De metalen die gekenmerkt worden als staal vormen een diverse klasse van materialen die een integraal onderdeel zijn van de moderne samenleving. Staal is een legering die wordt gemaakt door ijzer te combineren met koolstof en andere elementen die het ongeëvenaarde sterkte geven. Sinds de beginjaren in het vroege 20e eeuw, heeft staal zich ontwikkeld tot honderden types, elk met zijn eigen unieke materiaalsamenstellingen. Om deze staalsoorten te organiseren, hebben het American Iron & Steel Institute (AISI) en de Society of Automotive Engineers (SAE) bepaalde staaltypes onderscheiden, en dit artikel zal een staalklasse uit de roestvrijstalen of die welke meer resistent zijn tegen vlekken, corrosie en roest, verkennen. Deze roestvrijstalen klasse staat bekend als de 440-stalen, en het is een zeer populair materiaal dankzij zijn hardheid en weerstand tegen slijtage. Dit artikel zal de kenmerken, materiaaleigenschappen en toepassingen van 440-staal onderzoeken zodat lezers kunnen begrijpen waar het gebruikt kan worden en hoe dit metaal het beste toegepast kan worden.
Wat is 440 Staal?
440 staal is een reeks van hoog-koolstof martensitisch roestvrij staal, inclusief grades 440A, 440B en 440C. Bekend om hun uitstekende hardheid en slijtvastheid, worden deze staalsoorten vaak gebruikt in de productie van high-performance messen en snijgereedschappen.
Fysieke eigenschappen van 440 Staal
440 staal maakt deel uit van de roestvrijstalen of die legeringen die minimaal 10% chroom bevatten, waardoor deze legeringen een verhoogde weerstand tegen corrosie krijgen. Het AISI heeft een driecijferige naamgeving ontwikkeld voor de roestvrijstalen (in tegenstelling tot de gebruikelijke viercijferige namen die aan andere, niet-roestvrijstalen worden gegeven; zie ons artikel over de types staal voor meer informatie), waarbij het eerste cijfer het type staal en legeringselementen aangeeft. De roestvrijstalen worden ook aangeduid op basis van hun moleculaire structuur, waarbij roestvrijstalen austenitisch, ferritisch, martensitisch of duplex kunnen zijn. De verschillen tussen deze types liggen in hun kristalroosterstructuren, die de roestvrijstalen bepaalde gunstige werkkenmerken geven zoals verhoogde hardheid, buigzaamheid of veerkracht tegen breuk. Voor meer informatie over roestvrij staal, verwijzen wij naar ons gerelateerde artikel dat de types en grades van deze metalen beschrijft.
De 4xx-klasse van roestvrijstalen is legerbaar met chroom en heeft een ferritische of martensitische structuur. 440 staal verwijst eigenlijk naar vier types staal: 440A, 440B, 440C en 440F staal, die alleen verschillen op basis van het koolstofgehalte in hun samenstelling. Alle types 440 staal zijn populaire keuzes, maar 440C staal is de meest populaire van de vier, omdat het de hoogste hardheid heeft. Hieronder staan de chemische samenstellingen van elk type:
Veelvoorkomende elementen in alle 440-stalen:
16-18% chroom
1% mangaan
1% silicium
0.75% molybdeen
0.04% fosfor
0.03% zwavel
Enige percentage koolstof
440A staal
0.6-0.75% koolstof
440B staal
0.75-0.95% koolstof
440C en 440F staal
0.95-1.20% Koolstof
Alle 440 staalsoorten zijn hardbaar, wat betekent dat ze extra sterkte verkrijgen door warmtebehandeling, en worden beschouwd als hoogkoolstoflegeringen. Wanneer versterkt met dit proces, zijn 440 staalsoorten de hardste van alle roestvrijstalen, waardoor ze zowel slijtvast als corrosiebestendig zijn. Wanneer in de zachte “gerekte” staat, is 440 staal gemakkelijk te bewerken, te bewerken en in vorm te brengen, waarna het kan worden gehard en de verhoogde sterkte krijgt waarvoor het bekend staat.
Corrosiebestendigheid & temperatuureffecten
Hoewel de meeste roestvrijstalen bestand zijn tegen roesten, zijn 440 staalsoorten iets minder corrosiebestendig. Dit is het resultaat van de martensitische structuur, die de hardheid verhoogt maar het meer openstelt voor corrosie dan austenitische en ferritische roestvrijstalen. Dit betekent niet dat 440 staal gemakkelijk roest, aangezien ze meer corrosiebestendig zijn dan de meeste staalsoorten, maar het moet niet puur worden gekozen vanwege zijn roestbestendigheid.
Het is ook belangrijk om te weten dat 440 staalsoorten niet goed werken bij extreme temperaturen. Ze verliezen hun sterkte bij hoge temperaturen omdat ze oververhit raken en zachter worden, en ze verliezen hun ductiliteit bij een temperatuur onder 0 graden Celsius. Dit feit is belangrijk voor elke ontwerper die dit staal in bijzonder ruwe omgevingen wil toepassen, aangezien 440 staal waarschijnlijk niet de beste keuze zou zijn.
