%: Turbineschoepen, apparaten voor de aardolie- en chemische industrie [46](#page=46). * Chroomgehalte 14% tot 18%: Sierdoeleinden in de automobielbouw en keukengerei [46](#page=46). * Chroomgehalte 22% tot 26%: Ovenonderdelen en apparaten voor de chemische industrie [46](#page=46). * Ferritische soorten hebben bij gelijk chroomgehalte een iets lager koolstofgehalte dan martensitische soorten [46](#page=46). 2. **Martensitisch roestvaste staalsoorten:** * Chroomgehalte 11,5% tot 14%: Onderdelen die in contact komen met water en stoom, zoals assen voor waterpompen, kranen, afsluiters, waterventielen. Ook voor onderdelen van waterreinigingsinstallaties, stoomturbineschoepen en waterturbines, huishoudelijke artikelen, keukengerei en chirurgische instrumenten [46](#page=46). * Chroomgehalte 16% tot 18%: Scharen, messen, kleppen, schroefassen voor motorboten [46](#page=46). 3. **Austenitische roestvaste staalsoorten:** * Chroomgehalte 16% tot 20% en nikkelgehalte 3% tot 10%: Aanrechten, vitrines, huishoudelijke voorwerpen, pannen, opslagtanks, pijpleidingen en apparaten voor de voedingsmiddelenindustrie [46](#page=46). * Chroomgehalte 18% tot 20% en nikkelgehalte 10% tot 15%: Onderdelen voor installaties in de chemische industrie die in contact komen met sterke zuren, en installaties voor de petrochemische industrie [46](#page=46). * Chroomgehalte 20% tot 26% en nikkelgehalte 20% tot 30%: Onderdelen die aan hoge temperaturen worden blootgesteld, hittevast tot circa 1000°C in lucht, gebruikt in gasturbines en gloeiovens [46](#page=46). ### 8.6 Verenstaal Verenstaal kan gelegeerd zijn met chroom en vanadium, chroom en silicium, mangaan en silicium, of chroom en nikkel (roestvast verenstaal). De grote veerkracht wordt verkregen door de elementen silicium en vanadium. Vanadium zorgt ervoor dat het staal veerkrachtig blijft bij hoge temperaturen. De treksterkte varieert van 800 N/mm² tot 1000 N/mm², en kan door veredeling verhoogd worden tot 1200 N/mm² tot 1750 N/mm². Verenstaal wordt gebruikt voor de vervaardiging van blad-, schroef-, spiraal- en andere technische veren [46](#page=46). #### 8.6.1 Toepassingen van verenstaal 1. **Chroom (1%) en vanadium (0,2% tot 0,4%):** Bladveren voor vrachtauto's, torsieveren [47](#page=47). 2. **Chroom (1%) en silicium (0,5% tot 1%):** Trek- en drukveren voor sterke belastingen [47](#page=47). 3. **Mangaan (1% tot 1,5%), silicium (1% tot 1,8%) en koolstof (0,6%):** Spantagen, alle soorten veren voor auto's, locomotieven, spoorwagons, kegelveren [47](#page=47). 4. **Chroom (18%) en nikkel (8%) (roestvast verenstaal):** Veren die in contact komen met zuren en bestand moeten zijn tegen oxidatie [47](#page=47). --- # Staalbereiding: chemische samenstelling en raffinageprocessen Dit onderwerp behandelt de samenstelling van staal en de processen die worden gebruikt om ruwijzer te zuiveren tot bruikbaar staal. ### 9.1 Chemische samenstelling van staal Staal wordt gedefinieerd als een legering van ijzer met maximaal circa 2% koolstof. Ijzerlegeringen met meer dan 2% koolstof worden beschouwd als gietijzer, wat te bros is voor conventionele fabricagemethoden zoals walsen en smeden. Zuiver ijzer, met minder dan 0,005% koolstof en geen andere legeringselementen, is zacht en ductiel, maar niet erg sterk, en wordt alleen gebruikt voor specifieke toepassingen zoals in de magnetische technologie of als geëmailleerd staal. Commercieel belangrijke staalsoorten hebben doorgaans een koolstofgehalte tussen ongeveer 0,06% en 2,0% [9](#page=9). Ruwijzer, dat uit de hoogoven komt, bevat doorgaans 4% tot 5% koolstof. Daarnaast kan het aanzienlijke hoeveelheden silicium, zwavel, fosfor en mangaan bevatten, evenals niet-metallische insluitsels die afkomstig zijn van het erts. Deze onzuiverheden moeten grotendeels worden verwijderd om de gewenste eigenschappen van staal te verkrijgen. Het centrale proces voor het verwijderen van deze verontreinigingen, inclusief koolstof, is oxidatie. In gesmolten toestand kan opgeloste koolstof in ijzer reageren met toegevoerde zuurstof om koolmonoxide (CO) te vormen [9](#page=9). ### 9.2 Raffinageprocessen Het zuiveren van ruwijzer tot staal omvat verschillende processen, waarbij oxidatie een sleutelrol speelt. De belangrijkste raffinageprocessen die tegenwoordig worden gebruikt, zijn [9](#page=9): * **Het oxystaalproces:** Dit proces, geïntroduceerd in de jaren zestig, maakt gebruik van een peervormig stalen vat dat gevuld wordt met ongeveer 25% schroot en 75% gesmolten ruwijzer. Zuurstof wordt met hoge snelheid in het metaalbad geblazen via zuurstoflansen, waarbij de reactiewarmte de benodigde hitte levert. Dit proces is zeer snel, waarbij 300 ton staal in ongeveer 25 minuten verfijnd kan worden. Het oxystaalproces is tegenwoordig het belangrijkste staalraffinageproces geworden vanwege de economische voordelen en snelheid [11](#page=11). * **Het haardovenproces (Siemens-Martin-proces):** Dit proces, dat sinds 1900 de ruggengraat van de staalindustrie vormde, werkt met gesmolten ruwijzer en schroot (tot 50%) in een ondiep bassin. De temperatuur wordt gehandhaafd door brandstof en lucht boven het metaal te verbranden. Lucht wordt toegevoerd om koolstof te oxideren en zuurstoflansen kunnen worden gebruikt om het proces te bevorderen. Een lading van 300 ton kan ongeveer 8 uur duren om te raffineren [10](#page=10). * **Het elektro-ovenproces:** In elektro-ovens wordt schroot gesmolten door een elektrische boog tussen grafietelektroden en de lading. Deze ovens verbruiken veel energie, maar het raffinageproces verloopt sneller dan in open haardovens. Elektro-ovens produceren over het algemeen zuiverder staal en werden tot de jaren zeventig voornamelijk gebruikt voor de bereiding van speciale legeringen. Met de sluiting van open haardovens en de daaruit voortvloeiende overvloed aan schroot, werden elektro-ovens economisch aantrekkelijker voor kleinschalige productie van diverse staalproducten [10](#page=10) [11](#page=11). #### 9.2.1 Staalsoorten met hoge zuiverheid Voor toepassingen waar hoge betrouwbaarheid cruciaal is, worden staalsoorten geproduceerd met speciale smeltprocessen om niet-metallische insluitsels te minimaliseren. De vermoeiingslevensduur en taaiheid van staal zijn nauw gerelateerd aan het gehalte en de grootte van deze insluitsels (zoals oxiden, silicaten en sulfiden). De zuiverheid kan microscopisch worden bepaald en de ontwerper kan specifieke eisen stellen aan het insluitselgehalte [11](#page=11). Methoden om insluitsels te verwijderen zijn onder te verdelen in: * **Vacuümsmelten of omsmelten:** * Vacuümontgassen [12](#page=12). * Vacuüm boogomsmelten (meest gebruikte methode) [12](#page=12). * Vacuüminductiesmelten [12](#page=12). * Elektronenstraalraffinage [13](#page=13). * **Chemische reactie:** * Argon-zuurstofontkoling [13](#page=13). * Elektroslakomsmelting [13](#page=13). * Gietpanraffinage [13](#page=13). **Vacuümraffinage** maakt gebruik van blootstelling aan vacuüm om opgeloste gassen en, met voldoende menging, vaste insluitsels te laten ontsnappen of verdampen. Bij **vacuüm boogomsmelten** wordt staal opnieuw gesmolten met een elektrische boog, waarbij elke druppel die valt wordt blootgesteld aan het vacuüm, wat zeer effectief is voor insluitselverwijdering [12](#page=12). **Chemische reactiemethoden** verwijderen onzuiverheden door reactie met toegevoegde stoffen, niet noodzakelijkerwijs