Constructiestaal

{tab title="Koolstofstaal" class="blue solid"}

Koolstofstaal

Het begrip ‘koolstofstaal’ is ruimer dan wat meestal verstaan wordt onder ‘constructiestaal’.  Koolstofstaal duidt een specifieke groep van staalsoorten aan;  met constructiestaal bedoelt men meestal een specifieke groep van producten gemaakt uit een beperkt aantal staalsoorten.  

De norm spreekt echter niet van koolstofstaal, maar wel van niet-gelegeerd staal. Om van staal te spreken moet het gehalte koolstof kleiner zijn dan 2% (anders spreek men van gietijzer). In de praktijk is het gehalte aan koolstof van moderne staalproducten bijna altijd nog veel kleiner. Naast koolstof bevat staal ook altijd een reeks legeringselementen. De hoeveelheid van elk type legeringselement bepaalt of men spreekt van niet-gelegeerd staal (of dus koolstofstaal), roestvast staal of (ander) gelegeerd staal. Alhoewel er in de norm bij deze indeling geen grens gesteld is aan het totale percentage aan legeringselementen, wordt over het algemeen aangenomen dat niet-gelegeerd staal in totaal minder dan 0,5% aan legeringselementen bevat.

Onder constructiestaal verstaat men gewoonlijk producten bestemd voor de bouw of machinebouw uit staalsoorten S235, S275 of S355 en met een dikte van minstens enkele millimeter.
Koolstofstaal omvat daarnaast ook nog :

• Dunnere producten ; bijvoorbeeld platen voor gevelbekleding
• Producten voor toepassingen buiten de (machine)bouw ;bijvoorbeeld voor de automobielsector
• Producten voor de bouwsector, maar met een hogere sterkte (S460, S690, ...) ;deze producten worden aangeduid als ‘hoge sterkte staal’
• Producten met een wat specialere staalsamenstelling, zoals bijvoorbeeld ‘weervast staal’ (cortenstaal), hittebestendig staal of staal voor offshore-toepassingen

{tab title="Lange en vlakke producten" class="blue solid"}

Lange en vlakke producten

Alhoewel het voor een eindgebruiker vaak erg moeilijk te begrijpen is, is het onderscheid tussen ‘lange’ en ‘vlakke’ producten sterk verankerd in de staalsector.  In feite is deze opdeling slechts van toepassing voor de producten die hun vorm krijgen door walsen ;  er bestaan ook nog andere methoden om staalproducten hun vorm te geven, zoals gietstaal en 3D-printen.

‘Lange producten’ worden gedefinieerd als producten die één afmeting vertonen die opmerkelijk groter is dan de andere twee afmetingen die de doorsnede bepalen; ‘vlakke producten’ zijn dan de andere (gewalste) producten.

Lange producten

De meest sprekende producten uit deze groep zijn zeker de I- en H-profielen.  Ze hebben inderdaad een breedte en hoogte (courant voor beide 100 à 400 mm) die duidelijk kleiner is dan de derde afmeting (de lengte, die typisch enkele meters bedraagt).

Daarnaast vallen onder de groep van lange producten ook handelsstaal (stafstaal), buizen en kokers, betonwapeningsstaal, draad, ...

Vlakke producten

Bij vlakke producten heeft elk van de 3 dimensies een andere grootte.  Het zijn wat typisch verstaan wordt als een ‘platen’.  De dikte is meestal in de range van 0,5 tot 50 mm, de breedte is meestal in de range van 50 tot 200 cm en de lengte is meestal in de range van 2m tot 20m (maar respectievelijk dikker, breder of langer kan ook ; de combinatie van dikker, breder én langer in één product bestaat echter niet).

De productie van vlakke producten start met het gieten van plakken (of ‘slabs’).  Afhankelijk van het productieproces daarna (in de warmwalserij) spreekt men van bandplaten of van quartoplaten.

Bandplaten:

De plak wordt uitgewalst in een reeks opeenvolgende walstuigen, voorzien van walsrollen, om tot een brede en lange staalband te komen. Na het verlaten van het eindwalstuig wordt de staalband in een continu proces gekoeld en vervolgens opgehaspeld tot een rol (bobijn of coil). Deze techniek wordt courant toegepast voor breedtes tot 2150 mm en diktes tot 25 mm (dit is afhankelijk van o.a. de capaciteit van de warmbandwalserij en afrollijn, de gevraagde kwaliteit, …). Ongebeitste warmgewalste bandplaat wordt dikwijls ‘zwarte’ plaat genoemd.

Warmgewalste rollen kunnen tot een bepaalde dikte en breedte worden gebeitst. In het beitsproces (chemische reiniging) wordt de oppervlakte van het materiaal ontdaan van de walshuid en onzuiverheden. Om corrosie van het bekomen zuiver staaloppervlak tegen te gaan, wordt een beschermende laag (meestal een dunne oliefilm) aangebracht. De norm EN 10051 geeft de toleranties op afmetingen en vorm waaraan de ongebeitste en gebeitste warmgewalste bandplaat moet voldoen. 

