Constructiematerialendreaden.studentenweb.org/latex/constructiematerialen.doc · Web...

ConstructiematerialenMateriaalkunde voor Technici

HFDST 3: Materiaalkeuze en modellen

3.1 Denken in termen van eigenschappenAan de hand van een gedegen analyse van de complete productlevenscyclus kunne we rationeel een geschikt materiaal kiezen. Dat betekent een analyse van:

De energie die het kost om een product te makenDe beschikbaarheid van materialen en productiewijzenTe verwachten functionele levensduur van het productTe verwachten onderhoudsaspectenTe verwachten restwaarde in termen van materiaal, energie en hergebruik

3.2 Het ontwerpprocesEr zijn 2 belangrijke stromen in de methode van ontwerpen. Één methode is het zo snel mogelijk toewerken naar een beeld van het te ontwerpen product in zijn kerscontext. Dat kan een schets zij, waarin, waarin het product en zijn omgeving met hun interacties zichtbaar worden. Wordt gebruikt als discussiemodel om eisen en wensen verder aan te scherpen of te verduidelijken.Een tweede veelgebruikte ontwerpmethode is meer gestructureerd. (fig 3.2 p 67)

3.3 Keuzefactoren en materiaalkosten

VerkrijgbaarheidWanneer een ontwerper het gebruik van een bepaald materiaal overweegt, is vaak 1 van zijn eerste vragen of het materiaal direct te verkrijgen is. Luidt het antwoord ‘nee’ dan is de volgende vraag in hoeveel tijd het materiaal dan wel kan worden geleverd.

KostenAls het beoogde materiaal binnen een aanvaardbare termijn geleverd kan worden, zal de ontwerper zich vervolgens in de kosten gaan verdiepen. Bij het kiezen van een materiaal spelen de kosten – bewust of onbewust – altijd een belangrijke rol.

HerverwerkingVerder moet de ontwerper rekening houden met de afdankfase, waar restwaarde, recyclebaarheid, milieubelasting, stortkosten, verbrandingskosten enz. een belangrijke rol spelen.

FabricageDe laatste kostenfactor die we bespreken is de fabriceerbaarheid, dus het gemak waarmee een ruw materiaal zich tot het gewenste eindproduct laat verwerken.

3.4 ModelvormingGewicht van de constructie wordt bepaald door de afmetingen en door de soortelijke massa: G en V zijn de productparameters en rho is een materiaalparameter.Met behulp van productmodellen kan men ‘bewijzen’ wat de beste materiaalkeuze is, gegeven het eisenpakket. De volgende stappen moeten doorlopen worden:

Stel de producteisen, wensen en interacties vast, gebruik eventueel de checklist

- 1 –Githa Van Gorp

Stel de productparameters vast (eigenschappen specificatie)Bepaal beperkende randvoorwaarden (milieu, temperatuur, productiewijze)Maak een productmodel waarin de productmaten, materiaaleigenschappen en belastingen voorkomen (formules, benaderingen). Gebruik bijvoorbeeld formules als in appendix C.Materiaalparameters van product (dimensie) parameters scheiden (kengetallen toekennen)Bepaal een materiaalkeuzegroep aan de hand van gestelde eisen (6 tot 10 mogelijke zinnige materialen of materiaalsoorten)Koppel terug naar de overige eisen, productiemethoden afbakenen (vorm, seriegrootte, functies)Onderzoek de beschikbaarheid van materiaal in relatie tot productieproces en productgrootteSpecificeer eventuele warmtebehandelingen en oppervlaktebehandelingenVerantwoorden van de keuze (documenteren)

3.5 Materiaalkeuze met chemische eigenschappenEr zijn 3 belangrijke toepassingsgebieden waarbij met name de chemische oppervlakte-eigenschappen een rol kunnen spelen. Ten eerste als het van belang is dat een materiaal gekleurd moet kunnen worden, ten tweede als er bepaalde gezondheidsnormen gelden en ten derde als er sprake kan zijn van corrosie.

3.6 Materiaalkeuze met fysische eigenschappenEen belangrijk vakgebied bij de modelvorming op basis van fysische eigenschappen is dat van de fysische overdrachtsverschijnselen. Het gaat dan met name om geleiding (transmissie), opname (absorptie) of weerkaatsing (reflectie) van elektriciteit of straling: warmte, magnetisme, licht en radioactiviteit.P 76 ev!!!

3.7 Ontwerpen op stijfheidStijfheid is de maat voor de elastische vervorming als gevolg van een opgelegde kracht.De buigstijfheid wordt meestal bepaald door het product E.I In deze betrekking staat I voor het traagheidsmoment van de constructie, ofwel de bijdrage die dikte en breedte van de constructie geven aan de stijfheid, in relatie tot hun oriëntatie.De knikvastheid valt weliswaar onder elastisch, maar instabiel gedrag. Voor deze elastische instabiliteit zijn verschillende modellen ontwikkeld. In het model voor knik is dan ook niet het product E.A de bepalende factor, maar , met l de lengt van de constructie.De torsiestijfheid van een cilinder met lengt le wordt gegeven door de hoek phi waarover het eindlvak van de cilinder verdraat ten opzichte van het beginvlak als gevolg van een wringend moment MW.

3.8 Ontwerpen op sterkte-eigenschappenMaximale spanning: niet verder buigen of rekken dan tot hier, anders vervormt het blijvend niet meer belasten dan tot deze spanning anders bezwijkt hetP 79 ev!!!

3.9 Ontwerpen op vervormbaarheidTijdens het gebruik van de meeste producten heeft men niet te maken met de rekken die het materiaal zou moeten kunnen hebben. Alleen elastomeren en rubbers, zoals elastiek en autobanden moeten een grote elastische rek kunnen hebben. Ook bij de toepassing van veren is de elastische veerweg van belang.


In het geval van sommige vormgevingstechnieken wil men echter een taai materiaal dat een grote plastische rek kan hebben en dat weinig insnoering vertoont.

3.10 Ontwerpen op vermoeiingseigenschappenAls een materiaal vervormt, levert dat atoomverplaatsingen op. Als na elastische vervorming de spanning wordt weggenomen, veert de constructie weer geheel terug. Toch zullen er vanaf een bepaalde belasting allerlei atomen gunstigere posities innemen dan voor de belasting, waardoor het materiaal weliswaar terugveert, maar er toch op atomaire schaal verschillen ontstaan. Opnieuw belasten levert dan ander gedrag op.Er bestaan 3 verschillende soorten van wisselbelasting:

WisselspanningSprongwisselspanningRimpelspanning

Voor al deze belastingen geldt dat de maximaal optredende spanning niet de vermoeiingssterkte mag overschrijden zoals in de Wöhler krommes bepaald is.P 82 ev!!!

3.11 Ontwerpen op kruipeigenschappenp 83 ev!!!

3.12 Materiaalkeuzemodellen


HFDST 4: Grondslagen van de kunststoftechnologieNiet alle polymeren zijn synthetisch, want ook in de natuur komen polymeren voor: de bouwstenen van dierlijk leven – eiwitten - zijn polymeren, en hetzelfde geldt voor pijnhars, schellak, natuurrubber en voor een groot aantal andere stoffen die we allemaal kennen.

Polymeren = ‘stoffen die bestaan uit lange ketens van zich herhalende moleculaire groepen’ (monomeren) Meeste monomeren: ruggengraat van C-atomen Binnen: redelijk sterke binding Buiten: zwakkere interactie maar toch adhesie

Vergelijking met andere materialen:Atomen binnen monomeer: zeer sterk aan elkaar gebonden (meestal covalent)Binding binnen aaneengeregen monomeermoleculen (=binnen polymeerketen): ook covalent of evt. veel zwakkere secundaire bindingPolymeren met lange ketenmoleculen: normaliter zwakker dan keramieken of metalen:

o Onderling slechts aan elkaar gebonden door zwakke elektrostatische krachten(“Vanderwaalskrachten”)

o Onder belasting: ketens uit elkaar glijden!o versteviging (diverse mogelijkheden: vulstoffen, vertakte keten, “cross-links”,…)

Eigenschappen:Zéér veel variaties:

o Structuur keteno Ligging ervano Toevoegstoffeno E.g. ook: snel afkoelen

Gevolg: oneindig grote waaier van eigenschappeno Meeste moderne materialen; nog enorme evolutieso Rol polymeerchemicus: ‘compounders’ en polymeerfabricanten

Kunststof = polymeer met allerlei toevoegingenPlastisch ~ kneedbaar, plastisch

4.1 PolymerisatiereactiesIn PSE komt een bepaalde groep van elementen voor, welke de bouwstenen vormen van alle levende organismen. Het betreft met namen de elementen koolstof C, waterstof H, zuurstof O en stikstof N? we noemen dit organische elementen en de beschrijving van alle reacties waarmee uit deze elementen (organische) stoffen kunnen worden opgebouwd wordt de organische chemie genoemd. De opbouw van stoffen uit de atomen van deze elementen geschiedt doorgaans door middel van covalente bindingen, zodat de ontstane stoffen (organische) moleculen vormen.P 92 ev!!!De meeste polymeren bestaan uit lange ketens van zich herhalende moleculaire groepen (de monomeren), het woord polymeer geeft dit eigenlijk al aan. Nu kunnen de afzonderlijke moleculen op 2 manieren aan elkaar hechten: (1) de moleculen worden geheel achter elkaar gekoppeld = additiepolymerisatie, als kralen aan een ketting; (2) een nieuw molecuul hecht zich aan een ander molecuul tijdens de vormingsreactie = condensatiepolymerisatie.


Het uitgangsmateriaal bij additiepolymerisatie is een monomeer in oplossing, in emulsie, in dampvorm, of gewoon een onverdunde vloeistof. Bij additiepolymerisatie hebben de schakels in het gevormde polymeer dezelfde samenstelling als de afzonderlijke monomeermoleculen.Bij conditiepolymerisatie daarentegen hebben de eenheden waaruit de polymeerketen is opgeboud een andere chemische structuur dan de materialen waaruit het polymeer werd bereid.Als bij condensatiepolymerisatie vrijkomende condensaat in de keten opgenomen wordt op een ander plaats: we spreken van polyadditie.

Bij toepassing van infraroodspectroscopie wordt het polymeer in een geschikt oplosmiddel opgelost of er wordt een dunne film van gemaakt, vervolgens doorstraalt men de oplossing of film met infrarood licht, waarbij het frequentiespectrum van de doorgelaten infrarode straling wordt gemeten. Een nieuwe vorm van deze methode, de Fourier transform infrared spectroscopy (FTIRS), biedt de mogelijkheid films en organische coatings op vaste materialen te analyseren.

Additiepolymerisatie: de moleculen worden geheel achter elkaar gekoppeld, als kralen aan een kettingUitgangsmateriaal = monomeer in oplossing, emulsie, dampvorm of gewoon onverdunde vloeistofSchakels in polymeer: zelfde chemische samenstelling als monomeermolecule

Condensatiepolymerisatie: een nieuw molecule hecht zich aan een ander molecule tijdens de vormingsreactie

Schakels in polymeer: andere chemische samenstelling dan uitgangsmaterialenVorming van bijproduct (water/”condensatie”)

Bijzondere gevallen: Polyadditie: condensaat wordt ook in keten opgenomen op een andere plaats Cross-linking: vorming van sterke chemische bruggen (‘cross-links’/dwarsverbindingen)

tussen de ketensMateriaal dat ontstaat is in feite één macromolecule

4.2 Structuur van kunststoffenDe mechanische eigenschappen van een kunststof kunnen we bepalen uit de structuur van de kunststof. Kunststofmoleculen zijn lange aaneenschakelingen van monomeren. Binnen deze ketens van monomeren worden de atomen, in de keten, bijeengehouden door een sterke covalente binding. Op hun beurt worden de moleculen door veel zwakkere bindingen ( Van der Waals krachten, waterstofbruggen en dipolen) bij elkaar gehouden.

Indien de molecuulketens zonder enige regelmaat door elkaar liggen noemen we de kunststof amorf. Elke kunststof is geheel of gedeeltelijk amorf.Eigenschappen zoals sterkte en stijfheid worden in grote mate door de structuur bepaald. Juist om deze reden delen we de kunststoffen op basis van hun structuur en toepassing in vijf hoofdgroepen: thermoplasten, thermoharders, rubbers en elastomeren, lijmen en deklagen.

Fysisch verschillend:MG (moleculair gewicht) materiaaleigenschappenChemisch verschillend:

Chemische Samenstelling: substitutie van een of meer H-atomen door ander element of moleculaire groepChemische Structuur: atactisch, isotactisch, syndiotactisch, …


Co-polymerisatie = polymerisatiereactie waarbij polymeerketting ontstaat die (twee) verschillende monomeren bevat

Atactisch onregelmatige plaatsingIsotactisch zijgroepen steeds aan dezelfde kantSyndiotactisch zijgroepen alternerend aan hoofdketen

Mengpolymeer (homogeen, één fase)Componenten op moleculaire schaal mengbaar, hebben identiteit verloren 1 unieke TG = glasovergangstemperatuur

Polymeermengsel (heterogeen, meerfasig)Componenten niet mengbaar, componenten behouden iets van hun oorspronkelijke eigenschappen. Verschillende microstructuren

TG: “Glasovergangstemperatuur”= “glaspunt”; “glas-rubber-overgangstemperatuur”,”verwekingstemperatuur”= temperatuur waarbij polymeer verweektBij T>TG:

o Amorf polymeer = rubberachtige ‘vloeistof’o Ketens kunnen over elkaar glijden

Bij T<TG:o Materiaal = vaste, glasachtige stof

Heterogeen mengsel: beide componenten hebben eigen Tg

Soorten polymerenIndeling op basis van temperatuur-afhankelijk gedrag:

Thermoplasten: verweken (plastisch) bij hogere temperaturen Rubbers, elastomeren: bij kamertemperatuur al verweekt (+ rubber-elastisch of visco-elastisch

gedrag = terugtrekking vertraagd in de tijd) Thermoharders: ongeveer niet verweekt (of zelfs verhardt) bij hogere temperaturen

Thermoharders: vernetting/cross-linking (covalente brugverbindingen) bij hogere temperatuur 3 dimensionaal macromolecule, niet nogmaals smeltenThermoplasten: lineaire polymeren, smalle polymeer ketens/beperkte 2-dimensionale structuurRubbers: tussenvorm

4.3 Fysische eigenschappenp 101 ev!!!

ThermoplastenWat? Lange keten moleculen met zwakke bindingen tussen ketens; verwerken en evt. smelten bij verwarmingStructuur? Amorf of kristallijnTemperatuur effecten:

o Amorfe zones worden visceuze vloeistoffen boven Tg (glastemperatuur)o Kristallijne zones (indien aanwezig) smelten Tmp (smeltpunt polymeer)

Eigenschappen: o Makkelijk (her-)vormbaar/recycleerbaar boven Tg (Tmp indien semi-kristallijn)o Gebruik normaliter beperkt tot matige temperaturen


o Verhoging kristalliniteit verhoogt sterkte en stijfheid, verlaagt ductiliteit

ThermohardersWat? 3 dimensioneel netwerk van ketens met vele cross-links, welk na vorming en verwarming de 3-D structuur zal behoudenStructuur: normaliter AmorfTemperatuur effecten:

o (Lichte) verwerking boven Tg maar blijft een vaste stofo bij hoge temperatuur: desintegratie, verkoling, …

Eigenschappen:o Hard en rigied, zeker benenden Tgo Hoge dimensionele stabiliteito Resistent aan kruip en vervorming onder belastingo Hogere temperatuur capaciteiten dan thermoplastics

ElastomerenWat? Capaciteit tot zeer grote elastische vervorming (>100%) maar terugkeer tot originele vorm na wegnemen belastingStructuur: lange ketens, met enkele cross-links tussen ketensTemperatuur effecten:

o Bros beneden Tgo Erg elastisch boven Tg

Eigenschappen:o Naarmate cross-link dichtheid toeneemt stijgen sterkte en stijfheid, doch daalt

ductiliteit

4.4 Mechanische eigenschappenVersterkingsmethoden

Lineaire polymerenAlgemene regel: een gegeven polymeer heeft een grotere treksterkte en druksterkte naarmate het moleculair gewicht hoger is.De fabrikant kan de mechanische eigenschappen echter niet alleen via het moleculair gewicht verbeteren, maar ook door gebruik te maken van copolymerisatie en mengen. Bij mengen is het doel overigens niet altijd de sterkte verhogen: soms is de toegevoegde component in een mengsel geen sterkere, maar juist een zwakkere polymeer, dit dient er dan bijvoorbeeld toe het materiaal gladder te maken of de wrijvingscoëfficiënt ten opzicht van andere materialen te verlagen.

Lange dunne ketens; met elkaar verstrengeld, doch afzonderlijke polymeerketensBindingskrachten =

o Vanderwaalskrachteno Waterstofbindingo Interactie tussen polaire groepen

Buiging = rond C-‘bolscharnieren’Hoger MG (hoger polymerisatiegraad) grotere trek- & druksterkteBuigzaamheid = afhankelijk van mate van vervlochten zijn + van onderlinge oriëntatie in ruimte

Vertakte polymerenGewoonlijk is het gevolg van vertakking dat het polymeer steviger wordt en een grotere stijfheid krijgt, want de ketens zijn door hun vertakking nu veel sterker met elkaar vervlochten dan de ketens in een lineair polymeer en kunnen zich wanneer geprobeerd wordt het materiaal te vervormen dus moeilijker ten opzicht van elkaar bewegen.


Veel sterker vervlochten polymeerketens Grotere stijfheidspeciale katalysatoren en bijzondere procestechnieken voor bevordering vertakkingenN.B: veel elastomeren na vulkanisatie hebben vertakte structuur

Cross-linkingZouden we kunnen bewerkstelligen dat de afzonderlijke ketens zich tijdens de polymerisatiereactie covalent met elkaar verbinden, dan zal – zo mogen we verwachten – een materiaal ontstaan dat door zijn structuur zeer sterk en stijf is.Als gevolg van de sterke bindingen tussen de ketens kan het gevormde polymeer gewoonlijk niet opnieuw worden gesmolten. Niet elk polymeer dat vertakt is, is dat in dezelfde mate: sommige polymeren zijn licht, andere sterk vertakt en iets dergelijks geldt voor cross-linking. Hoe meer cross-links, des te groter is de stijfheid van het materiaal, en des te minder laat het zich oplossen en hersmelten.

Cross-links = chemische brugverbindingenKetens die zich tijdens polymerisatiereactie met elkaar verbindenStructuur = zeer sterk & stijfMeer cross-links

o Grotere stijfheido Minder chemisch oplosbaaro Niet of minder hersmeltbaar

Thermoharders

KetenverstijvingKetenstijfheid door substitutie met omvangrijke moleculaire groepen

KristallisatieEen noodzakelijke voorwaarde voor kristallisatie is een regelmatige opbouw van de keten, echter dit is op zichzelf niet voldoende. Kristallisatie is mogelijk als zijgroepen aan weerszijden van een atoom in de hoofdketen gelijk zijn, de keten is dan symmetrisch, vb PE, PTFE en POM. Ook asymmetrische polymeren kunnen kristalliseren. De zijgroepen moeten echter wel klein zijn en regelmatig geplaatst zijn.Kristallisatie is echter mogelijk in de isotactische en syndotactische configuratie.Door kristallisatie worden de mechanische eigenschappen sterk gewijzigd ten opzichte van de amorfe polymeren. In de kristallijne fase liggen de ketens in de regel iets dichter op elkaar, hierdoor zijn de interactiekrachten tussen de ketens in de kristallijne fase meestal iets hoger zodat het kristallijne materiaal zich sterker gedraagt dan het amorfe.Bij toename van de kristallisatiegraad wordt de ruimte tussen de moleculen kleiner en de interactiekrachten groter, de beweeglijkheid van de keten daalt en de stijfheid neemt toe.