onder vacuüm. Bij **argon-zuurstofontkoling** worden koolstof, zwavel en andere verontreinigingen verwijderd door zuurstof, terwijl argon de smelt heftig beroert en de verwijdering van gassen bevordert. **Elektroslakomsmelting** is vergelijkbaar met vacuüm boogomsmelten maar zonder vacuüm; het staal smelt door een gesmolten slak heen, die als reinigingsmiddel fungeert. **Gietpanraffinage** is een recentere methode waarbij vaste materialen zoals calcium en zeldzame aardmetalen worden geïnjecteerd om met verontreinigingen te reageren. Hoewel nog niet zo effectief als andere methoden, biedt het potentieel voor het produceren van zeer zuivere staalsoorten tegen lagere kosten [13](#page=13). #### 9.2.2 Gieten in ingots Na het smelten en raffineren wordt vloeibaar staal gegoten in gietvormen, meestal blokvormen bekleed met vuurvast materiaal, om ingots te vormen. Tijdens het stollingsproces kunnen er inhomogeniteiten optreden, zoals segregatie (verschillen in samenstelling binnen de ingot) en slinkholten (holtes ontstaan door krimp) [13](#page=13). Vier hoofdtypen staal worden onderscheiden op basis van de stolling en de toevoeging van desoxidatiemiddelen: 1. **Ongekalmeerd staal:** Vertelt de hoogste porositeit en sterkste segregatie. De huid van de ingot is zuiverder dan het centrum [14](#page=14). 2. **Gedekseld staal:** Wordt gemaakt door een deksel op de gietvorm te plaatsen om turbulentie te onderdrukken. Heeft minder porositeit en segregatie dan ongekalmeerd staal [14](#page=14). 3. **Halfrustig staal:** Er zijn minder desoxidatiemiddelen toegevoegd dan aan gekalmeerd staal [14](#page=14). 4. **Gekalmeerd staal:** De stolling verloopt rustiger door toevoeging van elementen zoals aluminium en silicium, die opgeloste zuurstof verwijderen. Dit type staal heeft de meest homogene chemische samenstelling, bevat geen gas en geen slinkholten [14](#page=14). De prijs van deze staalsoorten is ongeveer evenredig aan hun zuiverheid, waarbij ongekalmeerd staal het goedkoopst is. Segregatie en slinkholten kunnen problemen veroorzaken bij de vormgeving en verwerking van staal, omdat verschillende delen van een staalband dan feitelijk verschillende legeringen zijn met uiteenlopende mechanische eigenschappen [14](#page=14). #### 9.2.3 Continugieten Continugieten is een proces dat de ingotfase overslaat en steeds belangrijker wordt. Hierbij wordt continu gesmolten staal gegoten in een met water gekoelde vorm die overeenkomt met de doorsnede van het gewenste product (meestal rond of rechthoekig). Dit proces vereist gedesoxideerd (gekalmeerd) staal, omdat ongekalmeerd staal kolkt bij stolling en gaten zou veroorzaken. Ongeveer 50% van al het staal dat in de Westerse landen in 1987 werd geproduceerd, was continu gegoten. De verwachting is dat uiteindelijk bijna alle staalproducten via continu gieten zullen worden gemaakt, wat betekent dat het staal dat gebruikers tegenkomen grotendeels gekalmeerd zal zijn. Dit zal leiden tot meer uniforme mechanische eigenschappen over de breedte van stalen platen en de eliminatie van chemische segregatie en centrale insluitsels [15](#page=15). --- ## 9. Staalbereiding: chemische samenstelling en raffinageprocessen Dit onderwerp behandelt de chemische samenstelling van staal, de invloed van legeringselementen en de verschillende raffinageprocessen die leiden tot diverse staalsoorten. ### 9.1 Stahl samenstelling en eigenschappen Staal en gietijzer bevatten naast ijzer ook koolstof, wat de eigenschappen significant beïnvloedt. Koolstof kan in gebonden vorm als ijzercarbide (cementiet, Fe₃C) of in vrije vorm voorkomen. Ferriet is ijzer met een zeer laag koolstofgehalte (< 0,03 %). Cementiet heeft een vaste samenstelling van 93,3 % ijzer en 6,67 % koolstof [30](#page=30). #### 9.1.1 Ongelegeerd staal Ongelegeerd staal bestaat voornamelijk uit ijzer en koolstof, waarbij de eigenschappen afhankelijk zijn van het koolstofgehalte. Toenemend koolstofgehalte leidt tot hogere treksterkte en hardheid, maar een lagere rek en taaiheid. Staal met meer dan 0,35 % koolstof is hardbaar. Ongelegeerd staal bevat ook sporen van elementen zoals silicium, mangaan, zwavel en fosfor, die onopzettelijk zijn ingebracht. Fosfor en zwavel worden als schadelijk beschouwd omdat ze de treksterkte en lasbaarheid negatief beïnvloeden. Over het algemeen mag het zwavelgehalte niet hoger zijn dan 0,06 % en het fosforgehalte maximaal 0,06 % [33](#page=33). > **Tip:** Fosfor en zwavel zijn ongewenste elementen in staal omdat ze de lasbaarheid verminderen en de treksterkte nadelig beïnvloeden [33](#page=33). #### 9.1.2 Staal voor algemeen gebruik Staal voor algemeen gebruik voldoet aan specifieke eisen voor mechanische eigenschappen, chemische samenstelling en vereist geen warmtebehandelingen. Voorbeelden van mechanische eisen zijn een minimale treksterkte van 690 N/mm², een minimale vloeigrens van 360 N/mm², en een minimale rek van 26 %. Het koolstofgehalte moet gelijk zijn aan of hoger dan 0,1 %, en het fosfor- en zwavelgehalte mogen niet hoger zijn dan 0,05 % [34](#page=34). #### 9.1.3 Kwaliteitsstaal Kwaliteitsstaal voldoet aan specifieke kwaliteitseisen op het gebied van natuurkundige (bv. elektrische, magnetische), mechanische, chemische (bv. corrosieweerstand) en technologische eigenschappen (bv. vervormbaarheid, lasbaarheid, verspaanbaarheid). De chemische samenstelling is vaak gebonden aan grenzen voor het koolstof-, zwavel-, fosfor- en stikstofgehalte [35](#page=35). #### 9.1.4 Speciaalstaal Speciaalstaal wordt bereid voor een specifiek gebruiksdoel en voldoet aan nauwkeurig omschreven eisen. Dit kan betrekking hebben op gewaarborgde kerfslagwaarden, specifieke chemische samenstellingen met lage gehalten aan fosfor en zwavel, zeer gunstige elektrische en magnetische eigenschappen, of het vrijwel ontbreken van verontreinigingen. Voorbeelden van speciaalstaal zijn gereedschapsstaal, veredelstaal en staal voor oppervlakteharding [36](#page=36). ### 9.2 Het legeren van staal Gelegeerd staal is staal dat is verrijkt met metalen en/of niet-metalen (metalloïden) om de eigenschappen te verbeteren ten opzichte van ongelegeerd staal. Het doel van legeren is om staalsoorten te verkrijgen die beter geschikt zijn voor specifieke toepassingen, wat kan leiden tot verbeteringen in mechanische, chemische of technologische eigenschappen [38](#page=38). #### 9.2.1 Soorten gelegeerd staal * **Zwak- of laaggelegeerd staal:** Heeft een percentage legeringsbestanddelen tot maximaal 5 % en een koolstofgehalte niet hoger dan 0,2 %. Laaggelegeerd staal kan gelegeerd zijn met mangaan, silicium, chroom, nikkel, en eventueel geringe hoeveelheden molybdeen, titaan, zirkonium, of koper. Laaggelegeerde staalsoorten hebben vaak een hoge rekgrens, zijn goed lasbaar en bestand tegen lage temperaturen en atmosferische corrosie [38](#page=38) [40](#page=40). * **Gelegeerd staal:** Heeft een percentage legeringbestanddelen hoger dan 5 %. De kwaliteit van deze staalsoorten is afhankelijk van de soort en hoeveelheid legeringselementen in samenhang met het koolstofgehalte [38](#page=38). #### 9.2.2 Invloed van legeringselementen Verschillende legeringselementen hebben diverse effecten op de eigenschappen van staal: * **Mangaan (Mn):** Legeert tot ongeveer 15 %. Verhoogt de slijtvastheid aanzienlijk. Mangaanstaal is hardbaar. Laag mangaan (1-3 %) wordt gebruikt voor assen en krukassen. Hoog