VM111 Materialen - vormgeven van dunne plaat.pdf - Induteq

19
Hoofdstuk 5
Metalen voor vervormingsdoeleinden
5.1 Staal
Staal is een ijzer/koolstof legering met in het algemeen
niet meer dan 2,0% koolstof. Bevat de legering meer koolstof
dan noemt men het gietijzer. Gietijzer wordt voornamelijk
in vloeibare toestand vormgegeven. Naast gietijzer
bestaat er ook gietstaal. Dit materiaal kan zowel in vloeibare
toestand als vaste toestand worden vormgegeven.
Als hierna gesproken wordt over staal wordt eigenlijk ongelegeerd
staal bedoeld. Dit is staal met, als vuistregel, in
totaal niet meer dan 1% legeringselementen, de rest is
ijzer en koolstof. Een volledige omschrijving is te vinden
in de norm NEN-EN 10 020.
Voor vervormingsdoeleinden zijn veel soorten staal ontwikkeld.
De eigenschappen van het staal zijn afhankelijk
van de chemische samenstelling en de gevolgde procesroute.
Tot aan het eind van de zeventiger jaren werd het geraffineerde
staal in blokvormen gegoten. Deze grote blokken
werden vervolgens gesmeed, uitgewalst en gegloeid; aldus
ontstonden staalplaat en band. Tegenwoordig wordt bij
alle moderne staalfabrieken het staal via een continu gietproces
verwerkt tot dikke plakken die vervolgens (continu)
worden uitgewalst en gegloeid. Een groot voordeel van
het continu gietproces is, dat het materiaal over de hele
lengte van de plak een homogene samenstelling bezit. Iets
wat met het blokgegoten staal niet haalbaar was.
Een nog modernere methode is het zogenoemde Dungieten,
waarbij er zelfs geen plakken meer worden gegoten,
maar er rechtstreeks na het gieten in lijn gewalst wordt.
Hierdoor wordt een nog homogenere samenstelling bereikt
met zeer nauwe diktetoleranties.
Vanwege de continue aard van het gietproces worden andere
eisen gesteld aan het vloeibare staal. Indien tijdens
het stollen wervelingen in het nog vloeibare materiaal ontstaan,
bijvoorbeeld door opstijgende gasbellen, bestaat
gevaar voor openbreken van de plak, waarna de nog vloeibare
kern vrijkomt. Dit is catastrofaal voor de gietinstallatie.
Om dit te voorkomen wordt het materiaal gekalmeerd;
dit houdt in dat het vloeibare staal wordt gedesoxideerd,
zodat tijdens het stollen geen gasbellen meer kunnen
ontstaan (gedesoxideerd staal wordt ook aangeduid met
de namen rustig of gekalmeerd staal). Meestal wordt dit
gedaan door het toevoegen van aluminium. De eigenschappen
van deze gekalmeerde staalsoorten verschillen
echter van de ongekalmeerde staalsoorten. Dit is merkbaar
tijdens de verwerking. In de rest van dit hoofdstuk
wordt uitgegaan van ongelegeerd, continugegoten, gekalmeerd
staal.
De technologie van het staalmaken is in de afgelopen
decennia in zijn geheel sterk verbeterd. Vooral behandelingen
aan het gesmolten staal, zoals vacuüm ontkolen en
ontzwavelen, dienen in dit verband genoemd te worden.
Een maximum koolstofgehalte van 0,02% in staal is in de
praktijk goed haalbaar. Dit is een belangrijk gegeven want
hoewel staal met minder koolstof minder sterk is, is het
beter te vervormen. Ook de kennis en de beheersbaarheid
van het staalfabricageproces zijn sterk toegenomen. Het
continugegoten materiaal is daardoor zeker zo goed als
het blokgegoten materiaal.
Na het gieten worden de warme plakken uitgewalst tot
een dunne band die vervolgens wordt opgehaspeld. De
walstemperatuur en de temperatuur bij ophaspelen na het
walsen spelen een belangrijke rol bij het verkrijgen van de
gewenste structuur en mechanische eigenschappen. Een
deel van het warmgewalste materiaal wordt ook in deze
vorm verwerkt (warmgewalst materiaal neemt in belangrijkheid
steeds meer toe). Echter het meeste materiaal
wordt na het warmwalsen verder koud uitgewalst tot de
gewenste einddikte. Na het koudwalsen is door de opgetreden
versteviging het materiaal niet meer vervormbaar.
Om het vervormingsvermogen te herstellen wordt het
materiaal gegloeid. Na het gloeien volgt nog een lichte
walsbewerking, het nawalsen. Deze walsbewerking van
±1% reductie dient om de vloeivlag te onderdrukken,
zoals te zien is in figuur 5.1 (onder bepaalde omstandigheden
is het begin van de plastische rek niet stabiel. Dit
is herkenbaar aan de sterk schommelende belasting. Dit
gebied wordt aangeduid met de naam vloeivlag). Tevens
verkrijgt het materiaal in deze fase de gewenste vlakheid,
vorm en oppervlakteruwheid.
figuur 5.1
Vloeivlag (A) wordt onderdrukt door nawalsen (B)
De eigenschappen die het materiaal na het walsen bezit,
zijn afhankelijk van de chemische samenstelling, het gevolgde
warmwalsprogramma, de koudwalsreductie, het
gloeiproces en de nawalsreductie.
Het totale gloeiproces, waarbij per keer een aantal rollen
tegelijk in een stolpoven worden gegloeid, neemt enkele
dagen in beslag, inclusief het opwarmen en afkoelen. Dit
proces is per definitie inhomogeen, omdat onder de stolp
elk stukje staal op een andere manier wordt opgewarmd.
Het proces veroorzaakt voor een deel de inhomogeniteit
over de rollengte en rolbreedte. Voordeel van dit proces
is, dat het materiaal na gloeien verouderingsvrij blijft. Een
snellere methode is gezocht en gevonden in het continugloeiproces.
Hierbij wordt niet de hele rol in een keer gegloeid,
maar wordt het bandmateriaal op hoge snelheid
door een oven gevoerd en daarna pas opgerold. In de
oven wordt het materiaal snel opgewarmd, gegloeid en
weer afgekoeld. Het proces voltrekt zich in enkele minuten
en levert een homogeen product over de lengte en
breedte van de rol. Echter de structuur, en daarmee de
mechanische eigenschappen, wordt afwijkend beïnvloed
ten opzichte van het stolpgegloeide materiaal.
Heel belangrijk daarbij is dat deze continue gegloeide
materialen verouderingsgevoelig kunnen zijn (veroudering
betekent heel algemeen dat de eigenschappen, voor de
gewenste toepassing, in de loop van de tijd veranderen in
negatieve zin). In dit geval betekent het dat de vloeivlag
uiteindelijk weer terugkeert. Materialen met een zeer laag
stikstof- en koolstofgehalte en kunstmatig verouderde
materialen zijn hier nagenoeg ongevoelig voor.
De veroudering wordt veroorzaakt door vrije stikstof- en
koolstofatomen. Door de hoeveelheid vrije stikstof en
koolstof zo laag mogelijk te houden, en vervolgens deze
geringe hoeveelheden te binden met elementen als titanium
en niobium, wordt deze vorm van veroudering een
halt toegeroepen. Deze staalsoort wordt IF-staal (Interstitial
Free), bijvoorbeeld DC06, genoemd.