Lassen van hoge- sterktestaal (deel 1)

26-27-28-Staalkwaliteiten 14-05-12 11:17 Pagina 26
DOOR: THEO LUIJENDIJK
Lassen van hogesterktestaal (deel 1)
Een hogere sterkte van constructiestaalsoorten kan
verkregen worden door legeren, door korrelverfijning en door een warmtebehandeling.
De combinatie van deze drie levert een lasbaar
constructiestaal op met de hoogste sterkte. Het
betreft de Quenched & Tempered (QT) staalsoorten
die beginnen bij een rekgrenswaarde van 460 MPa
en waarvan de rekgrens oploopt tot een waarde tot
boven 1.100 MPa. In dit artikel zal eerst worden
ingegaan op de normaalgegloeide en thermoDe temperatuur tijdens het walsen kan veel uitmaken voor de samenstelling van het constructiestaal
mechanisch gewalste staalsoorten met een hogere
(afbeeldingen: Dillinger Hütte)
sterkte en zullen de voor- en nadelen van deze twee
typen vergeleken worden met de QT-soorten. In een
tweede artikel zullen de QT staalsoorten uitgebreid
worden behandeld.
(C-Mn) ook weer korrelgroei op, zie figuur 1.
dikte van het materiaal des te hoger de wals-
De uiteindelijk verkregen korrelgrootte na het
krachten. De mogelijkheden tot walsen laag in
warmwalsen kan, indien gewenst, door nor-
het austenietgebied zullen afhangen van het
maalgloeien worden verkleind. Bij verhitten zal
vermogen van de walsinstallatie van een be-
als gevolg van de ferriet-austeniet transformatie
paalde fabrikant. Sommige fabrikanten kiezen
(α ⇒ β) korrelverfijning optreden en bij afkoe-
zelfs voor walsen in het austeniet-ferrietgebied.
len zal opnieuw korrelverfijning plaatsvinden
De reeds gevormde ferriet zal dan een blijvende
als gevolg van de omgekeerde reactie (β ⇒ α).
deformatie ondergaan en dit is gunstig voor de
De techniek om een hogere sterkte te verkrij-
De temperatuur bij normaalgloeien voor een
sterkte van het materiaal, maar nadelig voor de
gen voor constructiestaal is het verkleinen van
constructiestaal met een koolstofgehalte van
taaiheid. Het proces van walsen laag in het aus-
de korrelgrootte van het staal. Een kleinere kor-
circa 0,2% bedraagt ongeveer 900°C.
tenietgebied wordt ook wel normaliserend walsen genoemd. In NEN-EN 10025 deel 3 zijn de