Ruimtelijke verdeling in polymeer verschilt helemaal willekuerigSoort kristallijne structuur indien polymeerketens zich ongeveer evenwijdig oriënterenKristallinitiet: bevorderd door:

o Tijdens vormen in matrijzeno Stralingo (mechanische) invloed uitoefenen op ketenoriëntatie

hoger kristalliniteit = verhoging smeltpunt, afname chemische oplosbaarheid, vermindering slagvastheid, gunstig effect op andere mechanische eigenschappen

ToevoegmaterialenVerschillende groepen toevoegmaterialen:

vulstoffen, zoals kalk, zand en houtmeeladditieven, zoals antioxidanten, kleurstoffen, kiemvormers en antiplamiddelenversterkingmaterialen, zoals vezels en matten

vulstoffen in plastics: hout, asbest, zand, glas rol = cfr. Aggregaat (grind) in beton


sterkte, maatvastheid

bijzondere versterkingsmaterialen = vezels, matten textielweefsels, glasvezel weefsels

additieven: ander doel dan mechanische eigenschappen anti-oxidantia, UV absorbers, kleurstoffen, vlamvertragende middelen, cross-

links middelen weekmakers & plastificeren

Plastificeren en weekmakersweekmakers = additief om taaiheid & buigzaamheid te verhogencfr. Smeermiddel; laten lange polymeermoleculen makkelijker tov elkaar bewegen2 soorten:

o organisch chemicalieo interne plastificering: ‘blend’ of copolymerisatie met ander polymeer dat uit zeer

grote moleculen bestaato opm. veroudering!

Mengpolymerenmengpolymeren

o homogeen mengselo 1 fasig

polymeermengselso heterogeeno meerfasig

IPNsEen van de 2 polymeren in een IPN-materiaal is gewoonlijk een thermoharder en vormt een netwerk (ketens verbonden door cross-links) dat geheel doorvlochten is met het andere polymeer; het eerste polymeer (het netwerk) fungeert dus als een driedimensionale versterking van het 2de polymeer (de matrix).

Interpenetrerende netwerkenEen van de polymeren (= meestal thermoharder) en vormt netwerk dat geheel doorvlochten is met ander polymeerEerste polymeer (= het netwerk) = 3 dimensionale versterking van het 2de polymeer (= de matrix)2 groepen:

o semi-IPN materialeno (totale) IPN materialen

Semi-IPN: 2de polymeer (matrix) = lineair polymeer, gepolymeriseerd binnen netwerk van 1ste polymeerTotale IPN: 2de polymeer = eveneens cross-linked netwerk, ontstaan binnen netwerk van 1ste polymeerSuperieure eigenschappen (mechanisch, chemisch)

4.5 Thermoplastische polymeren

EthenenDe term etheen geeft aan dat het monomeer in deze polymeergroep is afgeleid van etheen (H2C=CH2). Door middel van een polymerisatiereactie worden de dubbele bindingen ‘opengebroken’ waarna de kleine monomeermoleculen aaneen worden ‘gebouwd’ tot één grote macromolecuul: het polymeer. Elke etheenachtige heeft een monomeer dat is afgeleid van etheen.

Afgeleid van ethyleen-molecule; grondstof = aardolieMeeste: lineaire structuur met minimum aantal vertakkingen en cross-linking


Meeste: thermoplastisch (& rubberachtig) & makkelijk tot vormproducten te verwerkenPE, PP, PS, PVC = 60% van marktMechanische eigenschappen: sterk uiteenlopend …

Zie p 112!!!

PolyofinenOnverzadigde KWS: CnH2n

Polyethyleen:Het monomeer van polyetheen is etheen. Etheenachtigen kunnen onderling verschillen in ketenlengte, kristalliniteit en vertakkingskenmerken.

LPDE: lagedichtheidpolyetheen: hoge druk (200MPA); ketens aanzienlijk vertakt, doorzichtig indien dun; Toep: verpakkingsfolies, coatingsHDPE: hogedichtheidpolyetheen: lage druk/katalysator (Ziegler-Natta); minder vertakt, hogere kristalliniteit, spuitgiet. Toep: flessen, pijpleidingenLLPE: lineair lagedichtheidpolyetheen

De polyetheenachtigen onderscheiden zich van andere polymeersystemen doordat ze bestand zijn tegen chemicaliën en door hun buigzaamheid. De polyethenen zijn tegen veel basen en zuren bestand en tegen de meeste organisch-chemische stoffen en oplosmiddelen. De buigzaamheid van polyethenen houdt het midden tussen de buigzaamheid van stijve kunststoffen zoals het brosse polystyreen en die van zeer flexibele kunststoffen zoals weekgemaakte (geplastificeerde) vinylpolymeren.

Polypropeen:Als het etheenmonomeer een waterstofatoom door een CH3-groep wordt vervangen, ontstaat het monomeer van polypropeen.Polypropeen wordt gemaakt uit propeengas. Polypropeen lijkt op hogedichtheidpolyetheen, maar is meer geschikt voor het vormen van producten.Polypropeen heeft ten opzichte van polyetheen het nadeel dat het een geringere taaiheid heeft en dat het een lage-temperatuur-verbrossing heeft.

PP-H: polypropyleen homopolymeer: eigenschappen: cfr. HDPE; hogere stijfheid, harder, sterker bij hoge T, minder taai, verbrossing bij lage T

Polyallomeren: kristallijne copolymeren van olefinen (onverzadigde koolwaterstoffen met de algemene formule CnH2n).Algemeen geldt dat polyallomeren een hoge mate van kristalliniteit vertonen en eigenschappen hebben die een combinatie zijn van de eigenschappen van polyetheen en die van polypropeen. De hoge kristallisatiegraad leidt echter weer tot een hoge verbuigingsweerstand zoals polypropeen die kent.

PP-C: polypropyleen blok copolymeer: P-P-P-E-E-E-P-P-P-E-E-E-P-P-P-PP-R: polypropyleen random copolymeer: P-P-E-E-E-P-P-E-P-P-P-E-E-

Polyvinyls:PVC: polyvinylchloridePVC wordt gemaakt door acetyleengas (C2H2) in aanwezigheid van een geschikte katalysator met chloorwaterstof (zoutzuurgas) te laten reageren. Het vinylchloridemonomeer ontstaat wanneer in het etheenmonomeer een waterstofatomm door een chlooratoom wordt vervangen.

Hard PVC: zonder weekmakers; toep: grijze kunststofbuizenZacht PVC: weekmakers, “vinyl”; toep: imitatieleder, bekledingen, … o.m. elektrische leidingenPVC-C (of CPVC): gechloreerd PVC; toep: heetwaterleidingen; geringe O2 penetratie

ABS: acrylonitrile-butadieen-styreen copolymeer(styreen = bevat vinyl groep)Beter lage T eigenschappen dan PVC; zeer goede taaiheid en slagvastheid

Polystyreen:PS: polystyreenGoedkoop en wordt veel gebruikt voor wegwerpartikelen (etensbakjes, …) en voor speelgoed. Polystyreen wordt gemaakt van ethylbenzeen en we verkrijgen de structuurformule van het monomeer


door in het etheenmonomeer één waterstofatoom door een benzeengroep te vervangen. Polystyreen is een amorf, onvertakt polymeer. Omdat de benzeenringen in het ketenmolecuul willekeurig ten opzichte van elkaar georiënteerd zijn, is polystyreen atactisch. De benzeenringen zijn omvangrijke moleculaire groepen en veroorzaken daardoor ketenverstijving. De interactie tussen de benzeenringen bemoeilijkt de vervorming van de ketens en hindert ook de beweging van de ketens ten opzichte van elkaar. Dat maakt polystyreen tot een bros en hard kunststof.Heeft lage slagvastheid dus niet geschikt voor machineonderdelen.

Benzeenring, ketenverstijving, amorf (atactisch), Toep: consumptieartikelen, speelgoed,…

SB: styreen-butadieen copolymeerSlagvast polystyreenMet behulp van co-polymerisatie en door weekmakers toe te voegen kunnen veel van de minder gunstige eigenschappen van polystyreen overwonnen worden. Door het toevoegen van weekmakers kunnen polystyreenkwaliteiten worden gemaakt die een goede slagvastheid hebben.

Toep: meeste PS als gemodifeerd polymeer (e.g. SB) ook in rubber, latexverven …

ABS

EPS: expanded polystyreen (schuimpolystyreen)

FluoroplasticsFluorkoolstofpolymeren zijn polymeren waarin het monomeer een of meer fluoratomen bevat. Het oudste fluorkoolstofpolymeer, polytetrafluoretheen met PTFE als acroniem, is beter bekend onder de handelsnaam Teflon. PTFE ontstaat door polymerisatie van (gasvormig) tetrafluoretheen. We krijgen de formule van het monomeer door in het etheenmonomeer elk van de waterstofatomen door een fluoratoom te vervangen.PTFE is een van de minst chemisch reactieve materialen die bekend zijn en wordt daarom gebruikt voor afdichtingen, buizen en kleine vaten die tegen zeer agressieve chemicaliën bestand moet zijn. Nadelen van PTFE zijn dat heet niet de gewone vormingstechnieken kan worden verwerkt, dat het niet erg sterk is en nogal gevoelig is voor kruip.

PTFE: polytetrafluorethyleenIn het (ethyleen-) monomeer is elk waterstofatoom vervangen door een F-atoom

FEP: fluor-ethyleen-propyleenPFA: perfluoralkoxyPVDF: polyvinylideenfluorideE-CTFE: ethyleen-chlorotifluorethyleen

Andere “etheenachtigen”PMMA: polymethylmethacrylaat ~ PlexiglasPolymeren die van polymethylmethacrylaat zijn afgeleid, worden vaak acrylaten genoemd. Acrylaten zijn esters en worden gemaakt door methacrylzuur [CH2=C(CH3)COOCH3] of het daaraan verwante acrylzuur met een alcohol te laten reageren. We krijgen de formule voor het monomeer door in het etheenmonomeer twee waterstofatomen door respectievelijk een methylgroep (CH3) en een COOCH3-groep te vervangen.

Acrylaten = helder transparante materialen met grote stijfheid, Toep: plexiglas, transparante laklagen, lenzen van fototoestellen,…

Polyvinylacetaat, polyvinylalcohol, …

Enkele andere thermoplastenNylons (polyamiden) & Aramidevezels (LCPs)Polyacetalen, PolysulfonPET: thermoplastisch polyesterPolycarbonatenPEEK & composieten


Polyamiden PA (nylons)De polyamiden zijn condensatieproducten van een zuur en een amine, en hebben als algemeen kenmerk dat ze CO & NH-groepen (amidegroepen) bevatten.

Polycondensatie-product van zuur + amineTypes: Nylon 6, Nylon 6.6, Nylon 6.10, Nylon 6/12, Nylon 11, Nylon 12 (cijfers wijzen op aantal C-atomen in uitgangsproducten; / = copolymeer)Kristallijne thermoplastische stoffen (sterk, slijtvast)Volumeveranderingen (door vochtabsorptie)Nieuwe verstevigingsystemenPA = meest gebruikte “engineering plastic”Lange geschiedenis(Zeer) goede mechanische eigenschappen constructie-onderdelenTreksterkte zachte Al-legeringenDoch: vochtabsorptie; water = weekmaker voor PA

PolyacetalenEen belangrijk verschil tussen polyacetaal en de meeste andere polymeren is het feit dat de ruggengraat van de polyacetaalketen uit een afwisseling van koolstof- en zuurstofatomen bestaat en niet zoals anders meestal het geval uit alleen koolstofatomen is samengesteld. Ter onderscheiding van ketens van alleen koolstofatomen wordt zo’n structuur een heteroketen genoemd. Het basismonomeer is formaldehyde en de polymeerketens eindigen aan beide uiteinden met een CH2OH-groep.De correcte chemische benaming van dit polymeer is polyoxymethyleen (POM), maar in het alledaagse spraakgebruik noemt men deze groep gewoonlijk de polyacetalen.Alle polyacetalen zijn sterk kristallijne thermoplasten met mechanische eigenschappen, die veel lijken op die van nylons. Het homopolymeer is sterker dan de copolymeren, maar copolymeren hebben het voordeel dat ze zich bij hoge temperaturen stabieler gedrage; de maximale continue gebruikstemperatuur van het copolymeer is 104°C, vergeleken met 90°C voor het homopolymeer. Minder vochtabsorptie.

“heteroketen” 5/O); sterk kristalijnmechanische eigenschappen nylonsminder vochtabsorptie

Aramidevezels (Kevlar)= polyamiden waarvan monomeer 2 benzeen-ringen bevat (in hoofdketen)kristallijn (LCPs)(extreem) hoge sterkte door stijve structuur van ketencontinue gebruiktemperatuur tot 260°Cgebruiksvorm = vezels, dunne platen

PolysulfonHet monomeer van polysulfon bestaat uit een keten van benzeenringen.Bij kamertemperatuur hebben vormproducten van polysulfon ongeveer dezelfde mechanische eigenschappen als nylon, maar terwijl gewone nylons alleen te gebruiken zijn bij temperaturen tot aan 120°C, behoudt polysulfon een bruikbare sterkte en stijfheid tot aan temperaturen van wel 180°C. Polysulfons zijn goed lichtdoorlatend en absorberen minder vocht dan nylons.Polysulfon is een amorf, stijf thermoplastisch materiaal dat gemaakt wordt van dichloordifenylsulfon en bisphenol A. Is ook doorzichtig.De elektrische isolatie-eigenschappen van polysulfon zijn zo goed, dat dit materiaal geschikt is voor elektrische toepassingen zoals printplaten waarvoor men voorheen moeilijk verwerkbare thermohardende harsen moest gebruiken.

Keten van benzeenringenAmorf, stijf thermoplastisch materiaalKamertemperatuur: mechanische eigenschappen nylons, doch behoud tot wel ca. 160-180°C


PET: polyetheentereftalaat= thermoplastisch polyesterkristallijn; enigszins kerfgevoelig

sterk , maatvast (stijf)bestand tegen hoge Tresistent aan olie & vetten, niet aan sterke zuren (koolzuur = OK), basen of heet waterToep: PET-flessen, verpakkingsfolie, magneetbanden, fotografische film

Polycarbonaten= ester van koolzuur + aromatische difenylolverbinding; i.e = een polyesteramorf, lineair polyesterhard, stijf, maatvast, bijzonder slagvast!GlashelderTemperatuur en weer resistentToep: zoals acrylaten, doch slagvastheid tot 16x hoger/duurder (CD-rom, CD, DVD …)

PEEK: polyetheretherketonDe kunststoffen uit deze groep kunnen zeer hoge temperaturen verdragen en het monomeer van deze kunststoffen lijkt wat zijn structuur betreft op de monomeren van sommige andere hoge-temperatuurkunststoffen.De benzeenringen zijn volgens de kenmerkende R-O-R-etherstructuur met elkaar verbonden. De kunststoffen van de PEEK-groep zijn gedeeltelijk kristallijn; het zijn thermoplastische materialen die zich met de gangbare vormgevingstechnieken gemakkelijk laten verwerken. De temperatuur bij het vormen bedraagt soms wel 400°C. PEEK’s hebben een lage ontvlambaarheid, en geven minder rookemissie dan vrijwel elke andere soort kunststof. De mechanische eigenschappen van PEEK’s zijn even goed als die van nylons en soms zelf beter en ze hebben een goede maatvastheid bij een verhoogde temperatuur.

Benzeenringen volgens karakteristieke R-O-R etherstructuur met elkaar verbondenGedeeltelijk kristallijnBestand tegen zeer hoge T Mechanische eigenschappen: even goed als nylons (soms zelfs beter) + goede maatvastheid bij hoge temperatuurResistent aan heet water, stoomResistent aan vele chemicaliën, inclusief vele organische oplosmiddelen

4.6 Thermohardende polymerenOngeveer tweederde van het geproduceerde volume aan thermoharders wordt gevormd uit materialen uit 3 groepen: fenolharsen, onverzadigde polyesters en ureumfomaldehyden.Thermoharders zijn niet te verwerken met de spuitgietappartuur die voor de vormgeving van thermoplasten wordt gebruikt. Wanneer een thermoharder eenmaal in een matrijs of door middel van machinebewerking tot een eindproduct is gevormd, kan het product daarna niet meer gesmolten worden. Een thermoharder die sterk wordt verhit, smelt niet, maar ontleedt, zonder vloeibaar te worden. Dat thermoharders minder worden gebruikt dan de thermoplastische materialen is vooral omdat ze niet met spuitgieten tot producten zijn te vormen. De verwerkingstechnieken voor thermoharders zijn duurder dan spuitgieten. Thermohardende kunststoffen zijn gewoonlijk brosser dan thermoplastische kunststoffen – het zijn in het algemeen stijve materialen; thermoharders zijn meestal ook harder dan thermoplasten, ze worden zelden gebruikt zonder een of ander wapening of vulstof.Enkele belangrijke Thermoharders:

FenolharsenPolyesterharsen (onverzadigde polyesters)EpoxyharsenTechnische materialen:

o MF: melamineformaldehydeso UF: ureumformaldehydeso Alkydharsen: alcohol + acid (in feite: polyesters) (+ oliën & pigmenten) verveno Furaanharsen

Polyurethanen


Fenolharsen (fenolplasten)Een van de basismaterialen voor de fenoplasten is een aromatische alcohol, fenol. Fenol kan op verschillende manieren worden bereid, maar het uitgangsmateriaal zijn meestal oliedistillaten (benzeen en propeen). De fenolharsen voor vormproducten en laminaten ontstaan door de reactie van fenol met formaldehyde (CH2O). In begin 20ste eeuw verschenen onder de handelsnaam Bakelite de eerste fenolformaldehydepolymeren op de markt. Om het materiaal de gewenste thermische en mechanische eigenschappen te geven, werd als vulstof houtmeel of mineraalpoeder toegevoegd. Men gebruikte dit materiaal op grote schaal voor geperste elektrische onderdelen (gemaakt door middel van copressiepersen) zoals schakelaars en stroomverdeelkappen. Vormproducten van fenolharsen worden gekenmerkt door goede elektrische isolatie-eigenschappen, een lage vochtabsorptie en verhoudingsgewijs hoge gebruikstemperaturen. Het belangrijkste nadeel van de kunststoffen uit deze groep van thermoharders is dat ze betrekkelijk bros zijn.