mangaan (12-15 %) wordt toegepast voor onderdelen die zwaar aan slijtage onderhevig zijn en op stoten worden belast, zoals spoorrails en spoorwissels [41](#page=41). * **Chroom (Cr):** Legeert tot ongeveer 30 %. Verhoogt de hardheid, treksterkte en taaiheid. Chroomstaal met meer dan 11 % chroom is corrosievast en bestand tegen hoge temperaturen. Toepassingen variëren van stempels en kogellagers tot messen, rollen voor lagers, schoepen voor stoomturbines en onderdelen voor gasturbines [41](#page=41) [42](#page=42). * **Nikkel (Ni):** Legeert tot 50 %. Verhoogt de treksterkte, hardheid en taaiheid. Bij een nikkelgehalte van 8-10 % heeft het staal bij zeer lage temperaturen (ca. -200 °C) een grote treksterkte en taaiheid. Nikkel bevordert de kernharding. Nikkelstaal met ongeveer 25 % nikkel is vrijwel corrosievast. Bij 36 % nikkel is het staal praktisch ongevoelig voor uitzetting (uitzettingscoëfficiënt 1,5 x 10⁻⁶/°C). Nikkelstaal met ongeveer 50 % nikkel heeft goede magnetische eigenschappen. Toepassingen omvatten nokken, tandwielen, kleppen voor verbrandingsmotoren, apparatuur voor opslag van vloeibare gassen, en kernen van elektromotoren. Inv Ardenstaal, met 36 % nikkel, wordt gebruikt in meetinstrumenten en standaard-lengtematen [43](#page=43). * **Chroom-nikkelstaal:** Gelegeerd met 12-26 % chroom en 1-20 % nikkel. Dit zijn hoogwaardige staalsoorten met bijzondere kwaliteiten. De meeste soorten zijn zuur- en corrosiebestendig. De bekende 18/8 kwaliteit bevat 18 % chroom en 8 % nikkel. Hittevast chroom-nikkelstaal bevat 18-25 % chroom en 7-20 % nikkel. Toepassingen zijn onder meer medische instrumenten, kleppen voor verbrandingsmotoren, schoepen voor stoomturbines, en installaties voor de chemische en voedingsmiddelenindustrie [44](#page=44). #### 9.2.3 Roestvast staal Roestvast staal is goed bestand tegen oxidatie en agressieve chemische stoffen, gelegeerd met minimaal 11 % chroom. Het chroom vormt een dicht oxidelaagje dat het onderliggende metaal beschermt [45](#page=45). * **Chroomstaal:** 11-30 % chroom [45](#page=45). * **Chroom-nikkelstaal:** 17-20 % chroom en 6-17 % nikkel [45](#page=45). Verdere legeringen met molybdeen, zwavel, selenium of titaan kunnen specifieke eigenschappen verbeteren: * **Molybdeen (Mo):** Verbetert de weerstand tegen putcorrosie in ferritisch staal [45](#page=45). * **Zwavel (S) en Selenium (Se):** Maken roestvast staal beter verspanbaar [45](#page=45). * **Titaan (Ti):** Verbetert de lasbaarheid door korrelgroei tegen te gaan, waardoor de taaiheid niet afneemt [45](#page=45). ### 9.3 Stollingsdiagrammen en ijzer-koolstofdiagramma Hoewel de focus van dit document ligt op de chemische samenstelling en raffinageprocessen, worden verschillende stollingsdiagrammen en het ijzer-koolstofdiagramma geïntroduceerd om de relatie tussen samenstelling, temperatuur en faseovergangen te illustreren [27](#page=27) [30](#page=30). * **Stollingsdiagrammen:** Beschrijven het stolgedrag van legeringen bij verschillende mengverhoudingen en temperaturen. Er wordt onderscheid gemaakt tussen legeringen die in vaste toestand volledig oplosbaar zijn, niet oplosbaar zijn, of gedeeltelijk oplosbaar zijn. Het concept van een eutecticum, een legering met een vast smeltpunt, wordt geïntroduceerd [27](#page=27) [28](#page=28). * **IJzer-koolstofdiagramma:** Toont de verschillende fasen en transformaties in ijzer-koolstoflegeringen, essentieel voor het begrijpen van staal en gietijzer. Belangrijke structuren zoals austeniet, ferriet, cementiet, perliet (een eutecticum van ferriet en cementiet) en ledeburiet (een eutecticum van austeniet en cementiet) worden besproken. De omzetting van kristalroosters van ijzer (α, γ, δ) bij verschillende temperaturen is hierbij cruciaal [30](#page=30) [31](#page=31) [32](#page=32). --- Dit hoofdstuk bespreekt de verschillende typen staal, hun samenstellingen, eigenschappen en de processen die worden toegepast om deze eigenschappen te verbeteren, met een focus op warmtebehandelingen en oppervlaktebehandelingen. ### 9.1 Roestvast staal Roestvast staal wordt gekenmerkt door de aanwezigheid van chroom en, in veel gevallen, nikkel. Het wordt ingedeeld in drie hoofdtypen op basis van hun microstructuur en eigenschappen [46](#page=46). #### 9.1.1 Ferritisch roestvast staal * **Chroomgehalte:** 12 tot 26% [46](#page=46). * **Koolstofgehalte:** Lager dan martensitisch staal, variërend van 0,08 tot 0,2% [48](#page=48). * **Eigenschappen:** * Niet hardbaar [48](#page=48). * Magnetiseerbaar [48](#page=48). * Zeer goede corrosieweerstand, goed bestand tegen veel chemicaliën en zuren, ongevoelig voor spanningscorrosie [48](#page=48). * Goede tot ca. 700°C oxidatieweerstand, tot ca. 1100°C bij 24-28% chroom [48](#page=48). * Hoge buigtaaiheid, maar oververhitting verlaagt de taaiheid. Geringe taaiheid bij temperaturen beneden 0°C [48](#page=48). * Goed tot zeer goed vervormbaar in koude toestand, maar koudversteviging treedt op [48](#page=48). * Redelijk goed verspaanbaar, vooral de automatenkwaliteit [48](#page=48). * Zeer goed lasbaar bij laag chroomgehalte (max. 14%) en laag koolstofgehalte. Matig lasbaar bij 16-18% chroom vanwege korrelgroei die de taaiheid verlaagt [48](#page=48). * **Toepassingen:** Turbineschoepen, aardolie- en chemische industrie apparatuur sierdoeleinden, keukengerei, ovenonderdelen [46](#page=46). #### 9.1.2 Martensitisch roestvast staal * **Chroomgehalte:** 11,5 tot 18% [46](#page=46). * **Koolstofgehalte:** Hoger, variërend van 0,15 tot 1,2% [48](#page=48). * Hardbaar (luchthardend) [48](#page=48). * Goede corrosieweerstand, na harden en ontlaten bestand tegen weersinvloeden, water, stoom en zwakke zuren [48](#page=48). * Goede oxidatieweerstand tot ca. 750°C [48](#page=48). * Goede taaiheid, vooral bij laag koolstofgehalte (max. 0,15%). Geringere taaiheid bij lage temperaturen [48](#page=48). * Goed mogelijk om koud te vervormen, maar koudversteviging treedt op [48](#page=48). * Matig tot redelijk goed verspanen, de automatenkwaliteit is beter verspanbaar [48](#page=48). * Minder goed lasbaar. Voorverwarmen van de las is noodzakelijk, evenals gloeien na het lassen. Geringe korrelgroei [48](#page=48). * **Toepassingen:** Assen voor waterpompen, kranen, afsluiters, huishoudelijke artikelen, keukengerei, chirurgische instrumenten, scharen, messen, kleppen, schroefassen voor motorboten [46](#page=46). #### 9.1.3 Austenitisch roestvast staal * **Chroomgehalte:** 12 tot 20% [46](#page=46). * **Nikkelgehalte:** 10 tot 30% [46](#page=46). * **Koolstofgehalte:** Laag, variërend van 0,03 tot 0,15% [48](#page=48). * Niet magnetiseerbaar [48](#page=48). * Zeer goede corrosieweerstand, vaak beter dan ferritische en martensitische soorten. Bestand tegen putcorrosie en spanningscorrosie [48](#page=48). * Beter bestand tegen oxidatie dan ferritische staalsoorten [48](#page=48). * Grote sterkte bij hoge temperaturen [48](#page=48). * Taai bij temperaturen tot 200°C [48](#page=48). * Goed mogelijk om koud te vervormen. Koudversteviging treedt op, meer dan bij ferritische en martensitische soorten [48](#page=48). * Moeilijk verspanen, maar met zwavel of selenium is de verspaning beter. Gelegeerde soorten zijn beter verspanbaar [48](#page=48). * Goed tot zeer goed lasbaar, de lasnaad blijft taai omdat harding optreedt. De zwavelhoudende automatenkwaliteit is niet te lassen [48](#page=48). * **Toepassingen:** Aanrechten, vitrines, huishoudelijke