Soorten, kwaliteiten, eigenschappen
Het grootste deel van het staal dat geproduceerd wordt is laag koolstof staal met koolstof gehaltes onder de 0,25%. Deze staalsoorten zijn goed omvormbaar en taai waardoor ze makkelijk te verwerken zijn met verspanende bewerkingen, goed lasbaar en uitermate geschikt voor dieptrekken.
Typische vloeigrenzen voor laag koolstofstaal liggen rond de 300 N/mm2. Door toevoeging van een hoeveelheid elementen als koper, vanadium, nikkel en molybdeen worden staalsoorten verkregen met een meer dan dubbele sterkte. Vloeigrenzen tot 700 N/mm2 zijn beschikbaar. Vanwege de lage gehaltes legeringselementen, combineren deze staalsoorten toch een goede lasbaarheid en omvormbaarheid met de hogere sterkte.
Onderstaand zijn een aantal karakteristieken van soorten Hoge Sterkte Staal beschreven.
HSLA:
Deze staalsoorten combineren een goede lasbaarheid en vervormbaarheid met de hogere sterkte. HSLA staalsoorten worden dan voor uiteenlopende toepassingen ingezet. Dit in tegenstelling tot vele andere hoge sterktestalen die voor zeer specifieke toepassing zijn ontwikkeld (in veel gevallen is dit de automobielindustrie).
Rekgrens | Treksterkte | Breukrek |
280-700 | 370-950 | 10-33 |
Mikrogelegeerd staal
De sterkte verhoging bij deze staalsoorten wordt voornamelijk verkregen door de korrelverfijning. Daarnaast worden nog elementen als niobium en vanadium toegevoegd. De met deze elementen gevormde carbiden verhogen de vloeigrens en treksterkte nog verder. De taaiheid neemt hierbij sterk af.
|
Fosfor (rephosphorised) staal
De toevoeging van fosfor (0,8% max.) kan een aanzienlijke sterkteverhoging bewerkstelligen zij het minder dan de eerder genoemde. Het voordeel van de fosfor toevoeging is dat de taaiheid minder sterk afneemt. Voorwaarde hierbij is wel dat het materiaal zeer weinig zwavel mag bevatten om verbrossing te voorkomen. De tabel geeft de belangrijkste eigenschappen volgens NEN-EN 10268.
|
Koudgewalste microgelegeerde kwaliteit (voor koudvervormen)
De sterkte-verhoging binnen deze groep wordt verkregen door het toevoegen van geringe hoeveelheden legeringselement (niobium en titaan). Deze kwaliteiten hebben ten opzichte van thermomechanische kwaliteiten bij dezelfde sterkte een betere vervormbaarheid. De maximale vloeigrens bedraagt ca. 500N/mm2.
Koudgewalst staal met bakehardening (BH) effect
Dit is een typische automobielkwiteit. In leveringstoestand heeft het materiaal een relatief lage sterkte en is uitstekend vervormbaar. Door een warmtebehandeling van het eindprodukt (bijvoorbeeld moffelen van de lak) stijgt de sterkte. De maximale vloeigrens, na waarmtebehandeling, bedraagt ca. 400N/mm2.
De Bake Hardening staalsoorten danken hun naam aan de ‘slimme’ eigenschap dat ze na een warmtebehandeling (baking) sterker worden (hardening). Deze staalsoort is tijdens het dieptrekken zacht en goed vervormbaar, maar na het lakken heeft het een verhoogde weerstand tegen indeuken.
Toepassingen van deze producten zijn buitendelen van auto’s die een hoge weerstand tegen indeuken moeten hebben. Buiten de automobiel industrie worden deze staalsoorten weinig gebruikt.