Fenolhars = fenol (aromatisch alcohol + formaldehyde)Cross-links door verwarmingVerschillende stadia van polymerisatie

o A-stadium (nog geen cross-links)o B-stadium (overgansstadium: rubberachtig & kleverig, of: al bros)o evt. menging met versterking/vulstoffeno C-stadium (cross-linking voltooid)

Fenolformaldehyde-polymeer: bakelietVulstoffen (houtmeel, mineraalpoeder)Elektrische isolator, lage vochtabsorptie, vrij hoge gebruikstemperatuur (200°C)BrosMeest gebruikte thermoharder:

o 1/3: kleefmiddel in multiplex, …o elektrische printplateno stopcontacten, schakelaars, …o machine-onderdelen via verspanende bewerkingo schuim

PolyestersEr bestaat talrijke polyesters met allerlei verschillende eigenschappen.Sommige cellulosederivaten zijn polyesters, net als een aantal ander plastics die hiervoor werden besproken. De polyesters zijn te verdelen in 2 groepen: (1) de thermohardende polyesterharsen, die doorgaans een structuur met cross-links hebben, en (2) de thermoplastische polyesters die een sterk kristallijne structuur bezitten en betrekkelijk hoge smeltpunten hebben.Een ester ontstaat door een reactie van een alcohol met een anorganisch of organisch zuur.

Bij de bereiding van polyesterharsen wordt het water bij de verstering ontstaat, verwijderd, om daarmee te voorkomen dat de richting van de reactie zich omkeer.

2 groepen:o thermohardende polyesterharsen (onverzadigd)o thermoplastische polyesters (sterk kristallijn)

Ester: alcohol + zuurGebruik: als harsmatrix in composieten

o Talrijke toepassingen: boten, vishengels, auto’s, …Vaak verkocht als vloeibaar materiaal katalysator toevoegen voor “uitharding” (cross-linking)

Polyurethanen(PUR)(PIR)

Condensatiereactie tussen isocyanaat (R=N=C=O) + alcohol (ROH)RubberStijve thermoharderSchuimen

o Hard (zelfs vervangmiddel van hout in meubels)o Zacht en buigzaam


Coating: urethaanlakkeno Uitstekende slijtvastheid

4.7 Elastomeren(niet zo belangrijk)Elastomeren zijn polymeren met rubberachtige eigenschappen. Het woord elastomeer is een samentrekking van de woorden elastisch (een elastisch materiaal herneemt na verwijding van de belasting zijn oorspronkelijke vorm) en monomeer (het basismolecuul in een polymeer). Een rubber is gedefinieerd als een materiaal dat in een trekproef ten minste 200% kan worden uitgerekt zonder dat het breekt, en dat bij het verdwijnen van de belasting snel en krachtig tot zijn oorspronkelijke afmetingen terugkeert. Niet alle elastomeren voldoen aan de definitie van een rubber, want sommige elastomeren veren na rek slechts langzaam terug. Een elastomeer is beter te definiëren als een polymeermateriaal dat met 100% of meer elastisch kan worden uitgerekt en een aanzienlijke veerkracht heeft. De term veerkracht heeft betrekking op het vermogen van een materiaal zich van elastische buiging te herstellen.

Enkele belangrijke Elastomeren:Latex rubbers

o Natuurrubbers Zacht en kleverig (T+) hard en bros (T-) S+T “vulcanisatie” Zacht, medium, hard (‘eboriet’)

o = isopreen; neopreen/chloropreen, SBR, …Polyethyleen rubbersFluoro-elastomerenAndere elastomeren:

o Siliconen-rubberso Polyurethaan-rubbers


HFDST 6: PolymeermatrixcomposietenComposiet = 2 of meer materialen gecombineerd tot een nieuw materiaal met andere eigenschappen dan de afzonderlijke componenten. Natuurlijke composieten bv. houtKunstmatige composieten bv. PMC (polymeer matrix composiet):

WapeningsmateriaalVulstoffenDeklagen

Oud: triplex, multiplexVooral: FRP (fibre reinforced plastics)

6.1 Verschillende soorten wapeningPolymeercomposiet = een materiaal met een matrix die uit epoxy, onverzadigde polyester of nog een paar andere thermoharders en thermoplasten kan bestaan. Het bevat een wapening van glasvezel, grafietvezel, aramidevezel, thermoplastische vezel, metaal of van een keramisch materiaal. De combinatie van matrix en wapeningsmateriaal geeft een composiet.De wapening kan continu zijn (lange vezels), kan een vezelmat of weefsel zijn of kan bestaan uit korte vezels; gewone composieten bevatten tussen de 20% en 50% van hun gewicht aan wapeningsmateriaal.De toevoeging van wapening aan polymeren heeft meestal als doel om met name sterkte, stijfheid en kruipvastheid te verbeteren.Om kruipweerstand te verbeteren heeft een continue wapening mee effect. De continue wapening dient voor het verdelen van de belastingen en de vervormingen over de gehele structuur. De polymeercomposieten die in constructietoepassingen metalen kunnen vervangen, vinden we vooral in deze groep van composietmaterialen.

De specifieke sterkte van een materiaal is de treksterkte gedeeld door de dichtheid en de specifieke stijfheid is de elasticiteitsmodulus gedeeld door de dichtheid.

De gebruikskenmerken van een composiet hangen onder meer af van de aard van de polymeermatrix, van de aard van de wapening, van de verhouding tussen de hoeveelheden polymeer en wapening en van de vervaardigingwijze.

Wapening: functie = sterkte, stijfheid, kruipvastheidDiscontinue wapening (sterkte/korte termijn)

o Korte vezelso Schilferso Korrels

Continue wapening (lange termijn sterkte, kruip)o Lange vezelso Vezelmat of weefsel

6.2 Matrixmaterialen

ThermoplastenDe matrixmaterialen voor polymeercomposieten zijn onder te verdelen in twee grote groepen, thermoplasten en thermoharders.Het uitgangsmateriaal voor het maken van een thermoplastisch composiet is een prepeg, dat wil zeggen het is een vooraf geïmpregneerd weefsel dat door de leverancier met het gewenste matrixmateriaal werd verzadigd.

Probleem = hechting vezel – thermoplastTot eind 80’s: (enkel) met korte glasvezels (enkele mm); minder sterk dan lange vezelsContinue wapening: laatste 10jaar; opl = vezel bekleed met dun laagje thermoplastPrepeg: vooraf met gewenste matrix materiaal geïmpregneerd weefsel + matrix thermoplast: verhitting & druk


Thermohardende harsenDe matrix van een thermohardende composiet wordt gewoonlijk bereid uit een vloeistof van lage viscositeit, waarin men door een katalysator toe te voegen of door een vorm van uitwendige energie toe te voeren cross-links ontstaan.

Matrix = vloeistof van lage viscositeit + katalysator toevoegen, of warmte, of (UV-)straling

FenolharsenDe volledige naam is polyfenolformaldehyde en de afkorting voor deze harsen is PF. Fenolharsen zijn hard en stijf; ze hebben een hogere elasticiteitsmodulus dan de meeste gewone plastics en bezitten goede elektrische isolatie-eigenschappen. In beginsel kunnen fenolharsen met alle gewone soorten wapening gecombineerd worden, maar omdat de fenolharsen erg veel voor toepassingen zoals printplaten worden gebruikt, bestaan er een aantal wapeningsmaterialen die speciaal afgestemd zijn op de behoefte van de elektronica-industrie. De sterkte bedraagt soms meer dan 215 MPa, en ze hebben een goede stabiliteit en verspaanbaarheid.

Aangekocht als B-hars ( thermoplast) = groot voordeel

EpoxyharsenDeze groep van polymeren ontleent haar naam aan een moleculaire groep die de epoxygroep wordt genoemd en die bestaat uit een driehoek van 2 koolstofatomen en één zuurstofatoom. In epoxypolymeren kan de epoxygroep op verschillende manieren voorkomen: als eindgroep, maar ook als groep die in de keten is ingebouwd.Bij polymerisatie van een epoxy treedt er zeer weinig verandering van grootte op, want er worden geen condensatieproducten of oplosmiddelen afgestoten.

Epoxy = driehoek met 2C en 1OVóór cross-linking: korte ketenmoleculen (ca. 10 monomeren)Uniek: geen condensatieproducten of oplosmiddelen afgestoten weinig dimensionele veranderingen bij polymerisatie/crosslinking

Onverzadige polyestersHarsen van styreen-polyester-copolymeer bevatten gewoonlijk remmers die het mogelijk maken de hars een jaar of langer als vloeistof te bewaren. Eenmaal gekatalyseerd worden de harsen stijf, in een tijd die uiteen kan lopen van niet meer dan een minuut tot meerdere uren. Onverzadigde polyesterharsen zijn verreweg de belangrijkste matrixmaterialen in composieten die voor doorsnee constructies en vormproducten worden gebruikt. Dit zijn de materialen waaruit de bekende vezelglasboten, de Corvette-auto en allerlei kermisvoertuigen worden gemaakt…

Matrixmaterialen van polyester worden gecombineerd met alle soorten wapening, maar verreweg het meest gebruikt is de glasvezelwapening. De polyesterharsen laten zich met alle mogelijke technieken verwerken die voor matrixmaterialen gebruikelijk zijn.

In hun eenvoudigste vorm worden onverzadigde polyesters geleverd als een kleurloze of gepigmenteerde vloeistof met een tamelijk lage viscositeit. De hars verhardt na de vermenging met een katalysator. Hoeveel katalysator er nodig is, hangt af van de mate van menging en van de temperatuur. Wanneer het eindproduct gemaakt wordt door het materiaal met de hand op te brengen, wordt het oppervlak van de mal met een laag gekatalyseerde hars bekleed; op deze kleverige harslaag wordt het weefsel aangebracht dat de wapening moet vormen; daarna wordt er nog meer hars opgebracht om de wapening te verzadigen, en laat men het vormstuk uitharden. Het uithardingsproces kan een uur tot een volle nacht duren, afhankelijk van de hoeveelheid katalysator die is toegevoegd en van de temperatuur.

Polyester: styreen-polyester (‘shelf-life’ => 1jr) + katalysatoro = verreweg het belangrijkste PMC matrixmateriaal

SiliconpolymerenZie p 232

6.3 WapeningsmaterialenFig. 6.3 p 233 toont het spectrum van materialen dat als wapeningsmateriaal in polymeercomposieten wordt verwerkt. De eerste composieten waren laminaten van papier, verzadigd met fenolhars voor elektrische toepassingen.


MetalenDat metalen niet vaak als wapening worden gebruikt, heeft een aantal redenen, maar de meest voor de hand liggende reden is wel dat wapening van metaal de composiet te zwaar maakt. Er zijn ook problemen met de hechting van de harsmatrix aan gladde metaaloppervlakken en met het verspannen van dit materiaal.Wel in een honinggraatstructuur.AsbestDe asbest die als wapening in polymeercomposieten wordt gebruikt, is gewoonlijk crysotiel asbest, een gehydrateerd magnesiumsilicaat (3MgO.2SiO.2H2O). het komt in de natuur voor als een mineraal met een vezelachtige structuur die het zeer geschikt maakt voor de bevochtiging met harsen van een lage viscositeit. Synthetische vezels missen de bladachtige structuur die kenmerkend is voor asbest. Asbestvezels gelden als onbrandbaar en zijn betrekkelijk resistent tegen chemische aantasting.

Keramische materialenKeramische materialen zoals silciumcarbiede, aluminiumoxide en siliciumnitride kunnen geproduceerd worden in de vorm van dunne vezels of korreltjes die te gebruiken zijn als wapening in polymeercomposieten. Sommige keramische materialen hebben vergeleken met metalen een lage dichtheid, en hebben een hogere sterkte en stijfheid dan glasvezel. Keramische materialen in de vorm van whiskers hebben veel aandacht getrokken als wapeningsmateriaal in geavanceerde composieten. Het gebruik van whiskers beperkt zich echter in hoofdzaak tot toepassingen in de lucht- en de ruimtevaart, waar de prijs geen erge belangrijke factor is bij de materiaalkeuze.Whiskers zijn meestal nog geen millimeter lang, en zijn dus niet te gebruiken als continue wapening. Deformatie moet via de harsmatrix van whiskers worden doorgegeven. Deze materialen zijn wel verwerkt tot matten voor de wapening van polymeerproducten, maar net als keramische vezels worden ze op het ogenblik voornamelijk voor bijzondere toepassingen gebruikt.

PolymerenZie p 234 e.v.!!!

Aramidevezels (kevlar) treksterkte = 3100 MPao Gebruik: als continue vezel, geweven materiaal, korte vezel, zowel voor

thermoharders als thermoplasteno Taaier & lichter dan glasvezel: vb kano

Alternatief: nylono (polypropyleen vezels): qua sterkte glasvezel; nu: hoog kristallijn polyethyleen

BoriumBoriumvezels worden vervaardigd door bij hoge temperatuur boriumchloride te reduceren op een wolfraam- koolstofvezel. Dit proces levert een sterke, stijve vezel op die zich met name onderscheid door zijn dikte. Boriumvezels hebben een dikte die kan liggen tussen de 20 en 140 mm. De overige vezelmaterialen hebben een diameter van ongeveer 10 mm. Boriumvezels zijn verreweg het stijfste wapeningsmateriaal. De treksterkte is gemiddeld en de dichtheid is iets hoger dan die van de concurrerende wapeningsvezels.

Koolstof-grafietBij de bespreking van vulstoffen vertelden we dat in sommige polymeren – met name rubbers - als vulstof vaak koolstof wordt gebruikt. De koolstof die als wapening wordt gebruikt heeft echter een andere vorm dan koolstof als vulstof. In de meeste organische materialen is koolsof het belangrijkste element, en wanneer zo’n materiaal bij afwezigheid van lucht gebrand wordt, ontstaat er een amorfe vorm van koolstof. Dit is het soort koolstof dat men soms als zwart pigment aan plastics toevoegt en dat gebruikt wordt om rubbers te versterken. De koolstof die als wapeningsmateriaal in polymeercomposieten wordt gebruikt, wordt echter verkregen door amorfe koolstof te grafitiseren. Grafiet heeft een hexagonale kristalstructuur, en wanneer men grafietkristallen zo laat groeien dat hun hexagonale vlakken zich loodrecht op de vezelas oriënteren, kunne de vezels een treksterkte krijgen van meer dan 5500 MPa en een elasticiteitsmodulus die ongeveer gelijk is aan de elasticiteitsmodulus van de eerder beschreven boriumvezels (meer dan 480000 MPa).

Wapeningskoolstof:o Verschillend aan de koolstof als vulstof (vb. rubber): C = amorfo = kristallijne koolstof (hexagonaal): “grafiet”

vezels met treksterkte = 5500 MPa en E-modulus = 480000 MPa


GlasvezelHet wapeningsmateriaal dat in polymeercomposieten het meest gebruikt wordt is glasvezel. De eerste composieten die belangrijk werden als constructiematerialen werden vaak Fiberglas genoemd, in feite een onjuiste aanduiding.Glasvezels worden gemaakt door gesmolten glas door heel kleine gaatjes in een vormgevingsmal te laten stromen. Er zijn twee soorten glasvezel die veel als wapeningsmateriaal worden gebruikt: E-glas, dat in feite een borosilicaatglas is en veel toepassing vindt op elektrisch gebied, en S-glas (hoge sterkte), dat gemaakt wordt uit oxiden van magnesium, aluminium en silicium en een hogere treksterkte heeft dan E-glas.

Soorten:o E-glas ( = borosilicaatglas) toep = elektronischo S-glas ( = Mg, Al, Si – oxiden) hoge sterkte

5 à 25 micronVormen

o Korte vezelso Strengen voor wikkelen of weefselso Vezelmat: willekeurig vervlochten

6.4 Fabricagemethoden voor polymeercomposietenkort is lezen (p 239 e.v.)

6.5 Toepassing van polymeermatrixcomposieten


HFDST 7. Technische toepassingen van keramische materialen

7.1 De hoofdkenmerken van keramische materialen 7.1 tot 7.5 best in de transparanten leren

In hfdst 1 definieerden we keramische materialen als vaste materialen samengesteld uit stoffen die zowel metallische als niet-metallische elementen bevatten en waarin de atomen door ionbinding of covalente binding – dus door sterke krachten – bijeen worden gehouden. We zullen het in dit hoofdstuk over die keramische materialen hebben die gebruikt worden in gewone technische toepassingen, verder zal het hier gaan over gesinterde carbiden, glassoorten en koolstof-grafietmaterialen.

Metalen: 1, 2 of 3 valentie-elktronenNiet-metallische elementen: valentie 5, 6, of 7Edelgassen: 8 valentie-elektronenElementen met valentie 4 = metalloïden

Keramisch materiaal = combinatie van 1 of meer metalen met 1 of meer niet metallische elementenVoornaamste verschil met andere technische materialen = aard van hun bindingen.

Atomaire bindingMetalen: atomen bij elkaar gehouden door ‘elektronenwolk’ (“metaalbinding”)Keramische materialen: zeer stijve covalente of ion-bindingen“ionbinding”: ene atoom staat valentie-elektronen af aan de andere, zodat positief en negatief geladen ionen ontstaan die elkaar elektrostatisch aantrekken“covalente binding”: valentie-elektronen zijn gemeenschappelijk “bezit” van 2 atomen

Sterke binding (covalent of ionbinding) Eigenschappen:

(Erg) bros: rekbelasting leidt tot kristalsplijtingGrote hardheidGeringe chemische reactiviteitGering elektrisch geleidingsvermogen (isolatoren): valentie-elektronen zijn onderdeel van binding tussen atomen waardoor ze zich niet vrij door het kristal kunnen verplaatsenSoms: versteviging (niet veel) door toevoeging elementen, of door wijziging kristalstructuur vb. boornitride: hexagonaal = zeer zacht, kubisch = extreem hard

Soorten:“Echte” keramische materialen (“Technische keramieken”)

o klei- & steen-producten / bouwmaterialeno “neo”-keramiek: Zr-Oxiden, Al2O3, SiC, Si3N4

Glas & glasachtige materialenCementproductenKoolstof en grafietSamenstellingen

Ternair diagramma zie slides!!!

7.2. De bereiding van keramische materialenDe meeste keramische en aanverwante materialen worden gemaakt uit een of ander poeder dat, om een vast materiaal te verkrijgen, moet worden aanééngehecht. Van sommige poeders kan een bruikbaar vast materiaal worden gemaakt door de poederdeeltjes samen te smelten met behulp van een zelfdiffusieproces (natuurlijke diffusie zonder echte drijvende kracht) bij een hoge temperatuur dat sinteren wordt genoemd.Er zijn ook keramische materialen die verkregen worden door de deeltjes van een poeder met glas te verkitten; dit proces heet verglazen.


Op basis van het geproduceerde volume zijn de cementen (metselmortel en portlandcement) waarschijnlijk de belangrijkste keramische materialen. Portlandcement is een combinatie van dicalciumsilicaten en tricalciumaluminaten. Bij het harden gaan deze stoffen een chemische verbinding aan met water en worden zo integraal deel van het betonproduct. Metselcement wordt meestal uit gebrande kalk (calciumoxide) gemaakt. De basismaterialen voor deze soorten cement zijn in de natuur in overvloed te vinden, en dat is ook de reden dat die materialen zoveel worden toegepast. Ook gesinterde carbiden worden in feite gemaakt door deeltjes aanéén te hechten, maar in dit geval is het hechtmiddel het metaal kobalt.

