Hoog-sterktestaal: sterk, sterker, sterkst

ArcelorMittal Gent heeft de laatste 5 jaar samen met   ArcelorMittal Research and Development Industry Gent (ook gekend als OCAS) intensief gewerkt aan de ontwikkeling van een reeks hoge-sterktestalen, zowel in warmgewalste als koudgewalste en verzinkte toestand. Deze stalen worden hoofdzakelijk gebruikt in de automobielindustrie, maar zeker voor de ultrahoge sterkte bestaan ook toepassingen in andere markten zoals energietransport (pijplijnen voor gas of olie).


Klik om te vergroten
Figuur 1: overzicht koudgewalste hoge-sterktestalen


Hoog-sterktestaal: geen uitvinding, maar een ontwikkeling

Om hoge-sterktestalen te ontwikkelen, moeten wij een aantal metallurgische basisprincipes op de juiste manier en in de best mogelijke combinaties toepassen.


  • De meest efficiënte manier om de sterkte te verhogen is via korrelverfijning van de microstructuur. Dat doen we door de behandeling van het staal in de warmwalserij en tijdens de gloeibehandeling bij te sturen en door de chemische samenstelling aan te passen.
  • Een tweede methode is de zogeheten vaste oplossingsversteviging die wij verkrijgen door legeringselementen toe te voegen zoals Mn, Si, P… Vooral het laatste element heeft bij slechts kleine toevoegingen al een grote invloed op de sterkte.
  • Een derde methode bestaat erin om precipitaten in het staal te doen ontstaan zoals titaancarbide (TiC), niobiumcarbide (NbC). Deze deeltjes, die soms slechts enkele nanometers groot zijn (1 nm = 0,000000001 m), hebben een groot effect op de uiteindelijke mechanische eigenschappen. De eerste stalen die intensief gebruik maakten van deze methode, zijn de zogenaamde microgelegeerde stalen, die een sterkteniveau van rond 500 MPa bereiken.



Figuur 2: MnS-precipitaat als voedingsbodem voor TiN-precipitaten

  • Voor nog hogere sterktes is het noodzakelijk om de verschillende fasen in de microstructuur te veranderen. Normaal bestaat staal uit een ferrietmatrix, met daarin Fe3C-deeltjes (cementiet) verdeeld. Door in te spelen op de procesparameters kunnen echter metastabiele fasen zoals baïniet, martensiet en austeniet verkregen worden, die leiden tot een belangrijke sterktestijging en soms andere speciale karakteristieken zoals taaiheid.



Figuur 3: typische microstructuur van een IF hoge-sterktestaal (a), een dual-phase staal (b) en een TRIP-staal (c)


Typisch onderscheiden wij de volgende families hoge-sterktestalen:

  • Hoge sterkte Interstitial-free (IF) stalen: dit zijn ontgaste kwaliteiten met een volledige ferritische matrix waarin Mn, Si en P zijn  toegevoegd, typisch om sterktes tot 260 MPa vloeigrens te bereiken. Soms hebben deze stalen ook een zogenaamd bake hardening effect waardoor een kleine restant vrije C voor een verdere sterktestijging zal zorgen tijdens het uitbakken van de verf bij de (automobiel)klant. Groot voordeel van deze stalen is dat zij gebruikt kunnen worden voor de buitendelenl van koetswerk.
  • HSLA-stalen (High Strength Low Alloy) of microgelegeerde stalen waarbij de sterkte verkregen wordt door de precipitatie van Nb (C,N) en Ti(C,N). Deze stalen maken al geruime tijd deel uit van het productiegamma van ArcelorMittal Gent, maar worden voortdurend geoptimaliseerd.
  • Dual-phase stalen die bestaan uit een ferrietmatrix met daarin kleine eilandjes van martensiet. Deze stalen worden gekenmerkt door een goed vervormingsgedrag en de afwezigheid van een vloeidrempel zonder skin-pass, waardoor ze ongevoelig zijn voor veroudering. Om de martensietfase te verkrijgen is een verbeterde hardbaarheid van het staal nodig. Daartoe voegen wij vCr en Mo toe.
  • TRIP-stalen (TRansformation Induced Plasticity) zijn gekenmerkt door een ferrietmatrix met daarin een fijne baïnietfase en zogegeheten restausteniet. Het is deze laatste fase die aan deze stalen een zeer goede vervormbaarheid geeft. Deze stalen bevatten typisch hoge gehaltes Al en Si.



