Wat is patroongelast staal?

Patroongelast staal is staal dat bestaat uit verschillende samengestelde laagjes die aan elkaar zijn bevestigd doormiddel van verhitting. Door deze verschillende laagjes staal ontstaat een bepaald patroon vandaar dat men het heeft over patroongelast staal. Het lassen van deze laagjes staal gebeurd echter niet doormiddel van een lasproces in plaats daarvan wordt het lassen gedaan door staal te verhitten waardoor het aan elkaar gesmeed kan worden. Daarbij kan het staal ook doormiddel van uitsmeden gevouwen worden. Door het staal meerdere keren te vouwen ontstaan veel laagjes waardoor het patroon complexer wordt. Patroongelast staal is in feite een soort damaststaal. Naast het patroongelast staal is ook wootz een variant van damaststaal. In het Engels noemt met patroongelast staal ‘patternwelded steel’.

Damaststaal en samengesteld staal
Patroongelast staal is samengesteld staal en dit klopt in de meest letterlijke zin. Patroongelast staal bestaat namelijk uit verschillende laagjes staal die in de praktijk ook vaak van verschillende staalsoorten of staallegeringen zijn gemaakt. Er kan bijvoorbeeld gebruik worden gemaakt van staal met meer of minder koolstof of staal dat verontreinigd is met vanadium. Tijdens het verhitten en uitsmeden van het staal worden de lagen heet staal aan elkaar gesmeed en wordt de koolstof gelijkmatig over het staal verdeeld. Daarnaast wordt het koolstof ook voor een deel verbrand. Ook andere onzuiverheden worden tijdens het smeden voor een deel verwijderd uit het staal. De benaming damaststaal is afgeleid van staal dat ongeveer 400 na Christus in India werd geproduceerd en in het Midden-Oosten werd bewerkt tot damaststalen messen en zwaarden.

Smeedijzer
Voor het maken van patroongelaststaal is het belangrijk om te begrijpen hoe smeedijzer ontstaat. Dit begint met het winnen van ijzer uit ijzererts in een schachtoven. Daarbij zal het smeltpunt van ijzer niet worden bereikt. Hierdoor wordt voorkomen dat het ijzer teveel koolstof zou absorberen waardoor er gietijzer zou ontstaan. Gietijzer bevat teveel koolstof en is daardoor te breekbaar. Gietstaal bevat echter veel onzuiverheden en die moeten er doormiddel van smeden uitgeperst worden. Daarbij wordt het smeedijzer meerdere keren dubbel gevouwen en vervolgens met een hamer plat geslagen. Dit zorgde er voor dat het smeedijzer uit meerdere lagen bestaat. Dit gelaagde ijzer bevat lagen van ongeveer dezelfde soorten ijzer met meer of minder verontreinigingen er in. Dat geeft een bepaald patroon dat zichtbaar is. Een groot deel van het ijzer dat gebruikt werd tot in de middeleeuwen was voorzien van deze gelaagdheid.

Hoe ontstaat het patroon in patroongelast staal?
In de vorige alinea’s werd al duidelijk dat door het vouwen en smeden van smeedijzer verschillende lagen ontstaan. Eventueel kan men het staal chemisch behandelen waardoor de laagjes nog beter zichtbaar zijn. Ook kan koolstof worden toegevoegd aan het ijzer om het staal hardbaar te maken. Dit kan onder andere gedaan worden door dunne ijzeren staafjes te gaan verhitten in een omgeving met veel koolstof. Het koolstof uit deze omgeving lost dan op in de oppervlakte van de ijzeren staafjes. Deze koolstofrijke ijzeren staafjes kunnen vervolgens weer ‘gelast’ worden samen met het andere smeedijzer. Vervolgens kunnen ook deze staafjes met de rest van het smeedstaal uitgesmeed worden en gevouwen worden. Daardoor wordt de koolstof weer verder verdeeld door het staal en ontstaat er een nog duidelijker patroon.