De glassoorten die men het meest gebruikt worden gemaakt door zand samen te smelten met basische oxiden, zoals natriumoxide. Het gesmolten glas wordt in een vorm gegoten of wordt vormgegeven door blazen.

P 252 – 253 – 254 ev

Er is ten aanzien van keramische fabricageprocessen een aantal belangrijke punten te onthouden:1. De meeste keramische materialen zijn hard en bros. Er kunnen dus niet gemakkelijk

eindproducten worden vervaardig door verspaning van standaardvormproducten. De ruwe machinale afwerking dient plaats te vinden wanneer het product in de groene (dus ongebakken) toestand verkeert.

2. Wie vormproducten van keramische materialen wil maken door vormgeving in een mal, moet daarvoor meestal eerst speciale gereedschappen maken, en dat betekent dat zo’n product erg duur wordt wanneer het in een kleine hoeveelheid gefabriceerd moet worden.

3. De aanwezigheid van bindmiddelen in een gebakken keramisch materiaal vermindert de sterkte. Als sterkte erg belangrijk is, moet de ontwerper dus specificeren (en controleren) welk percentage van de hoogst mogelijke theoretische dichtheid gewenst wordt.

4. De meeste keramische producten krimpen tijdens sinteren, een krimp die soms wel 30% kan bedragen, daarom is het moeilijk gebakken keramische onderdelen te maken die aan strenge maateisen voldoen.

7.3 De structuur van keramische materialen.De brosheid van keramische materialen is een gevolg van de sterke ionbindingen en covalente bindingen in deze stoffen. Daarnaast kent keramiek geen afschuifbare kristalvlakken.Atomen waartussen een covalente binding bestaat delen elektronen met elkaar.Materialen die uit ionkristallen bestaan, zoals keukenzout, hebben hoge smeltpunten, zijn nauwelijks plastisch vervormbaar, en hebben doordat de elektronenbindingen zo sterk zijn een zeer laag geleidingsvermogen.

In kristallijne metalen vormen de atomen een ordelijk ruimtelijk patroon dat uit een stapeling van eenheidscellen is opgebouwd: elke eenheidscel vormt een denkbeeldig geometrisch regelmatig veelvlak, waarvan de hoekpunten en soms ook andere specifieke punten bezet worden door atomen. Polymeermaterialen ontlenen hun kristalliteit aan een ordelijke rangschikking van lange polymeerketens, die elk uit een herhaling van alsmaar dezelfde organische moleculaire groepen bestaan.

Wat betreft de structuur van keramische materialen dient u het volgende te onthouden: de atomen in een dergelijk materiaal zijn in het algemeen ionogeen aan elkaar verbonden.De kristalstructuur van zo’n materiaal is zodanig dat de aantallen van de verschillende atoomsoorten in een eenheidscel en dus in het hele kristal, zich tot elkaar verhouden op de manier die wordt voorgeschreven door de chemische formule van de verbinding.Wat de technische eigenschappen betreft, valt op te merken dat keramische materialen in het algemeen nogal bros zijn, en als gevolg van de sterke bindingskrachten tussen de atomen vaak goed bestand zijn tegen agressieve stoffen in de omgeving en tegen hoge temperaturen.


Keramieken Keramiek: Grieks “keramos” = drinkhoorn kruik en pot gebakken uit klei aardewerk &

porselein Nu: oxidische & niet-oxidische materialen verkregen door sinterprocessen bij hoge

temperatuur

A. Bouwmaterialen (aardewerk & porselein) (‘poreuze keramische materialen’) Grondstof = klei (vele variaties) en porseleinaarde = fijn anorganisch bezinksel (uit rivieren,

meren, zee); deeltjes < 2 micron minstens 50% = Al-mineralen (Al2O3)+ onverweerde mineralen als kleine korrels, veelal rijk aan SiO2

Kaolien (Al2O3.2 SiO2.2H2O) en Veldspaat (KAlSi3O8) = goede grondstof voor porselein Klei-types: variëren tussen 70% Al2O3 + 25% SiO2 en 10% Al2O3 + 85% SiO2, met enkele % tot

sporen oxiden van Fe, Ca, Mg, K en Na (% gelden voor watervrije massa, i.e. gebakken vorm) In natuur: klei watergehalte = 10 à 60 %

Drogen en sinteren Watergehalte bepaalt plasticiteit & vervormbaarheid relatief eenvoudig allerhande vormen

maken Na vormgeving: voorzichtig drogen (vrije water verdampen) Voorzichtig verhitten: verdwijnen van fysisch-chemisch gebonden hydraat water Vanaf 900-1000°C: “sinteren”, dwz echte reactiestap van het bakken:

o Elkaar rakende poeder- & korreldeeltjes reageren; bruggen van nieuwe chemische verbindingen ontstaan en/of wederzijdse oplossingen in de vorm van niet of slechts deels gekristalliseerde massa’s

o Door deze reactie ontstaat de keramische binding Als resultaat van drogen en sinteren: +/- poreuze structuur

o Lang, hoge temperatuur minder porievolume, doch: grote krimp! Oplossing voor Technische Producten:

o Mengsel met grofkorrelige componenteno Deze korrels in eindproduct omringd door gesinterde massao Grove delen zorgen voor geringe krimp + betere maatvastheid

Eigenschappen van keramisch materiaal: E.g.: temperatuurweerstand, chemische weerstand, temperatuurshock weerstand Hangen af van de samenstelling, korrelgrootteverdeling, sintergraad, porievolume

Ternair diagramma:Al2O3, SiO2 en enkele % alkali- of aardalkalioxiden (bv CaO) ganse serie vuurvaste materialen op de as SiO2 naar Al2O3

hogere % alkali- en/of aardalkali-oxiden (bv K2O of CaO): snel slechter wordende temperatuur bestendigheid, wel: sinteren en bakken gaat makkelijkerzie slides!!!!

Corrosievastheid: Samenstelling van korrels en – vooral – van de bindende fase bepaalt corrosievastheid Algemeen: SiO2 – rijk = beter zuurbestand; Al2O3 – rijk = beter alkalibestand zwavelzuur,

fosforzuur (“zuurvaste” keramiek: vaak tot 300°C) Soms: bedekken met laagje laag-smeltend glas oppervlakte-poriën gesloten glad en

dicht oppervlak

B. Nieuwe materialen (i.e. carbiden / nitriden) Voor constructietoepassingen (machines, apparaten):

o Aluminiumoxideo Silciumcarbideo Siliciumnitrideo Carbonnitrideso (partieel gestabiliseerd) zirconiumoxide


o sialono gesiterde carbideno met glas verkitte mica’s

Voor slijtage, corrosie Voor elektrische, magnetische eigenschappen

7.4 De eigenschappen van keramische materialen

Mechanische eigenschappenKeramische materialen hebben geen overgang van elastisch naar plastisch gedrag. In een trekproef vertonen keramische materialen tot aan het moment dat de rekspanning maximaal is (en dus gelijk is aan de treksterkte) vrijwel geen plastische deformatie, en er is vrijwel geen blijvende verlenging of dwarscontractie. Het is door deze eigenschap dat keramische materialen geen partij zijn voor metalen en kunststoffen als men een materiaal zoekt dat door middel van plastische deformatie bij kamertemperatuur kan worden vormgegeven (zoals gebeurt bij dieptrekken, buigen, vormen en dergelijke). Deze vormgevingsprocessen kunnen met keramische materialen domweg niet worden gebruikt.

Samenvattend kan gezegd worden dat keramische materialen erg goed bestand zijn tegen druk en een paar bijzondere mechanische eigenschappen bezitten: ze hebben vaak een zeer hoge hardheid en een grotere stijfheid dan andere technische materialen.

Fysische eigenschappenKeramische materialen behoren tot de technische materialen met de allerhoogste smeltpunten. De warmtegeleidingcoëfficiënt en het elektrische geleidingsvermogen van keramische materialen variëren over een breed gebied. De meeste keramische materialen hebben een lage warmtegeleidingcoëfficiënt en zijn dus warmte-isolatoren, maar het keramische supermateriaal diamant heeft een hoge warmtegeleidingcoëfficiënt. De meeste keramische materialen zijn elektrische isolatoren, maar sommige zijn halfgeleidend. Alle halfgeleiders zijn in feite keramische materialen.

Chemische eigenschappen

VerwerkbaarheidKeramische materialen laten zich bij kamertemperatuur niet plastisch vervormen en kunnen – anders dan metalen – vanwege hun hoge smeltpunt niet gesmolten worden en door gieten tot vormproducten worden verwerkt.Samenvattend kan gezegd worden dat de verwerking van keramische materialen tot een bruikbaar vormproduct duur is.

Algemene eigenschappen van anorganische materialen:o Goede temperatuurvastheid

Anorganische materialen = goede temperatuurvastheid: Hoog smeltpunt (800 – 3000 °C) Bruikbare eigenschappen tot hoge temperatuu Uitzondering: cement- & betonproducten (wel gemaakt bij hoge

temperatuur) Vormgeving en eigenschappen:

Door chemische en fysische reacties Poeder- of korrelvormige grondstoffen door verhitting: sinteren of

smelten hierbij: transport door vaste stof diffusie, verdamping / condensatie, of vloeistofdiffusie (visceuze vloei) door wederzijds oplossen, reageren en kristalliseren: ontstaan van nieuwe componenten in amorfe of kristallijne toestand

Door deze reactie: vaak krimp (porie-volume, i.e. ruimte tussen grondstofdeeltjes wordt kleiner)


Na afkoeling (= eindtoestand): zuiver kristallijn of amorf, of kristallijne delen in amorfe matrix (i.e. composietstructuur)

o Hoge druksterkte o Vormvastheido Brosheid & hardheid

Groot verschil treksterkte & druksterkte bij zelfde temperatuur: Treksterkte << druksterkte

Spanning-vervorming diagram: nauwelijks vervorming bij breuk; hoge elasticiteitsmodulus, zeer hoge hardheid

Uitzondering: Glas & C-vezels: hoge treksterkte Amorfe C = hard; grafiet = zacht

o Slechte warmtegeleidbaarheid: elektrische en thermische geleiding: Geen vrije elektronen weinig geleiding warmte en elektriciteit dwz

isolatoren Uitzondering: SiC en Grafiet; hier wel vrije elektronen aanwezig

o Gevoeligheid voor thermoshocks: Combinatie slechte warmtegeleiding, hoge elasticiteitsmodulus en lage

treksterkte (brosheid) gevoelig voor thermoshocks Abrupt temperatuur verschil thermische uitzetting plaatselijk hoge

trekspanningen door slechte warmte-geleiding scheurvorming Gevoeligheid voor thermoshocks: “thermische sterkte”

treksterkte thermische uitzettingscoëfficiënt elasticiteitsmodulus warmtegeleidingscoëfficiënt specifieke dichtheid soortelijke warmte

o Grote chemische inertheid

7.5 Glassoorten

StructuurGlas wordt meestal als een onderkoelde vloeistof beschouwd. Gesmolten glas gedraagt zich bij afkoeling namelijk anders dan metalen en keramische materialen en zelfs anders dan kunststoffen. Tijdens het stollen van keramische materialen en metalen is de faseovergang (van vloeibaar naar vast) herkenbaar aan een duidelijk temperatuureffect: doordat er ij het stollen warmte vrijkomt – de zogenaamde stollingswarmte – vertoont de kromme voor de vrijgekomen warmte versus de temperatuur een vlak stuk: er komt warmte vrij zonder dat de temperatuur afneemt.

De meeste glassoorten vertonen bij het stollen van de smelt echter geen van deze aanwijzingen voor structuurverandering; daarom beschouwt men gestold glas als een zeer viskeuze (onderkoelde) vloeistof. In de meeste glassoorten komt geen kristalliniteit voor.Het belangrijkste uitgangsmateriaal bij de fabricage van glas is meestal zand, ofwel silciumdioxide. Silica of kwartsglas is een glas dat uit zuiver siliciumdioxide bestaat, maar gewoon vensterglas wordt meestal gemaakt uit een mengsel van zand (SiO2), kalk (CaCO3) en gegloeide soda (Na2CO3). De smelt die bij e glasbereiding ontstaat, bestaat in feite uit een ingewikkeld mengsel van slicaten, maar de samenstelling wordt vaak opgegeven in termen van oxiden. Welk soort glas er ontstaat, hangt af van e hoeveelheid silica (SiO2), en van de aard en concentratie van de metaaloxiden in de smelt. Door oxiden van bepaalde metalen toe te voegen, kunnen er gekleurde glassoorten worden gemaakt.

Ook al heeft glas fysisch gesproken geen echt smeltpunt, het kan wel ‘smelten’, al is hier in feite geen sprake van smelten, maar van viscositeitsvermindering. Bij het verhitten van glas wordt de viscositeit


ten slotte zo laag, dat er uit het glas door het in vormen te gieten of het op andere manieren te vormen, producten kunnen worden gemaakt.

Eigenschappen Hoewel de eigenschappen van glas afhangen van de samenstelling kunnen er toch wel een aantal algemeen opmerkingen over worden gemaakt:

1. Glas is harden dan veel metalen (400 tot 600 kg/mm²)2. De treksterkte van de meeste soorten glas ligt tussen 25 en 70 MPa3. Glas breekt bij het vervormen en is dus bros4. Glas heeft in vergelijking met veel metalen en kunststoffen een lage uitzettingscoëfficiënt

(0,54 tot 9 x 10-6 cm/cm°C). De uitzettingscoëfficiënt van staal is 10 x 8-6 cm/cm°C5. Glas heeft een veel lagere warmtegeleidingcoëfficiënt (1 tot 3 W/m x K) dan metalen (staal: 15

tot 70 W/m x K)6. De elasticiteitsmodulus van amorfe glassoorten ligt tussen 62 en 76 x 103 Mpa7. Veel soorten glas zijn goede elektrische isolatoren (de soortelijke weerstand is soms hoger

dan 1021 µcm).8. Glas is resistent tegen veel zuren, oplosmiddelen en chemicaliën9. Glas kan gebruikt worden bij hoge temperaturen (zie tabel p 268)10. Glas wordt door ater en door sommige alkalische (basische) oplossingen langzaam

aangetast.

ToepassingenZie tabel p 269

WAT?o Glas = amorfe, niet-kristallijne stof; ontstaan uit gesmolten materiaal dat vast

geworden iso Boven Tg = ondergekoelde vloeistof met beweeglijke wanorde o Onder Tg = vaste stof met vaste wanordeo Samenstelling: meeste glazen voornamelijk SiO2 maar er zijn ook andere verbindingen

die glasvorming kennen; zelfs metallische glazen!! Atomaire structuur

o Meeste ‘technische’ (&corrosie-resistente) glazen = SiO2 basiso SiO2 in glas als volledig willekeurige stapeling van (SiO4)4- tetraëders, in een open

structuur verbonden door Si-O-Si bruggeno “Kwartsglas” (hard, moeilijk smeltbaar) = zuiver SiO2 in amorfe glastoestando Door toevoeging andere (metaal-)oxiden met 1, 2 of 3-waardige kationen (Na2O, CaO,

B2O3, Al2O3) wordt deel van Si-O-Si bruggen verbroken en ontstaan eindstandige negatief geladen O-atomen. De vreemde kationen (Na+, Ca++, B+++) vinden een plaats tussen de tetraëders, zodat e-neutraliteit behouden blijft.

o Samenhang is echter verminderd lager “smelt”-punt (vloeibaarder) etc. Drukspanningen

o (1) buitenzijde, (2) binnenmassa drukkrachten in buitenlaago snel afkoelen, “temperen”

Corrosievastheido Algemeen: zeer goedo Voornamelijk: borosilicaatglas (≈ 80% SiO2, 13% B2O3 + Na2O, Al2O3 )o Eventueel aantasting = ionenwisseling van kationen tussen tetraëders, waarna

silicaatnetwerk (Si-O-Si) wordt afgebrokeno Aantasting= altijd uniform (≠ metalen); stijgt exponentieel met de temperatuur,

verloopt lineair in de tijd goed extrapoleerbaar!o HF, sterke baseno Zie slides!!!

Getemperd & gelaagd glas Foamglas


Emailo = relatief dunne laag glas, hechtend op metalen ondergrond aangebracht (i.e. laag C-

staal of gietijzer): glass-lined-steel”o corrosievaste, slijtvaste, gladde diffusiedichte coating op een niet-corrosievaste

ondergrondo porievrije emaillering meerdere lagen glaso Opbrengen:

Spuiten of dompelen in suspensie van fijngemalen glaspoeder Drogen & verhitten tot 700-800°C: poeder smelt laag glas 1ste laag die wordt “gebrand” op staaloppervlak (‘hechtlaag’) heeft afwijkende

samenstelling: toevoegingen van oxiderende metaaloxiden reactie met staal; resulterende laag: gasbellen, poreus, niet corrosievast

bijkomende lagen (vrij van gasbellen, niet poreus)o apparaten-ontwerp & -bouw thermoshocks!

Cement en betonTernair diagramma zie slides!!!

Bindmiddelen: niet-hydraulische (luchtbindmiddelen): onder toevoeging van water aan lucht verharden

o luchtkalk (< 5% klei): Ca(OH)2 + CO2 (lucht) CaCO3 (onoplosbaar) + H2Oo niet harden onder water

hydraulische: enkel harden onder invloed van watero hydraulische kalk (6,5 – 20% klei)o gipso alle cementsoorten

Binding is te danken aan vorming (oiv water) van gehydrateerde calciumsilicaten en –aluminaten die harde massa’s veroorzaken.

Portland cement: °1818-F: Vicat: klei in kalksteen makt harding vn kalk mogelijk onder water: “hydraulische

kalk” ~1820s-E: Aspdin: volgens dit principe: industriële bereiding van “Portland” cement Naam: veralgemeend voor alle gewone artificiële cementen die CaO + SiO2 + Al2O3 bevatten Uitgangsproduct: zuiver kalksteen + klei (25 .. 40%)

Bereiding: Cement verkregen door “branden”: sinteren van fijngemalen en gemengde minerale

grondstoffen, i.e. kalksteen + klei +ev. Hoogovenslakken + ev. Nog andere grondstoffen Bij het sinteren:

o Kleimineralen verlizen hun watero Vallen uiteen in SiO2 , Al2O3 en eventueel Fe2O3 o Deze reageren tot watervrije Ca-silicaten, Ca-aluminaten en Ca-aluminiumferrieto Samenbakkende reactie-producten vormen “klinker”, die vermalen word tot “cement”

Reacties bij “branden” Bij 100°C: verwijdering niet-chemisch gebonden water Ca. 500..550°C: verwijdering chemisch gebonden water uit klei en ontbinding van het

gevormde anhydride o Kaolien: Al2O3.2 SiO2.2H2O Al2O3 + 2 SiO2 + 2H2O

Boven 800°C: ontbinding van kalksteen in “levende kalk” (CaO) Bij 1400..1500°C: verbinding van de kalk met SiO2 en Al2O3 vooral tot:

o Tricalciumsilicaat SiO2.3CaO “C3S” Sterk hydraulischo β-dicalciumsilicaat SiO2.2CaO “C2S” hydraulisch o tricalciumaluminaat Al2O3.3CaO “C3A” sterk hydraulisch

en bij aanwezigheid van ijzeroxide in de klei:tetracalciumaluminiumferriet 4CaO.Al2O3.Fe2O3 “C4AF” hydraulisch


Soorten: o.m. verschillende “hydrayliciteit”, i.e. snelheid van binding hoogovencement: +/- weinig C3A (slakken bevatten weinig Al2O3 ) ijzerportlandcement, aluminiumcement, …, wit cement …

Ternair diagramma zie slides!!!

