Staal is een legering, een combinatiemetaal gemaakt van ijzer en koolstof. Het koolstofgehalte van staal bereikt een maximum van 1,5 procent. Vanwege zijn hardheid en sterkte wordt staal gebruikt bij de constructie van gebouwen, bruggen, auto's en tal van andere productie- en technische toepassingen.
Het meeste staal dat tegenwoordig wordt geproduceerd, is gewoon koolstofstaal of gewoon koolstofstaal. De koolstof in staal bestaat in de staat van ijzercarbide. Andere elementen, waaronder zwavel, fosfor, mangaan en silicium, zijn ook aanwezig.
Koolstofgehalte van staal
Koolstofstaal wordt gedefinieerd als staal dat zijn eigenschappen voornamelijk te danken heeft aan het koolstofgehalte en niet meer dan 0,5 procent silicium en 1,5 procent mangaan bevat. De gewone koolstofstaalsoorten, die variëren van 0,06 procent koolstof tot 1,5 procent koolstof, zijn onderverdeeld in vier soorten:
- Dood zacht staal, tot 0,15 procent koolstof
- Koolstofarm of zacht staal, 0,15 procent tot 0,45 procent koolstof
- Medium-carbon staal, 0,45 procent tot 0,8 procent koolstof
- Koolstofstaal, 0,8 tot 1,5 procent koolstof
Deze staalsoorten gaan van zachter naar harder, maar ze neigen ook naar toenemende brosheid. Het eerste type wordt gebruikt in autocarrosserieën. Het tweede type komt voor in rails en railproducten zoals koppelingen, krukassen, assen, tandwielen en smeedstukken. Het derde type wordt gebruikt in snijgereedschappen en spoorlijnen, en het laatste type wordt gebruikt in zuigers en cilinders.
Fysische basiseigenschappen van staal
Staal heeft een dichtheid van 7.850 kg/m3, waardoor het 7,85 keer zo dicht is als water. Het smeltpunt van 1.510 C is hoger dan dat van de meeste metalen. Ter vergelijking: het smeltpunt van brons is 1.040 C, dat van koper is 1.083 C, dat van gietijzer is 1.300 C en dat van nikkel is 1.453 C. Wolfraam smelt echter bij een verschroeiende 3.410 C, wat niet verwonderlijk is aangezien dit element wordt gebruikt in gloeilampen.
De lineaire uitzettingscoëfficiënt van staal bij 20 C, in µm per meter per graad Celsius, is 11,1, wat meer maakt bestand tegen maatveranderingen bij temperatuurwisselingen dan bijvoorbeeld koper (16,7), tin (21,4) en lood (29.1).
Roestvrij staal
Roestvast staal wordt in de bouw gebruikt wanneer corrosiebestendigheid een belangrijke troef is, zoals bij messen die een scherpe rand moeten behouden. Een andere veelvoorkomende reden waarom roestvast staal wordt gebruikt, is hun eigenschappen bij hoge temperaturen. In sommige projecten is weerstand tegen oxidatie bij hoge temperaturen een absolute vereiste, terwijl in andere projecten hoge temperatuurbestendigheid een eerste vereiste is.
Additieven aan staal
Kleine hoeveelheden andere metalen die aan staal worden toegevoegd, veranderen de eigenschappen ervan op een manier die gunstig is voor bepaalde industriële toepassingen. Kobalt resulteert bijvoorbeeld in een hogere magnetische permeabiliteit en wordt gebruikt in magneten. Mangaan voegt sterkte en hardheid toe en het product is geschikt voor zware spoorwegovergangen. Molybdeen behoudt zijn sterkte bij hoge temperaturen, dus dit additief is handig bij het maken van snelboorpunten. Nikkel en chroom zijn bestand tegen corrosie en worden gewoonlijk toegevoegd bij de vervaardiging van chirurgische instrumenten van staal.