Er kunnen echter nog meer interessante patronen ontstaan door te experimenteren met verschillende verontreinigingen. Zo kunnen donkere lijnen ontstaan of juist lichtere lijnen. Vanaf de 3de eeuw werden zwaarden opgebouwd uit staven gelaagd staal die ook nog eens getordeerd werden. Dit houdt in dat deze lagen gelaagd staal tijdens het verhitten gedraaid werden. Daardoor ontstonden verschillende soorten patronen zoals V- N- of W- patronen. Deze patronen ontstaan door resp. 2, 3 of 4 getordeerde staven te smeden. Het torderen van gelaagd staal zorgt tijdens het smeedproces niet voor een betere kwaliteit. Vermoedelijk werd dit smeedproces ingevoerd voor de sier. Ook tegenwoordig worden nog sierobjecten gemaakt van patroongelast staal.

Modern patroongelast staal
Tegenwoordig is het niet meer nodig om patroongelast staal te maken. Er zijn moderne goedkope productiemethoden waarmee hoogwaardig staal kan worden geproduceerd. Daardoor is patroongelast staal voornamelijk staal dat vanwege de sierwaarde wordt vervaardigd. Er zijn een aantal bedrijven die zich hier nog mee bezig houden. Meestal gaat het om messensmeden en andere kleine smederijen die blanke wapens van hoge sierwaarde fabriceren. Dit is vooral handwerk. Blanke wapens is een verzamelnaam voor messen, zwaarden, dolken en andere snij- en steekwapens. Ook vuurwapens werden vroeger deels van patroongelast staal gemaakt maar dat komt tegenwoordig nog maar zeer zelden voor.  

Wat is wootz gietstaal?

Wootz is een speciaal soort hard gietstaal dat ontstaan is door smeedijzer en gietijzer met elkaar te versmelten en te smeden. Wootz is een variant van damaststaal net als patroongelast staal alleen wordt wootz op een andere manier gemaakt. Wootz wordt en werd als damaststaal gebruikt voor de vervaardiging van messen, zwaarden, bijlen en andere scherpe voorwerpen. Naast goede mechanische eigenschappen heeft wootz ook nog een grote sierwaarde. Hieronder kun je meer lezen over de toepassing, eigenschappen en kenmerken van wootz.

Waar komt de benaming wootz vandaan?
Wootz wordt uitgesproken als  “woets” en is oorspronkelijk afkomstig uit India. Volgens de Oxford English Dictionary is het woord ‘wootz’ mogelijk een drukfout voor wook. Het woord ‘wook’ is de Engelse verbastering van ukku, dit woord wordt uitgesproken met een ‘w’ aan het begin. Het woord ukku is in verschillende Zuid-Indische talen het woord dat wordt gebruikt voor staal. Dit zou betekenen dat wootz eigenlijk staal zou betekenen. Op zich is de keuze voor het woord niet bijzonder want wootz werd vanuit de oudheid al in India geproduceerd. Vervolgens werd een deel daarvan geëxporteerd naar het Midden-Oosten. Daar werd het staal uit India in verschillende lagen op elkaar gesmeed waardoor het zogenaamde damaststaal ontstond. Dit staal zou ongeveer rondom het jaar 300 na Christus ontwikkeld zijn. Er zijn echter ook geschiedkundigen die beweren dat damaststaal al veel ouder is en dat het 200 vóór Christus.

Toepassing van wootz
Wootz werd tot het begin van de 19
e eeuw geproduceerd en werd vooral toegepast voor de productie van wapens. De unieke manier van smeden zorgde er voor dat een mes of zwaard van damast zowel scherp als hard was. Ook moeten blanke wapens, zoals zwaarden en messen ook wel worden genoemd,  een bepaalde vorm van elasticiteit hebben. Wootz of damaststaal heeft vaak een elastische kern die er voor zorgt dat het wapen minder snel breekt. Naast messen en zwaarden werden ook sabels en dolken van damast gemaakt. De wapens hebben een bijzondere tekening die ontstaat doordat de ijzercarbide (cementiet) in het staal bij het afkoelen uitkristalliseert in speciale lijnen.

Hoe wordt wootz geproduceerd?
Wootz wordt ook wel een kroezenstaal genoemd. Dit houdt in dat bij de vervaardiging van dit staal een smeltkroes wordt gebruikt. In deze smeltkroes wordt in dit geval smeedijzer, dat een laag koolstofgehalte bevat, samengevoegd bij gietijzer, dat een hoog koolstofgehalte bevat. Het is daarbij belangrijk dat het metaal wordt afgeschermd door een vloeibaar glas. Daardoor neemt het metaal geen extra koolstof op. Als dat wel zou gebeuren dan wordt het metaal verandert in gietijzer door het hogere koolstofpercentage. Naast koolstof bevat wootz ook andere verontreinigingen zoals vanadium. Dit zorgt er voor dat wootz heel hard is.