Hydratatie: Door vermenging met water: hardingsproces OORZAAK :

o Deels oplossen van componenten in watero Daarna: reageren met water tot hydraten (= waterrijke kristalstructuren); waardoor

diverse componenten met elkaar samengroeien + zich hechten aan ingebedde vaste bestanddelen (grind, zand, bakstenen, betonijzer)

o Uiteindelijk: groot agglomeraat van hydraatkristallen, doorsneden met netwerk van met water gevulde capillairen; zulk agglomeraat = composiet

Hydratatie-reacties = langzaam (uren … maanden), afhankelijk van de hydraterende berbinding (C3S, C3A) en van maalfijnheid

Beton: Uitgeharde cement = massa hydraatkristallen = bros dwz: druk = OK, trek = ?? sterkte door

toeslagstoffen (zand, grind) + wapening Cappillaire water:

o Hydratatie van Ca-silicaten geeft Ca(OH)2; oplossing in capillaire water geeft pH>12o Bescherming Fe wapening!

Aantasting (corrosie): CO2: op lange duur vrije kalk in het capillaire water omzetten in CaCO3 (carbonatatie) hoge

pH daalt; roesten Fe en afbreken betondekking Aantasting door zuren, vooral H2SO4 en sulfaten

7.6 Producten van koolstofKoolstof is een opmerkelijk element. Het is vierwaardig en kan zich gedragen als een metaal of als een niet-metaal. Koolstof in kubische vorm – diamant – is het hardste materiaal dat we kennen. De hexagonale vorm van koolstof is grafiet, een zacht, weinig sterk materiaal dat als smeermiddel wordt gebruikt. Bij de vervorming van grafiet glijden de hexagonale kristalvlakken langs elkaar, wat het smerende vermogen van dit materiaal verklaart. Industriële koolstof-grafietproducten zijn gewoonlijk combinaties van amorfe koolstof, grafiet en impregneermiddel voor de verbetering van de sterkte.

3 vormen in natuur: amorf koolstof, grafiet (= zacht), diamant (= uiterst hard)

C en Grafiet = +/- unieke niet-metalen: Goede warmte- & elektriciteitsgeleiders Hoge thermische geleidbaarheid excellente thermische schokbestendigheid Echter: bros tov metalen; mechanische schokbestendigheid = slecht Slijtvastheid = slecht Inert tov vele corrosieve producten

De fabricage van vormproducten van koolstofGrafiet komt voor in de natuur en kan in mijnen worden gedolven en in deze vorm worden gebruikt. Industriële koolstof wordt gemaakt uit cokes, een materiaal dat ontstaat bij de onvolledige verbranding van kool. Aardoliedistillaten die met onvoldoende zuurstof worden verbrand, vormen eveneens koolstof, mar dat is koolstof in de vorm van roet, een materiaal dat niet grafitiseert. Koolstofproducten worden gemaakt door koolstof of mengsels van grafiet en koolstof met pek te mengen tot een materiaal met een deegachtige consistentie. Tabel 4.7 p 272 ev!!!

De kwaliteiten van een hoge sterkte bevatten meestal minder grafiet dan de minder sterke soorten en hebben daardoor in glijsystemen een sterkere abrasieve werking. Fabricatie:


Basis C of grafiet constructie = poeder Poeder: gemengd met bindmateriaal (e.g. teer, synthetisch hars) Onder P in vorm gebracht en 20 à 40 dagen aan elkaar gebakken bij ca. 1000°C in

zuurstofvrije atmosfeer (gehele massa verkoolt) Eindresultaat = vrij poreus product van gesinterde +/- amorfe (meso-morfe) koolstof Verder:

o Of: impregneren met thermohardero Of: grafitiseren; groeien grafietkristallen (10 à 20 dagen in elektro-oven bij 2800°C)

grafiet (“elektro-grafiet”); = eveneens poreus ook impregnereno Impregneren: verhoogt sterkte product aanzienlijk + makt product “impervious”, dwz

ondoorlaatbaar voor gassen en vloeistoffen, echter: Tgebruik beperkt tot ca 170°C tgv verdamping hars

EigenschappenDe eigenschappen van koolstof-grafietmaterialen kunnen – afhankelijk van het uitgangsmateriaal, het bereidingsproces en het impregneermiddel – sterk uiteenlopen. Als groep hebben koolstof-grafietmaterialen de volgende gemeenschappelijke kenmerken:

1. Ze sublimeren en smelten niet wanneer ze zeer sterk verhit worden2. Het zijn elektrische isolatoren3. Ze zijn gemakkelijk verspaanbaar4. Ze hebben een lage hardheid5. Ze hebben een lage treksterkte6. Ze zijn bros7. Tijdens het gebruik in lucht mag de temperatuur niet hoger zijn dan een bepaalde

grenswaarde8. Sommige soorten behouden in vacuüm hun sterkte bij temperaturen tot aan 2200°C9. De structuur en de samenstelling worden altijd bepaald door het eigen recept van de fabrikant:

er zijn geen standaardsoorten

ToepassingenZie p 274

Toepassing: koolstofvezels: Bereiding: verkoling van polyacrylonitrile (PAN) vezels + vervolgens grafitiseren PAN

uitgangsmateriaal = ketenmoleculen van benzeenringen in eindvorm ook grafietachtige hexagonale structuur

Eigenschappen: o +/- zelfde fysische en corrosie-eigenschappen als elektrografieto bijzondere hoge treksterkteo TOEPASSING = versterkend vezelmateriaal voor PMC (of voor grafiet)

7.7 Gesinterde carbidenGrondig lezen!!!

FabricagemethodenCermets van gecementeerde carbiden worden gemaakt met behulp van pers-verdichtingstechnieken. Het uitgangsmateriaal voor het carbidedeel van de composiet is gewoonlijk fijn wolfraampoeder dat door carboneren in wolfraamcarbide wordt omgezet. … p 276 ev!!!

EigenschappenGesinterde carbiden zijn harder dan elke andere soort gereedschapsstaal en zijn dus uitstekend bestand tegen abrasieve slijtage bij lage spanningen.


Richtlijnen voor de materiaalkeuzeAls groep van materialen hebben gesinterde carbiden een aantal unieke kenmerken:

1. Ze hebben een grotere stijfheid dan staal (E = 410 tot 620 Gpa)2. Ze hebben een hogere dichtheid dan staal3. Ze hebben een grotere druksterkte dan enig ander technisch materiaal4. Ze hebben een hogere hardheid dan enig andere staalsoort of metaallegering5. Hun treksterkte is vergelijkbaar met die van gelegeerde gereedschapstaalsoorten (1400 Mpa)

Zie ook p 278 ev!!!

7.8 Keramische materialen voor constructietoepassingenLezen p 280 ev!!!

7.9 Keramische materialen bij slijtageLezen p 287 ev!!!

7.10 Keramische materialen die bestand zijn tegen omgevingsinvloedenLezen p 291


HFDST 8. Metaallegeringen en hun ontstaanStaalsoorten zijn legeringen van ijzer met maximaal circa 2% koolstof. Er zijn ook ijzerlegeringen met meer koolstof, zoals gietijzersoorten, maar deze vallen niet onder de term staal.

8.1 IjzerertsvoorbereidingDe grondstoffen voor stalen zijn van nature voorkomende ijzeroxiden. Twee belangrijke ijzerertsen zijn hematiet (Fe2O3) en magnetiet (Fe3O4). Uit het vergruisde gesteente worden met behulp van onder meer flotatie de ijzerrijke bestanddelen geconcentreerd, die vervolgens gesinterd worden tot kleien knikkers met een diameter van 10-30 mm, een proces dat pelletiseren wordt genoemd, deze kunnen een ijzergehalte van meer dan 70% hebben). In de staalfabriek gaat het gepelletiseerde ijzeroxide in een hoogoven: het ruwe onzuivere materiaal wordt bovenaan de hoogoven gestort, en onderaan verzamelt zich het vloeibare staal. De oven wordt voortdurend op temperatuur gehouden, en heeft een lading die bestaat uit ijzererts, cokes en kalksteen.

Aangezien het ijzer in ijzererts voorkomt als oxide, kan het worden vrijgemaakt door de zuurstof te verwijderen, dus door middel van reductie. De cokes in de oven leveren warmte en leveren tegelijkertijd ook het reducerende gas dat langs chemische weg zuurstofatomen van het ijzeroxide afhaalt en daarmee het gewenste ijzer doet ontstaan.De kalk die aan de lading is toegevoegd dient ervoor de silicaten uit het ganggesteente te binden tot een dun vloeibare slak, en helpt dus verontreinigingen uit het ijzererts te verwijderen. Tot slot is in een hoogoven ook lucht een onontbeerlijk ingrediënt, want lucht levert de zuurstof voor de verbranding van de cokes en bevordert daarmee indirect de chemische reductie van de ijzeroxide. In een hoogoven spelen zich onder meer de volgende chemische reacties af:

Vorming van reducerend gas:1. C (cokes) + O2 (lucht) (kooldioxide)2. CO2 + (overmaat aan cokes) 2CO (koolmonoxide)

Reductie van ijzererts1. Fe2O3 (erts) + 3C (cokes) 2Fe + 3CO ↑2. Tegelijk met de vorige reactie Fe2O3 + 3CO 2Fe + 3 CO2

De chemische reagentia die het ijzeroxide in metallisch ijzer omzetten, zijn dus koolmonoxide en koolstof, beide afkomstig van e cokes.Het gesmolten ijzer wordt onder aan de oven afgetapt; in deze toestand wordt het ruwijzer. Het is nog onzuiver, want het heeft een hoog koolstofgehalte, het is daardoor uiterst bros en zwak en dus niet bruikbaar als technisch materiaal. Het ruwijzer moet daarom nog verder worden gezuiverd. De slak die zich boven het ijzer verzamelt wordt eveneens afgetapt, maar wordt alleen gebruikt voor zaken als terreinophoping, aanaarding of als aggregaat (toeslagstof) in beton.

Ijzerbereiding: Ijzererts:

o Fe2O3 (hematiet), Fe3O4 (magnetiet)o Rusland, USA, China, Zuid-Amerika maritiem gelegen fabriekeno Pelletiseren/sinteren

Cokes: warmte + reducerend gaso C (cokes) + O2 (lucht) (kooldioxide)o CO2 + (overmaat aan cokes) 2CO (koolmonoxide)o Fe2O3 (erts) + 3C (cokes) 2Fe + 3CO ↑o Fe2O3 + 3CO 2Fe + 3 CO2

Kalk: silicaten uit ‘ganggesteente’ binden tot dun-vloeibare slak Lucht: zuurstof voor verbranding cokes Resultaat: “ruwijzer” (+slak)


8.2 Staalbereidingzie p 303 ev (zeker nog is goed lezen)!!!

Zuiver ijzer: < 0.005% C, geen legeringselementeno Zacht, ductiel, weinig sterko Magnetische toepassingen; geëmailleerd staal

Staalsoorten: > 0.06 (0.02 .. 0.03) % C; < 2% C Gietijzers: 2 wt% C Ruwijzer: 4 .. 5% C + Si, S, P, Mn … e.g. verwijdering door oxidatie

Chemische samenstellingStalen zijn – per definitie – een legering van ijzer en koolstof, zij het dat het koolstofgehalte van staal tussen bepaalde grenzen ligt. Een ijzer-koolstoflegering die bij kamertemperatuur minder dan 0.005% koolstof bevat en verder geen legeringselementen, geldt als zuiver ijzer. Zuiver ijzer is zacht, ductiel en naar verhouding weinig sterk. De staalsoorten die commercieel van belang zijn, hebben een koolstofgehalte van minimaal ongeveer 0.06%. Als bovengrens aan het koolstofgehalte voor staal geldt 2%C. Ijzer-koolstoflegeringen met meer dan 2% (gewichtsprocent) worden gietijzer genoemd.

RaffinageprocessenTegenwoordig worden er voor de zuivering van ruwijzer tot staal drie processen gebruikt:

1. het oxystaalproces o lading = ca. 75% gesmolten ruwijzer + ca. 25% schrooto reactor = peervormig stalen vat // in smelt zuiver O2 lansen neerlaten // reactie-warmte

levert hitte voor proces (oven niet van buitenaf verhit)o nadat C : lansen teruggetrokken, oven gekanteld, lading uitgegoteno 300 ton lading in ca. 25 minuten!o Tot ca. 15 Mia

2. het open haardovenproces (Siemens-Martin-proces): lading = gesmolten ruwijzer + schroot (tot 50%) reactor = ondiep rechthoekig bekken // grote luchtaanvoer (+ brandstof voor

verwarming) + lucht (O2) lansen Nadat C : slak aftappen 300 ton lading in ca. 8uur

3. het elektro-ovenproces:o lading = schrooto reactor = lading gesmolten door trekken van elektrische boog // O2 lanseno snel; grote hoeveelheid energie nodig; eenvoudigo zuiverder staal dan open haardovens

Verdere zuivering: Doel: onder meer superieure vermoeiingsweerstand, taaiheid quasi alle insluitsels weg

(insluitsels = oxiden, silicaten, sulfiden) Vacuümsmelten of omsmelten:

o Vacuümontgassen: Vacuüm opgeloste gassen in smelt gaan naar oppervlak van smelt, waar

ze aan metaal ontsnappen Gesmolten staal geroerd met lans en in grote vacuümruimte gegoten tot

ingotso Vacuümboogomsmelten:

Staal uit oxystaalconvertor of elektro-oven gegoten tot cilindrische ingots Elektrische boog tussen ingot en watergekoelde koperen vorm Zeer effectief: elke druppel metaal blootgesteld aan vacuüm Er veel energie

o Vacuüminductiesmelteno Elektronenstraalraffinage


Chemische reactie: chemische (& fysische) reactie; niet in vacuümo Argon-zuurstof ontkoling

O2: reactie met C (ontkoling), S en andere Ar: grote beroering + verwijdering gassen

o Elektroslakomsmelting: Cfr. Vacuümboogomsmelten; doch niet in vacuüm Druppels nu doorheen slak (verwijdering verontreinigingen)

o Gietpanraffinage

fig. 8.2 p 304p 305 ev goed lezen!!!

Staalsoorten van hoge zuiverheidZie p 306 ev!!!

Gieten van ingotsNadat staal is gesmolten, is de volgende stap het in een ingot-vorm te gieten. Zo’n gietvorm is gewoonlijk een met vuurvast materiaal beklede blokvorm van staal, die aan een of aan beide uiteinden open is. Bij het stollen van de ingot kunnen er inhomogeniteiten en krimpeffecten ontstaan. In de metaalkunde spreekt men in dit verband van segregatie en slinkholten. Segregatie wil zeggen dat er in het materiaal een samenstellingverloop voorkomt. Slinkholten en segregatie zijn verschijnselen die zich in elk metaalgietproces kunnen voordoen. Slinkholten zijn een gevolg van de krimp die optreedt bij stolling. De mate waarin er segregatie optreedt, hangt af van de aard van de legering. Wanneer een metaal over een zeker temperatuurtraject stolt, is tijdens het stollen op elk moment een deel van het metaal gesmolten en een deel vast. Bij de stolling van staal is het metaal dat het eerst stolt zuiverder dan het metaal dat het laatst stolt. Wanneer een ingot op zo’n manier stolt dat de huid zuiverder is dan het centrum van de ingot, spreekt men van ongekalmeerd staal.

Gieten: Ingots:

o Gietblokken; gietvorm = met vuurvast materiaal beklede vorm van staalo Ontstaan van inhomogeniteiten (segregatie) en slinkholten (metaal dat eerst stolt =

zuiverder)o “kalmeren” van staal: toevoegen van Al en Si als desoxidatiemiddelen (verwijdering

opgeloste zuurstof) stolling verloopt rustiger segregatie tegengaan & minder gas en slinkholten (hogere prijs)

Continu gieten:o Enkel gekalmeerd staal

ContinugietenDe ingot-fase bij de staalbereiding kan achterwege blijven door gebruik te maken van continugieten. Dit proces werd in de jaren zestig voor het eerst op commerciële schaal toegepast en heeft sindsdien aanzienlijk aan belang gewonnen. Het idee is eenvoudig: continu gesmolten staal wordt gegoten in een met water gekoelde gietvorm waarin een opening zit die qua vorm overeenkomt met de doorsnede van het gewenste (continue) gietproduct.

8.4 Vaktermen uit de metaalkundeLezen!!!

8.5 Aanduiding van staalsoortenzie slides!!!

Hypo-eutectische structuur: bestaand uit primaire -dendrieten (zwart) + een interdendritische eutectische vulling


HFDST 9 Warmtebehandelingen van metalen

9.1 ToestandsdiagrammenMet de structuur wordt bedoeld de manier waarop de atomen van een materiaal geordend zijn. Dit kunnen atomen van meerdere elementen zijn, die in 1 of andere samenstelling in het materiaal zitten. De structuurtoestand is dus niet alleen de toestand van het materiaal in de zin van gasvormig, vast of vloeibaar, maar geeft tevens de ordening van de atomen van het materiaal.

Goed lezen!!!

9.2 Interpretatie van toestandsdiagrammenGoed lezen!!!

9.3 De kristalstructuren in stalenZie p 331!!! Te kennen

Wat gebeurt er wanneer een staal verwarmd of afgekoeld wordt onder niet-evenwichtscondities?Bij normaal opwarmen blijft het toestandsdiagram vrijwel ongewijzigd van toepassing, maar bij (snel) afkoelen is het resultaat volkomen anders dan door het toestandsdiagram wordt aangegeven. Afkoeling van ijzer-koolstoflegeringen onder niet-evenwichtscondities (snelle afkoeling) is een methode die gebruikt wordt om staal harder en sterker te maken.

Samenvattend kunnen we zeggen dat staal zijn grote praktische nut gedeeltelijk te danken heeft aan het feit dat we staal door de kristalstructuur te wijzigen kunnen veranderen van iets dat zacht is en gemakkelijk vervormbaar, in iets dat zeer hard is en sterk.

9.4 Redeneren voor warmtebehandelingFasetransformatieharden

De hardheid en de sterkte van staal kunnen door een geschikte warmtebehandeling sterk worden verhoogd. Onder het zogeheten fasetransformatieharden vallen het afschrikharden en het voor staalsoorten bijzondere precipitaatharden.

