Legeringselementen: wie waarvoor verantwoordelijk is

De lijst met legeringselementen is het saaiste deel van elk gesprek over staal en tegelijk het enige deel waaruit zichtbaar wordt waarom soorten zich verschillend gedragen. Voor de lijst is het zinnig twee dingen in het hoofd te houden, zonder welke ze in een reeks toverspreuken verandert.

Het eerste: bijna geen enkel element werkt in zijn eentje. Het effect hangt af van de totale samenstelling en van de warmtebehandeling, en hetzelfde element geeft in verschillende soorten een verschillend resultaat.

Het tweede: het gaat niet alleen om hoeveel van een element in het staal zit, maar ook om waar het zit. Koolstof bindt metalen tot carbides — harde, brosse deeltjes. Chroom dat in een carbide is beland, beschermt niet meer tegen roest. Vanadium dat verspild is waar veel chroom zit, vormt geen eigen carbide. Daarom zijn het getal in de samenstelling en de werkende eigenschap niet hetzelfde.

De basis

Koolstof (C):

• verhoogt de edge retention en verhoogt de treksterkte;
• verhoogt de hardness, verbetert de weerstand tegen slijtage en afschuring;
• verlaagt de vervormbaarheid naarmate de hoeveelheid toeneemt;
• zorgt voor doorhardbaarheid.

Chroom (Cr):

• verhoogt hardness, treksterkte en toughness;
• verhoogt de bestendigheid tegen corrosie, hitte en slijtage;
• meer dan 11% maakt staal „roestvast” doordat er een oxidelaag ontstaat;
• carbide-insluitsels verminderen de slijtage, maar het materiaal zelf wordt zachter.

Carbidevormers

Vanadium (V):

• verhoogt de sterkte, de wear resistance en verhoogt de toughness;
• verbetert de corrosiebestendigheid door de vorming van een oxidelaag te bevorderen;
• de carbide-insluitsels zijn zeer hard;
• verhoogt de bestendigheid tegen uitbrokkelen;
• duur.

Niobium (Nb):

• beperkt de groei van carbidekorrels;
• verhoogt de verspaanbaarheid;
• vormt het hardste carbide;
• verhoogt de sterkte, de warmtebestendigheid, de corrosiebestendigheid en de toughness.

Molybdeen (Mo):

• verhoogt de sterkte, de hardness, de doorhardbaarheid en de toughness;
• verbetert de verspaanbaarheid en de bestendigheid tegen corrosie.

Wolfraam (W):

• voegt sterkte en toughness toe, verbetert de doorhardbaarheid;
• behoudt de hardness bij verhoogde temperatuur;
• verhoogt de corrosie- en hittebestendigheid.

Titanium (Ti):

• verhoogt de sterkte, de toughness, de warmtebestendigheid en de corrosiebestendigheid, en verlaagt bovendien het gewicht;
• verhoogt de hardness en de wear resistance als er stikstof of koolstof aan het oppervlak van de legering zit.

Tantaal (Ta):

• verhoogt de corrosie- en hittebestendigheid, de sterkte, de vervormbaarheid en de toughness.

In plaats van koolstof

Stikstof (N):

• vervangt koolstof in het kristalrooster: een stikstofatoom functioneert net als een koolstofatoom, maar geeft ongewone voordelen in corrosiebestendigheid.

De overige deelnemers

Kobalt (Co):

• verhoogt de sterkte en de hardness, maakt harden bij hogere temperaturen mogelijk;
• versterkt de afzonderlijke effecten van andere elementen in complexere stalen;
• verhoogt de bestendigheid tegen hitte en corrosie.

Nikkel (Ni):

• voegt stijfheid toe;
• verhoogt de corrosie- en hittebestendigheid;
• verlaagt de hardness;
• belemmert bij overmatige aanwezigheid het harden tijdens de warmtebehandeling.

Mangaan (Mn):

• verhoogt de doorhardbaarheid, de wear resistance en de breeksterkte;
• desoxideert en ontgast door zuurstof uit het gesmolten metaal te verwijderen;
• verhoogt in grote hoeveelheden de hardness en de brosheid;
• verhoogt of verlaagt de corrosiebestendigheid — afhankelijk van type en soort staal.

Silicium (Si):

• verhoogt de sterkte, de hitte- en corrosiebestendigheid;
• desoxideert en ontgast door zuurstof uit het gesmolten metaal te verwijderen.

Koper (Cu):

• verhoogt de corrosiebestendigheid.

Eerder verontreinigingen

Fosfor (P):

• verbetert de sterkte, de verspaanbaarheid en de hardness;
• vergroot de brosheid bij hoge concentraties.

Zwavel (S):

• verbetert de verspaanbaarheid als het in geringe hoeveelheden wordt toegevoegd;
• geldt gewoonlijk als verontreiniging.

Hoe je dit gebruikt

Uit de lijst vloeit vanzelf de logica van het ontwerpen van messenstaal voort. Een mes heeft een combinatie van hoge hardness, toughness en wear resistance nodig, en elke extra eis aan de legering neemt iets weg van de rest.

Snelstaal bijvoorbeeld heeft grote hoeveelheden molybdeen of wolfraam nodig omwille van de „hete hardness” — het vermogen niet zacht te worden bij verhitting door werk op hoge snelheid. Een legitieme eis, maar ze beperkt: zonder die eis zou de samenstelling geoptimaliseerd kunnen worden ten gunste van toughness en wear resistance. Precies zo werkt de eis van roestvastheid — die dwingt tot veel chroom.

Daaruit volgen ook de moderne kunstgrepen. Niobium is een sterkere carbidevormer dan vanadium: het vormt zijn carbides zelfs waar veel chroom zit, dus het vervangen van een deel van het vanadium door niobium vermindert de hoeveelheid chroomcarbide. Vanadium leidt tot meer chroomcarbide, niobium niet. Stikstof is op zijn beurt minder geneigd tot het vormen van chroomnitriden dan koolstof tot het vormen van chroomcarbides, terwijl het de hardness evenveel verhoogt; een gedeeltelijke vervanging van koolstof door stikstof geeft dus hetzelfde hardnessniveau bij een betere corrosiebestendigheid en een betere toughness.

Men combineert beide. In S45VN zit zowel 0,5% niobium als ongeveer 0,17% stikstof — waardoor er nauwelijks meer chroomcarbide in zit dan in S30V en S35VN, hoewel het chroomgehalte 16% is en niet 14%.

De praktische conclusie uit de lijst is eenvoudig: de samenstelling op het staalpaspoort is geen lijst van deugden, maar een lijst van compromissen, en je moet haar lezen als een opsomming van wat de fabrikant besloot op te offeren.