Het smeedijzer moet zacht en buigzaam blijven en daardoor een laag koolstofgehalte bevatten. Het gietijzer is echter veel harder en daardoor ook breekbaarder. Gietijzer bevat echter wel veel koolstof en kan daardoor ook veel scherper worden gemaakt. Als een ervaren smid de juiste verhouding hanteert kan een sterk staalproduct worden gemaakt namelijk wootz. Door de verschillende lagen is het materiaal zowel elastisch als hard. Het staal is goed hardbaar. Doordat vanadium aanwezig is als verontreiniging kan een deel van de koolstof zich afscheiden in zeer harde carbiden.

Deze carbiden zijn van zichzelf behoorlijk bros maar doordat ze in het wootz damast zijn gesmeed in het flexibele staal worden de kwetsbare plekken verminderd. Zo ontstaat een goede combinatie van hardheid en sterkte. In het wootz kun je de combinatie van staal en carbiden zien in de vorm van donkere en lichte tinten wanneer deze zijn ge-etst.

Wootz als modern smeedproces?
In de alinea over de benaming van wootz werd duidelijk dat wootz een oud proces is dat gebruikt werd voor het maken van blanke wapens. De kennis van het oorspronkelijke proces is niet geheel verloren gegaan. John Verhoeven van de Universiteit van Iowa en een Californische smid, genaamd Alfred Pendray, hebben het vermoedelijke recept voor wootz weer herontdekt. Dit gebeurde rond 1980. Zij trokken de conclusie dat een nauwkeurige verhouding van temperatuur en duur van verhitting van belang ik bij het bij het maken van het wootz-staal. Ook de samenstelling van het erts is van cruciaal belang. Zo moet de erts rijk zijn aan fosfor en vooral,  sporen bevatten van vanadium, molybdeen of andere soortgelijke carbide-vormende elementen.

Tegenwoordig zijn er nog siersmeden die het wootzproces nog goed beheersen. Er zijn echter al veel meer moderne methoden ontstaan om sterk en hard staal te verkrijgen. Wootz is daardoor een proces dat niet veel gebruikt wordt. Het is een arbeidsintensief proces dat behoorlijk kostbaar is. Daarom wordt damaststaal zoals wootz door liefhebbers gefabriceerd in manufacturen oftewel kleine fabriekjes aan huis die voorzien zijn van een smederij.  Er zijn nog steeds wapens op de markt die van wootz zijn gemaakt of damaststaal. Het damasteren kan echter ook op andere manieren worden gedaan. Men kan dus niet zeggen dat elk voorwerp van damast wootz is. Het zou ook patroongelast staal kunnen zijn.

Wat is damaststaal of damast?

Damaststaal of damast is benaming voor gevouwen staal en staal dat uit meerdere lagen gesmeed is. Naast de benamingen damast of damaststaal wordt ook wel de benaming Damascusstaal of damasceens staal gebruikt en heeft met het ook wel over gedamasceerd staal. Door het vouwen of damasteren van staal kunnen de eigenschappen van het staal, of het product dat daarvan gemaakt wordt, verbeteren. Dit is een proces dat doormiddel van verhitten en smeden gebeurd. Door het vouwen en uitsmeden van staal ontstaat een sterk product. Er zijn echter twee verschillende methoden die gehanteerd kunnen worden om damaststaal te verkrijgen. Omdat deze methoden van elkaar verschillen ontstaan er ook bepaalde varianten van damaststaal namelijk wootz en patroongelast staal.

Eigenschappen van damaststaal
De eigenschappen van het staal worden verbeterd door het damasteren van staal. Hierbij werd een stuk ruw staal gesmeed in een brede vorm om vervolgens doormiddel van smeden dubbelgevouwen te worden. Daarna kan het staal desgewenst nog meerdere keren worden gevouwen en uitgesmeed worden. Hierdoor kan damaststaal bestaan uit tientallen dunne laagjes staal. Om die reden heeft men het ook wel over gevouwen staal zoals in de inleiding is benoemd. Damast staal kan verschillende eigenschappen hebben.

