Staal is eenlegering bestaand uitijzer (Fe) enkoolstof (C). De term staal wordt met name gebruikt voor ijzerlegeringen met een zodanig beperkt koolstofgehalte (typisch maximaal 1,8% C)[1] of gehalte aan toevoegingen als chroom, dat ze warm vervormd kunnen worden. Hierin onderscheidt staal zich van bijvoorbeeldgietijzer, dat een hoger koolstofgehalte heeft.
Er zijn veel verschillende legeringen met deze twee elementen, meestal ook met andere bestanddelen, er bestaan dus ook zeer veel soorten staal. Door de grote keuze en zijn goede bewerkbaarheid is het een veel gebruikt constructiemateriaal. De koolstof wordt gebruikt om een hoge treksterkte en hardheid te verkrijgen.
In 2020 werd wereldwijd ongeveer 1800 miljoen ton staal geproduceerd.
IJzer wordt al meer dan 4000 jaar gebruikt voor diverse doeleinden. Het bereiden van kwalitatief hoogwaardig staal is eeuwenlang erg moeilijk geweest.
Het eerste door mensen vervaardigde ijzer werd omstreeks 1500 v.Chr. inlaagovens gemaakt in hetHettitische Rijk, grotendeels gelegen in het huidigeAnatolië. Zo'n drie eeuwen lang was deze techniek een zorgvuldig gekoesterd geheim van de Hettieten, maar na de val van hun rijk verspreidde deze metallurgische kennis zich betrekkelijk snel over grote delen van de Oude Wereld (IJzertijd).
De oudsteChinese archeologische vondsten van dergelijksmeedijzer dateren uit de 14de eeuw v.Chr.[2]
Laagovens zijn lage ovens, waarin om en om lagenhoutskool enijzererts werden gestapeld. Met blaasbalgen werd daar voorverwarmde lucht doorheen geblazen, waarbij de houtskool ging branden en er onder meerkoolmonoxide werd gevormd, dat het ijzer uit zijn oxiden vrijmaakt volgens de reactie:
Daarbij werden slechts temperaturen bereikt lager dan hetsmeltpunt van ijzer. Dat had tot gevolg dat het ijzer niet gescheiden werd van de resten van het erts, de zogenaamdeslak, en dat het ook weinig van de koolstof opnam. Het product was een buigzaam en zacht, vrijwel koolstof-loos ijzer met veel stukjes slak erin.
Om van dit zachte smeedijzer een harder kwaliteitsstaal te maken, moesten eerst met veel geduld de stukjes erts en slak uit het ijzer worden gehamerd. Vervolgens moest het hete ijzer dan gedurende lange tijd met houtskool in contact worden gebracht, zodat het voldoende koolstof kon absorberen. Het was moeilijk dit proces goed te beheersen, zodat staal vele eeuwen lang een zeer kostbaar product bleef.
Pas met de uitvinding van dehoogoven werd staal in grotere hoeveelheden geproduceerd. Dit proces werd al in de 8e eeuw v.Chr. in China toegepast,[2] in Europa werd dit pas in de 15e eeuw ontdekt. Dit was een metershoge oven, die in principe op ongeveer dezelfde manier functioneerde als de laagoven, maar waarin wel een hogere temperatuur kon worden bereikt. Het ijzer kwam hierin wel totsmelten, zodat het gesmolten ijzer aan de voet van de oven kon worden afgetapt. Het ijzer was nu vrij van resten erts en slak, maar er was nu te veel koolstof in opgelost, nl. ongeveer 4%, terwijl goed staal 0,5 tot 2% koolstof bevat. Het aldus verkregengietijzer was wel zeer hard, maar ookbros. Dit was voor sommige toepassingen een geschikt materiaal, maar onbruikbaar voor bijvoorbeeld zwaarden en snel bewegende machineonderdelen.