Mechanische eigenschappen
Tabel 1, hieronder, toont enkele belangrijke mechanische eigenschappen van 440 staal. Het is belangrijk op te merken dat elke legering zijn eigen unieke waarden heeft, en deze waarden fluctueren op basis van de versterkingbehandeling. Tabel 1 toont waarden voor AISI 440 roestvrij staal, dat het dichtst bij 440C staal ligt:
Tabel 1: Samenvatting van mechanische eigenschappen voor 440 staal.
Mechanische eigenschappen
Metrisch
Engels
Uiteindelijk treksterkte
1750 MPa
254000 psi
Trek- en vervormingsgrens
1230 MPa
186000 psi
Hardheid (Rockwell)
58
58
Elasticiteitsmodulus
200 GPa
29000 ksi
Charpy-impact
19,0 J
14,0 ft-lb
440 staal heeft indrukwekkend hoge sterktes, zoals te zien is aan de ultieme en treksterkte. Deze metingen komen uit experimentele spanningsproeven, waarbij een proefstuk van 440 staal axiaal wordt uitgetrokken en de vervorming versus spanning wordt weergegeven op een curve. De yield-spanning is de maximale spanning die een proefstuk kan ervaren voordat het plastisch (permanent) vervormt, en de ultieme sterkte is de maximale spanning die het proefstuk ondergaat voordat het breekt. Deze metingen zijn nuttig in structurele toepassingen, waar een materiaal niet permanent mag vervormen onder zware belasting, en in toepassingen met hoge spanningen waar falen niet mag optreden.
Materiaalhardheid is een vergelijkende maat voor hoe moeilijk het is om het oppervlak van een materiaal te krassen, te etsen of te beschadigen. Er zijn veel schalen zoals de populaire Brinell-, Vickers- en Mohs-hardheidsschaal, maar staal wordt het vaakst beoordeeld op basis van de Rockwell-hardheidsschaal. 440 staal heeft een Rockwell-hardheid van 58, wat als vrij hard wordt beschouwd. Ter vergelijking: harde staalsoorten die voor mesranden worden gebruikt, hebben een hardheid van 60, dus het is duidelijk dat 440 staal vrij veerkrachtig is tegen oppervlaktevervorming.
De elasticiteitsmodulus is een maat voor hoe een materiaal reageert tijdens elastische, of niet-permanente vervorming. Een hoge elasticiteitsmodulus betekent dat het veel spanning vereist om een materiaal uit te rekken, wat kan worden beschouwd als een verhoogde stijfheid. 440 staal heeft een hoge elasticiteitsmodulus, wat betekent dat het niet gemakkelijk onder spanning uitwijkt, en maakt het daardoor een stijf materiaal in het algemeen.
Charpy-impacttesten bepalen hoeveel energie een materiaal absorbeert onder extreme omstandigheden, bijvoorbeeld onder breuk- of hoge vervormingsomstandigheden. Een zwaar pendulum wordt in een genotste testproefstuk van staal gezwaaid, waarbij een meter aangeeft hoeveel energie, in Joules, door het materiaal wordt geabsorbeerd. Over het algemeen zullen materialen met hoge sterkte niet veel energie absorberen, omdat ze in plaats daarvan gewoon breken (onthoud: brosheid neemt toe met sterkte). Als gevolg hiervan hebben de meeste staalsoorten een relatief lage Charpy-impactscore, en 440 staalsoorten vormen hier geen uitzondering. Het is nog een illustratie van de stijfheid en sterkte van 440 staalsoorten, aangezien ze minder dan 20 Joules energie absorberen wanneer ze worden geraakt door het Charpy-pendulum.
Hoe sterk is 440 roestvrij staal?
440 roestvrij staal is sterk en staat bekend om zijn sterkte en hardheid. 440 staal heeft een trek-yieldsterkte van 186000 psi en 58 op de Rockwell (hardheid) schaal.
Toepassingen van 440 staal
440 staal is te vinden in de meeste machinewerkplaatsen, omdat het een gemakkelijk te bewerken metaal is wanneer het gehard is en toch sterk en veerkrachtig blijft bij warmtebehandeling. Dit materiaal is uitzonderlijk geschikt voor componenten die relatief goed bestand moeten zijn tegen corrosie en toch niet slijten bij herhaald gebruik. Het is een uitstekend staal voor mesranden, omdat de hardheid en vormbaarheid uitblinken bij gebruik voor keukenbestek. Er zijn enkele andere opmerkelijke toepassingen van 440 staal, hieronder opgesomd:
Mal en matrijzen
Klepcomponenten
Instrumenten / meetapparatuur
Textielonderdelen
Kogellagers
om er maar een paar te noemen.
Samenvatting
Dit artikel gaf een korte samenvatting van de eigenschappen, sterkte en toepassingen van 440 staal. Voor informatie over andere producten, raadpleeg onze aanvullende gidsen of bezoek het XTJ-platform om potentiële leveranciers te vinden of details over specifieke producten te bekijken.