voorwerpen, pannen, opslagtanks, pijpleidingen en apparaten voor de voedingsmiddelenindustrie, installaties voor de chemische en petrochemische industrie die in aanraking komen met sterke zuren, onderdelen blootgesteld aan hoge temperaturen (gasturbines, gloeiovens) [46](#page=46). ### 9.2 Verenstaal Verenstaal is gelegeerd met elementen zoals chroom, vanadium, silicium en mangaan om hoge veerkracht en treksterkte te bereiken [46](#page=46). * **Samenstellingen en Toepassingen:** * Chroom (1%) en vanadium (0,2-0,4%): bladveren voor vrachtauto's, torsieveren [47](#page=47). * Chroom (1%) en silicium (0,5-1%): trek- en drukveren voor sterke belastingen [47](#page=47). * Mangaan (1-1,5%), silicium (1-1,8%) en koolstof (0,6%): diverse veren voor auto's, locomotieven, spoorwagons [47](#page=47). * Chroom (18%) en nikkel (8%) (roestvast verenstaal): veren die in aanraking komen met zuren en bestand moeten zijn tegen oxidatie [47](#page=47). * **Treksterkte:** Variërend van 800 tot 1000 N/mm², te vergroten tot 1200-1750 N/mm² door veredelen [46](#page=46). ### 9.3 Automatenstaal Automatenstaal is ontworpen voor eenvoudige verspaning met een korte spaan, ideaal voor massaproductie op automatische draaibanken [49](#page=49). * **Verbetering van verspanbaarheid:** Verkregen door toevoeging van zwavel en/of lood [49](#page=49). * **Soorten:** Zwavelhoudend, loodhoudend, en corrosievast (roestvast) automatenstaal [49](#page=49). ### 9.4 Gereedschapstaal Gereedschapstaal wordt gebruikt voor de productie van gereedschappen en moet daarom harder, taaier en slijtvaster zijn [49](#page=49). ### 9.5 Gietijzer en Gietstaal * **Gietijzer:** IJzer met minimaal 2,5% koolstof, gebruikt voor machineonderdelen en voorwerpen die gegoten worden. Het is na het gieten goed verwerkbaar [50](#page=50). * **Gietstaal:** Staal dat direct na bereiding in gietvormen wordt gegoten en niet door smeden e.d. wordt vervormd. Het kan ongelegeerd of gelegeerd zijn [50](#page=50) [51](#page=51). ### 9.6 Warmtebehandelingen Warmtebehandelingen worden toegepast om de eigenschappen van staal aan te passen [52](#page=52). #### 9.6.1 Harden Harden is een warmtebehandeling die de sterkte en hardheid verhoogt door het staal boven een bepaalde temperatuur te verwarmen en vervolgens snel af te koelen om martensiet te vormen [52](#page=52). * **Proces voor staal:** Verwarmen tot in het austenietgebied, gevolgd door snelle afkoeling om perlietvorming te onderdrukken en martensiet te verkrijgen [52](#page=52). * **Stappen:** 1. Gelijkmatig verhitten tot een gele kleur [52](#page=52). 2. Afkoelen in koud water of olie, afhankelijk van de materiaalsamenstelling en de gewenste afkoelsnelheid [52](#page=52). * **Gevolgen:** Verhoogde hardheid en slijtvastheid. Te snelle afkoeling kan leiden tot scheuren of breken [52](#page=52). #### 9.6.2 Ontlaten Ontlaten is noodzakelijk na harden om het staal minder bros te maken [52](#page=52). * **Proces:** Verwarmen na het harden tot 200°C tot 330°C en daarna afkoelen [53](#page=53). * **Gevolgen:** Vermindering van hardheid, toename van taaiheid, en grotendeels verdwijnen van interne materiaalspanningen [53](#page=53). * **Factoren die hardheid na ontlaten beïnvloeden:** Ontlatingstemperatuur en duur [53](#page=53). * **Stappen:** Verwijderen van oxidelaag, opnieuw verhitten, en wederom afkoelen in water of olie [53](#page=53). #### 9.6.3 Gloeien Gloeien is een warmtebehandeling met verschillende varianten om specifieke eigenschappen te verkrijgen [54](#page=54). * **Uitgloeien:** Verwarmen tot hardingstemperatuur gevolgd door langzame afkoeling om gehard staal weer zacht te maken voor bewerking. Wordt ook toegepast bij harde plekken [54](#page=54). * **Normaalgloeien:** Verwarmen tot 700-720°C om grove kristallen om te zetten in fijne kristallen (fijnkorrelige structuur). Toegepast bij staalsoorten tot 0,9% koolstof en bij dieptrekwerk [54](#page=54). * **Zachtgloeien:** Verwarmen rond 740°C gevolgd door langzame afkoeling om staalsoorten met meer dan 0,9% koolstof beter verspanbaar te maken door een korreligere structuur [55](#page=55). * **Spanningvrij gloeien:** Verwarmen tot 500-600°C en langzaam afkoelen om inwendige spanningen in gegoten, gelaste of gesmede onderdelen op te heffen. Voorkomt hardingsscheurtjes [55](#page=55). #### 9.6.4 Veredelen Veredelen omvat het harden van staal gevolgd door ontlaten bij hoge temperatuur (500-600°C) [55](#page=55). * **Gevolgen:** Toename van sterkte en taaiheid, waardoor het staal bestand wordt tegen stotende belastingen [55](#page=55). * **Toepassingen:** Spillen voor slijpmachines, onderdelen voor stempels, nokken, stalen walsrollen [55](#page=55). ### 9.7 Oppervlakteharden Bij oppervlakteharden wordt alleen de oppervlaktelaag gehard, terwijl de kern zacht blijft [55](#page=55). * **Voordelen:** Maakt onderdelen slijtvast met een hard oppervlak en behoudt een taaie kern voor weerstand tegen stotende of buigende belastingen [55](#page=55). * **Methoden:** * **Cementeren (inzetten/pakharden):** Onderdelen verpakt in een koolstofhoudende stof, verhit tot 850-950°C in een afgesloten bak. De oppervlakte neemt koolstof op (tot ca. 1%), wat leidt tot harding na opnieuw verhitten en afkoelen [56](#page=56). * Dikte van de inzetlaag is afhankelijk van de duur en het inzetpoeder [56](#page=56). * Gecementeerde werkstukken zijn alleen nog door slijpen te bewerken [56](#page=56). * **Carboniseren met gas:** Verwarming in een oven omgeven door een koolstofrijk gas (koolmonoxide) [56](#page=56). * **Carboniseren in zoutbaden:** Onderdelen ondergedompeld in gesmolten zout met koolstof en stikstof, wat de oppervlakte hardbaar maakt. Werkstukken blijven nagenoeg blank [56](#page=56). * **Nitreren:** Oppervlakteharden met stikstof door verhitting in ammoniakdampen op ca. 500°C gedurende 50-120 uur. Vormt een harde laag van stikstof-ijzerverbinding [56](#page=56) [57](#page=57). * **Voordelen:** Onderdelen blijven blank, nabewerking is overbodig, zuiver op maat maken vóór nitreren, weinig kans op kromtrekken door lage temperatuur, bestand tegen oxidatie [57](#page=57). * **Toepassingen:** Cilindervoeringen, kleppen, krukassen en andere motoronderdelen [57](#page=57). * **Vlamharden:** Snel verwarmen met een brander gevolgd door plotselinge afkoeling met water. Hardingsdiepte afhankelijk van vlamtemperatuur, brander-loopsnelheid en materiaaldikte [57](#page=57). * **Inductieharden (hoogfrequentieharden):** Gebruik van wisselstromen tot 500.000 Hz om de oppervlakte van een stalen voorwerp te verwarmen [57](#page=57). * **Toepassingen:** Krukassen, nokkenassen, tandwielen [57](#page=57). ### 9.8 Aluminium (Al) Aluminium is een licht metaal met een lage soortelijke massa (ca. 2700 kg/m³). Zuiver aluminium is moeilijk te bereiden en bevat vaak sporenelementen voor verbeterde sterkte. Er ontstaat snel een dun, dicht oxidelaagje dat bescherming biedt tegen verdere oxidatie [58](#page=58). #### 9.8.1 Soorten Aluminium * **Ongelegeerd aluminium:** Bevat 99,0-99,5% aluminium [58](#page=58). * **Aluminiumkneedlegeringen:** Gelegeerd met mangaan (Mn), magnesium (Mg), koper (Cu) [58](#page=58). * **Aluminiumgietlegeringen:** Gelegeerd met silicium (Si), magnesium (Mg) [58](#page=58). #### 9.8.2 Doel van legeren * Verbetering van mechanische eigenschappen [58](#page=58). * Verbetering van gietbaarheid [58](#page=58). #### 