Om hiervan goed staal te maken, moest het product lange tijd in hete toestand worden gehamerd, zodat het grootste deel van de koolstof aan de lucht kon verbranden. Dat was een zo omslachtig proces dat men vaak verkoos staal te bereiden uit smeedijzer dat in laagovens was geproduceerd. Kwalitatief hoogwaardig staal bleef dus een kostbaar product. Het ijzerverbruik steeg in de meeste landen daarom niet ver boven het traditionele pre-industriële niveau van ongeveer 1 à 2 kilo per hoofd per jaar. Als gevolg van verbeteringen in de winning van ijzer kwam er in Engeland in 1755 zo'n 10 kg ijzer per hoofd van de bevolking per jaar beschikbaar.[3]
De oudste Europese boeken over metallurgie zijn de(De la) pirotechnia (1540) vanVannoccio Biringuccio en deDe re metallica (1556) vanGeorgius Agricola. Hoofdstuk 17 van boek 1 van de Pirotechnia beschrijft een productieproces van wat we tegenwoordiggietstaal noemen door blokken smeedijzer onder te dompelen in vloeibaar gietijzer en 6 uur lang te roeren.[4]
Vanaf de 18de eeuw werden nieuwe metalen ontdekt die in legeringen sommige eigenschappen van staal kunnen verbeteren:nikkel (1751),mangaan (1774),molybdeen (1778),wolfraam (1781),titanium (1790),chroom (1797),niobium (1801),tantaal (1802) envanadium (1803).[5] Een van de eerste wetenschappers die staallegeringen op hun eigenschappen onderzocht, wasMichael Faraday. Hij begon met een studie over de samenstelling vanwoetsstaal in 1819 en publiceerde daarna verslagen van experimenten met toevoeging vanzilver,platina,rodium, nikkel en chroom.[6][7]Pierre Berthier ontdekte in 1821 de zuurbestendigheid van chroomstaal.[7]
Pas de laatste 200 jaar is men door verbetering van het productieproces (bijvoorbeeld hetBessemer- en hetoxystaalprocedé) erin geslaagd het ijzer betrekkelijk gemakkelijk te zuiveren tot een zodanig laag koolstofgehalte (minder dan 2%) dat hetductiel genoeg was om bewerkt te kunnen worden (bijvoorbeeld:walsen).
Andere verbeteringen van de afgelopen twee eeuwen:
men gingcokes gebruiken in plaats van houtskool, zodat grootschalige ijzerproductie geen aanslag meer deed op de bossen, maar wel een eerste aanzet was tot het grootschalig gebruik vanfossiele brandstof.
door toegenomen kennis van de chemie leerde men welke stoffen men aan het erts moest toevoegen om ongewenste bestanddelen (bijvoorbeeld te veelzwavel of te veelfosfor) om te zetten in stoffen die zich met de slak vermengen, zodat het veel gemakkelijker werd om een kwalitatief hoogwaardig staal te vervaardigen.
Er zijn twee belangrijke productiemethoden van staal met verschillende processen. Staal kan worden gefabriceerd door nieuwijzererts dat isgedolven uit de grond te bewerken, maar ook derecycling van bestaand staal,schroot, is zeer goed mogelijk.
Door de aanwezigheid van bovengenoemde verontreinigingen is het ruwijzer nog onbruikbaar. Daarom wordt het nog verder gereinigd in eenstaalconverter. Het ontwerp van de converter is in de loop van de tijd geëvolueerd, en hangt ook af van de hoeveelheidfosfor in het ruwijzer. Historische converters zijn deBessemerpeer (voor hetBessemerprocedé), deGilchrist-Thomas-converter en de converter vanSiemens-Martin; deze zijn bijna allemaal vervangen door hetoxystaalprocedé, waarin met hoge snelheid bijna 100% zuurstof door het vloeibare ruwijzer geblazen wordt. Doordat zuurstof en koolstof zich erg gemakkelijk met elkaar verbinden wordt erkoolstofmonoxide (CO) enkoolstofdioxide (CO2) gevormd, die als gasvormige fase ontstaan en zich dus gemakkelijk laten verwijderen uit het vloeibare ruwijzer. Bij dit proces komen zeer hoge temperaturen voor, waarbij 1650 °C een gemiddelde waarde is van de lading.