Deze zijn afhankelijk van het soort staal dat wordt gebruikt tijdens het smeden. Staal met een hoger koolstofpercentage er in zal harder zijn en scherper gemaakt kunnen worden. Staal met minder koolstof is elastischer. Een smid kan de eigenschapen van damaststaal door het vouwen en smeden van het staal aanpassen aan de wensen van de gebruiker. Damaststaal kan dus verschillende eigenschappen hebben. Ook het uiterlijk van een voorwerp van damaststaal kan verschillen. De verschillende metalen laagjes waaruit het voorwerp is gemaakt zijn meestal wel zichtbaar. Door het chemisch en mechanisch bewerken van damaststaal kunnen de laagjes duidelijker zichtbaar worden gemaakt. Die laagjes vormen een belangrijk kenmerk van damaststaal. De laagjes kunnen uit rechte lijnen bestaan maar ook uit verschillende complexe vormen.

Voordelen van damaststaal
Naast de sierwaarde die ontstaat door de verschillende laagjes staal heeft damaststaal ook nog een aantal voordelen.

  • Tijdens het vouwen en smeden van damaststaal worden de verontreinigingen die in het staal zitten verdeeld over het stuk staal. Daardoor verdwijnen de zwakke plekken uit het staal. Verder wordt ook de kristalstructuur van het staal verfijnd door het smeden van het staal. Door deze fijnere kristaalstructuur is het product sterker en zal het minder snel breken.
  • Het percentage koolstof uit het staal neemt af door het smeedproces. Het staal wordt regelmatig verhit in het vuur waardoor een deel van het koolstof verdwijnt. Verder wordt de koolstof meer verspreid over het product.

Oorsprong van damaststaal
Oorspronkelijk komt damaststaal uit India. Vanuit dit land werd het staal in de vorm van verschillende ingots verscheept naar het Midden-Oosten. Deze ingots zijn gegoten ‘broodjes’ staal die door smeden gebruikt kunnen worden om ze te vervormen tot bijvoorbeeld zwaarden en messen. Damasceense kooplieden verkochten deze damaststalen messen en zwaarden onder andere in Europa. Zo ontstond de benaming Damasceens staal oftewel damaststaal. Tegenwoordig worden de meeste messen op een andere manier vervaardigd omdat de methoden om hoogwaardig staal te verkrijgen zijn veranderd. Damaststaal heeft echter wel aantrekkelijke eigenschappen en ziet er vaak mooi uit. Daarom worden ook tegenwoordig nog steeds voorwerpen gemaakt van damaststaal. De volgende voorwerpen kunnen worden gemaakt van damaststaal:

  • Messen
  • Zwaarden
  • Dolken
  • Sabels
  • Bijlen

Deze producten kunnen worden gebruikt maar zullen in de meeste gevallen vooral voor de sier worden vervaardigd door siersmeden.

Wootz of patroongelast staal
Tegenwoordig wordt de benaming damast als verzamelnaam gebruikt voor twee soorten staal die door twee verschillende productietechnieken tot stand worden gebracht:

  • Wootz wordt ook wel bulat genoemd. Dit is een soort hard gietstaal dat oorspronkelijk uit India komt. Wootz wordt gemaakt door smeedijzer met laag koolstofgehalte in een smeltkroes samen te smelten met gietijzer met zeer hoog koolstofgehalte. Daarbij wordt vloeibaar glas gebruikt om het metaal af te schermen zodat dit geen koolstof opneemt en haar eigenschappen dus niet veranderen. Smeedijzer is zacht en buigzaam en daardoor elastisch en gietijzer is bros en hard en kan daardoor scherp geslepen worden. Door zowel smeedijzer en gietijzer in de juiste verhouding te verwerken tot Wootz ontstaat een staal dat goed hardbaar is.
  • Patroongelast staal dat ook wel ‘patternwelded’ staal wordt genoemd. Dit is staal dat is samengesteld. Hierbij worden verschillende soorten staal aan elkaar gelast. Dit gebeurd niet met een lasapparaat maar door staal te verhitten op een temperatuur waarbij het mogelijk is om staal aan elkaar te hechten. Hierbij kan staal worden uitgesmeed en gevouwen zodat ook bij dit proces de koolstof gelijk wordt verdeeld over het staalproduct.