9.8.3 Invloeden van legeringselementen * **Koper:** Vergroot treksterkte en hardheid, legering is hardbaar, vermindert corrosieweerstand iets, verhoogt elektrische geleidbaarheid [58](#page=58). * **Mangaan:** Verbetert corrosievastheid licht, verhoogt treksterkte weinig, verlaagt warmte- en elektrische geleiding iets [58](#page=58). * **Magnesium:** Vergroot treksterkte en hardheid, verlaagt warmte- en elektrische geleiding iets [58](#page=58). * **Silicium:** Vergroot treksterkte, bevordert gietbaarheid en corrosievastheid [58](#page=58). * Andere elementen (sporen): Verbeteren algemeen mechanische eigenschappen, maar koper en zink verminderen corrosieweerstand [59](#page=59). #### 9.8.4 Eigenschappen en Toepassingen van Aluminium * Tamelijk goed bestand tegen oxidatie [59](#page=59). * Goede warmte- en elektrische stroomgeleider (afname door legeren) [59](#page=59). * Niet bestand tegen soda, zeewater, zwavelzuur, zoutzuur [59](#page=59). * Zeer dun uit te walsen tot ca. 0,006 mm (aluminiumfolie) [59](#page=59). * Goed te anodiseren (kunstmatige oxidehuid) [59](#page=59). #### 9.8.5 Verbeteren van mechanische eigenschappen * **Koudvervormen:** Maakt metaal harder, stugger, verhoogt treksterkte en verlaagt rek. Hardheidsgraden worden aangeduid met Z, HH (of ½ H), ½ H, H. Ongewenste hardheid kan worden verholpen met zacht gloeien [60](#page=60). * **Warmtebehandelingen (giet- en kneedlegeringen):** * **Zacht gloeien:** Verwarmen tot ca. 350°C en langzaam afkoelen voor zachtheid en lagere treksterkte, makkelijker bewerkbaar. Wordt toegepast bij bewerkingen langer dan drie uur [61](#page=61). * **Homogeen gloeien (natuurlijke dispersieharding):** Verwarmen tot ca. 500°C en snel afkoelen. Materiaal wordt tijdelijk zacht, wordt vanzelf weer hard na ca. drie uur en bereikt oorspronkelijke hardheid na ca. vijf dagen. Toegepast bij bewerkingen korter dan drie uur [61](#page=61). * **Dispersieharden (kunstmatige dispersieharding):** Verwarmen tot 120-180°C om oorspronkelijke hardheid sneller te bereiken [61](#page=61). #### 9.8.6 Bewerkbaarheid van Aluminium * Goed te verspanen [61](#page=61). * Goed te vervormen in koude toestand [61](#page=61). * Zeer dun uit te walsen (aluminiumfolie) [61](#page=61). * Moeilijk te solderen en te lassen door snelle oxidatie, maar met speciale vloeimiddelen en argon-arc lassen is het mogelijk. Ook te lijmen [61](#page=61). * Moeilijk te gieten door gasopname in vloeibare toestand [61](#page=61). * Goed te polijsten [61](#page=61). * Aluminiumlegeringen zijn over het algemeen goed te verspanen, maar met lagere snijsnelheden dan puur aluminium. Veredelde legeringen zijn minder goed te verspanen [62](#page=62). #### 9.8.7 Handelsvormen Platen (0,3 mm - 25 mm dik), aluminiumfolie (0,006 mm - 0,15 mm dik), staven en draad [62](#page=62). ### 9.9 Koper (Cu) Koper heeft een rood/gouden kleur en is een goede stroom- en warmtegeleider [63](#page=63). * Soortelijke massa: 8,95 kg/dm³ [63](#page=63). * Wordt stugger door trekken [63](#page=63). * Redelijk bestand tegen oxidatie (vormt beschermende oxidelaag) [63](#page=63). * Koperoxide is giftig [63](#page=63). * Goed verspaanbaar, soldeerbaar, niet lasbaar [63](#page=63). * **Toepassingen:** Kabels, collectoren, pijpleidingen, dakbedekkingen [63](#page=63). ### 9.10 Messing (Koper en Zink) Messing is een legering van koper en zink (minstens 10% zink) [64](#page=64). * **Eigenschappen:** Goed gietbaar en smeedbaar, beter bestand tegen oxidatie dan koper en zink afzonderlijk. Het zinkpercentage bepaalt de smelttemperatuur, hardheid, sterkte en koudvervormbaarheid [64](#page=64). * **Soorten:** Giet-, automaten-, plaat-, kneed- en soldeermessing [64](#page=64). ### 9.11 Brons Brons is een legering van koper en tin (min. 4%), met mogelijk toevoeging van zink, lood en fosfor [64](#page=64). * **Eigenschappen:** Het tinpercentage bepaalt de hardheid. Brons wordt voornamelijk gegoten en kan na het gieten niet meer spaanloos vervormd worden [64](#page=64). ### 9.12 Corrosie Corrosie is de aantasting van metalen door chemische invloeden, zoals water, zuren, zouten of dampen. Oxidatie, de aantasting door zuurstof, is een veelvoorkomende vorm [65](#page=65). #### 9.12.1 Nadelen van corrosie * Verlies of onbruikbaar worden van metalen voorwerpen [65](#page=65). * Vermindering van de sterkte van het aangetaste metaal [65](#page=65). * Hoge kosten voor herstel of vervanging van gecorrodeerde onderdelen [65](#page=65). #### 9.12.2 Vormen van corrosie * **Gelijkmatige corrosie:** Het metaal wordt geheel aangetast door contact met gassen, dampen bij hoge temperaturen of zuren en zouten [65](#page=65). * **Putvormige corrosie:** Ontstaat bij metaallegeringen (bv. messing) in contact met water of zuren, of door vuil dat plaatselijke aantasting veroorzaakt [65](#page=65). * **Interkristallijne corrosie:** Komt voor bij legeringen waar legeringselementen niet volledig zijn opgelost, zoals chroom-nikkelstaal met te veel koolstof. Scheurvorming kan ontstaan tussen kristallen door vochtindringing, leidend tot aantasting langs de kristalgrenzen [65](#page=65). * **Galvanische corrosie:** Ontstaat wanneer twee verschillende metalen met elkaar in contact komen. Een potentiaalverschil leidt tot elektrolyten, en bij aanwezigheid van vocht wordt het minst edele metaal aangetast [65](#page=65). --- Dit gedeelte beschrijft de chemische principes achter corrosie, met name spanningscorrosie, en de factoren die hierbij een rol spelen [66](#page=66). ### 9.1 Elektrochemische corrosieprincipes Corrosie, in de context van dit document, wordt beschreven vanuit een elektrochemisch perspectief, waarbij spanningen tussen verschillende metalen een centrale rol spelen [66](#page=66). #### 9.1.1 Anode en kathode Bij het optreden van een elektrische spanning tussen twee metalen, waarbij de ene minder edel is dan de andere, ontstaat een elektronenstroom in een vloeibare omgeving [66](#page=66). * De plaat die de elektronen de vloeistof in stuurt, wordt de anode genoemd [66](#page=66). * De plaat die de elektronen uit de vloeistof ontvangt, wordt de kathode genoemd [66](#page=66). * De anode zal oxideren en na verloop van tijd door deze oxidatie verteren, terwijl de kathode niet wordt aangetast [66](#page=66). ### 9.2 Spanningscorrosie (scheurvormige corrosie) Spanningscorrosie, ook wel scheurvormige corrosie genoemd, ontstaat wanneer de inwendige spanningen in het metaal te hoog worden, specifiek in de buitenste laag van het metaal [66](#page=66). #### 9.2.1 Oorzaken van inwendige spanningen Inwendige spanningen in metalen kunnen verschillende oorzaken hebben [66](#page=66): * **Verspanende bewerkingen:** Dit geldt in het bijzonder voor eenzijdige bewerkingen [66](#page=66). * **Gebruik van botte gereedschappen:** Verspanen met niet voldoende scherpe gereedschappen kan leiden tot verhoogde spanningen [66](#page=66). #### 9.2.2 Ontstaan van scheuren De scheuren of scheurtjes die als gevolg van deze spanningen ontstaan, kunnen langs de kristalgrenzen lopen of er direct doorheen [66](#page=66). #### 9.2.3 Bevordering van spanningscorrosie Spanningscorrosie wordt sterk bevorderd door het binnendringen van vocht direct nadat het eerste spanningsscheurtje is ontstaan. Vaak is het metaal direct naast de ontstane scheur niet aangetast door interkristallijne corrosie [66](#page=66). > **Tip:** Begrijpen van de interactie tussen interne metaalspanningen, omgevingsfactoren (zoals vocht) en de elektrochemische aard van corrosie is cruciaal voor het voorkomen van materiaalafbraak [66](#page=66). > **Example:** Stel je een metaalconstructie voor die onder constante mechanische belasting staat en ook blootgesteld wordt aan een corrosieve omgeving. Inwendige spanningen, mogelijk geïntroduceerd tijdens de productie, kunnen dan in combinatie met het vocht leiden tot het geleidelijk ontstaan en uitbreiden van scheuren, zelfs als de algemene corrosie op het oppervlak minimaal lijkt [66](#page=66). --- ## Veelgemaakte fouten om te vermijden - Bestudeer alle onderwerpen grondig voor examens - Let op formules en belangrijke definities - Oefen met de voorbeelden in elke sectie - Memoriseer niet zonder de onderliggende concepten te begrijpen