Door deze behandeling komt er wel wat zuurstof in het staal te zitten. Dit kan later weer verwijderd worden doormangaan,aluminium ofsilicium toe te voegen. De zuurstof zal zich aan deze stoffen binden. De gevormde oxiden drijven op de stalensmelt, omdat hun dichtheid lager is dan die van staal. Deze drijvende laag oxiden op het staal noemt men slak en moet gescheiden worden van het staal voor het staal verder bewerkt kan worden. Er zal altijd een kleine hoeveelheid verontreinigingen in het staal achterblijven. Deze hoeveelheid is door de ver ontwikkelde staalbereidingsprocessen zo klein geworden dat het niet hinderlijk is.
Uit de converter, waar hetruwijzer is omgezet in staal (boven 2% aan koolstofgehalte wordtijzer genoemd, onder de 2% aan koolstofgehalte heet staal), gaat het staal naar een panbehandelingsinstallatie waar het staalgehomogeniseerd wordt. Door toeslagstoffen (bijvoorbeeldniobium,mangaan,silicium,aluminium enschroot) wordt het staal op 'smaak' gebracht voor verdere verwerking.
Als het staal zuiver genoeg is, moet het in een vaste vorm gegoten worden. Vroeger gebeurde dit tijdens eendiscontinu gietproces in zogenaamdecoquilles totingots of blokvormen, grote cilindrische gietvormen. Nadat het staal in de ingot geheel afgekoeld was, werd het verder bewerkt totplaatstaal ofprofielstaal. Dit had echter een groot nadeel: de verontreinigingen die nog in het staal zaten concentreerden zich veelal in het midden van de ingot, waardoor er daar een hoge concentratie verontreinigingen ontstond, wat - indien onvoldoende beheerst - tot problemen kan leiden.
Bijcontinugieten wordt het staal in een gekoelde gietvorm gegoten, waar het al gedeeltelijk afkoelt. Zodra er een huid om de stalen smelt is gevormd, wordt het door middel van startkettingen uit de gietvorm getrokken en door rollen ondersteund als een streng staal uit de machine geleid. Hierna worden er door zuurstofbranders plakken van ongeveer 225 mm dik van gesneden.
Een andere manier vancontinugieten is het gietwalsproces. De dikte van de plak is hier ongeveer 70 mm en na het gieten wordt de plak door een oven geleid en direct gewalst. Dit levert een besparing op ten opzichte van de dikkere plak: die moet eerst weer opgewarmd worden alvorens gewalst te kunnen worden.
Ruim een kwart van de wereldstaalproductie is afkomstig van gerecycledschroot. Schroot kan op verschillende manieren worden hersmolten naar staal. Dit kan gebeuren in de convertor, waar een hoeveelheid schroot wordt toegevoegd aan het geconverteerde ruwijzer om het te koelen. Verder is de aanwezigheid vanroest in het schroot een voordeel. De in het roest gebonden zuurstof helpt in de convertor bij het verwijderen van de overtollige koolstof in het ruwijzer.
Een andere mogelijkheid is gebruik van eenvlamboogoven, die uitsluitend schroot als grondstof gebruikt. Deze vorm van productie is efficiënter, kost minder energie en de uitstoot van koolstofdioxide is minder. Ieder ton schroot dat tot staal wordt verwerkt vermijdt het gebruik van 1,4 ton ijzererts en 0,7 ton steenkool en zorgt voor 1,5 ton minder uitstoot vanCO2.[8] Verder vereist het minder grote installaties, een hoogoven is niet nodig, en investeringen in vergelijking tot de productie uit erts. Is het staal gesmolten en voldoet het aan de gestelde eisen dan wordt het gegoten op dezelfde manier als hierboven omschreven.
De kwaliteit van het schroot speelt een belangrijke rol. Sterk verontreinigd schroot geeft problemen bij het hersmelten. Vooral sporen vankoper vormen een probleem, omdat koper niet uit ijzer kan worden geoxideerd. Daarom is het zorgvuldig selecteren van schroot in verschillende categorieën belangrijk.