OntlatenGehard staal is direct na het afschrikken zo bros dat het zelfs bij een geringe slag- of stootbelasting al kan breken. Ontlaten is een warmtebehandeling die een staal minder bros maakt zonder dat de hardheid en de sterkte daarbij noemenswaard verminderende. Elk gehard staal moet voor het gebruik worden ontlaten.

Zachtgloeien van een geharde structuurHarden is een omkeerbaar proces.

RekristalliserenKoudomvormen heeft een verstevigend effect op staal doordat de korrels gedeformeerd en langer worden, en daarmee het metaal harder en sterker maken. Een metaal laat zich echter niet in onbeperkte mate koudomvormen. Wanneer staal tot dunne platen wordt gewalst, wordt het ten slotte zo hard, dat het zich niet verder laat uitwalsen, de dikte van de platen kan dus slechts tot een bepaalde grens gereduceerd worden. Is deze grens eenmaal bereikt, dan kan de walsbewerking alleen maar worden voortgezet als we de korrels eerst hun oorspronkelijke vorm en grootte teruggegeven met een warmtebehandeling. REKRISTALLISATIE

NormaalgloeienEen andere manier om de kristallen te wijzigen is korrelverfijning door normaliseren, waarbij uit zeer grote korrels fijnere korrels ontstaan. Elke structuurtoestand (austeniet, ferriet …) kan genormaliseerd worden. Dit is uniek en voorbehouden aan staalsoorten.

SpanningsarmgloeienEen van de meest voorkomende redenen om een staal een warmtebehandeling te geven is het verminderen van de inwendige spanningen. In een metaal dat koudvervorming heeft ondergaan of is gelast, kunnen inwendige spanningen voorkomen, die verminderd kunnen worden door het materiaal een spanningsarmgloeibehandeling te geven. Bij deze


warmtebehandeling worden inwendige spanningen geëlimineerd zonder dat daarbij de sterkste noemenswaard daalt.


WarmomvormbewerkingenVoor warmomvormen moeten de ruwe metalen vormproducten eerst op de juiste temperatuur worden gebracht. Bij warmomvormbewerkingen treedt er dus noodzakelijkerwijs dynamische rekristallisatie op, vooropgesteld dat ze worden uitgevoerd bij de juiste temperatuur, dus boven de rekristallisatietemperatuur.

Diffusie van legeringselementenZoals gezegd moet een staal, wil het hardbaar zijn, een voldoende hoog koolstofgehalte hebben. Toch kan ook een kooslstofarm staal gehard worden, althans het oppervlak van het staal, door het staal bij een voldoende hoge temperatuur bloot te stellen aan een atmosfeer die een legeringselement bevat. Dit legeringselement diffundeert in het staal, waarna men het oppervlak door rekristalliserend gloeien, gevolgd door afschrikken kan harden. Vaak is het diffunderende element koolstof, maar op soortgelijke wijze kan men voor speciale doeleinden ook andere elementen zoals chroom, borium, stikstof en silicium via diffusie in het oppervlak een staal laten diffunderen.

Uitgloeien: Zacht maken van staal (= zachtgloeien)

o Vervormbaarheid en bewerkbaarheid verbeteren Opheffen van inwendige spanningen (= spanningsarmgloeien) Verfijnen van de korrelgrootte (= normaalgloeien, normaliseren)


HFDST 10: Oppervlakteharden en selectief harden van staalsoortenEens snel lezen (slides + fig 10.1 tot 10.3)P362 NIET10.3 NIET

Harden: Transformatieharden, afschrikharden: martensiet Oppervlakteharden & selectief harden

o Door bepaalde elementen in het oppervlak te laten diffundereno Door hardbaar staal plaatselijk te austeniteren en afschrikken

1) Oppervlakte-diffusie: Carboneren: C Nitreren: N Carbonitreren: C + N Boreren: B ‘Chromizing’: Cr

2) Lokaal martensiet: bv. ‘vlamharden’


HFDST 11: Koolstofstalen en gelegeerde staalsoortenKoolstofstalen zijn legeringen van ijzer en koolstof met koolstof als belangrijkste versterkende element. Een nauwkeuriger definitie luidt: een koolstofstaalsoort is een staalsoort met maximaal 2% koolstof en met slechts geringe hoeveelheden andere elementen, afgezien van de elementen die als desoxidatiemiddel werden toegevoegd (zoals aluminium); het bevat daarnaast maximaal 0.6% silicium, maximaal 0.6% koper en maximaal 1.65% mangaan. Andere namen voor deze groep van staalsoorten zijn ongelegeerde stalen en zacht staal.

De term gelegeerde stalen is niet erg nauwkeurig:er valt in feite elke soort staal onder die geen koolstofstaal is.Verwant aan de gelegeerde staalsoorten, maar daarvan toch verschillend, zijn de HSLA (high-strength, low-alloy)-stalen (geharde en ontlaten staalsoorten), staalsoorten met een chemische samenstelling die precies zo is gekozen dat het staal mechanische eigenschappen krijgt die binnen een bepaald gebied van waarden vallen.

Naast ongelegeerde, gelegeerde stalen en HSLA-stalen zijn er nog andere groepen staalsoorten zoals de ‘gereedschapsstalen’, de ‘staalsoorten voor speciale toepassingen’ voor bijvoorbeeld drukvaten en kookketels, de ‘veredelingsstalen’, die al een warmtebehandeling in de staalfabriek hebben ondergaan (afschrikken , gevolgd door hoogontlaten of normaliseren), en ‘ultrahoge-sterkte staalsoorten’.

“Koolstofstaal” (AISI = American Iron and Steel Institute)o max 2% C, ≤ 0.6% Si, ≤ 0.6% Cu, ≤ 1.65% Mn

Gelegeerde stalen (DIN)o Laaggelegeerdo Hooggelegeerd

Gereedschapsstalen Staalsoorten voor speciale toepassingen Nieuwe staaltypen

o HSLA (NIET gehard en ontlaten)o Ultrahoge-sterkte staalsoorteno Veredelingsstalen

11.1 Aanduiding van staallegeringenZie fig. 11.1

Koolstofstaal en gelegeerd staalDe belangrijkste aanduidingsystemen voor koolstof en gelegeerd staal zijn die volgens de Deutsche Industrie Norm (DIN), het Werkstoffnummer (Wstnr.), het systeem van de American Iron and Steel Institute (AISI) en de Amerikaanse Society of Automotive Engineers (SAE).

DINo C-stalen: vb C 15 W

= koolstofstaal, 0.15% C, W (Werkzeug) = gereedschapstaalo Laaggelegeerde: vb. 34 CrNiMo 662

= 0.34% C, 1.5% Cr (x 4 = 6), 1.5% Ni (x 4 = 6), 0.2% Mo (x 10 = 2)o Hooggelegeerde: vb. X 12 CrNi 18 8

x; = 0.12% C, 18% Cr, 8% Ni (= AISI 302 / AISI 304) Oude DIN

o St 37 37 kg/mm²; nu: Euronorm: Fe 360 (360 N/mm²) Eronorm: vb. Fe B 240, B = betonstaal / E = profielstaal AISI (SAE) / UNS

o C-stalen & gelegeerde stalen: vb. 23XXo 2 = Ni-gelegeerd; 3 ca. 3%, 0.XX% C

10 = C-staal11 = C-staal met extra S13, 15 = Mn


2 = Ni3 = Ni-Cr4 = Mo5 = Cr6 = Cr-V8 = meervoudig

Werkstoffnummer: X.XXXXX. = hoofdelement: 1 = Fe, 2 = Ni, 3 = AlXXXX = nummer in groep (Stahlschlussel)

HSLA (High-strength, Low-alloy)-staalsoorten

Ultrahoge-sterkte staalsoortenDe staalsoorten uit deze groep onderscheiden zich door een hoge sterkte: de elasticiteitsgrens is meestal hoger dan 1200 MPa. Bepaalde gelegeerde staalsoorten (zoals 4140 en 4340) en ook sommige soorten gereedschapsstaal (H11 en H13) gelden als ultrahoge-sterkte stalen.

VeredelingsstalenDeze staalsoorten worden gedekt door ASTM-speficaties of door een handelsnaam. Zo heeft bijvoorbeeld de ASTM-specificatie ASTM A668 betrekking op afgeschrikt en getemperd koolstofplaatstaal voor constructietoepassingen.

Bijzondere staalsoortenEr is een groot aantal staalsoorten voor bijzondere toepassingen ontwikkeld.

Voor bij hoge en lage temperaturen Voor veren, drukvaten, ketels, spoorrails Voor wapening van beton Staalsoorten met allerlei deklagen (vertind blik, blik met een loodbedekking en blik met een

laagje aluminium)

11.2 KoolstofstalenIn het voorgaande definieerden we koolstofstaal als een ijzerlegering waarin koosltof het voornaamste versterkende element is. De koolstof versterkt het staal doordat het in vaste oplossing verkeert, in de ferriet en vooral, als roosterelement, in het cementiet, al dan niet in perlietvorm. Als het koolstofgehalte hoog genoeg is (> 0.3% C), kan de legering door afschrikken worden gehard. Metalen kunnen niet alleen versterkt worden door legerende stoffen toe te voegen, maar ook door middel van mechanische bewerking, dat wil zeggen, door koudomvormen.

Warmgewalste staalsoortenMet warmvervormd staal bedoelen we dat de bewerking waarbij het staalproduct zijn vorm heeft gekregen werd uitgevoerd bij een temperatuur die hoger was dan de rekristallisatietemperatuur van de legering. Warmwalsen van koolstofstaalsoorten gebeurt gewoonlijk bij temperaturen tussen 800°C en 1250°C. het motief voor warmwalsen is duidelijk: een roodgloeiend staal laat zich eenvoudigweg gemakkelijker vervormen dan staal van kamertemperatuur. Warmgewalste staalproducten zijn daardoor goedkoper dan producten van koudvervormd staal. Bij warmwalsen bestaat het fabricageproces uit minder (reductie-) stappen dan bij koudwalsen, want in het laatste geval moet warmgewalst uitgangsmateriaal eerst worden schoongebeten en opnieuw worden gewalst.Warmvervormde producten hebben gewoonlijk een lager sterkte dan koudvervormd staal. De korrelvervorming die verantwoordelijk is voor de versteviging van koudvervormd staal, treedt niet op wanneer staal roodgloeiend is. Korrels die tijdens het warmvervormen gedeformeerd worden, keren als gevolg van de rekristallisatie ogenblikkelijk tot de onvervormde toestand terug.

Het grootste nadeel van warmwalsen ten opzichte van koudwalsen is dat warmwalsen een slechte oppervlakteafwerking geeft en dat er een minder precieze controle is over de maten van het eindproduct. Door de geoxideerde huid en de onnauwkeurige maten zijn warmgewalste staalproducten in de toestand waarin ze geleverd worden ongeschikt voor machineonderdelen die enige precisie vereisen. Een voordeel van warmgewalste producten is dat ze verhoudingsgewijs


goedkoop zijn, dat ze beter lasbaar zijn dan koudgewalste producten, en dat ze zich bij machinale bewerking stabieler gedragen.

Het lassen van koudgewalste staalproducten veroorzaakt plaatselijk ontlaten (in de warmtebeïnvloede zone) en doet het versterkende effect van koudwalsen plaatselijk teniet. De machinale bewerking van koudgewalste producten brengt de koudvervormingsspanningen in het materiaal uit evenwicht, met als gevolg dat werkstukken ernstig vervormd kunnen raken. Bij warmwalsen blijven er in het materiaal nauwelijks residuele spanningen achter, daarom gebruikt men voor onderdelen die tijdens en na de machinale bewerking stabiel moeten zijn, liever warmgewalst dan koudgewalst staal.

Warm bewerken = makkelijker (minder stappen) Producten = goedkoper Beter lasbaar Bij machining: stabieler (weinig residuele spanningen) Meestal: C ≤ ca. 0.25% Slechte oppervlakte afwerking Minder precieze controle maten eindproduct (+/- ongeschikt voor machine onderdelen die

enige precisie vragen) Vb. AISI 1020, 1025, 1030 (= %C)

Koudvervormd staalStaal ondergaat vervormingsharding bij koudwalsen door een verandering van de kristalvorm en een toename van de dislocatiedichtheid. Dit is een gevolg van de plastische vervorming: eerst schuiven de gunstig gelegen kristalvlakken af, tot de hierin gelegen dislocaties vastlopen. Vervolgens komen andere glijvlakken aan bod, waarbij nieuwe (gedeelde) dislocaties ontstaan. De afschuifvlakken raken aldus meer en meer vervormd. De meeste ductiele metalen kunne op deze manier door koudvervormen worden gehard; dit is een van de wonderbaarlijkste eigenschappen van metalen. Wanneer we de doorsnede van een stuk metaal door middel van bijvoorbeeld walsen, trekken of stuiken, vergroten of verkleinen, kan de sterkte van het metaal met soms wel een factor 100 toenemen. De versteviging is een gevolg van complexe interacties tussen de atomen in de kristalstructuur van metalen.

P 390 ev lezen!!!

Het is duidleijk dat het metaal bij hogere temperaturen veel gemakkelijker plastisch vervormt. Vandaar dat men een staalproduct vaak zijn vorm geeft wanneer het staal roodgloeiend is, een bewerking die warmomvormen wordt genoemd. Bij warmomvormen treedt er dynamische rekristallisatie op, waardoor dislocaties en andere roosterfouten vrijwel allemaal meteen bij hun ontstaan worden opgeheven. Warmomvormen vindt dus plaats boven de rekristallisatietemperatuur van het metaal.

Bij koudomvormen ontstaat er ook nog wel andere dislocatie-effecten. Het is echter het belangrijkst te onthouden dat het vermogen tot werkversteviging een heel bijzondere eigenschap is die alleen bepaalde metalen bezitten. Koolstofstaalsoorten zijn zo bruikbaar omdat ze zich gunstig gedragen bij plastische deformatie.

Wat betreft de verwerkbaarheid geldt het volgende: hoe groter de werkversteviging, des te moeilijker het materiaal zich door verder koudomvormen de gewenste vorm laat geven. Materiaal dat tot de maximale hardheid is koudgewalst, moet men, zelfs als het 90° wordt gebogen, gewoonlijk een royale buig(ings)radius geven. Met hardingswalsen wordt er niet alleen goede afwerking verkregen, maar worden er ook reklijnen weggewerkt. Reklijnen zijn lijnen die soms op diepgetrokken dun plaatmateriaal zijn waar te nemen en enigszins doen denken aan een wegenkaart. Ze worden veroorzaakt door een niet-homogene atomaire afschuiving in het gebied van de vloeigrens. Door het oppervlak van diepgetrokken dunne platen alvorens er producten uit te vormen eerst een hardingswalsbehandeling te geven, wordt dit lelijke oppervlaktedefect geëlimineerd.Fig. 11.4

Alle staalsoorten kunnen koud worden omgevormd. Het is echter niet gebruikelijk koolstofrijke staalsoorten en gelegeerde staalsoorten aan sterke koudvervorming te onderwerpen, want deze materialen hebben een slechte vormbaarheid, en het verstevigingseffect is niet erg groot en gaat verloren als het staal daarna een warmtebehandeling krijgt. De voordelen van koudvervormd staal zijn


een kleiner maatspeling, betere mechanische eigenschappen en een beter oppervlakteafwerking. De nadelen zijn een lagere ductilitiet, meer instabiliteit gedurende de machinale bewerking en soms ook een hogere prijs.

P 394 ev lezen!!!

Vervormingsharding (verandering kristalvorm; toename dislocatiedichtheid) Sterkte soms tot x10(0) Dit is: beter mechanische eigenschappen Betere oppervlakte-afwerking Kleinere maatspeling Lagere ductiliteit Meer instabiliteit bij machinale bewerking restspanning Soms hogere prijs Vb. AISI 1006, 1050, 1112, 1117 Nb: blik

FasetransformatiehardenWil staal goed hardbaar zijn, dan moet het een voldoende hoog koolstofgehalte hebben. Ongelegeerd staal moet een koolstofgehalte van ongeveer 0.6% hebben, als we matig dikke onderdelen van dergelijk staal tot ‘100% martensiet’ willen kunnen doorharden. Ongelegeerde staalsoorten hebben een slechte hardbaarheid, omdat het moeilijk is aan de afschrikeisen te voldoen.P 396 ev lezen!!!De hardbaarheid is het grootst bij een koolstofgehalte van ongeveer 0.8%. Bij koolstofgehalten hoger dan 1% neemt de hardbaarheid weer enigszins af, doordat zoveel koolstof de vorming van ferriet bevordert (als gevolg van het feit dat de reeds bij hoge temperatuur gevormde cementietkristallen als kiemen werken voor aangroei van meer cementiet en dus ook van perliet en ferriet).

Koolstofstalen hebben een lage hardbaarheid, daardoor zullen grote werkstukken van koolstofstaal zelfs in het gunstige geval alleen aan de oppervlakte worden gehard. De hardingsbeperkingen van koolstofstalen zijn te verhelpen met hardingsmethoden waarbij snel wordt verwarmd en afgekoeld, zoals vlamharden en inductieharden. Alle koolstofarme staalsoorten (staal met minder dan 0.3% koolstof) kunnen gecarboneerd worden, waarna men het staal met afschrikharden een gehard oppervlak kan geven.

LasbaarheidElk metaal kan met ten minste een van de eerder beschreven processen aan zichzelf worden gelast. Verder kan ook elk metaal aan een ander metaal worden gelast, maar dat wil nog niet zeggen dat de las bruikbare eigenschappen heeft. Er is een lasregel die zegt dat het onmogelijk is titaan met een bruikbare lasverbinding aan andere metalen te bevestigen (verscheidene exotische metalen uitgezonderd)/ titaan kan met smeltlassen aan staal worden bevestigd, maar de laas die daarbij ontstaat is zo breekbaar als glas. Gereedschapsstalen kunnen worden gelast, maar als er geen speciale voorzorgsmaatregelen worden genomen, zal zo’n las in negen van de 10 gevallen scheuren.De lasbaarheid van een gegeven metaalcombinatie wordt bepaald door het gemak waarmee de las gemaakt kan worden en door de kwaliteit van de geproduceerde las.

De lasbaarheid van metalen hangt vooral af van de chemische samenstelling van de te verbinden metalen en van de samenstelling van het toevoegmateriaal (aangenomen dat er een toevoegmateriaal gebruikt wordt). Twee verschillende metalen die niet in elkaar oplossen, kunnen niet door middel van een smeltlas met elkaar verbonden worden.

Als metalen zozeer in elkaar oplosbaar zijn, dat ze kunnen worden gesmeltlast, kan de lasbaarheid van de combinatie nog altijd slecht zijn, doordat de las bijvoorbeeld de neiging heeft te scheuren, poreus is, of doordat het gebied dat tijdens het lassen verhit wordt tot scheurvorming neigt, of doordat er sprake is van een brosse las. Worden er metalen met een hoog zwavelgehalte gelast (zoals sommige automatenstalen), dan heeft de las de neigig te scheuren doordat de zwavel het stollende metaal een lage sterkte geeft (warmbrosheid).