| Term | Definition | |------|------------| | α-ijzer (alfa-ijzer) | De allotropische vorm van zuiver ijzer met een kubisch ruimtelijk gecentreerd rooster, dat magnetische eigenschappen verliest bij 768 °C. | | γ-ijzer (gamma-ijzer) | De allotropische vorm van ijzer met een kubisch vlakken gecentreerd rooster, die ontstaat bij 906 °C uit α-ijzer. | | δ-ijzer (delta-ijzer) | De allotropische vorm van ijzer met een kubisch ruimtelijk gecentreerd rooster, die ontstaat bij 1401 °C uit γ-ijzer en smelt bij 1528 °C. | | TT-diagram (temperatuur-tijddiagram) | Een grafische weergave waarin de temperatuur verticaal en de tijd horizontaal wordt uitgezet om het gedrag van materialen bij verwarming en afkoeling te tonen, met specifieke aandacht voor haltepunten waar de temperatuur constant blijft. | | Haltepunten | Specifieke temperaturen in een TT-diagram waarbij de temperatuur gedurende een bepaalde tijd niet verandert, wat duidt op een faseovergang of stollingsproces. | | Cementiet (Fe₃C) | Een chemische verbinding van ijzer en koolstof, bestaande uit 93,3% ijzer en 6,67% koolstof, die een vaste samenstelling heeft en een belangrijke rol speelt in ijzer-koolstoflegeringen. | | Ferriet | IJzer met een zeer laag koolstofgehalte, kleiner dan 0,03%, gekenmerkt door een kubisch ruimtelijk gecentreerd rooster en relatief zachte eigenschappen. | | Austeniet (γ-mengkristallen) | Vormen van ijzer-koolstofmengsels met een kubisch vlakken gecentreerd rooster die ontstaan in vloeibare ijzer-koolstoflegeringen met 0% tot 4,3% koolstof boven de lijn ABCD in het ijzer-koolstofdiagram. | | Solidus | De lijn in een fase-diagram (zoals het ijzer-koolstofdiagram) die de temperatuur aangeeft waaronder alle legeringen volledig vast zijn. In het ijzer-koolstofdiagram is dit de lijn AECF. | | Perliet | Een eutecticum van ferriet en cementiet dat ontstaat bij een koolstofgehalte van 0,86% bij 721 °C, bestaande uit fijne lamellen van ferriet en cementiet. | | Ledeburiet | Een eutecticum van austeniet en cementiet dat ontstaat bij een koolstofgehalte van 4,3%, bestaande uit fijne kristallen van cementiet en austeniet. | | Ongelegeerd staal | Staal dat voornamelijk uit ijzer en koolstof bestaat, waarbij de eigenschappen sterk afhankelijk zijn van het koolstofgehalte en andere elementen slechts in geringe, onopzettelijke hoeveelheden aanwezig zijn. | | Treksterkte | De maximale spanning die een materiaal kan weerstaan voordat het breekt. Bij ongelegeerd staal neemt de treksterkte toe met een hoger koolstofgehalte. | | Rek | De mate van vervorming die een materiaal ondergaat voordat het breekt. Bij ongelegeerd staal neemt de rek af bij een hoger koolstofgehalte. | | Hardheid | De weerstand van een materiaal tegen indrukking of krassen. Bij ongelegeerd staal neemt de hardheid toe met een hoger koolstofgehalte. | | Taaiheid | Het vermogen van een materiaal om energie te absorberen voordat het breekt, wat vaak wordt geassocieerd met de weerstand tegen scheurvorming. Bij ongelegeerd staal neemt de taaiheid af bij een hoger koolstofgehalte. | | Hardbaar staal | Staal dat, bij een koolstofgehalte van meer dan 0,35%, geschikt is voor warmtebehandelingen om de hardheid te verhogen. | | Schadelijke elementen | Elementen zoals fosfor en zwavel die ongewenst zijn in staal omdat ze de treksterkte negatief beïnvloeden en de lasbaarheid verminderen. | | Staal voor algemeen gebruik | Staal waarvan de mechanische eigenschappen en chemische samenstelling binnen bepaalde grenzen vallen en waarvoor geen specifieke warmtebehandelingen zijn voorgeschreven. | | Vloeigrens | De spanning waarbij een materiaal begint te plastisch te vervormen, wat betekent dat de vervorming permanent wordt. | | Kwaliteitsstaal | Staal dat voldoet aan specifieke kwaliteitseisen met betrekking tot natuurkundige, mechanische, chemische of technologische eigenschappen. | | Natuurkundige eigenschappen | Eigenschappen van staal die betrekking hebben op fysische aspecten, zoals elektrische geleidbaarheid en magnetische kenmerken. | | Technologische eigenschappen | Eigenschappen van staal die gerelateerd zijn aan de verwerkbaarheid en toepasbaarheid, zoals vervormbaarheid, lasbaarheid en verspaanbaarheid. | | Ruwijzer | Een ijzer-koolstoflegering met een hoog koolstofgehalte (ongeveer 4% tot 5%) en vaak aanzienlijke hoeveelheden silicium, zwavel, fosfor en mangaan, evenals niet-metallische insluitsels, die als uitgangsmateriaal voor staalbereiding dient. | | Raffinage | Het proces van het zuiveren van ruwijzer tot staal door het verwijderen van ongewenste elementen en verontreinigingen, voornamelijk door middel van oxidatie. | | Oxystaalproces | Een staalraffinageproces waarbij gesmolten ruwijzer en schroot in een peervormige convertor worden gevuld, waarna zuurstof met hoge snelheid op het metaalbad wordt geblazen om koolstof en andere verontreinigingen te oxideren en te verwijderen. | | Haardovenproces (Siemens-Martin-proces) | Een staalbereidingsproces dat gebruikmaakt van een ondiepe, rechthoekige oven die op temperatuur wordt gehouden door de verbranding van brandstof en lucht boven het gesmolten metaal, waarbij lucht wordt toegevoerd om koolstof te oxideren en andere verontreinigingen te verminderen. | | Elektro-ovenproces | Een staalbereidingsproces waarbij schroot wordt gesmolten door een elektrische boog tussen grafiet elektroden en de lading, wat resulteert in een zuiverder staal, vaak gebruikt voor speciale legeringen. | | Insluitsels | Kleine deeltjes van niet-metallisch materiaal, zoals oxiden (bijvoorbeeld aluminiumoxide), silicaten en sulfiden, die zich vormen tijdens het smelten en raffineren van staal en de eigenschappen ervan negatief kunnen beïnvloeden. | | Vacuümsmelten of omsmelten | Een groep methoden voor het verkrijgen van staalsoorten met hoge zuiverheid, waarbij gesmolten staal wordt blootgesteld aan vacuüm om opgeloste gassen te verwijderen en vaste insluitsels te laten verdampen. | | Vacuümontgassen | Een vacuümraffinageproces waarbij gesmolten staal wordt geroerd en in een grote luchtledige ruimte tot ingots wordt gegoten om opgeloste gassen te verwijderen. | | Vacuüm boogomsmelten | Een veelgebruikte vacuümraffinagemethode waarbij ingots opnieuw worden gesmolten door een elektrische boog te trekken tussen de ingot (als elektrode) en een koperen vorm, waardoor insluitsels effectief worden verwijderd. | | Vacuüminductiesmelten | Een proces waarbij vast schroot of vloeibare ladingen in een vuurvast vat worden gesmolten met behulp van inductiestromen met hoge frequentie binnen een