Hoogsterkte staal

Hoogsterkte staal is een staalsoort met een lage hoeveelheid koolstof en een hoge sterkte. Hoogsterkte staal heeft een hogere sterkte dan S235 en S355, de meest voorkomende staalsoorten voor staalconstructies. De definitie van hoogsterkte staal is staal met een rekgrens hoger dan 355 MPa. In de praktijk is de eerste veel toegepaste staalsoort die aan deze definitie voldoet S420.

Om dit artikel beter te begrijpen, raden wij aan om ook de artikelen over het spanning rekdiagram en over staal – S235 te raadplegen.

Toepassing van hoogsterkte staal

De toepassing van hoogsterkte staal is zeer uitgebreid. Hogesterke stalen wordt gebruikt in o.a. de bruggenbouw, mijnbouw, kraanbouw, hijs- en heftechniek en offshore industrie. Kenmerkend aan hoogsterkte staal is de grote belastbaarheid, hoge rekgrens en een laag koolstofpercentage. Veel van de moderne constructies zouden niet maakbaar zijn zonder de toepassing van hoogsterkte staal. Hoewel er andere voordelen zijn is het toepassen van hoogsterkte staal vaak een noodzakelijke overweging.

De toepassing van hoogsterkte staal is niet beperkt tot constructies die zwaar belast worden. Omdat het materiaal per vierkante millimeter meer belasting aankan is het mogelijk om dunwandiger en lichtere constructies te maken. Toepassing van hoogsterkte staal kan dus eigenlijk in elke sector en voor elk product een voordeel bieden. Tosec kan u helpen bij het snijden, kanten/zetten, frezen en lassen van hoogsterkte staal.

High Strength – Low Alloy

Staal met een rekgrens hoger dan 420 MPa wordt ook wel High Strength Low Alloyed genoemd. Ligt de vloeigrens nog hoger (boven de 700 MPa) dan wordt het UHSLA – Ultra High Strength Low Alloyed genoemd. Staal met een rekgrens boven de 355 MPa kan als hogesterkte staal toegepast worden, maar dit kan per sector verschillen. Dit is o.a. afhankelijk van de toepassing en de gecalculeerde belasting van de constructie.

Plaatwerk met een hoge sterkte is in twee soorten verkrijgbaar; in bandplaat en in quarto-plaat. De bandplaat is verkrijgbaar tot 20 mm dik en doorgaans beschikbaar tot breedtes van 2150 mm. Bekende hoogsterkte staalsoorten zijn Domex en Optim QC van Ruukki. Dit zijn slechts twee voorbeelden, er nog veel meer fabrikanten die hoogsterkte staal (tot 700 MPa) produceren en leveren. Bandplaat is verkrijgbaar met een vloeigrens tot 1100 MPa.

Hoogsterkte staal is ook verkrijgbaar als quarto-plaat. De plaatdikte varieert dan (afhankelijk van merk en type) van 4 mm tot 160 mm. De rekgrens varieert van 700 MPa tot 1300 MPa. Verkrijgbare hoogsterkte staalsoorten zijn Dillimax, met de veelgebruikte staalsoort S690 en Weldox met een rekgrens tot 1300 MPa. Hoogsterkte quarto-platen worden veel toegepast in de mijnbouw, kraanbouw en offshore industrie.

Rekgrenzen van hoogsterkte staalDe rekgrenzen van verschillende hoogsterkte staalsoorten.
Hoogsterkte staal is taai en breekt niet snelHoogsterkte staal is taai en geeft veel breuksignalen voordat het bezwijkt.

Productieproces

Hoogsterkte staal wordt volgens speciale processen geproduceerd. Hoewel er nog meer processen zijn worden hier alleen het proces voor bandplaten en het proces voor quarto-platen kort besproken.

Bandplaten worden uitgewalst in een serie opeenvolgende walsen, voorzien van walsrollen. Zo ontstaat een brede en lange staalband. De staalband wordt in een continu proces gekoeld en opgerold tot een coil. Op een afrollijn wordt de staalband gevlakt en geknipt op de juiste plaatlengte.

Quartoplaat of dikke plaat wordt gewalst in twee walstuigen (elk bestaande uit vier walsrollen), totdat de gewenste dikte is bereikt. De plaat wordt vervolgens afgekoeld en gevlakt. Deze techniek laat het toe om bredere platen en grotere diktes te bereiken. Afhankelijk van de gewenste kwaliteit worden de materiaaleigenschappen van de quartoplaat vaak verbeterd door warmtebehandelingen zoals normaliseren. De toleranties op afmetingen en vorm waaraan de quartoplaat moet voldoen staan beschreven in de norm EN 10029.