Door gebruik te maken van twee of meer verschillende staalsoorten kunnen er verschillende patronen en kleurverschillen worden verkregen. Dit kan bijvoorbeeld door staal te gebruiken met een verschillend koolstofgehalte. Het verschil in koolstofgehalte zorgt er ook voor dat het staal een verschillende hardheid en elasticiteit heeft. Damast staal wordt tegenwoordig op verschillende manieren gemaakt daarom hanteert men voor de verduidelijking meestal de termen patroongelast staal of wootz. Hiermee wordt het verschil in de productietechnieken duidelijk.

Wat is een laagoven en waar werd deze voor gebruikt?

Tegenwoordig hoor je vaak het woord hoogoven als het gaat om het winnen van ijzer uit ijzererts. Vroeger werd echter gebruik gemaakt van laagovens, dit waren de voorlopers van hoogovens. Een laagoven is zoals de naam al doet vermoeden een lage oven. Deze oven is hooguit twee meter hoog. In deze ovens werd ijzererts ingebracht samen met houtskool. De lagen ijzererts werden boven op de houtskool gestapeld.

Een laagoven kon niet de hoge temperatuur bereiken van hoogovens. Laagovens kunnen namelijk een maximale temperatuur bereiken van 1200 °C en hoogovens halen een temperatuur van 1500 °C. Daarnaast hebben laagovens nog een nadeel want in laagovens kan ijzer niet in vloeibare vorm worden gewonnen. In plaats daarvan komt ijzer in laagovens als gesinterde massa naar voren met daarin de slak die bestaat uit de resten van de erts en de verbrande houtskool.

Dit ijzer had door de vermenging met erts en slak geen homogene massa en was daardoor niet sterk. Toen het later mogelijk was om ijzer te laten smelten ontstond gietijzer. Door verhitten en afkoelen van ijzer en het hameren daarvan kon het koolstofgehalte worden verlaagd. Hierdoor kon smeedijzer of welijzer worden gemaakt. Dit was in feite een soort staal en was sterker dan het gietijzer dat vrij bros is door het hoge koolstofgehalte.

Wat is constructiestaal en waar wordt dit staal voor gebruikt?

Constructiestaal is staal dat wordt gebruikt voor de productie van schepen, loodsen, gebouwen, bruggen en andere staalconstructies. Onder de verzamelnaam constructiestaal vallen verschillende laaggelegeerde staalsoorten. Deze staalsoorten hebben verhoudingsgewijs een hoog koolstofgehalten ten opzicht van bijvoorbeeld roestvast staal (RVS). Het hoofdbestandsdeel van staal is ijzer, dit wordt ook wel met de Latijnse naam ferro aangeduid.

Ferro is een scheikundig element met atoomnummer 26 in het periodiek systeem der elementen. Het materiaal heeft een grijze kleur en is een overgangsmetaal. Door aan  ijzer een klein percentage koolstof te voegen worden de mechanische eigenschappen van het materiaal aanzienlijk verbeterd. IJzerlegeringen met een koolstofgehalte van minder dan 1,9% procent worden staal genoemd. Staal heeft een lager koolstofpercentage dan gietijzer. Het laatste materiaal bevat 2,5%-6,67% koolstof en is daardoor brosser.

Constructiestaalsoorten
Staal bestaat uit een legering tussen ijzer een percentage koolstof dat lager is dan 1,9%. Het percentage koolstof in constructiestaal is maximaal 0,25%. Dit is afhankelijk van de toepassing van het materiaal en de chemische samenstelling. Er zijn verschillende soorten staal die onder constructiestaal vallen zoals bijvoorbeeld S235, S275 en S355. Naast deze staalsoorten zijn er nog verschillende andere staalsoorten die als constructiestaal kunnen worden beschouwd. De letter ‘S’ in de staalaanduiding staat voor het Engelse woord ”structural”. Dit woord kan in het Nederlands worden vertaald met staal of constructiestaal. De cijfers die er achter staan geven de vloeigrens aan van 16 mm staal in megapascal in N/mm².  Staal met de aanduiding S275 zal met een trekkracht van 275 megapascal gaan vloeien. Door het overschrijden van de vloeigrens zal het staal plastisch vervormen. Dit houdt in dat het staal dusdanig is opgerekt dat het bij het wegnemen van de belasting niet meer in de oorspronkelijk vorm terugkeert.