De rol warmgewalst staal wordt uiteindelijk: 

• ofwel op een afrollijn afgehaspeld waarbij de staalband wordt gevlakt en geknipt op de gewenste plaatlengte
• ofwel in de koudwalserij verder bewerkt.

Quartoplaat of dikke plaat:

In de quartowalserij wordt de plak gewalst in twee walstuigen (elk bestaande uit vier walsrollen), een reductiewalstuig en een eindwalstuig om de gewenste dikte te bereiken. De aldus bekomen plaat wordt afgekoeld en gevlakt. Deze techniek laat toe bredere platen en/of grotere diktes te walsen dan in de warmbandwalserij. In functie van de gevraagde kwaliteit worden na het walsen de materiaaleigenschappen van de quartoplaat vaak verbeterd door warmtebehandelingen zoals normaliseren. De norm EN 10029 geeft de toleranties op afmetingen en vorm waaraan de quartoplaat of dikke plaat moet voldoen.

{tab title="Warm- of koudgewalst" class="blue solid"}

Warm- of koudgewalst

Als gesproken wordt over warm- of koudgewalst (en voor sommige producten koudgevormd), dan refereert men naar de temperatuur waarbij het proces werd uitgevoerd :  ‘koud’ betekent bij kamertemperatuur, ‘warm’ betekent dat het staal vooraf opgewarmd werd tot +/- 1200°C.  Staal is makkelijker vervormbaar bij deze hoge temperatuur.  

De bedoeling van het walsen van staal is steeds om een dunner product te bekomen.  Als de dikte afneemt, neemt met hetzelfde volume materiaal de lengte evenredig toe.  Staal dat werd gegoten in een plak van 20 m lang en 20 cm dik, zal bij het walsen naar een dikte van 2cm dus wel 200 m lang worden.  

Staal wordt altijd eerst warmgewalst tot een bepaalde dikte ;  door koudwalsen kan nadien de dikte verder gereduceerd worden.  

Tijdens het walsen verandert ook de inwendige structuur van het staal.  Soms is dat gewenst, maar soms is dat ook een ongewenst effect en moet dit ongedaan gemaakt worden (bijvoorbeeld door na te gloeien).

Lange producten

De meeste lange producten (profielen, handelsstaal, ...) worden op de markt gebracht als warmgewalste producten. 

Er zijn echter 3 belangrijke groepen van lange producten die koudgewalst/koudgevormd zijn :

• betonwapeningsstaal is meestal koudgewalst
• hoekprofielen bestaan zowel in koudgevormde als warmgewalste versie; ze zijn echter duidelijk te onderscheiden
• er bestaat een specifiek gamma van koudgevormde profielen; ze zijn eveneens door hun vorm duidelijk te onderscheiden

De laatste groep wordt vaak niet ingedeeld bij de ‘lange producten’, omdat ze productie-technisch gemaakt worden uit vlakke producten.  Ze worden dan aanzien als een aparte productengroep en eerder ingedeeld bij producten als profielplaten voor daken en gevels.

Koudgewalste vlakke producten

Gebeitste warmgewalste bobijnen kunnen verder bewerkt worden in de koudwalserij. Deze walserij bestaat uit een tandemgroep van walstuigen waarbij de dikte van de warmgewalste gebeitste bandplaat koud gereduceerd wordt tot de gewenste dikte. Aan het einde wordt de bandplaat opnieuw opgerold met een gewenste en geprogrammeerde dikte van 0,3 mm tot 2,99 mm. 

De norm EN 10131 geeft de toleranties op afmetingen en vorm waaraan de koudgewalste plaat moet voldoen. 

Deze koudgewalste rollen kunnen vervolgens worden bekleed met een metallische en/of organischedeklaag.  In dat laatste geval spreekt met van ‘voorgelakt staal’ of ‘coil coated’.

{tab title="Gietstaal" class="blue solid"}

Gietstaal

Bron : www.technischwerken.nl

Wat is gietstaal en waar wordt dit toegepast?

Het vloeibare staal wordt in een mal met de juiste vorm gegoten.  Hierdoor kunnen speciale vormen bekomen worden.

Gietstaal is in verschillende legeringen verkrijgbaar. Daardoor zijn de eigenschappen van gietstaal verschillend. Over het algemeen wordt gietstaal ingedeeld in ongelegeerd gietstaal, laag gelegeerd gietstaal  en hooggelegeerd gietstaal.

