Gebruik van bainitische stalen

Er zijn grote afzetmarkten voor stalen met treksterktes van minder dan 1000 MPa en waarbij het totale gehalte aan legeringselementen zelden 2 massaprocent overschrijdt. Bainitische stalen zijn goed geschikt voor toepassingen binnen deze beperkingen. Het ontwerp van de legering moet echter met veel zorg gebeuren om de juiste microstructuren te bekomen. Staalsoorten met een ontoereikende hardbaarheid neigen te transformeren tot mengsels van ferriet allotriomorfen en arm bainiet. Pogingen om de hardbaarheid te verbeteren leiden meestal tot partieel martensitische microstructuren. De oplossing hiervoor ligt in de laaggelegeerde staalsoorten met gering koolstofgehalte die kleine hoeveelheden boor en molybdeen bevatten om de vorming van ferriet allotriomorfen te onderdrukken. Boor verhoogt de bainitische hardbaarheid. Andere toevoegingen van opgeloste atomen kunnen, in de aanwezigheid van boor, voldoende laag gehouden worden om de vorming martensiet te vermijden. Een typische samenstelling zou kunnen zijn Fe-0.1C-0.25Si-0.50Mn-0.55Mo-0.003B massa%. Dergelijke staalsoorten transformeren in bijna volledige bainitische microstructuur met zeer weinig martensiet wanneer normalisatiebehandelingen toegepast worden.

De meeste moderne bainitische stalen worden ontwikkeld met een veel beperktere gehalten aan koolstof en andere legeringselementen. Er wordt dan tijdens de fabricage gebruik gemaakt van versnelde koeling om de noodzakelijke bainitische microstructuur te bekomen. De beperkte concentratie aan legeringselementen zorgt niet alleen voor een betere lasbaarheid, maar ook voor een hogere sterkte dankzij de fijnere bainitische microstructuur.

Het gamma bainitische stalen dat commercieel verkrijgbaar is omvat staalsoorten met ultra-laag-koolstofgehalte voor lastoepassingen, staalsoorten met hoge sterkte die competitief zijn met afgeschrikte en ontlaten martensitische staalsoorten, stalen met goede kruipweerstand die nu al decennia gebruikt worden in de energieproducerende industrie, smeedstalen die interessanter zijn dan martensitische stalen omdat ze minder fabricagestappen vragen, geënte stalen waarin bainiet gedwongen wordt intragranulair te nucleëren op deeltjes om aldus een chaotische microstructuur te bekomen die weerstaat aan scheurpropagatie, enz. De staalsoorten met hoge sterkte bestaan uit een mengsel van bainitisch ferriet, martensiet en restausteniet. Ze hebben een verhoogde hardbaarheid wanneer mangaan, chroom en nikkel worden toegevoegd en bevatten meestal ook een hoog siliciumgehalte (ongeveer 2 massa%) om de vorming van cementiet te onderdrukken (Figuur). Staalsoorten met hoge sterkte hebben een zeer lage concentratie aan onzuiverheden en insluitsels zodat het staal onderhevig is aan de vorming van cementietdeeltjes, die daarom moeten vermeden of zo klein mogelijk gehouden worden.

 Legering | C Si Mn Ni Mo Cr V B Nb Andere 




 
 Traditioneel bainitisch| 0.10 0.25 0.5 - 0.55 - - 0.003 - 




 
 Ultra laag-koolstof | 0.02 0.20 2.0 0.3 0.30 - - 0.010 0.05  




 
 Ultra hoge sterkte | 0.20 2.00 3.00 - - - - - - 




 
 Kruipvast    | 0.15 0.25 0.50 - 1.00 2.3 - - - 




 
 Smeedstaal | 0.10 0.25 1.00 0.5 1.00 - - - 0.10 




 
 Geënt  | 0.08 0.20 1.40 - - - - - 0.10 0.012 Ti 




 
Chemische samenstelling, massa%, voor een typisch bainitisch staal 




 





 

Staalsoorten met gemiddelde sterkte met dezelfde microstructuur maar met een lichtjes verlaagd gehalte aan legeringselementen worden toegepast in de automobielindustrie voor verstevigingsbalken, die bescherming bieden tegen een zijdelingse aanrijding. Een andere grote vooruitgang in de automobielindustrie is de toepassing van bainitische smeedstalen om onderdelen zoals de nokken van aandrijfassen te vervaardigen. Voorheen werden deze gemaakt met martensitische stalen, door smeden, harden, ontlaten, strekken en uiteindelijk het wegnemen van de spanning. Al deze productiestappen zijn nu vervangen door gecontroleerde afkoeling van de temperatuur van de smeedhamer om een bainitische microstructuur te verkrijgen. De kostbesparingen die hiermee gepaard gaan, hebben in bepaalde gevallen het verschil gemaakt tussen winst en verlies voor de volledige productie-eenheid.

Bainitische stalen met hoge kruipweerstand worden sinds de vroege jaren 1940 met succes gebruikt in de energieproducerende industrie. Hun hardbaarheid moet zodanig zijn dat onderdelen van 1 m diameter continu afgekoeld kunnen worden om een bainitische microstructuur te verkrijgen over de ganse sectie. In de legeringen worden chroom en molybdeen gebruikt om de hardbaarheid te bevorderen maar ook om gedurende de daaropvolgende gloeibehandeling de precipitatie van carbides mogelijk te maken. Deze carbides verhogen de kruipweerstand aanzienlijk.

Door het enten van gesmolten staal met gecontroleerde toevoegingen van niet-metallische deeltjes kan ervoor gezorgd worden dat bainiet intragranulair nucleëert op de insluitsels, eerder dan aan de oppervlakken van de austenietkorrels. Deze intragranulair genucleëerde bainiet noemt men “aciculair ferriet”. Het is een veel minder gestructureerde microstructuur met een grotere neiging tot scheurafbuiging. Geënte stalen zijn nu commercieel beschikbaar en worden gebruikt voor veeleisende constructiedoeleinden zoals de productie van oliebooruitrustingen voor aggressieve milieus.

Vooruitgang in de walstechnologie heeft ertoe geleid dat het mogelijk is om staalplaat vlug af te koelen tijdens het walsproces zonder overdadige vervormingen te veroorzaken. Dit heeft geleid tot de ontwikkeling van “snel afgekoelde staalsoorten” die een bainitische microstructuur hebben, uitstekend vervormbaar zijn en die kunnen concurreren met de klassieke gecontroleerd gewalste staalsoorten.