ArcelorMittal Gent was het eerste ArcelorMittal-bedrijf dat volgende nieuwe producten ontwikkelde:

  • ULC BH 260 vuurverzinkt voor buitendelen van auto's
  • TRIP 590, 700, 780 vuurverzinkt
  • DP1000 vuurverzinkt
  • DP500 vuurverzinkt voor buitendelen van auto's


Het gebruik van TRansformation Induced Plasticity (TRIP) staal, dat een hoge sterkte combineert met een uitstekende vervormbaarheid, stelt onze automobielklanten in staat om een belangrijke stap voorwaarts te zetten op het vlak van passagiersveiligheid en op het vlak van gewichtsbesparing (ecologie).


Sinds het begin, eind jaren negentig, spitsten de ontwikkelingen zich vooral toe op het 700MPa-treksterkteniveau (TRIP700). Dankzij een intensieve samenwerking tussen onderzoekers in verschillende disciplines en afgevaardigden uit de verschillende productieafdelingen, kon ArcelorMittal Gent in 2001 de eerste dompelverzinkte TRIP-rol produceren. Dat was meteen een première voor de ArcelorMittal-groep.


Toepassingstesten bij enkele vooraanstaande automobielproducenten wezen echter uit dat er vooral op het vlak van de puntlasbaarheid nog ruimte was voor verbetering. In de loop van 2002 ontwikkelden wij dan ook een aangepast concept (minder koolstof) waardoor het ArcelorMittal-product zich op hetzelfde niveau situeerde als dat van onze belangrijkste concurrenten. Parallel hiermee zochten wij op laboratoriumschaal verder naar mogelijkheden om het koolstofgehalte nog verder te verlagen door de toevoeging van fosfor (P). Deze inspanningen werden medio 2003 bekroond met de industrialisatie in ArcelorMittal Gent van een dompelverzinkte TRIP700-kwaliteit met het allerlaagste koolstofgehalte (beste puntlasbaarheid) op de Europese markt! In één jaar tijd realiseerden wij dus een uitermate belangrijke doorbraak op het vlak van lasbare en dompelverzinkbare TRIP-stalen.


Eind 2003 breidden we dit gepatenteerde concept nog verder uit zodat ArcelorMittal Gent momenteel een compleet assortiment (590-780MPa) dompelverzinkbare TRIP-stalen kan aanbieden. Een prestatie die enkel mogelijk was dankzij de intensieve en doorgedreven relatie tussen  ArcelorMittal Research and Development Industry Gent en de ArcelorMittal Gent-site.


Parallel hiermee werd ook een concept voor galvannealed TRIP –initieel ontwikkeld door Nippon Steel in samenwerking met het laboratorium Ledepp van ArcelorMittal – bij ArcelorMittal Gent geproduceerd tot full-hard materiaal. Vervolgens werd dit in Bregal en in Mardyck verzinkt. Deze industriële proef verliep zo snel dat ze de aandacht trok van het topmanagement van ArcelorMittal Auto.


Tijdens de ‘Journées Sidérurgiques Internationales‘ worden jaarlijks een aantal projecten die het resultaat zijn van een uitgesproken multidisciplinaire aanpak in de bloemetjes gezet. ArcelorMittal Gent / ArcelorMittal Research & Development Industry Gent werd als laureaat voorgedragen en ontving de ATS-prijs voor de ontwikkeling van dompelverzinkbaar TRIP-staal. Een bekroning van volgehouden hecht teamwerk.