Voor een geïntegreerd staalbedrijf ligt de emissie tussen de 1,6 en 2,2 ton CO2 per ton staal.[9] Hiervan is zo’n 70% afkomstig van de omzetting van erts in ruwijzer in de hoogoven, 12% komt vrij bij de voorbereiding van het erts, 12% voor de afwerking van het staal en 7% bij het maken van het zuurstof en voor de opwekking van elektriciteit.[9] Hierbij is uitgegaan van hetoxystaalprocedé, bij de toepassing van het verouderdeSiemens-Martinprocedé ligt de CO2 emissie ongeveer 1 ton hoger. Voor een mini-mill, die uitsluitend schroot verwerkt, ligt de totale uitstoot op zo’n 0,6-0,9 ton CO2.[9] Hierbij is 45% afkomstig van de schrootverwerking, 35% van de afwerking van het staal en 16% van de productie van zuurstof en elektriciteit.
Door het gebruik van kolen in het belangrijkste productieproces van staal is er bijhorend een grote uitstoot van koolstofdioxide. In 2019 was de productie van staal verantwoordelijk voor 7 tot 9% van de mondiale koolstofdioxide uitstoot.[10] Naast de nood aan kool als reducerend reagent in de hoogoven is er ook de grote hoeveelheid warmte die nodig is om het ijzer in te smelten en het staal warm te houden om het af te leveren met de gewenste kwaliteiten.
Bij verhitting verliest staal zijn sterkte op relatief lage temperatuur. Om staal tegen vuur te beschermen wordt het in gebouwen beschermd, bijvoorbeeld door een keramische laag.
Demateriaaleigenschappen van staal zijn in vergelijking met andere metalen erg aantrekkelijk voor gebruik in verschillende doeleinden.
De lineaireuitzettingscoëfficiënt bij kamertemperatuur bedraagt12 × 10−6 K−1, oplopend naar16 × 10−6 K−1 bij 600 °C en daarboven weer afnemend.
Hetsoortelijk gewicht van staal bedraagt 7850 kg/m3. In de handel wordt vaak gerekend met een handelsgewicht van 8000 kg/m3.
Voorheen werd detreksterkte van de legering gebruikt als aanduiding van de soort legering. "Staal 52" betekende dat de treksterkte 52 kg/mm² was. Later werd de benaming van "Staal 52" veranderd in "Fe 510" omdat de treksterkte in deSI-eenheid voor deze eigenschap 510 N/mm² is. Later ging men over tot het onderscheiden met toevoeging van derekgrens (bv. S355).
Koolstof is bij staal geen legeringselement. Als er meer dan 2 wt% C in ijzer zit spreekt men vangietijzer. In het koolstof-gehalte kan onderscheid worden gemaakt tussen:
Ongelegeerd staal bevat maximaal 1,5% aan legeringselementen (exclusiefkoolstof (C)). Ongelegeerd staal heeft een koolstofpercentage van 0,5% tot 2%. Veel gebruikte legeringselementen zijn onder anderemangaan (Mn) ensilicium (Si). Net als koolstof worden mangaan en silicium gebruikt om de sterkte en hardheid te verhogen. Silicium is tevens een bijproduct van het staalbereidingsproces, het wordt gebruikt omzuurstof aan het staal te onttrekken.
Ongelegeerd staal is het meest gebruikte staal. Dit komt doordat het relatief goedkoop is en erg goed bewerkbaar.
Laaggelegeerd staal (LGS) is een groep staallegeringen met in totaal minder dan 5% aan legeringselementen. Het bevat tussen de 1,5 en 5% legeringselementen (exclusiefkoolstof, C). Net als bij ongelegeerd staal zijn mangaan en silicium veel voorkomende legeringselementen (0,7% Si en 1,6% Mn). Maar ookchroom (Cr),vanadium (V),nikkel (Ni) enmolybdeen (Mo) zijn in deze groep veel voorkomende legeringselementen. De invloeden van deze elementen zijn bij gebruik van verschillende elementen in één soort staal niet zo makkelijk te bepalen, daar sommige van deze elementen elkaar tegenwerken en andere elkaar juist weer versterken.
