Staal en ijzer

Staal en ijzer

Zuiver ijzer komt er in de natuur niet voor, enkel worden er chemische verbindingen aangetroffen. Deze verbindingen worden tijdens het proces in de hoogovens omgezet in wit en grijs ruwijzer. Grijs ruwijzer wordt in de gieterij verder bewerkt. Grijs ruwijzer heeft een koolstofgehalte (C) van 2,6 tot 3,6%. Het heeft een goede drukvastheid, is gevoelig voor stoten maar heeft een prima vermogen om trillingen op te vangen. Daarom werden de houtdraaibanken vroeger feitelijk allemaal van gietijzer vervaardigd. Grijsgietijzer kan niet worden gebogen het is niet te smeden en lassen is een kunst op zich. Tempergietijzer wordt gemaakt door het dagenlang uitgloeien van het gietstuk onder een beschermend gasmengsel, zoals stikstof, bij een temperatuur van 1100° C (Zwart getemperd gietijzer) of door het uit te gloeien in een oxiderende omgeving met een temperatuur van ongeveer 1000° C (Wit getemperd gietijzer) Deze methode wordt temperen genoemd. Deze producten zijn taaier dan grijsgietijzer en kunnen gehamerd en enigszins vervormd worden. Van dit materiaal worden gasfittingen, sleutels, klemmen, schakels voor kettingen, enz. gemaakt. Van zwart getemperd gietijzer worden zware dikwandige voorwerpen gemaakt zoals motorhuizen en zware tandwielen. Wit ruwijzer wordt in de staalfabriek verwerkt tot staal door het hoge koolstofgehalte onder de 2% te brengen. We noemen dat ongelegeerd staal.

Staal is al het zonder nabehandeling smeedbare ijzer met een koolstofgehalte onder de 2%.

Staalsoorten zijn er vele. Omdat elke fabrikant zijn producten een eigen naam mee gaf ontstond er behoefte aan normering, dat uiteindelijk leidde tot Euronormen en zelfs tot wereldnormen (Iso) Op deze normeringen wil ik verder niet ingaan, ook al omdat die normen nog steeds in beweging zijn. Voor onze hobby is een diepgaande kennis van staalsoorten ook niet zo belangrijk. Voor de nieuwsgierigen en voor hen die graag ook zelf eens gereedschappen willen maken, hieronder een eenvoudige inleiding over staal.

Een globale indeling naar het gebruiksdoel is m.i. voor ons houtdraaiers meer dan voldoende. Grof kunnen we de volgende indeling maken:

constructiestaal, 0 tot 0,3% C (koolstof)
machinestaal, 0,3 tot 0,6% C
gereedschapsstaal, 0,6 tot 1,5% C

Constructiestaal wordt gebruikt voor b.v. blikken, buizen, bruggen, hekken, dakspanten enz. Het lage koolstofgehalte zorgt voor een goede verwerkbaarheid en het is uitstekend te lassen. Het wordt niet hard en bros na het lassen. Omdat het ook erg taai is, is het minder goed te verspanen. Voor het maken van houtdraaigereedschappen is dit staal ongeschikt.

Machinestaal wordt gebruikt voor de bouw van het inwendige van machines. Meestal zien we dit product dus niet. Assen, tandwielen, spieën, koppelingen, enz. worden er van dit staal gemaakt. Dit staal is harder dan constructiestaal en beter bewerkbaar. Lassen is wat moeilijker omdat er door de hitte hardingsprocessen ontstaan. Meestal is dit staal zwak gelegeerd, er zit dan b.v. nog wat chroom, nikkel of vanadium in. Dit staal kan gehard en veredeld worden en voor de houtbewerking is het soms al goed te gebruiken. Van de binnenste ring van een klein rollager kan b.v. een goede ringsnijder worden gemaakt. Veredelen is een warmtebehandeling waar door harden en aansluitend ontlaten bij temperaturen tussen 400° C en 650°C een hogere taaiheid en een zekere vastheid wordt verlangd.

Gereedschapsstaal wordt veelal onderverdeeld in:

Dit staal wordt meestal zwak of sterk gelegeerd, er worden dus nog andere stoffen toegevoegd om het specifieke eigenschappen te geven. Het 1e wordt b.v. gebruikt voor hamers, beitels ponsen, steenboren, enz. Het 2e staal is hard en een beetje taaier, het is daardoor geschikt voor schaafbeitels, freeskettingen, scharen, messen, handzagen, enz. Het 3e moet een grote weerstand bezitten tegen slijtage en moet goed hard zijn. Het wordt gebruikt voor schuifmaten en ander meetgereedschap, vijlen, ruimers en handtappen. Omdat het weinig taai is moeten we met dit staal voorzichtig omgaan. Het kan bij te zware belasting breken.

Er zijn bij de gereedschapsstalen speciale gelegeerde soorten voor warmtebehandeling en gereedschappen. Met name deze soorten zijn voor het houtdraaien van belang. Er zijn vele soorten, speciaal gemaakt voor het gebruiksdoel.

Voor snijdend gereedschap zijn er een aantal duidelijke eisen. Het staal mag niet te snel slijten en moet ook een behoorlijke warmte kunnen verdragen. Voel maar eens aan de snede van een draaibeitel als u een flinke tijd snijdend heeft gedraaid! Door Wolfraam (W) aan het staal toe te voegen wordt het staal meer warmtebestendig. Door Chroom (Cr) aan het staal toe te voegen neemt de hardheid toe. Vanadium (V) verbetert de elasticiteit en de snijeigenschappen. Hieruit kunnen we al leren dat het staal van een goede kwaliteit schroevendraaier, met daarin chroom en vanadium, ons dus al van dienst kan zijn om een speciale beitel uit te vervaardigen. Er zijn nog vele andere toeslagstoffen te noemen, maar dat voert te ver.