Rekgrens | Treksterkte | Breukrek |
180-360 N/mm2 (+ 30 na baking) | 280-480 N/mm2 | 26-34 % |
| ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
 |
figuur 1.1 Het effect van bake hardening op de trekkromme
IF-staal
IF-staal van hoge sterkte is gebaseerd op een vacuum ontkoold en met titaan en/of niobium gelegeerd staal, waaraan voor het bereiken van de hoge treksterkte nog fosfor en mangaan toegevoegd kan zijn. Dit staal kenmerkt zich in vergelijking met de andere hoge sterkte stalen tot een hoge waarde voor anisotropie (r-waarde), welke zeer belangrijk is bij dieptrekken. Vooral de hoge r-waarde in de 45° richting leidt tot geringe oorvorming.
|
'Dual phase' (DP) kwaliteiten
Deze kunnen zowel warm- als koudgewalst geleverd worden. Door een geschikte combinatie van samenstelling en afkoelsnelheid na warmwalsen of continu gloeien na koudwalsen ontstaat een structuur die bestaat uit ferriet met eilandjes martensiet. Deze kwaliteiten worden gekenmerkt door een goede omvormbaarheid en grote versteviging. Verstevigen wil zeggen dat het materiaal sterker wordt door het te omvormen. De complexe samenstelling van het materiaal (het is feitelijk een composiet) maken de verwerking ingewikkelder. De eindgebruiker moet maatregelen nemen om te zorgen dat de microstructuur van het aangeleverde staal, na bewerking nog steeds hetzelfde is. Bijzondere processen en goede procesbewaking kunnen helpen om dit zeker te stellen.
Rekgrens | Treksterkte | Breukrek | ||||
300-1000 | 500-1000 | 12-34 | ||||
EN 10336 | Rp0,2 | Rm | Rek (%) | n10-20 | ||
N/mm2 | N/mm2 | L0=80mm | min. | |||
min. | min. | |||||
LWR | LWR | LWR | ||||
HCT450X | 260 - 340 (+30) | 450 | 27 | 0,16 | ||
HCT500X | 300 - 380 (+30) | 500 | 23 | 0,15 | ||
HCT600X | 340 - 420 (+30) | 600 | 20 | 0,14 | ||
HCT780X | 450 - 560 (+30) | 780 | 14 | |||
HCT980X | 600 - 750 (+30) | 980 | 10 | |||
Naast deze kwaliteiten zijn er andere, minder gebruikte en sommige nog in ontwikkeling zoals CP-staal (complex phase staal), PM-staal (partial martensitic), TRIP-staal (transformation induced plasticity)en TWIP staal (twining induced plasticity
Partiëel martensitisch staal
De soort partiëel martensitisch staal is een uitbreiding op de Dual Phase stalen. Hierbij gaat het over stalen met een minimale treksterkte van 600MPa tot 800MPa. De partiëel martensitische stalen zijn meerfasen stalen, waarbij de harde martensiet in een zachte ferrietmatrix verdeeld is. Naast martensiet kan er ook bainiet in voor komen. In vergelijking tot de dual fase staal heeft dit staal een hogere rekgrens bij gelijkblijvende treksterkte, waarbij de breukrek wat lager ligt. Evenals bij het dual fase staal blijft het bake hardening effekt aanwezig (+30).
|
TRIP staal
TRIP (Transformation Induced Plasticity) staal bestaat uit een ferritische matrix (ca. 75%), bainiet (ca. 10%) alsmede metastabiele restausteniet (tot 15%). Zowel het gedeelte van de harde fase (bainiet) als de stabiliteit van de restausteniet gedurende de vervorming beïnvloeden het spectrum van de mechanische technologische meetwaarden. Geïnduceerde transfomerende plasticiteit betekent dat de metastabiele “zachte” austeniet zich gedurende de vervorming (bijv. het dieptrekken) gedeeltelijk omzet in ‘harde” martensiet. Hierdoor wordt lokale insnoering onderdrukt en de gelijkmatige rek naar hogere waarden verschoven. Hieruit resulteert de bekende goede vervormbaarheid van de TRIP stalen met tegelijk hoge treksterkten. De door de temperatuurbehandeling gedurende het lakproces nog te behalen verhoging van de rekgrens (Bake-hardening effekt)(+40) verhoogt de gewichtbesparing nog aanmerkelijk.