Chroom wordt vaak gebruikt om staal oxidatie- encorrosiebestendig te maken. Ook van de harde en slijtvaste eigenschappen van chroom wordt veel gebruikgemaakt in de staalindustrie. Chroom wordt veel gebruikt in combinatie met nikkel of molybdeen. Chroom in combinatie metmolybdeen (het zogenaamdeChroom-molybdeenstaal) maakt het staal uitstekend bestand tegen hoge temperaturen en ook erg sterk.Vanadium wordt ook veel gebruikt in combinatie met chroom en molybdeen daar het ongeveer dezelfde eigenschappen geeft aan staal. Een voorbeeld hiervan ischroom-vanadiumstaal. Ook ingereedschapsstaal wordt veel vanadium gebruikt, het maakt het staal ook een stuk taaier, wat erg gunstig is voor gereedschap.
Een gelegeerd stalen product: een krukas in bewerking op eengereedschapswerktuig
Nikkel heeft gunstige invloed op staal bij heel hoge en heel lage temperaturen. Het wordt ook veel gebruikt om een aantal ongunstige eigenschappen van chroom tegen te gaan.
Hooggelegeerd staal (HGS) bevat meer dan 5% aan legeringselementen. De bekendste vorm isroestvast staal (rvs). Een ander hooggelegeerd staal isgereedschapsstaal.
Hoofdlegeringselementen inrvs zijnchroom (Cr) ennikkel (Ni). Alleen chroom kan gebruikt worden om staal roestvast te maken, maar meestal wordt er een combinatie van chroom en nikkel gebruikt, omdat nikkel een aantal ongewenste effecten van chroom tegenwerkt (bijvoorbeeld 18% Cr en 8% Ni).
Zoals de naam al doet vermoeden isrvs bestand tegenoxidatie encorrosie. Deze eigenschap is te danken aan de chemische verbinding die chroom aangaat metzuurstof. Door die chemische verbinding vormt er zich eenoxidehuid op het staal. De oxidehuid is heel dun en daardoor doorzichtig. Ze bestaat uit een netwerk van chroom(III)oxide, dat wel elektronen kan geleiden maar geen ionen. Daardoor is het metaal tegen corrosie bestand, mits de oxidehuid intact blijft. Dat is niet het geval in een chloride-oplossing, zoals zeewater of in gechloreerd zwemwater. Het resultaat is dan gelokaliseerdeputcorrosie, die heel moeilijk te stoppen is omdat het chloride-ion zich vooral in de corrosieputten verzamelt. Een toeslag van molybdeen kan wel bestendigheid tegen chloor opleveren, bijvoorbeeld voor gebruik in zwembaden. Om de eigenschappen te verbeteren is dan ofwel een laag koolstofgehalte wenselijk, maar dan is de verspaanbaarheid slechter, ofwel een toeslag vantitanium, maar dan is de lasbaarheid slechter.
Koolstofstaal en staal komen voor in vele toepassingen, die de veelzijdigheid van dit materiaal demonstreren. Koolstofstaal kan de gebruikseisen van het merendeel van de toepassingen tegemoet komen. Daarom kan men er vanuit gaan dat de toepassing van duurdere legeringen begint met de vraag naar combinaties van eigenschappen die niet kunnen worden beantwoord door koolstofstaal.[11]
Matrijsstaal, staaltype dat wordt gebruikt voor de fabricage van matrijzen
Nitralloy staal, staal voor nitreer-doeleinden (± 1 % aluminium)
Roestvast staal (RVS), staal dat weerstand geeft tegen corrosie
Snelstaal (HSS, Engels:High Speed Steel) is staal dat bij hogere temperaturen zijnhardheid behoudt. Daardoor is het zeer geschikt voorgereedschap dat heet kan worden, zoals metaal- en betonboren. De sterkte of hardheid van het staal wordt bepaald door de hoeveelheid koolstof.