• Ongelegeerd gietstaal bevat maximaal 0,30% Koolstof en 1,5% Mangaan. Dit staal is vooral voor algemeen gebruik geschikt bijvoorbeeld voor de industrie en machinebouw. Vooral in een omgeving, waar hoge mechanische eigenschappen worden gevraagd van onderdelen, wordt gietstaal gebruikt.
• Laaggelegeerd gietstaal  bevatten verschillende legeringselementen. Het percentage Koolstof is <0,30%. Daarnaast bevat laaggelegeerd gietstaal een percentage Chroom (1 – 5%)  en Molybdeen (max. 1,75%) ook Wolfram, Titanium en Vanadium kunnen worden toegevoegd. De keuze voor deze metalen is afhankelijk van de eisen die aan het product worden gesteld.
• Hooggelegeerd gietstaal wordt vooral gebruikt voor het vervaardigen van onderdelen en gereedschappen waaraan specifieke eisen worden gesteld. Hierbij kan gedacht worden aan slijtvastheid,corrosiebestendigheid en hittebestendigheid.Hier komt men dan in de groep van roestvast staal, en niet langer bij koolstofstaal.

Gietstaal wordt vooral toegepast in de industrie en de machinebouw. Het is vooral geschikt voor onderdelen die zwaar belast worden (en een specifieke vorm hebben). Gietstaal wordt op verschillende manieren aangeduid. De aanduiding geeft aan waar het gietstaal geschikt voor is.

• G: is gewoon gietstaal
• GS: gietstaal, de letter ‘S’ staat voor de Engelse term: Structural steel. Dit is gietstaal voor staalconstructie doeleinden en moeten tegen een zware belasting kunnen.
• GP: gietstaal, de letter  ‘P’ staat voor de Engelse term: Pressure. Dit gietstaal is vooral geschikt voor drukvaten en pomphuizen. Dit zijn apparaten die onder grote druk komen te staan.
• GE: gietstaal, de letter ‘E’ staat voor de Engelse term: engineering. GE-gietstaal wordt vooral gebruikt in de machinebouw.

Na de bovengenoemde letters worden in de aanduiding van gietstaal ook cijfers genoemd. Deze cijfers kunnen de minimum rekgrens in N/mm2 aanduiden, ook kunnen de cijfers worden gebruikt om de legering aan te duiden, respectievelijk voorbeelden zijn GS240 en G12MnMo7-4.

Wat zijn de verschillen tussen gietstaal en gietijzer?

Gietijzer heeft een veel hoger gehalte aan koolstof dan gietstaal :  bij gietijzer tussen 2,5% en 6,67%, bij gietstaal bijna altijd lager dan 0,5%.  Dit maakt onder andere dat gietstaal goed lasbaar is, en gietijzer niet.

Gietstaal is sterker dan gietijzer. Daarom wordt gietstaal gebruikt bij producten die onder een grotere druk of belasting komen te staan. Gietstaal is minder breekbaar dan gietijzer. Hierdoor is gietstaal minder breekbaar en heeft het een smeltpunt van 1450-1550 gr C. Dit smeltpunt is 200 gr C hoger dan het smeltpunt van gietijzer.  

Gietijzer wordt aangeduid met GJ, aangevuld met een letter dat het type aangeeft, en een cijfer dat een maat voor de treksterkte aangeeft ;  bijvoorbeeld GJL350.

Over het algemeen is gietstaal alleen geschikt voor het gieten van producten van een grote wanddikte(minimaal 7 millimeter).  Gietstaal is goed te bewerken en de sterkte en taaiheid van dit materiaal kunnen doormiddel van veredelen worden verbetert. Gietstaal moet in ieder geval na het gieten worden gegloeid. Dit wordt ook wel spanningsarmgloeien genoemd en wordt gedaan om de spanning in het materiaal te verminderen. De inwendige spanning van gietstaal ontstaat door de grote krimp die veroorzaakt door het stollen van gietstaal.

De verschillen zitten niet alleen in het materiaal, ook de verwerkingsprocessen tussen gietijzer en gietstaal zijn verschillend : gesmolten gietstaal ook stroperiger dan gietijzer en is het vormvullend vermogen minder goed.  Daardoor is het gegoten product minder strak en zal men rekening moeten houden met nabewerking. De krimp van gietstaal is 2 procent en dat is twee keer zo groot als de krimp die ontstaat dor het stollen van grijs gietijzer. Door deze grote krimp kunnen slinkholtes ontstaan in het gietstuk. Deze slinkholtes worden ook wel lunkers genoemd.

{tab title="3D-printen van staal" class="blue solid"}

3D-printen van staal

Ook staal leent zich tot 3D-printen.  3D-printen is een aanvullend proces op de andere productiemethoden, dat zich vooral leent voor kleine ingewikkelde elementen.  

De praktijk toont echter dat 3D-printen van staal bijna nooit gebeurt op basis van basismateriaal uit koolstofstaal, maar wel uit roestvast staal.

De techniek van het 3D-printen van staal wordt hier verder beschreven.

{/tabs}