rel- of kristalgrootte veroorzaakt niet alleen een
hogere rekgrens, maar is ook gunstig voor de
Walsen laag in austenietgebied
technische leveringscondities van de normaal-
taaiheid van het materiaal. De korrelgrootte
Uit figuur 1 blijkt dat de korrelgroei bij lage wal-
gegloeide en de normaliserend gewalste con-
van een constructiestaal wordt grotendeels be-
stemperaturen beperkt blijft en zelfs niet meer
structiestaalsoorten vermeld (N-type). De rek-
paald tijdens het walsproces. Bij warmwalsen
optreedt bij de laatste walsstappen (walsste-
grens van de N soorten varieert van 275 MPa tot
treedt als gevolg van de toegepaste deformatie
ken). Walsen laag in het austenietgebied resul-
460 MPa.
rekristallisatie op bij de hoge walstempera-
teert dus in korrelverfijning. Met het verlagen
tuur (1.200-1.000°C). Die leidt tot korrelverfij-
van de walstemperatuur zullen de walskrachten
Microlegeringselementen
ning. Maar bij die hoge walstemperaturen
en het benodigde vermogen om het staal te
Een tweede methode om korrelverfijning te be-
treedt
kunnen walsen oplopen en ook hoe groter de
werkstelligen is het toevoegen van geringe hoe-
26
voor
het
koolstof-mangaan
staal
jaargang 50 | www.metaalmagazine.nl | 5-2012
26-27-28-Staalkwaliteiten 14-05-12 11:17 Pagina 27
V E R B I N D E N
verkrijgen. Deze manier van vervaardiging van
constructiestaal wordt thermomechanisch walsen (TM) genoemd. De constructiestaalsoorten
die op deze manier vervaardigd worden zijn
vermeld in NEN-EN 10025 deel 4. De rekgrens
van de TM staalsoorten begint eveneens bij 275
MPa en eindigt bij 460 MPa, maar hogere waarden voor de rekgrens zijn haalbaar. TM staalsoorten met een rekgrens van 690 MPa zijn tegenwoordig beschikbaar. Naast de toevoeging
van de microlegeringselementen worden kleine
toevoegingen (tienden procenten) aan koper
(Cu), nikkel (Ni), chroom (Cr) en molybdeen (Mo)
toegepast. De toevoegingen van deze laatste legeringselementen beïnvloeden ook de austeniet
naar ferriet transformatie bij het afkoelen. Door
versneld afkoelen kan de structuur van de ferriet
en daarmee de sterkte-taaiheidcombinatie van
het materiaal beïnvloed worden.
De keuze voor het type en hoeveelheid aan microlegeringselement in combinatie met de toevoegingen aan Cu, Ni, Cr en/of Mo zullen naast
Figuur 1. Invloed van het walsproces op de korrelgrootte van constructiestaal. Na elke walssteek treedt
het gevoerde walsproces en de afkoelsnelheid
rekristallisatie op, maar op hoge temperatuur ook weer korrelgroei. R1, R2 (R=Rolling) enzovoorts zijn de
na het walsen bepalend zijn voor de eigen-
walssteken bij hoge temperatuur; F1, F2 (F=Finish) enzovoorts staan voor de eindsteken van het walsproces
schappen (sterkte, taaiheid en lasbaarheid) van
het TM materiaal. Het zal na deze inleiding duidelijk zijn dat afhankelijk van de dikte van het
veelheden aan bepaalde legeringselementen.
bieler zijn dan carbiden en dat niobium- en
materiaal de ene staalproducent kan kiezen
Legeringselementen die carbiden, nitriden en
titaancarbiden stabieler zijn (minder snel oplos-
voor een optimale taaiheid in combinatie met
carbonitriden vormen. De uitscheidingen aan de
sen) dan vanadiumcarbide. De stabiliteit van de
een acceptabele sterkte en de andere fabrikant
korrelgrenzen en in de austenietkorrels beper-
carbiden en nitriden is niet alleen belangrijk voor
kan kiezen voor een zo hoog mogelijke sterkte
ken de korrelgroei tijdens het walsen. Derge-
de beperking van de korrelgroei tijdens het wal-
met behoud van een acceptabele taaiheid.
lijke legeringselementen zijn niobium (Nb), va-
sen, maar ook voor de korrelgroei in de warmte-
nadium (V) en titaan (Ti). De hoeveelheid aan
beïnvloede (WBZ) zone van een lasverbinding.
deze legeringselementen is gering, vandaar de
Door staalproducenten worden de microlege-
naam microlegeringselementen. Gebruikelijke
ringselementen V, Nb en Ti afzonderlijk, maar
concentraties variëren van 0,05% tot circa
ook in combinatie gebruikt. Naast deze lege-
0,12%. In figuur 1 wordt het effect van niobium
ringselementen maakt een enkele fabrikant
op het belemmeren van de korrelgrootte geïl-
ook gebruik van borium. Boriumpercentages
lustreerd.
zijn niet hoger dan enkele duizenden procenten
De stabiliteit en daarmee de werking van de
en dit maakt het toevoegen van dit microlege-
carbiden en nitriden is voor de diverse microle-
ringselement lastig. Bovendien zal een iets te
geringselementen verschillend, zie figuur 2. In
hoge boriumconcentratie snel nadelig uitwer-
figuur 2 is het oplosbaarheidsproduct van een
ken voor de kerftaaiheid van het materiaal. Bo-
aantal carbiden en nitriden weergegeven als
rium wordt om die reden niet vaak toegepast.
functie van de temperatuur. Voor het oplos-
Aluminium wordt tijdens de productie van staal
baarheidsproduct van bijvoorbeeld de vanadi-
toegevoegd als desoxidator (gekalmeerd staal).
umcarbidedeeltjes geldt de volgende formule:
Door een geringe overmaat aan aluminium toe
>>>
te voegen in combinatie met extra stikstof worden aluminiumnitriden gevormd die eveneens
dienstdoen als korrelverfijner.