Van alle situaties waarin lasbaarheidsproblemen optreden, zijn er twee die het meest voorkomen en de meeste problemen geven:

1. Booglassen van staalsoorten met een verhoogd zwavelgehalte (de 11XX-autormatenstaal)2. Booglassen van hardbare staalsoorten (de koolstofstalen 1030 tot 1090 en de gelegeerde

staalsoorten met koolstofequivalent (CE > 0.4)).

P 399 lezen + figuur!!!

Onder meer problemen bij booglassen vano Staal met hoog zwavelgehalte (vb 11XX automatenstaal)o Hardbare staalsoorten

Scheuren in de las Oorzaak: metaalmassa = afschrikmiddel harde martensiet, niet ontlaten

oplossing = naverwarmen (temperen)

Fysische eigenschappenÉén van de nuttigste fysische eigenschappen van de ongelegeerde en de meeste gelegeerde staalsoorten is ferromagnetisme: deze materialen worden aangetrokken door een magneet. Ze kunnen dus gebruikt worden in bijvoorbeeld elektromotoren en solenoïden en ze kunnen bij machinale bewerking op de draaibank met behulp van magneten vastgeklemd worden. De fysische (en tevens mechanische) eigenschap die staal tot het meest bruikbare metaal maakt is de elasticiteitsmodulus.

SamenvattingZie p 400 ev!!!

11.3 Gelegeerde staalsoortenWe hebben gelegeerde staalsoorten gedefinieerd als een groep staalfabriekproducten waarvan de samenstelling binnen bepaalde grenzen ligt. In het AISI-aanduidingssysteem zijn de gelegeerde staalsoorten de series 13XX, 4XXX, 5XXX, 6XXX, 8XXX en 9XXX.

Hoe kan toevoegen van legeringelementen tot versterking leiden?Wanneer er aan een zuiver metaal atomen van een legeringelement worden toegevoegd, kunnen er verschillende dingen gebeuren:

De atomen kunnen substitioneel of interstitieel in vaste oplossing gaan en daarbij willekeurige posities innemen,

Maar het kan ook gebeuren dat ze een verbinding aangaan met het metaal waaraan ze zijn toegevoegd

Of dat ze in groepjes bijeenblijven De vreemde atomen hinderen de verplaatsing van dislocaties (vaste oplossingsharding). Als de atomen van het legeringselement samen met de atomen van het materiaal waaraan ze werden toegevoegd een geordende structuur vormen waarin beide soorten atomen in vaste getalsverhoudingen voorkomen, dan is er sprake van een verbinding. De atomen in zo’n verbinding worden niet bijeen gehouden door een metaalbinding, maar door een ionbinding of een covalente binding. Verbindingen tussen metaal en legeringselementen komen veel voor, en zulke verbindingen kunnen een verstevigend effect hebben, maar ze kunnen ook brosheid veroorzaken. Sommige van deze intermetallische verbindingen kunnen een legering onbruikbaar maken als constructiemateriaal.P 402 ev lezen!!!

De verbetering van de hardbaarheid is niet de enige reden voor het toevoegen van legeringelementen aan staal. Soms kunnen door het toevoegen van legeringelementen de corrosie-eigenschappen, bepaalde fysische eigenschappen of de verspaanbaarheid verbeterd worden. Het toevoegen van koper verhoogt de corrosieweerstand.Toevoegen van zwavel, fosfor of lood verbeteren de verspaanbaarheid doordat deze elementen kleine insluitsels vormen die de vorming van een brokkelspaan vergemakkelijken.Tabel 11.11 p 407


BELANGRIJKSTE EFFECT= hardbaarheid

o cfr. AISI 13XX, 4XXX, etc. …o KOOLSTOFEQUIVALENT:

CE = %C + Mn/6 + Ni/15 + Cr/5 + Mo/4 + V/4 + Cu/15Bepaalt ook lasbaarheid!

o CE hoger = beter hardbaar = mogelijk minder lasbaar Daarnaast:

o Corrosie-eigenschappen Cu

o Verspaanbaarheid: S, P, Pb spanen brokkelen Echter: onlasbaar vanaf ca. > 0.06% S (“warmscheuren”)

o Fysische eigenschappen

11.4 De keuze van een gelegeerde staalsoortEr zijn zeer veel verschillende soorten gelegeerd staal in de handel. Om te beginnen kunnen we de gelegeerde staalsoorten in twee grote groepen verdelen: staalsoorten bestemd voor doorharden en staalsoorten bestemd voor carboneren. Alle soorten met koolstofgehalten van ongeveer 0.2% of minder zijn geschikt voor carboneren. De rest van de legeringen kan doorharden, maar niet met elke staalsoort gaat dat even gemakkelijk want de staalsoorten binnen deze groep hebben elk een hardbaarheid. Ook de carboneerbare soorten verschillen van elkaar in hardbaarheid en wat betreft de sterkte van het kernmateriaal na carboneren.

Gelegeerde doorhardende staalsoortenTen minste 40 van de AISI gelegeerde staalsoorten gelden als doorharden. Deze 40 legeringen zijn die staalsoorten die een koolstofgehalte van meer dan ± 0.3% (AISI XX30) hebben. Voor werkstukken met een grote doorsnede kan een legering zoals 4340 worden gebruikt, want die kan zelfs nog in grote dikten nog doorharden. Figuur 11.13 p 408P 408 ev lezen!!!

Voor alle gelegeerde staalsoorten geldt dat de mechanische eigenschappen afhangen van de warmtebehandelingen die het staal heeft ondergaan (de hardheid na ontlaten).

Gelegeerde carboneerbare staalsoortenEr zijn ongeveer 40 AISI-soorten gelegeerd staal die geschikt zijn voor carboneren. Al die 40 staalsoorten gedragen zich ongeveer hetzelfde. Ze zijn beter hardbaar dan koolstofarme staalsoorten, daardoor kunnen ze gemakkelijker een dikke schil van een hoge hardheid krijgen. Een ander voordeel is dat de kern van het gecarboneerde werkstuk beter mechanische eigenschappen heeft dan de kern die met koolstofarme staalsoorten wordt verkregen.

H-stalenDe meeste auto-onderdelen voor krachtoverbrenging worden gemaakt van gelegeerde staalsoorten. Deze staalsoorten zijn niet al te duur en de producten die eruit vervaardigd worden (zoals assen en tandwielen) kan men de vereiste sterkte en slijtvastheid geven door ze te harden.

AISI H-staalsoorten zijn gelegeerde staalsoorten met gegarandeerde hardingskenmerken, dus staalsoorten waarvan de hardheid na een bepaalde warmtebehandeling altijd dezelfde is.

B-staalsoortenBorium en stikstof gedragen zich als hardingsmiddel in staal ongeveer net als koolstof.Door aan staalsoorten met een laag tot middelmatig koolstofgehalte een heel klein beetje borium toe te voegen, kan de hardbaarheid van het staal in dezelfde mate worden verbeterd als door de toevoeging van bijvoorbeeld 1% van een duur legeringselement zoals molybedeen of chroom en dat is de reden dat deze boriumstaalsoorten geproduceerd worden. Staalsoorten met een hoog koolstofgehalte krijgen door de toevoeging van borium een lagere hardbaarheid; bij een teveel aan borium kan Fe2B worden gevormd, waardoor de taaiheid van het


staal afneemt; staal waaraan borium wordt toegevoegd moet een laag stikstofgehalte hebben, anders verbindt de stikstof zich met borium tot boriumnitriden.

11.5 Hoge-sterkte plaatstaalLezen p 414 ev!!!

11.6 HSLA-staalsoortenDeze staalsoorten worden door het AISI gedefinieerd als “een groep staalsoorten met chemische samenstellingen die speciaal zijn ontwikkeld om het staal – in vergelijking met gewone koolstofstaalsoorten – betere mechanische eigenschappen te geven, en soms ook om het een beter weerstand tegen atmosferische corrosie te geven “.

HSLA-staalsoorten worden gewoonlijk gebruikt in de warmgevormde toestand waarin ze worden geleverd en worden dus niet door middel van warmtebehandelingen gehard. Ze hebben een laag koolstofgehalte (lager dan 0.2%) en een microstructuur die uit ferriet en perliet bestaat. Elk van deze staalsoorten bevat ongeveer 1% mangaan dat – in vaste oplossing – voor de versteviging van de ferriet zorgt (oplossingsharding), en bevat daarnaast meestal kleine concentraties (minder dan 0?5%) van andere elementen voor extra versteviging of voor andere effecten.

Één van de belangrijkste legeringelementen in HSLA-stalen is koper. In lage concentraties (minder dan 0.5%) zorgt koper (in vaste oplossing) voor de versteviging van ferriet. Als bijkomend voordeel, kan door zo’n toevoeging van koper de weerstand tegen atmosferische corrosie met een factor 4 verbeterd worden. Koperhoudende HSLA-staalsoorten worden soms weervaste staalsoorten genoemd, en verkrijgen hun verhoogde corrosieweerstand doordat er zich aan het oppervlak een taaie oxidefilm vormt. Deze film neemt het uiterlijk van koper aan, maar is in werkelijkheid een vorm van roest die – anders dan gewone roest – niet barst of afschilfert. Gewoonlijk worden aan deze legeringen chroom, nikkel en fosfor toegevoegd om de vorming van de beschermende oxidefilm te bevorderen. Lezen p 416 ev!!!

Voor de verbetering van de eigenschappen van sommige soorten HSLA-staal worden desoxidatiemethoden gebruikt. Om het gehalte aan sulfide-insluitsels en de grootte van die insluitsels te verminderen moet er gebruik worden gemaakt van processen zoals gietpanenting.

Soms worden in HSLA-staalsoorten zeldzame aardmetalen zoals cerium, lanthanium en praseodymium gebruikt om invloed uit te oefenen op de vorm van sulfide- en oxide-insluitsels. Deze elementen hebben de neiging zich met sulfiden en oxiden te verbinden en verminderen daarmee de plasticiteit van zulke insluitsels. Op deze manier kan worden voorkomen dat de oxiden en sulfiden gedurende warmwalsen tot snoeren worden uitgerekt. Langwerpige sulfiden en oxiden zijn ongunstig omdat ze het ontstaan bevorderen van lamellaire scheuren bij lassen die aan grote krimpspanningen blootstaan. De globulaire sulfiden en oxiden in gewalste HSLA-staalsoorten waaraan zeldzame aardmetalen zijn toegevoegd, zijn in dat opzicht minder schadelijk.

De reden dat er aan HSLA-staalsoorten aluminium en silicium worden toegevoegd ligt voor de hand – de eerder genoemde desoxidatie. Deze elementen worden gebruikt om staal te kalmeren en om de segregatie te verminderen. Silicium in vaste oplossing draagt bovendien bij aan de versteviging van ferriet. Het toevoegen van calcium wordt gedaan om het gehalte aan sulfiden en oxiden te verlagen.

HSLA = high strength low alloy steelo Vb. Fe (& C) + Cu, Mn, Nb, Cr, Si, Ti, V, N, …o Betere mechanische eigenschappeno Soms: atmosferische corrosie

”weathering steel” ”Cor-Ten” // of ASTM

o Bijzonder : Gebruikt in warmgevormde toestand Laag C (< 0.2% C) σ0.2 = 290 ... 480 MPa; treksterkte = 410 … 620 MPa harding: niet door warmtebehandeling; oplosharding!


Goed lasbaar Constructiestaal; architecturaal

o Enkele toepassingen: onder meer architecturaal, containers, technische constructies in maritieme atmosfeer, …

11.7 Bijzondere staalsoorten

Austenitische mangaanstalenAustenitische mangaanstaalsoorten zijn verkrijgbaar als gietstukken, smeedstukken en als warmgewalste halfproducten. Wat betreft de elasticiteitsgrens en de treksterkte zijn deze staalsoorten vergelijkbaar met de HSLA-staalsoorten, maar ze hebben de unieke eigen dat ze onder stootbelasting een buitengewoon sterke versteviging ondergaan. Ze worden geleverd met een hardheid (in ontlaten toestand) van ongeveer 200 HB, maar onder invloed van stootbelasting kan de hardheid van het oppervlak tot een diepte van 1 à 2 mm toenemen tot 500 HB.

VeredelingsstalenSommige van deze staalsoorten zijn wat hun samenstelling betreft bij benadering een HSLA-staal. Ze worden door de staalfabriek echter niet geleverd als warmgewalst of warmgewalst en ontlaten product, maar worden normaalgegloeid of afgeschrikt en getemperd. De elasticiteitsgrens van deze materialen kan wel 760MPa bedragen. Tot deze groep behoren staalsoorten met mangaan en silicium als legeringelementen, maar ook koolstofstaalsoorten.

Deze staalsoorten bezitten een goede taaiheid en vervormbaarheid, maar bij het lassen van grote massieve werkstukken moeten er speciale voorzorgsmaatregelen worden genomen. Bijzonder nuttig zijn de slijtvaste soorten uit deze groep, die een hardheid tussen 250 en 400 HB hebben. Deze hardheid kan het staal niet beschermen tegen het inkrassen door harde deeltjes, maar door hun hoge elasticiteitsgrens (ongeveer 690 MPa) zijn deze staalsoorten goed bestand tegen indeuking en ingroeven door agressieve materialen zoals gesteenten en steenkool.

Ultrahoge-sterkte staalsoortenDit is een bonte verzameling van gelegeerde staalsoorten, gereedschapsstaalsoorten, staalsoorten met een hoog gehalte aan legeringelementen en bepaalde roestvaste staalsoorten, met als gemeenschappelijk kenmerk een extreem hoge sterkte.

Wat de ultrahoge-sterkte staalsoorten met elkaar gemeen hebben, is een hoge sterkte in combinatie met een meetbare taaiheid.

De elasticiteitsgrens van deze staalsoorten is zelfs na ontlaten meestal diverse malen die van koolstofstaalsoorten, ze zijn dus weinig vervormbaar. Lezen p 419 ev!!!

UHS = ultra high strength steelo Bonte verzameling: gelegeerde staalsoorten, gereedschapsstaalsoorten, bepaalde

roestvaste stalen, …o Elasticiteitsgrens, zelfs na ontlaten, vele malen hoger dan bij C-staal ( nog weinig

vervormbaar)o Elasticiteitsgrens en treksterkten mogelijk tot 2000 MPa

Zie slides!!!

11.8 Keuze en specificatieLezen p 421 ev!!!


HFDST 12: GereedschapsstaalsoortenHet AISI definieert deze groep losweg als “koolstofstaalsoorten en gelegeerde staalsoorten die gehard en getemperd kunnen worden”, een erg ruime definitie waaraan ook veel staalsoorten beantwoorden die niet als gereedschapsstaal worden beschouwd.Gereedschapsstalen bevatten gewoonlijk aanzienlijk meer legeringelementen dan gelegeerde staalsoorten, maar het doorslaggevende punt van onderscheid is de manier waarop ze bereid worden. Gereedschapstalen worden gesmolten in elektro-ovens, en sommige van deze staalsoorten worden vervolgens zelfs opnieuw gesmolten met VAR (vacuum arc remelting), VIM (vacuum induction melting) of ESR (electroslag remelting)-methoden. Met deze smeltmethoden kan de zuiverheid en de samenstelling van het staal veel preciezer beheerst worden dan mogelijk is met de haardovens of oxystaalconvertors die men voor de bereiding van koolstofstaalsoorten en gelegeerde staalsoorten meestal gebruikt.

12.1 Aanduiding en indelingLezen p 428 ev!!!

5 hoofdgroepen: gebaseerd op gebruikskenmerken:o warmwerkend staalo koudwerkend staalo snelstaalo schokvast staalo matrijzenstaal

chemische samenstelling: + W, Co, V microstructuur: carbiden van legeringelementen gereedschapsstalen = beste hardbaarheid

12.2 De metaalkundige aspecten van gereedschapsstalen

Gereedschapsstalen versus koolstofstalen en gelegeerde stalenFig. 12.2 is goed bekijken!!!


HFDST 13: CorrosieCorrosie ≠ roestRoest is een bijproduct van corrosie, maar corrosie is eenvoudig te definiëren als de achteruitgang van een materiaal of van de eigenschappen van een materiaal als gevolg van een reactie met de omgeving. De meeste corrosieprocessen (maar niet alle) zijn elektrochemisch van aard.

Corrosie is dus in het algemeen een ongewenste chemische aantasting van een metaal door zijn omgeving. Omdat corrosie ongewenst is, zal er aandacht moeten worden besteed aan middelen om corrosie tegen te gaan.

What is corrosion?Corrosion is the “destructive interaction between a material and its operation environment”. It leads to material degradation and contamination of the environment.Zie slides!!!

Wet van Nernst:

Beschrijft evenwichten in redoxreacties

13.1 De aard van corrosie

De oorzaken van corrosieDe vraag hoe het komt dat metalen corroderen, kan op verschillende manieren worden beantwoord. Een van de mogelijkheden is berekeningen te maken die verband houden met de thermodynamica, de vrije energie en de reactiekinetica. Een eenvoudigere uitleg is dat een metaal corrodeert doordat het als zuiver element niet in zijn natuurlijke toestand verkeert: het corroderende metaal probeert terug te keren tot de ertsvorm waarin het oorspronkelijk opgedolven wordt.Bijna elk metaal wordt in de natuur aangetroffen als verbinding, bijvoorbeeld als oxide of sulfide.

In het geval van kunststoffen en keramische materialen is er niet zo’n duidelijke terugkeer naar een natuurlijke toestand. Bij corrosie van kunststoffen worden de verbindingen in en tussen de organische moleculen waaruit de kunststof bestaat, aangetast door omgevingsinvloeden. Keramische materialen bestaan vaak uit verbindingen die ook in de natuur voorkomen, zoals oxiden en sulfiden, en worden daarom door de meeste omgevingsinvloeden betrekkelijk weinig aangetast.

De corrosieprocessen die in metalen voorkomen zijn vaak elektrochemisch van aard, en kunnen dus alleen plaatsvinden als er elektronen door het materiaal kunnen stromen.

Elektrochemische reactiesCorrosie van metaal is gewoonlijk een elektrochemisch proces. Het is niet zo dat het metaal eenvoudigweg oplost.

Wat er bij corrosie gebeurt, is dat de atomen van het metaal geoxideerd worden tot ionen; er stromen elektronen van de anode naar de kathode, waar ze deel kunnen nemen aan een reductieproces. In de elektrochemie betekent oxidatie het verlies van elektronen. Het atoom dat de elektronen verliest wordt een ion. Het omgekeerde proces, dus het proces bij een metaalion door de opname van een of meer elektronen weer een metaalatoom wordt, noemen we reductie. In een elektrochemische cel is de anode altijd de plaats waar de oxidatie plaatsvindt, terwijl reductie plaatsvindt aan de kathode.Fig. 13.1 p 480 ev!!!

ElektrolytenEen noodzakelijke voorwaarde voor het optreden van elektrochemische corrosie is de aanwezigheid van een elektrolyt. Vloeistoffen geleiden elektriciteit door de verplaatsing van ionen. Bij atmosferische corrosie dient waterdamp als elektrolyt.