vacuümruimte. | | Elektronenstraalraffinage | Een methode waarbij gesmolten metaal in een vacuümruimte via een stortgoot wordt gegoten en tegelijkertijd met een elektronenbundel wordt bestraald, waardoor verontreinigingen verdampen en worden verwijderd. | | Argon-zuurstofontkoling | Een chemisch reactieproces waarbij argon en zuurstof in een gesmolten lading worden geblazen om het gehalte aan koolstof, zwavel en andere verontreinigingen te verminderen, terwijl argon de smelt beroert en de verwijdering van oxiden en gassen bevordert. | | Term | Definitie | | Gelegeerd staal | Staalsoorten die zijn gelegeerd met metalen en/of niet-metalen (metalloïden) om betere eigenschappen te verkrijgen dan ongelegeerd staal, waardoor ze geschikter worden voor specifieke toepassingen. | | Legeringselementen | Metalen en niet-metalen die aan staal worden toegevoegd om de eigenschappen ervan te verbeteren, zoals mangaan, silicium, chroom en nikkel. | | Laaggelegeerd staal | Staalsoorten met een percentage legeringbestanddelen van maximaal 5% en een koolstofgehalte dat niet hoger is dan 0,2%. Deze staalsoorten hebben vaak een hoge rekgrens en een fijne structuur. | | Gelegeerd staal (hoog gelegeerd) | Staalsoorten waarvan het percentage legeringbestanddelen hoger is dan 5%. De specifieke kwaliteiten zijn afhankelijk van de soort en hoeveelheid legeringselementen in samenhang met het koolstofgehalte. | | Mangaanstaal | Staal dat gelegeerd is met 1 tot circa 15% mangaan, wat resulteert in een grote slijtvastheid en een variërende treksterkte afhankelijk van het mangaangehalte. | | Chroomstaal | Staal dat gelegeerd is met 1 tot circa 30% chroom. Chroom verhoogt de hardheid, treksterkte en taaiheid van het staal en maakt het corrosievast en bestand tegen hoge temperaturen bij hogere chroomgehaltes. | | Corrosievaststaal | Een type staal dat, met name bij een chroomgehalte van 11% of meer, bestand is tegen corrosie en hoge temperaturen. Dit wordt vaak bereikt door legering met chroom. | | Slijtvastheid | De eigenschap van een materiaal om weerstand te bieden aan slijtage door wrijving of impact. Mangaanstaal staat bekend om zijn hoge slijtvastheid. | | Rekgrens | De spanning waarbij een materiaal begint plastisch te vervormen. Laaggelegeerd staal kan een hoge rekgrens hebben, variërend van circa 300 tot 900 MPa. | | Aluminium | Een licht metaal met een lage soortelijke massa van ongeveer 2700 kg/m², dat van nature een dunne, dichte oxidelaag vormt die het onderliggende metaal beschermt tegen verdere oxidatie. | | Ongelegeerd aluminium | Aluminium dat een hoog gehalte aan aluminium bevat, namelijk tussen 99,0% en 99,5%, met slechts kleine percentages aan andere elementen. | | Aluminiumkneedlegeringen | Legeringen van aluminium die specifiek zijn samengesteld om door middel van vervorming (zoals walsen of persen) bewerkt te kunnen worden, en die gelegeerd zijn met elementen zoals mangaan, magnesium en koper. | | Aluminiumgietlegeringen | Legeringen van aluminium die ontworpen zijn voor gietprocessen en gelegeerd zijn met elementen zoals silicium en magnesium om de gietbaarheid en mechanische eigenschappen te verbeteren. | | Legeren | Het toevoegen van één of meer elementen aan een metaal, zoals aluminium, om de mechanische eigenschappen, zoals treksterkte en hardheid, of de gietbaarheid te verbeteren. | | Koudvervormen | Een bewerkingsproces waarbij metaal, zoals aluminiumkneedlegeringen, wordt vervormd bij kamertemperatuur, wat resulteert in een toename van hardheid en treksterkte, en een afname van de rek. | | Zacht gloeien | Een warmtebehandeling waarbij aluminiumlegeringen worden verwarmd tot ongeveer 350°C en langzaam worden afgekoeld, waardoor het materiaal zachter wordt, de treksterkte afneemt en het beter bewerkbaar is. | | Homogeen gloeien | Een warmtebehandeling waarbij aluminiumlegeringen tot ongeveer 500°C worden verwarmd en snel worden afgekoeld, wat resulteert in tijdelijke verzachting en de mogelijkheid tot verdere bewerking, waarna het materiaal vanzelf weer hard wordt. | | Natuurlijke dispersieharding | Het proces waarbij een gehomogeen gegloeide aluminiumlegering na verloop van tijd vanzelf weer hard wordt door een moleculaire structuurverandering, wat leidt tot een toename van de hardheid. | | Kunstmatige dispersieharding | Een warmtebehandeling waarbij aluminiumlegeringen gedurende enige tijd worden verwarmd op een temperatuur tussen 120°C en 180°C, gevolgd door afkoeling, om de oorspronkelijke hardheid sneller te bereiken dan bij natuurlijke dispersieharding. | | Anodiseren | Een elektrochemisch proces waarbij een kunstmatige oxidelaag op het oppervlak van aluminium of aluminiumlegeringen wordt aangebracht om de corrosieweerstand te vergroten en het metaal te beschermen. | | Kathodische bescherming | Een methode om corrosie te bestrijden waarbij een minder edel metaal (de anode) wordt geofferd om het te beschermen metaal (de kathode) te voorkomen dat het wordt aangetast door elektrolytische werking. | | Stollingsdiagram (Toestandsdiagram) | Een grafische weergave die het begin- en eindpunt van het stollingstraject voor elke mogelijke mengverhouding van een legering vastlegt. Het toont de fasen die aanwezig zijn bij verschillende temperaturen en samenstellingen. | | Stollingstraject | Het temperatuurbereik waarin een legering van een vloeibare naar een vaste toestand overgaat. Tijdens dit traject is de legering vaak brijachtig of bestaat uit een mengsel van vloeistof en vaste kristallen. | | Mengkristal | Een vaste oplossing waarbij de atomen van het ene metaal in het rooster van het andere metaal zijn opgenomen, waardoor een homogene vaste fase ontstaat. Dit treedt op wanneer metalen in vaste toestand in elkaar oplosbaar zijn. | | Eutecticum | Een specifieke legeringssamenstelling die bij een constante temperatuur stolt, in plaats van een stollingstraject te hebben. Het bestaat uit een mengsel van zeer fijne kristallen van de samenstellende metalen met een fijnkorrelige structuur. | | Liquiduslijn | De lijn in een stollingsdiagram die de temperatuur aangeeft waarbij de legering volledig vloeibaar is. Boven deze lijn bevindt de legering zich volledig in de vloeibare fase. | | Soliduslijn | De lijn in een stollingsdiagram die de temperatuur aangeeft waarbij de legering volledig vast is. Beneden deze lijn bevindt de legering zich volledig in de vaste fase. | | Ontmengen | Het proces waarbij een vaste legering, die oorspronkelijk een homogene mengkristalstructuur had, bij afkoeling een deel van een van de componenten afscheidt als aparte kristallen. Dit gebeurt wanneer de oplosbaarheid van de metalen in vaste toestand afneemt met dalende temperatuur. | | Harden | Harden is een warmtebehandeling waarbij de sterkte en hardheid van een metaallegering, zoals staal, wordt verhoogd door het materiaal boven een bepaalde temperatuur te verhitten en vervolgens snel af te koelen, zodat martensiet ontstaat. Bij staal wordt het materiaal opgewarmd tot in het austenietgebied en snel afgekoeld om perlietvorming te onderdrukken en martensiet te verkrijgen, wat leidt tot verhoogde hardheid en slijtvastheid. | | Ontlaten | Ontlaten, ook wel aanlaten genoemd, is een warmtebehandeling die na het harden wordt toegepast om de brosheid van staal te verminderen. Het werkstuk wordt verwarmd tot een temperatuur tussen 200 °C en 330 °C en vervolgens afgekoeld, waardoor de hardheid afneemt, de