Thermomechanisch walsen
C = koolstofgehalte
Walsen laag in het austenietgebied leidt tot
V = vanadiumgehalte
korrelverfijning. Hoe lager de walstemperatuur
VC = concentratie vanadiumdeeltjes
des te kleinere korrelgrootte. Toevoegen van
microlegeringselementen leidt eveneens tot
Hoe groter het aantal bij een bepaalde tempera-
korrelverfijning. Door deze twee te combineren
tuur aanwezige deeltjes, des te kleiner het oplos-
wordt een constructiestaal verkregen met ei-
Figuur 2. Oplosbaarheidsproduct van een aantal
baarheidsproduct. Dit houdt in dat nitriden sta-
genschappen die niet via normaalgloeien zijn te
carbiden en nitriden
jaargang 50 | www.metaalmagazine.nl | 5-2012
27
26-27-28-Staalkwaliteiten 14-05-12 11:17 Pagina 28
Figuur 3. Structuur van de staalsoorten met een verhoogde sterkte. N =
Figuur 4. Overzicht rekgrens en overgangstemperatuur van taai naar bros breken voor een
normaalgegloeid, TMa = thermomechanisch gewalst, Q = gehard en
aantal constructiestaalsoorten. TMCP = Thermo Mechanical Controlled Processing
ontlaten, TMb = thermomechanisch gewalst en versneld afgekoeld
(gecontroleerd walsen)
Sterkte en lasbaarheid
(Quenched & Tempered) staalsoorten ge-
Voor- en nadelen staalsoorten
Voor de koolstof-mangaan staalsoorten wordt
noemd en zijn in NEN-EN 10025 deel 6 ver-
In figuur 3 wordt de structuur van de drie
de sterkte naast de invloed van de korrelgrootte
meld. De sterkte van deze soorten begint bij
typen staalsoorten getoond. Het lage koolstof-
bepaald door het koolstof-, het mangaan- en
460 MPa en loopt in het normblad op tot 960
gehalte van het TM materiaal komt tot uiting
het siliciumgehalte. Het koolstofgehalte speelt
MPa. Hogere sterktes dan vermeld in het
in het geringere perlietaandeel (donkere fase).
hierin een belangrijke rol. Hoe hoger het kool-
normblad zijn haalbaar, maar niet elke staal-
Duidelijk zijn ook de verschillen in korrel-
stofgehalte des te hoger de sterkte. Een hoog
producent kan hogere sterkte dan 960 MPa le-
grootte. Bij versnelde afkoeling van het TM
koolstofgehalte is echter nadelig voor de taai-
veren.
staal ontstaat een nog fijnere korrel. De struc-
heid van het materiaal en ook de lasbaarheid
De samenstelling van de QT staalsoorten on-
tuur van het QT materiaal is ontlaten marten-
gaat met het koolstofgehalte achteruit. Man-
derscheidt zich van die van de N en TM soorten
siet.