Eigenschappen van constructiestaal
Constructiestaal heeft  verschillende eigenschappen die het materiaal geschikt maken voor staalconstructies. Het materiaal heeft een laag koolstofgehalte en heeft een behoorlijk grote treksterkte en rek. Daarnaast kan constructiestaal goed worden gelast en is het materiaal goed te bewerken. Constructiestaal kan goed worden vervormd doormiddel van koude of warme bewerkingen. Verder is constructiestaal goedkoop en is het, ten opzichte van edele metalen, corrosiegevoelig. Daarom moet constructiestaal worden beschermd tegen de uitwerking van zuurstof en chemische stoffen.

Wat zijn zwart-wit lasverbindingen of ongelijksoortige lasverbindingen?

Ongelijksoortige lasverbindingen zijn verbindingen die doormiddel van las worden aangebracht tussen materialen waarvan de eigenschappen en samenstelling onderling van elkaar verschillen op fysisch of mechanisch gebied.  Deze lasverbindingen vergen extra aandacht. De lasser moet bijvoorbeeld speciaal lasdraad gebruiken. Een voorbeeld van een ongelijksoortige lasverbinding waarbij specifiek lasdraad moet worden gebruikt is een lasverbinding die gemaakt wordt tussen staal een roestvaststaal (RVS). Deze lasverbinding is een voorbeeld van een zwart-wit verbinding.

Zwart-wit lasverbindingen kunnen worden gemaakt door verschillende lasprocessen zoals bijvoorbeeld het MIG/MAG lasproces, het TIG lasproces en elektrode lassen. Met name de lasdraad is van groot belang bij ongelijksoortige lasverbindingen. Hieronder is in een alinea informatie weergegeven over lastoevoegmateriaal dat gebruikt kan worden  zwart-wit verbindingen.

Lasdraad voor zwart-wit verbindingen
Bij het maken van zwart-wit verbindingen moet een lasser onder andere rekening houden met de lasdraad die moet worden toegepast als toevoegmateriaal. Het lastoevoegmateriaal, dat de lasser moet gebruiken voor het maken van een las, is beschreven in een Welding Procedure Specification WPS of een Lasmethodebeschrijving LMB. In dit document staat hoe de las gemaakt dient te worden en welk lasproces en materiaal daarvoor benodigd zijn. Een WPS of LMB wordt gemaakt door een lastechnicus die daarvoor een gedegen opleiding heeft gevolgd. Dit kan bijvoorbeeld de opleiding Middelbaar Lastechnicus MLT zijn of International Welding Technologist IWT.

Een belangrijk aspect van het maken van zwart-wit verbindingen is de lasdraad. Deze lasdraad is hoog gelegeerd. De lasdraad die gebruik wordt is over het algemeen hoger gelegeerd dan het hoogst gelegeerde metaal dat verbonden dient te worden doormiddel van een las. Het soort lasdraad dat voor zwart-wit verbindingen wordt gebruikt is afhankelijk van de materialen en de eisen die aan de verbinding worden gesteld. Veel voorkomende varianten zijn 307Si, 309LSi, 309LMo en 312. De eigenschappen van deze verschillende soorten zijn divers. Hieronder staan een aantal voorbeelden van lasdraad met specifieke eigenschappen.

  • 307Si is geschikt voor verbindingen met hoge eisen met betrekking tot rek en taaiheid.
  • 309LSi is overgangsdraad dat geschikt voor lasverbindingen die bestand moeten zijn tegen hoge temperatuur.
  • 309MoL is een rutiel gevulde roestvaststaal draad. Deze lasdraad wordt gebruikt voor het lassen van ongelegeerd staal aan RVS (roestvaststaal).
  • 309LP is een rutiel gevulde draad. Deze draad wordt gebruikt voor het lassen in ongelegeerd staal aan roestvast staal in alle posities.
  • 312 is draad dat geschikt is voor verbindingen die een zeer grote treksterkte moeten hebben.