|
Eigenschappen
Sterkte
Hoge sterke staal beschikt over een hogere sterkte dan conventionele staalsoorten, wat feitelijk inhoudt dat de belastbaarheid van deze stalen vóór blijvende vervorming veel groter is dan bij conventionele kwaliteiten. Dit komt onder meer tot uiting in een hogere vloeigrens. Zo ligt de vloeigrens van een conventionele koudgewalste kwaliteit als DC04 binnen het venster van 140-210 N/mm2 terwijl de vloeigrens van een koudgewalst hoge sterkte staal als HC420LA binnen het venster van 420-520 N/mm2 ligt. Indien de ontwerper dit gegeven al in de ontwerpfase op een slimme manier benut, kan de hogere sterkte tot een aantal voordelen leiden:
1. Functie integratie: de hogere sterkte van het materiaal stelt de ontwerper in staat om verschillende functies, waarvoor normaal gesproken meerdere onderdelen nodig zijn, in één enkel onderdeel te integreren.
2. Vermindering van het materiaalgebruik, waardoor:
a. De kosten per product omlaag kunnen;
b. De transport- en opslag kosten van het product lager zullen uitvallen;
3. Slanker construeren: doordat in het ontwerp in veel gevallen kan worden volstaan met dunner materiaal, wordt de ontwerper in staat gesteld om slanker te construeren. Vanuit esthetisch oogpunt is dit interessant aangezien het daarmee kan bijdragen aan het onderscheidend vermogen van het product in de markt.
Wanneer gebruik gemaakt wordt van een staalkwaliteit met een hogere sterkte, kan vaak volstaan worden met een dunner materiaal om dezelfde sterkte te realiseren. En dat kan in veel gevallen leiden tot een gewichtsbesparing van het product. Afhankelijk van de buig- en trekspannings componenten in het product, kan de gewichtsbesparing in het meest gunstige geval wel zo’n 40% bedragen. De potentiële diktevermindering bij de toepassing van hoge sterkte staal kan aan de hand van onderstaande vuistregel bepaald worden:
t2 = t1√(Re1/Re2)
Met:
t1 = de dikte van het staal met de lagere sterkte
t2 = de dikte van het staal met de hogere sterkte
Re1 = de vloeigrens van het staal met de lagere sterkte
Re2 = de vloeigrens van het staal met de hogere sterkte
Hardheid
Als gevolg van de hogere hardheid van hoge sterkte staal, beschikt het materiaal ook over een hogere slijtvastheid. Voor toepassingen waarbij slijtage een kritiek punt is, kunnen hoge sterkte stalen dus een uitkomst bieden.
Temperatuur afhankelijk gedrag
Wanneer hoge sterkte staal toegepast wordt, moet rekening gehouden worden met het temperatuur afhankelijke gedrag dat deze stalen vertonen. Bij verhitting verliezen ze namelijk meer van hun sterkte dan conventionele kwaliteiten.
Corrosie
Wanneer de toepassing van hoge sterkte staal leidt tot producten met kleinere wanddikten, zal de corrosie gevoeligheid van het product lineair met de diktereductie toenemen. Daarnaast is spanningscorrosie een ander fenomeen dat in grotere mate optreedt bij het gebruik van hoge sterkte staal. Als gevolg van de hogere spanningen in het materiaal zal de corrosiesnelheid lineair toenemen. Echter, de eerder genoemde problemen zullen zich enkel voordoen wanneer gebruik gemaakt wordt van onbehandeld materiaal. Wanneer het product dan ook voorzien wordt van een goede beschermingslaag (een laksysteem danwel poedercoating) zal de levensduur bepaald worden door de kwaliteit van deze beschermingslaag.