gaan en silicium dienen als desoxidator en het
door een hoger koolstofgehalte en een hoger
De verschillen in structuur zullen van invloed
percentage van deze legeringselementen ligt
gehalte aan de legeringselementen chroom,
zijn op de eigenschappen van deze drie soor-
min of meer onafhankelijk van de staalprodu-
nikkel, molybdeen en koper. Het chroomge-
ten. De lasbaarheid van de TM soorten zal als
cent binnen bepaalde grenzen. Het mangaan-
halte van deze staalsoorten bedraagt maxi-
gevolg van het lagere koolstofgehalte iets
gehalte in constructiestaal is maximaal 1,5% en
maal 1,5% en het nikkelgehalte kan oplopen
beter zijn dan die van de N soorten. Verder zal
het siliciumgehalte zelden hoger dan 0,5%. Bij
tot 2%. Het molybdeengehalte blijft meestal
door de korrelgroei in de WBZ van de las de
de TM staalsoorten zorgen de microlegerings-
beneden 1% en het kopergehalte bedraagt
kerfslagwaarden voor de TM materialen hoger
elementen voor een extra bijdrage aan de
maximaal 0,5%. Voor deze staalsoorten wordt
liggen dan voor de N soorten. De kerfslag-
sterkte door de fijne korrel. Die extra sterkte
ook gebruikgemaakt van de microlegerings-
waarde van de QT soorten zal door de hogere
biedt staalproducenten de mogelijkheid om het
elementen niobium, vanadium, titaan en zir-
sterkte en andere structuur de laagste zijn van
koolstofgehalte te verlagen. Dit is gunstig voor
koon. Het maximumgehalte aan borium voor
de drie typen. In figuur 4 wordt hiervan een
de kerftaaiheid van het materiaal en een laag
de QT soorten bedraagt 0,006%.
voorbeeld gegeven.
koolstofgehalte bevordert ook de lasbaarheid.
De hogere percentages aan legeringselemen-
Vanaf een bepaalde materiaaldikte zal voor-
De TM staalsoorten hebben dus een lager kool-
ten (Cr, Ni, Mo en Cu) dienen voor een betere
warmen voor lassen nodig zijn bij de QT
stofgehalte dan de N staalsoorten. Het koolstof-
doorharding van het staal. Voor de sterkte is
soorten. De grootste materiaaldikte zonder
gehalte van de TM soorten is zelden hoger dan
het koolstofgehalte van groot belang. Immers
voorwarmen kan gelast worden voor de TM
0,1%, terwijl dit in de N soorten kan oplopen tot
de hardheid en daarmee de sterkte na harden
soorten. De circa 10 procent hogere kostprijs
0,17%. Aan alles zit echter een prijskaartje en
wordt bepaald door het koolstofgehalte. De
van deze materialen wordt dan snel terug-
TM soorten zijn iets duurder dan de N soorten.
QT soorten hebben afhankelijk van de materi-
verdiend door de geringere productiekosten.
De betere lasbaarheid werkt kostenbesparend
aaldikte een koolstofgehalte rond 0,2%.
Staalsoorten met een verhoogde sterkte zijn
en de uiteindelijke kostprijs van een gelaste con-
Het benodigde percentage legeringselemen-
interessant in constructies waar voornamelijk
structie kan daardoor toch lager uitvallen.
ten is allereerst afhankelijk van de gewenste
trekbelastingen optreden. Voor een con-
sterkte, maar wordt ook bepaald door de dikte
structie zoals een schip, waarbij stijfheid een
Harden en hoog ontlaten
van het materiaal. Hoe dikker hoe meer lege-
belangrijke rol speelt, is de toepassing van
De structuur en daarmee de sterkte van een
ringselementen nodig zijn om de martensiets-
hoge sterkte staal minder interessant. Omdat
constructiestaal kan ook beïnvloed worden
tructuur te verkrijgen. De sterkte-taaiheidcom-
de vermoeiingssterkte niet in gelijke mate
door na het walsen zo snel mogelijk af te koe-
binatie van de QT staalsoorten wordt ook be-
met de rekgrens omhoog gaat en de kerfge-
len (harden) en daarna bij relatief hoge tempe-
paald door de hoogte van de ontlaattempera-
voeligheid toeneemt is ook toepassing van
ratuur te ontlaten (veredelen). De structuur
tuur. Een hoge ontlaattemperatuur gaat ten
deze staalsoorten bij wisselende belasting
van deze materialen bestaat uit ontlaten mar-
koste van de sterkte, maar is gunstig voor de
eveneens minder interessant voor gelaste
tensiet. Deze staalsoorten worden de QT
taaiheid van het materiaal.
constructies.
28
jaargang 50 | www.metaalmagazine.nl | 5-2012
<<<