Een zeer sterk gelegeerde staalsoort is sneldraaistaal, HSS, waaruit tegenwoordig onze draaibeitels worden vervaardigd. Er bestaan hiervan ook diverse samenstellingen (legeringen) een veel gebruikte is: 18% W, 4% Cr, 1% V en 0,7% C. Van een oude HSS boor kan dus een meer dan uitstekende beitel of beiteltip worden gemaakt, die lang scherp blijft en uitstekend snijdt.

Een betrekkelijk nieuwe ontwikkeling is sinter snel staal, ASP. Dit staal is uiterst taai en warmtebestendig. Het is toch makkelijk te slijpen. Houtdraaibeitels uit deze staalsoort zijn topklasse en ook hiervan zijn weer meerdere soorten. ASP 2030 en 2060 zijn staalsoorten die door Hamlet Crafttools voor de beste beitels worden gebruikt. Aan dit staal is als extra kobalt (Co) toegevoegd. Het is een zeer compacte staalsoort die erg hard en taai is en uitstekend hitte kan verdragen.

Een andere legering gebruikt voor draaibeitels is A11, Glaser Tools uit Amerika gebruikt dit voor de fabricage van haar draaibeitels. Het gesinterde staal geeft een draaibeitel die 6 tot 8 keer langer mee gaat dan een M2 HSS beitel.

Het kan echter nog harder. De Duitse firma Krupp ontwikkelde het bekende Widia (Hard als diamant zegt de naam) Widia is buitengewoon slijtvast en kan zeer hoge temperaturen verdragen. Het is echter ook heel erg bros en dus gevoelig voor stoten. In de houtdraaiwereld komen we Widia nog vrijwel niet tegen. Een enkeling gebruikt het al wel op een zelfgemaakte beitel waarop een tip van Widia werd gesoldeerd. Dit gaat prima met zilversoldeer, het zogenaamde hardsolderen. Met beleid gebruikt werkt zo'n beitel buitengewoon goed. Slijpen doen we dit materiaal het beste op een diamant slijpsteen. Widia bestaat voornamelijk uit wolfraamcarbiden die in poedervorm door middel van hogedrukpersen en bij een temperatuur van 1400 tot 1700° C worden gebakken. Als bindmiddel fungeert Kobalt (Co). Dit proces van persen en bakken wordt sinteren genoemd.

Onderstaand een lijstje, ter vergelijking, waaruit een aantal opmerkelijke verschillen blijkt van de verschillende legeringen. Het geeft niet alle toeslagstoffen per staalsoort weer.

	C	Cr	Mo	W	V	Co	Mn	Si
WS	0,7	0,19			<0,01	0,38		0,24
HSS M2	0,90	4,20	5,0	6,40	1,80
ASP 2030	1,28	4,20	5,0	6,40	3,10	8,50		0,29
ASP 2060	2,30	4,0	7,0	6,5	6,5	10,8
A2	2,45	5,25	1,00		9,75		0,50	0,90

C = Koolstof, Cr = chroom, Mo= Molybdeen, W=Wolfraam,V = Vanadium, Co= Kobalt Mn = Mangaan, Si = Silicium.

Onderstaand een tabel waaruit blijkt wat de effecten zijn van de verschillende stoffen als we ijzer en staal gaan legeren.

Verandering in de eigenschappen van ijzer en staal bij legering met:	K O O L S T O F	M A N G A A N	S I L I C I U M	Z W A V E L	F O S F E R	N I K K E L	V A N A D I U M	W O L F R A A M	C H R O O M	M O L Y B D E E N	K O B A L T
Brosheid				B
Corrosiebestendigheid			B			B		B	B
Dikvloeibaarheid				B
Dunvloeibaarheid					B
Elasticiteit			B
Hardheid	B						B	B	B	B	B
Harding	B	B				B
Hittebestendigheid						B		B
Houdbaarheid snede								B	B		B
Lasbaarheid	S		S
Rekgrens
Slagvastheid		B		S	S
Slijtvastheid		B
Smeedbaarheid	S									S
Smeltpunt	S
Spaanvorming		S
Sterkte	B	B	B			B	B	B	B	B
Sterkte bij warmte					B		B	B	B	B
Taaiheid	S					B	B				S

S is slechter, B is beter

Als we zelf beitels of onderdelen van beitels willen gaan maken kan het bovenstaande hoofdstuk mogelijk helpen bij de keuze van de staalsoort die we willen gaan gebruiken voor onze zelfbouwbeitel. Met enig zoeken kan in een goed gesorteerde metaal- en of machinehandel of in een machinefabriek, over het algemeen bijna elke gewenste staalsoort gekocht worden. Om de prijs in de hand te houden kan een goede staalsoort gekozen worden om een zogenaamde 'snijtip' te maken en die te bevestigen op een baar van b.v. zilverstaal. Bijvoorbeeld: Zilverstaal Iso h8, 115CrV3, het is er in de soorten getrokken, geslepen of gepolijst. Dat bevestigen kan op verschillende manieren, zie daarvoor onder het hoofdstuk "harden".

Hoe we staal een goede warmtebehandeling kunnen geven staat eveneens in het hoofdstuk harden.

Heeft u vragen of wilt u reageren:

Schrijf een bericht in het gastenboek. Bekijk hier mijn gastenboek.

Niets van deze publicatie mag worden verveelvoudigd en/of openbaar gemaakt door middel van druk, fotokopie, microfilm, of op welke andere wijze dan ook, zonder voorafgaande schriftelijke toestemming.