Koolstofstaal: samenstelling, eigenschappen en toepassingen

Typische samenstellingen van koolstof zijn:

• Mild (laag koolstofgehalte) staal: ongeveer 0,05% tot 0,25% koolstofgehalte met maximaal 0,4% mangaangehalte (bijv. AISI 1018 staal). Minder sterk maar goedkoop en gemakkelijk te vormen; de hardheid van het oppervlak kan worden verhoogd door carboneren.
• Middelgroot koolstofstaal: ongeveer 0,14% tot 0,84% koolstofgehalte met 0,60 tot 1,65% mangaangehalte (bv. AISI 1040 staal). Houdt taaiheid en sterkte in evenwicht en heeft een goede slijtageweerstand; gebruikt voor grote onderdelen, smeedstukken en auto-onderdelen.
• Hoog koolstofstaal: ongeveer 0,59% tot 0,65% koolstofgehalte met 0,30 tot 0,90% mangaangehalte. Zeer sterk, gebruikt voor veren en draden met hoge sterkte.
• Zeer hoog koolstofstaal: ongeveer 0,96% tot 2,1% koolstofgehalte, speciaal bewerkt om specifieke atomaire en moleculaire microstructuren te verkrijgen.

Staal kan warmtebehandeld worden, waardoor onderdelen in een gemakkelijk verwerkbare zachte toestand kunnen worden vervaardigd. Als er voldoende koolstof aanwezig is, kan de legering worden gehard om de sterkte, slijtage en slagvastheid te vergroten. Staal wordt vaak gesmeed door koudbewerking, dat is het vormgeven van metaal door vervorming bij een lage evenwichts- of meta-stabiele temperatuur.

Mild staal is de meest gebruikte staalsoort omdat de prijs ervan relatief laag is en het materiaal eigenschappen bezit die voor vele toepassingen aanvaardbaar zijn. Mild staal heeft een laag koolstofgehalte (tot 0,3%) en is daarom noch uiterst bros noch buigzaam. Het wordt smeedbaar bij verhitting en kan dus worden gesmeed. Het wordt ook vaak gebruikt wanneer grote hoeveelheden staal moeten worden gevormd, bijvoorbeeld als constructiestaal. De dichtheid van dit metaal is 7861,093 kg/m³ (0,284 lb/in³) en de treksterkte is maximaal 500 MPa (72500 psi)

Koolstofstaal dat met succes een warmtebehandeling kan ondergaan, heeft een koolstofgehalte tussen 0,30% en 1,70% gewichtspercenten. Sporen onzuiverheden van verschillende andere elementen kunnen een aanzienlijk effect hebben op de kwaliteit van het resulterende staal. Sporen van zwavel maken het staal "roodkorrelig", wat een fout is: het staal is bros en brokkelig. Laaggelegeerd koolstofstaal, zoals kwaliteit A36, bevat ongeveer 0,05% zwavel en smelt rond 1426-1538 °C (2600-2800 °F). Mangaan wordt vaak toegevoegd om de hardbaarheid van laag koolstofstaal te verbeteren. Deze toevoegingen maken het materiaal volgens sommige definities tot een laaggelegeerd staal, maar de AISI-definitie van koolstofstaal staat tot 1,65 gewichtspercenten mangaan toe.

Gehard staal verwijst gewoonlijk naar uitgeblust of uitgeblust en getemperd staal.

Zilverstaal of blank staal met hoog koolstofgehalte dankt zijn naam aan zijn uiterlijk, dat te danken is aan het hoge koolstofgehalte. Het is een staalsoort met een zeer hoog koolstofgehalte, of kan worden beschouwd als een van de beste staalsoorten met een hoog koolstofgehalte. Het wordt gedefinieerd onder de staalspecificatie normen BS-1407. Het is een 1% koolstofhoudend gereedschapsstaal dat tot nauwe toleranties kan worden geslepen. Gewoonlijk is het koolstofgehalte minimaal 1,10%, maar kan oplopen tot 1,20%. Het bevat ook sporenelementen van 0,35% Mn (bereik 0,30%-0,40%), 0,40% Cr (bereik 0,4%-0,5%), 0,30% Si (bereik 0,1%-0,3%), en ook soms zwavel (max 0,035%) en fosfor (max 0,035%). Zilverstaal wordt soms gebruikt voor het vervaardigen van scheermessen, omdat het een microfijne snede kan produceren en behouden.

Het doel van warmtebehandeling van gewoon koolstofstaal is de mechanische eigenschappen van staal te veranderen, gewoonlijk de ductiliteit, hardheid, vloeigrens en slagvastheid.