taaiheid toeneemt en interne materiaalspanningen grotendeels verdwijnen. | | Gloeien | Gloeien is een verzamelnaam voor verschillende warmtebehandelingen die worden toegepast om de eigenschappen van staal te verbeteren, zoals het verzachten, het verfijnen van de kristalstructuur of het verwijderen van inwendige spanningen. Dit proces omvat het verhitten van het staal tot een specifieke temperatuur gevolgd door een langzame afkoeling. | | Uitgloeien | Uitgloeien is een gloeiproces dat wordt toegepast om gehard staal weer bewerkbaar te maken, bijvoorbeeld voor reparaties of wanneer het staal harde plekken vertoont. Het staal wordt verwarmd tot de hardingstemperatuur en daarna langzaam afgekoeld, wat resulteert in een aanzienlijke afname van de hardheid. | | Normaalgloeien | Normaalgloeien wordt toegepast om grove kristallen in staal, ontstaan door processen zoals smeden of persen, om te zetten in fijne kristallen, wat resulteert in een fijnkorrelige structuur. Dit verbetert de sterkte en bewerkbaarheid van het staal en wordt toegepast bij staalsoorten met maximaal 0,9% koolstof. | | Zachtgloeien | Zachtgloeien is een warmtebehandeling die wordt toegepast op staalsoorten met meer dan 0,9% koolstof om de verspaanbaarheid te verbeteren. Het staal wordt verwarmd tot ongeveer 740 °C en langzaam afgekoeld, wat leidt tot een korreligere structuur en daardoor een betere bewerkbaarheid. | | Spanningvrij gloeien | Spanningvrij gloeien is een warmtebehandeling die wordt toegepast om inwendige spanningen in gegoten, gelaste of gesmede onderdelen te elimineren, die anders tot breuk of vervorming kunnen leiden. Het werkstuk wordt verwarmd tot 500 °C à 600 °C en langzaam afgekoeld, wat het ontstaan van hardingsscheurtjes bij een latere harden voorkomt. | | Veredelen | Veredelen is een warmtebehandeling waarbij staal eerst wordt gehard en vervolgens bij een hoge temperatuur (500 °C à 600 °C) wordt ontlaten. Dit proces verhoogt zowel de sterkte als de taaiheid van het staal, waardoor het bestand wordt tegen stotende belastingen en geschikt is voor toepassingen zoals spindels en stempels. | | Oppervlakteharden | Oppervlakteharden is een proces waarbij alleen de oppervlaktelaag van een onderdeel wordt gehard, terwijl de kern zacht en taai blijft. Dit is nuttig voor onderdelen die slijtvast moeten zijn aan het oppervlak en tegelijkertijd bestand tegen belastingen door hun taaie kern. | | Cementeren | Cementeren, ook wel inzetten of pakharden genoemd, is een oppervlaktehardingsmethode waarbij staal wordt verpakt in een koolstofhoudende stof en gedurende enkele uren op een temperatuur van circa 850 °C à 950 °C wordt verhit. De oppervlakte neemt koolstof op, waarna het onderdeel opnieuw wordt verhit tot de hardingstemperatuur en snel wordt afgekoeld, wat resulteert in een harde oppervlakte met een hoog koolstofgehalte. | | Carboniseren met gas | Carboniseren met gas is een oppervlaktehardingsmethode waarbij onderdelen in een oven worden verwarmd in een atmosfeer van een koolstofrijk gas, zoals koolmonoxide. Het metaaloppervlak neemt in gloeiende toestand koolstof op uit de gasvlam, waarna de werkstukken vaak direct worden afgekoeld. | | Carboniseren in zoutbaden | Carboniseren in zoutbaden is een methode waarbij onderdelen worden gedompeld in gesmolten zout dat koolstof en stikstof bevat. Beide elementen beïnvloeden de oppervlakte zodanig dat deze hardbaar wordt, waarna de werkstukken worden afgekoeld in water of olie. Een voordeel is dat de werkstukken nagenoeg blank blijven. | | Nikkelstaal | Een staallegering met een nikkelgehalte variërend van 2% tot 50%. Nikkel verhoogt de treksterkte, hardheid en taaiheid van staal. Bij specifieke nikkelgehaltes vertoont het staal uitzonderlijke eigenschappen zoals grote taaiheid bij zeer lage temperaturen, corrosievastheid, een lage uitzettingscoëfficiënt (invarstaal) of uitstekende magnetische eigenschappen. | | Chroom-nikkelstaal | Een hoogwaardige staalsoort gelegeerd met 12% tot 26% chroom en 1% tot 20% nikkel. Deze legering is over het algemeen zuur- en corrosiebestendig en hittevast. Bekende varianten, zoals de 18/8 kwaliteit, worden toegepast in de voedingsmiddelenindustrie, chemische installaties en voor onderdelen van verbrandingsmotoren. | | Roestvast staal | Staal dat goed bestand is tegen oxidatie en agressieve chemische stoffen, gelegeerd met minimaal 11% chroom. Het chroom vormt een beschermend oxidelaagje. Roestvast staal wordt onderverdeeld in chroomstaal, chroom-nikkelstaal en kan verder gelegeerd zijn met elementen zoals molybdeen, zwavel, selenium en titaan om specifieke eigenschappen zoals putcorrosiebestendigheid, verspaanbaarheid of lasbaarheid te verbeteren. | | Ferritisch roestvast staal | Een type roestvast staal met een specifieke kristallijne structuur, gekenmerkt door een chroomgehalte van 12% tot 26%. Deze staalsoorten worden toegepast in turbineschoepen, apparaten voor de aardolie- en chemische industrie, en voor sierdoeleinden in de automobielbouw en keukengerei. | | Martensitisch roestvast staal | Een type roestvast staal dat hardbaar is en een chroomgehalte heeft van 11,5% tot 18%. Het wordt gebruikt voor onderdelen die in contact komen met water en stoom, zoals assen voor waterpompen, kranen, huishoudelijke artikelen en scharen. | | Austenitisch roestvast staal | Een type roestvast staal met een austenitische kristallijne structuur, typisch gelegeerd met chroom en nikkel. Deze staalsoorten zijn zeer corrosiebestendig en hittevast, en worden toegepast in keukengerei, opslagtanks, pijpleidingen, installaties voor de voedingsmiddelen- en chemische industrie, en voor onderdelen die aan hoge temperaturen worden blootgesteld. | | Verenstaal | Een staallegering die gelegeerd kan zijn met elementen zoals chroom, vanadium, silicium en mangaan. Deze legeringen danken hun grote veerkracht aan de toevoeging van silicium en vanadium, waarbij vanadium ervoor zorgt dat de veerkracht bij hoge temperaturen behouden blijft. Het wordt gebruikt voor de productie van diverse technische veren. | | Slak | Een vloeibaar bijproduct dat zich boven het gesmolten ijzer in een hoogoven verzamelt en wordt gevormd door de binding van silicaten uit het gesteente met toegevoegde kalk, dient voor het verwijderen van verontreinigingen uit het ijzererts. | | Legering | Een mengsel van twee of meer metalen, of een metaal met een of meer andere elementen, om specifieke eigenschappen te verkrijgen die verschillen van de oorspronkelijke componenten. | | Koolstofgehalte | De hoeveelheid koolstof die aanwezig is in een metaallegering, uitgedrukt als een percentage van het totale gewicht, wat cruciaal is voor de eigenschappen van staal en gietijzer. | | Oxidatie | Een chemisch proces waarbij een stof reageert met zuurstof, in de context van staalbereiding wordt het gebruikt om onzuiverheden zoals koolstof, silicium, mangaan, zwavel en fosfor uit ruwijzer te verwijderen. | | Vacuümsmelten | Een raffinagetechniek waarbij gesmolten staal wordt blootgesteld aan een vacuüm om opgeloste gassen te laten ontsnappen en vaste insluitsels te laten verdampen, wat resulteert in een hogere zuiverheid van het staal. | | Gietpanraffinage | Een relatief nieuwe raffinagemethode waarbij vaste materialen zoals calcium en zeldzame aardmetalen met een argonlans in gesmolten metaal worden geïnjecteerd om verontreinigingen zoals zuurstof en zwavel te verwijderen. |