Bandplaten en quartoplaten bestaan in een grote variëteit van kwaliteiten, elk met hun eigen chemische en mechanische eigenschappen. Er is voor iedere toepassing een geschikte oplossing te vinden.

Eigenschappen Hoogsterkte staal

Als het productieproces goed is uitgevoerd heeft hoogsterkte staal een unieke combinatie van eigenschappen. Mechanisch gesproken heeft het een zeer hoge vloeigrens die kan oplopen tot 1300 MPa. Bovendien heeft het materiaal vaak een gehard oppervlak. Gekeken naar de variabelen in het spanning rekdiagram is er sprake van een sterk en taai materiaal, uiterst bruikbaar voor toepassing in de mobiele kranen, graafmachines, offshore constructies, heavy duty grondvoertuigen en bruggen.

Bij hoogsterkte staalsoorten is er sprake van een zeer hoge homogeniteit. Hiermee wordt bedoeld dat de eigenschappen per plaat sterk op elkaar lijken. Anders gezegd: bij de productie van een grote serie platen is de kans zeer groot dat een willekeurige plaat dezelfde eigenschappen heeft als een volgende plaat. Ter vergelijking: bij S235 is er veel minder sprake van homogeniteit. De spreiding ligt zo ver uit elkaar dat een plaat S235 een vloeigrens van 235 MPa maar ook van 355 MPa kan hebben.

Verschillende productieprocessen en staalsoorten en -merken hebben hun eigen mechanische waarden. Het is raadzaam altijd goed de gekozen staalsoort te bestuderen alvorens tot bouw wordt overgegaan.

Voordelen hoogsterkte staal

Construeren met hoogsterkte staal heeft veel voordelen. Behalve de betrouwbaarheid en de hoge rekgrens zijn er ook nog andere voordelen te noemen:

Constructie voordelen

Doordat hoogsterkte staal een veel hogere vloeigrens heeft als constructiestaal is het belastbaar vermogen per vierkante millimeter (mm²) veel hoger. Een constructie is veel lichter en kan met een dunnere plaatdikte gefabriceerd worden, terwijl het belastbaar vermogen behouden blijft. Door hoogsterkte staal toe te passen is het mogelijk om lichtere, dunwandigere en slankere constructies te bouwen. Minder materiaal is vooral in bewegende constructies erg gunstig, omdat een lager gewicht minder energie kost om te verplaatsen. HSLA wordt daarom veel toegepast in bruggen en hijsequipment.

Effect hoogsterkte staal op de plaatdikteVergelijk van plaatdiktes om eenzelfde sterkte te behalen.
Effect van hoogsterkte staal - HSLA op het materiaalvolumeBij een dunnere hoogsterkte staalplaat is het lasvolume kleiner.

Economische voordelen

Sommige constructies zouden zonder toepassing van hoogsterkte staal helemaal niet gemaakt kunnen worden. Er zijn echter ook constructies waarbij de constructeur wel de keuze heeft voor S235 of S355 materiaal. Ook in die gevallen kan het toepassen van S690 of S420 economische voordelen bieden. De prijs per kilo is hoger, maar omdat de belastbaarheid per kilo ook hoger is, kan het totale constructiegewicht afnemen. Er is dus een lager aantal kilo’s materiaal vereist om de constructie te bouwen. Minder kilo’s kunnen de kostprijs gunstig beïnvloeden.

Andere voordelen HSLA

Hoogsterkte staal heeft bijzondere eigenschappen die, afhankelijk van de eisen en wensen van de constructeur, grote voordelen kunnen bieden:

  • Minder gewicht, dit kan leiden tot een lagere totaalprijs
  • “Onmogelijke” constructies worden mogelijk door de hoge sterkte
  • Hoogsterkte staal is een homogeen en zeer vlakke plaat
  • Kleiner lasvolume, minder lasmateriaal en vermindering van lastijden

Dit laatste voordeel wordt in de volgende alinea nog verder uitgewerkt.

Kleiner lasvolume

In de voorgaande paragrafen en figuren zijn de voordelen van hoogsterkte staal besproken. Daar is o.a. beschreven dat een materiaal met een hogere rekgrens kan leiden tot dunwandigere constructies. Vanuit dit principe kijken we nog een stap verder, naar het effect van hoogsterkte staal op het lassen.

Bij de keuze voor een dunnere, maar sterkere plaat, wordt het lasoppervlakte kleiner. Het op te vullen gat is kleiner, dan bij een dikkere plaat het geval zou zijn geweest. Het lasvolume wordt kleiner en dus is er ook minder lasmateriaal nodig. Een las is vaak opgebouwd uit meerdere lagen. Doordat er minder lagen aangebracht hoeven te worden kan een flinke besparing op de lastijd behaald worden. Bij het juist toepassen van hoogsterkte staal kan op de productiekosten aanzienlijk bespaart worden.