In 2017 werd in totaal 1.690 miljoen ton staal geproduceerd. DeVolksrepubliek China is veruit de grootste producent met een wereldmarktaandeel van 50%. Japan staat op de tweede plaats met een productie van 105 miljoen ton en wordt op korte afstand gevolgd doorIndia. In deEuropese Unie van 28 landen, wordt zo'n 168 miljoen ton geproduceerd. Duitsland is binnen de EU het grootste met 43 miljoen ton, gevolgd door Italië (24) en Frankrijk (16). België en Nederland ontwijken elkaar maar weinig, Nederland produceert redelijk consistent zo'n 7 miljoen ton staal op jaarbasis en België zo'n 1 miljoen ton meer.
In 2017 was 70% van al het staal afkomstig uit hoogovens. De resterende 30% kwam uit zogenaamdemini-mills, dit zijn staalbedrijven die schroot recycleren met vlamboogovens. In de Verenigde Staten produceren de mini-mills meer staal dan de hoogovenbedrijven, in Europa hebben ze een aandeel van 40% in de totale staalproductie en in China is het aandeel iets minder dan 10%.
In de periode van 2000 tot en met 2020 is de globale staalproductie ruimschoots verdubbeld. Bijna de hele stijging is veroorzaakt door één land, China. Na de economische ommekeer eind jaren zeventig heeft China veel geïnvesteerd in een eigen staalindustrie wat heeft geresulteerd in een dominante positie.
In de staalsector zijn relatief veel spelers actief, er zijn maar drie grote mijnbouwbedrijven die de levering vanijzererts grotendeels verzorgen. Dit zijnRio Tinto,BHP enVale. In 2017 wasArcelorMittal de grootste producent met 97 miljoen ton of 6% van het wereldwijde totaal. Het werd gevolgd doorChina Baowu Group met 65 miljoen ton enNippon Steel and Sumitomo Metal Corporation met 47 miljoen ton. Het AmerikaanseNucor is de grootste mini-mill en stond met 25 miljoen ton staal op de 11e plaats.
Per hoofd van de wereldbevolking wordt ruim 200 kg staal per jaar gebruikt. In Zuid-Korea ligt dit ruim boven de 1000 kg mede door de grote scheepsbouw- en automobielindustrie. In China ligt het rond de 500 kg en hier zijn vooral de bouw en de aanleg van infrastructuur belangrijke redenen voor het bovengemiddeld verbruik. In Afrika wordt per hoofd minder dan 30 kg per jaar gebruikt.
ArcelorMittal is de grootste producent van staal ter wereld, met een productie van 109,7 miljoen ton staal per jaar. De onderneming beschikt over minstens 61 vestigingen in 27 landen en heeft wereldwijd zo'n 320.000 werknemers in dienst. De omzet in 2009 bedroeg $65 miljard.
De term "pisbakkenstaal" wordt soms gebruikt om een staalsoort van slechte kwaliteit aan te duiden (net alswaaibomenhout gebruikt wordt om slecht hout aan te duiden). Soms wordt pisbakkenstaal afgekort tot PBS, vergelijkbaar met de afkorting RVS voorroestvast staal. In werkelijkheid moet echter voor een stalenurinoir juist een goede staalsoort gekozen worden vanwege de zuren in deurine.
De naamStalin die de Sovjetdictator Josef Djoegasvili voor zichzelf koos, betekent "man van staal".
De typische Duitse soldatenhelm uit de Eerste enTweede Wereldoorlog wordt alsStahlhelm ('stalen helm') aangeduid.
↑Ernst Hijmans (1963):Mens, metaal, machine: hun rol in onze behoeftevoorziening. p. 25
↑(en)Fry, Tony, Willis, Anne-Marie (2015). Steel: A Design, Cultural and Ecological History. Bloomsbury Academic, Londen, "Hoofdstuk 1: Traffic in Ideas", pp. 26-27. ISBN 978-0-8578-5479-7.
.svg)