De meeste metalen die (zoals metalen in ovens) bij hoge temperaturen gebruikt worden, oxideren en worden in de loop van de tijd steeds verder aangetast. Dit type corrosie wordt hoge temperatuur-corrosie of droge corrosie (metaal glas) genoemd. Hierbij is het metaaloxide of de deklaag de elektrolyt. De oxidelaag geleidt metaalionen die afkomstig zijn van het metaaloppervlak. Deze metaalionen combineren zich met de zuurstofkationen die aan het grensvlak tussen de oxidelaag en de zuurstof worden gevormd, met als gevolg dat er een metaaloxide ontstaat. Vandaar dat in een ovenatmosfeer een oxidelaag geen bescherming biedt tegen oxidatie: de oxidatielaag wordt steeds dikker of splintert af, terwijl het meestal steeds dunner wordt.

SamenvattingCorrosiebestrijding:

1. Het al of niet optreden van corrosiereacties kan worden voorspeld door het bepalen van de redoxpotentiaal. Deze kan gemeten worden of worden bepaald uit literatuurgegevens.

2. De corrosiesnelheid kan worden bepaald uit de stroom die samengaat met de redoxreactie.3. corrosie treedt alleen op als voldaan wordt aan de volgende 3 voorwaarden:

a. er is een potentiaal aanwezigb. er is een elektrolyt aanwezig en deze maakt contact met het metaal, dus het

corrosieproduct is poreus of oplosbaar in de elektrolytc. er is elektronentransport en elektronenoverdracht, dus er is een gesloten stroomkring

13.2 Factoren die invloed hebben op corrosie

MateriaaleigenschappenCorrosie is geen eigenschap die inherent is aan een materiaal, maar is een gevolg van de interactie tussen een materiaal en zijn omgeving; wordt de omgeving weggehaald, dan is er geen corrosie. Een van de materiaaleigenschappen die invloed heeft op corrosie is natuurlijk de chemische samenstelling: iedereen weet dat materialen zoals goud, chroom, polyetheen en ijzer, die elk een andere samenstelling hebben, elk op een andere manier op water reageren. Ijzer corrodeert; de andere materialen niet.

Het gebruik van redoxpotentialen

De term is de vrij energie; n is het aantal elektronen die bij de reactie betrokken zijn; F is de constante van Faraday ( de hoeveelheid elektriciteit die nodig is om aan elk van de elektroden 1 gramequivalent van een materiaal om te zetten; F=96.485 coulomb); E is de celpotentiaal of redoxpotentiaal. Als we voor een gegeven corrosieproces de verandering van de vrije energie berekenen en een negatieve uitkomst krijgen, dan volgt daaruit dat het proces zich spontaan zal voltrekken. Is de uitkomst positief, dan zal de reactie alleen dan optreden als er energie wordt toegevoerd.P 484 ev lezen!!!

Metaalkundige factorenVoor elektrochemische corrosie is een anode en een kathode nodig. In een zuiver metaal zijn de gebieden die als anode werken, gewoonlijk korrelgrenzen of zelfs nog kleinere microheterogeniteiten. In het geval van legeringen of gewone metalen die verontreinigingen bevatten, is er een groot aantal metaalkundige factoren die invloed kunnen hebben op corrosie:

1. segregatie (chemische uitscheiding = inhomogene structuur)2. aanwezigheid van meerdere fasen3. insluitsels4. koude vervorming5. niet-homogene spanningen

p 486 ev lezen!!!

PassivatieVeel belangrijke technische materialen ontlenen hun corrosieweerstand aan een oppervlakteconditie die de elektrochemische interactie tussen het metaal en zijn omgeving afremt. Een oppervlak dat in zo’n toestand verkeert, noemt men een gepassiveerd oppervlak. De eenvoudigste vorm van passivatie


is de situatie dat een metaal niet wordt aangetast door een omgeving die dat metaal normaal gesproken wel kan aantasten.

Er zijn diverse theorieën over de manier waarop zulke beschermende films ontstaan. Een van die theorieën is dat de zuurstof van de elektrolyt aan het metaaloppervlak een onoplosbare oxidefilm doet ontstaan. Een andere theorie stelt dat de film eenvoudigweg geabsorbeerd gas is dat een barrière vormt tegen de diffusie van metaalionen uit het substraat. Geavanceerder is de zogenaamde elektronenconfiguratietheorie. Aanhangers van deze theorie beweren dat passivatie een gevolg is van elektronenvacatures in de d-shil van de metaalatomen. Metalen die de neiging hebben een gepassiveerd oppervlak te ontwikkelen, zijn onder meer chroom, nikkel, kobalt, ijzer en molybdeen. Al deze metalen hebben een onvolledige bezette d-schil. Wanneer het oppervlak van zo’n metaal zich in een elektrolyt bevindt die zuurstof kan leveren, zullen de zuurstofatomen zich met metaalatomen aan het oppervlak combineren tot een dunne oxidefilm.P 487 ev lezen!!!

De omgevingChemische kenmerken van de omgevingMetalen, kunststoffen en keramische materialen reageren verschillend op allerlei omgevingen. Het is mogelijk omgevingsinvloeden enigszins te rubriceren.

1. zuren (oxiderend en reducerend)2. basen3. zouten (zuur, neutraal, basisch)4. gassen5. oplosmiddelen

fig. 13.5 p 489

Gebruiksomstandigheden1. beoogde levensduur2. temperatuur3. snelheid4. concentratie5. verontreinigen6. beluchting

Voor de meeste chemische reacties geldt dat bij het verhogen van de temperatuur de reactiesnelheid toeneemt, en aangezien ook corrosie een chemische reactie is, gaat dit verband meestal ook op voor de corrosiesnelheid. Ook de snelheid waarmee een corroderende stof zich over een metaaloppervlak beweegt, heeft invloed op de corrosiesnelheid. Dit laatste geldt in het bijzonder voor die metalen die hun corrosieweerstand ontlenen aan een gepassiveerd oppervlak: de snelstromende corrosieve stof kan de beschermende film op een mechanische manier verwijderen. De corrosiesnelheid hangt sterk af van de concentratie van de oplossing, maar niet altijd op de manier die we zouden verwachten.

Ook de invloed die verontreinigingen hebben op de corrosieve werking van een stof, is niet altijd voorspelbaar. Bestaat de verontreiniging uit abrasieve deeltjes, dan kunnen die deeltjes de beschermende film verwijderen en aldus het corrosieproces versnellen.Chemische verontreinigingen kunnen soms al in een zeer lage concentratie putvormige corrosie (pitting) veroorzaken. Putvormige corrosie kan bijvoorbeeld ontstaan als er in een organische verbinding een kleine hoeveelheid water als verontreiniging aanwezig is.

PolarisatieCorrosie kan onder gecontroleerde omstandigheden worden bestudeerd door de corrosiereactie in een speciaal apparaat te laten verlopen, en daarbij de spanning en de stroom tussen het corroderende metaal en een referentie-elektrode als functie van tijd te meten.De spanning die met zo’n opstelling gemeten wordt, noemt men de corrosiepotentiaal, en de gemeten stroom de corrosiestroom. De potentiaalverandering bij een toenemende of een afnemende sterkte van de corrosiestroom noemt men polarisatie.

Activeringspolarisatie treedt op wanneer een elektrodereactie niet zo snel verloopt als we zouden verwachten: er is wat extra tijd of energie nodig voor de activering.Concentratiepolarisatie treedt op wanneer er bij een actieve elektrode niet genoeg reagerende ionen zijn.


IR-verval (I = stroom, R = weerstand van de elektrolyt), is eenvoudig het spanningsverval in de elektrochemische cel dat een gevolg is van de weerstand van de elektrolyt.

13.3 De verschillende typen corrosie1. Gelijkmatige corrosie2. Putvorige corrosie3. Spleetcorrosie4. Galvanische of contactcorrosie5. Scheurvormende spanningscorrosie6. Interkristallijne corrosie7. Selectieve corrosie8. Erosiecorrosie

Gelijkmatige corrosieDe eenvoudigste vorm van corrosie is gelijkmatige corrosie van alle oppervlakken die aan een corrosieve stof zijn blootgesteld. De aantasting kan een elektrochemisch karakter hebben, maar kan ook gewoon directe aantasting zijn.

De meest voorkomende gevallen van gelijkmatige corrosie zijn die waarin elektrochemische reacties optreden. Gewoon roesten aan de atmosfeer kan een gelijkmatig karakter hebben, en de elektrochemische celwerking gaat dan tussen metaalkorrels en korrelgrenzen.

Gelijkmatige corrosie kan worden voorkomen door de elektrolyt te verwijderen, of door een materiaal te kiezen dat tegen de corrosieve stof bestand is.

Putvormige corrosiePutvormige corrosie is eenvoudig te definiëren als plaatselijke beschadigingen door corrosie, gekenmerkt door putten in het oppervlak. Deze vorm van corrosie is bijzonder verraderlijk omdat de aantasting zich in heel kleine gebiedjes concentreert, zodat een onderdeel door de verwijdering van een betrekkelijk kleine hoeveelheid materiaal als onbruikbaar kan worden: als een corrosieput door de wand van een opslagtank of buis dringt, is het desbetreffende voorwerp onbruikbaar zolang het niet gerepareerd wordt.

In veel gevallen is putvormige corrosie gewoon een gevolg van het chemische karakter van de omgeving. Het is bekend dat brak water, zout water, oplossingen die halogenen bevatten (zoals chloorhoudende bleekmiddelen) en reducerende anorganische zuren gemakkelijk putvormige corrosie kunnen veroorzaken. Ook zijn er bepaalde metalen – zoals de roestvaste staalsoorten – die bijzonder vatbaar zijn voor putvormige corrosie.

Putvormige corrosie treedt vaker op in stilstaande oplossingen dan in oplossingen die in beweging zijn; de putten lijken zich voort te planten. Uit waarnemingen lijkt te volgen dat putvormige corrosie begint in bepaalde kernen, zoals kleine hiaten in een beschermende film, insluitsels of krassen. Op deze plaatsen komt het chemisch actieve metaal aan de oppervlakte. Op de plaats van de put in wording krijgt de oplossing een steeds hogere concentratie aan metaalionen, en er migreren extra ionen van de corrosieve stof naar die put die nog meer metaal in oplossing brengen. Een put lijkt op een hyperactieve corrosiecel die zich tot een heel klein gebied beperkt.

SpleetcorrosieOok spleetcorrosie is een vorm van plaatselijke aantasting. Bij spleetcorrosie concentreert de aantasting zich op de spleten tussen een metaaloppervlak en een ander (metallisch of niet-metallisch) oppervlak. De corrosieve stof bevindt zich in de spleet en maakt met een van beide kanten van de spleet contact. Spleetcorrosie treedt veel op tussen slecht afgedichte buisflenzen, en onder boutkoppen, aanzetstukken en fittingen die in een vloeistof zijn ondergedompeld. Algemeen wordt aangenomen dat de chemische samenstelling van de corrosieve oplossing in het stagnerende gebied van de spleet een verandering ondergaat. Gevoelsmatig verwachten we dat de corrosieve oplossing in het stagnerende gebied in de spleet een ander zuurstofgehalte krijgt dan daarbuiten, waar de oplossing in beweging is. Zodra de oplossing binnen de spleet een andere


samenstelling heeft dan daarbuiten, kan er een oplossingsconcentraticel ontstaat met het gebied binnen de spleet als anode.

Net als putvormige corrosie kan ook spleetcorrosie zeer veel schade aanrichten doordat de aantasting zich op één plaats concentreert. Roestvast staal en aluminium worden door spleetcorrosie en stagnerende oplossingen opvallend gemakkelijk aangetast.

Galvanische corrosie Corrosion between a noble and less noble metal in the presence of an aggressive medium The more electro-positive = cathode, the least electro-positive = anode

Wanneer 2 metalen op verschillende plaatsen in de spanningsreeks in aanwezigheid van een elektrolyt geleidend met elkaar verbonden zijn, ontstaat ere en elektrochemische cel en zal één van de 2 metalen de anode worden en galvanische corrosie ondergaan. Galvanische corrosie treedt ook op als er aan twee ondergedompelde metalen uitwendige energie wordt toegevoerd, of als 2 gelijke metalen die elk in een verschillende samengestelde oplossing staan, geleidend met elkaar verbonden worden.

Metalen kunnen gerangschikt worden in een spanningsreeks. Hoe verder 2 metalen in de spanningsreeks van elkaar staan, des te groter is de corrosiesnelheid waneer ze in aanwezigheid van de elektrolyt geleidend met elkaar verbonden worden.

De andere factor de snelheid van galvanische corrosie bepaald wordt, is de verhouding tussen de oppervlakken van de 2 metalen (anode en kathode). Een anode die klein is ten opzichte van de kathode wordt zeer sterk aangetast.

Galvanische corrosie is gemakkelijk te voorkomen door constructies die ondergedompeld moeten worden in een elektrolyt niet uit combinaties van meerdere metalen te maken. Is het combineren van metalen niet te vermijden, dan dient men de twee metalen elektrisch van elkaar te isoleren, zodat er geen geleidend pad is waarlangs de elektronen van het ene naar het andere metaal kunnen stromen.Zie slides!!!

SpanningscorrosieWat spanningscorrosie van andere corrosieprocessen doet verschillen, is dat de achteruitgang in dit geval geen gevolg is van de verwijdering van aanmerkelijke hoeveelheden materiaal, maar van scheurvorming onder invloed van corrosie in een materiaal dat onder trekspanning staat (waarbij de trekspanning een restspanning kan zijn of een spanning die van buitenaf is opgelegd).

Spanningscorrosie treedt alleen maar op wanneer het desbetreffende oppervlak rekspanningen ondergaat, en daarom is het voorkomen van zulke spanningen een veelgebruikte remedie. Zuivere metalen zijn in het algemeen immuun voor spanningscorrosie. Het soort omgeving dat tot spanningscorrosie leidt, lijkt een omgeving te zijn waardoor het metaal als geheel weinig wordt aangetast.

Stress Corrosion Cracking (SCC)(Sudden) fracture of a metal upon exposure to a corrosive environment

Intergranular Transgranular

Interkristallijne corrosieInterkristallijne corrosie is een vorm van corrosie die bij voorkeur optreedt langs de korrelgrenzen. Meestal wordt interkristallijne corrosie veroorzaakt door samenstellingverschillen in het materiaal, bijvoorbeeld door de uitscheiding van legeringelementen. De korrelgrenzen hebben dan een andere samenstelling dan het inwendige van de korrel. Hierdoor zullen de korrelgrenzen zich ten opzichte van de rest van de korrel als anode gedragen. Korrelgrenzen zijn gebieden van een iets hogere energie dan de korrels zelf (doordat de atomen in de grenszone meer wanorde vertonen), met als gevolg dat korrelgrenzen bij een gelijkmatige corrosie soms in lichte mate anodisch zijn ten opzichte van de rest van de korrel. Als een legering korrels bevat waarvan de grenzen afwijkende chemische samenstelling hebben, kan er zich interkristallijne corrosie ontwikkelen.


Lezen p 500 ev!!!

Interkristallijne corrosie kan ook optreden bij sommige aluminiumlegeringen van hoge sterkte en met bepaalde koperlegeringen. Het is een buitengewoon ondermijnende vorm van corrosie, want als het proces erg ver voortschrijdt, kunnen de korrelgrenzen door de hele doorsnede van dik materiaal gevormd worden weggecorrodeerd, met als resultaat dat men een zwak, sponsachtig metaal overhoudt.

Selectieve corrosieBij dit corrosieproces wordt één bestanddeel van een metaallegering selectief verwijderd, zodat er een materiaal overblijft met een gewijzigde microstructuur. Er zijn diverse legeringen die op deze manier kunnen worden aangetast. Het meest bekende voorbeeld is dieptrekmessing. De verwijdering van zink uit messing wordt ontzinking genoemd. Het uiteindelijke gevolg van deze ontzinking is gewoonlijk dat het desbetreffende voorwerp mechanisch bezwijkt. Het metaal dat bij ontzinking achterblijft is zwak en poreus, en in dat opzicht lijkt ontzinking op interkristallijne corrosie.Lezen p 501 ev!!!

Grafitisatie is echter uiterst moeilijk te bestrijden. Van alle selectieve corrosieprocessen richt grafitisatie in termen van geld waarschijnlijk de meeste schade aan. Grafitisatie kan optreden in corrosieve bodems, in aanaardingen en ophogingen van sintels, en in bodems die verontreinigd zijn met industriële afvalstoffen. Grafitisatieproblemen kunnen worden voorkomen door de buizen van een met nikkel gelegeerd type gietijzer met een austenitische structuur te maken, maar deze oplossing is voor een doorsnede stedelijk waterleidingbedrijf gewoonlijk te duur.

WrijvingscorrosieBij deze vorm van corrosie ontstaat de aantasting doordat twee vaste oppervlakke in een corrosieve omgeving met een kleine amplitude (20 tot 100 µm) ten opzichte van elkaar trillen. Oppervlakken die dit type corrosie ondergaan terwijl ze in contact staan met de lucht, krijgen vaak een rood geoxideerd uiterlijk dat er uitziet als roest. Dit rode oxide ontstaat door de oxidatie van slijtgruis. Als er geen oxidatie optreedt, noemt men de aantasting van de betrokken oppervlakken wrijvingsslijtage en geen wrijvingscorrosie.

Wrijvingscorrosie treedt alleen op als de amplitude van de relatieve beweging tussen bepaalde grenswaarden ligt. Heeft de trilling een erg kleine amplitude (kleiner dan 10 µm), dan zullend e micro-oneffenheden – zo gelooft men – elastisch deformeren en niet breken. Als de relatieve trilling een amplitude heeft die groter is dan enkele honderden micrometers, ontstaat er geen wrijvingscorrosie, maar normale wederkerige slijtage.

Andere vormen van corrosie Basische verbrossing: het bros worden van een metaal in een alkalische omgeving Corrosievermoeiing: afname van de vermoeiingssterkte onder invloed van een corrosieve

omgeving Corrosie onder afzettingen: corrosie onder of rond een plaatselijke afzetting van materiaal

op een metaaloppervlak Blaarvorming: het afbladderen van schilfers of lagen van een oppervlak als gevolg van

corrosie Filivorme corrosie: een vorm van corrosie die zich kan ontwikkelen onder organische

deklagen op metalen, en zich manifesteert als haardunne golvende lijntjes. Zwerfstroomcorrosie: een vorm van aantasting veroorzaakt door elektrische stromen die

onbedoelde banen volgen

13.5 CorrosiebestrijdingFig. 13.25!!!


HFDST 14: Roestvaste staalsoortenRoestvaste staalsoorten zijn legeringen van ijzer, chroom en andere elementen die in veel omgevingen bestand zijn tegen corrosie. Een staal verdient alleen dan de kwalificatie roestvast, als het ten minste 10,5% chroom bevat. Als de corrosiesnelheid van staal in een oxiderende omgeving wordt uitgezet tegen het chroomgehalte, blijkt dat de corrosiesnelheid in het algemeen afneemt naarmate het chroomgehalte toeneemt. Fig. 14.1 p 521!!!Een andere eis waaraan een staal moet voldoen om als roestvast te gelden, is dat het zichzelf moet kunnen passiveren. Sommige soorten gereedschapsstaal hebben een chroomgehalte van 12%, maar worden toch niet als roestvast staal beschouwd, omdat ze als gevolg van hun hoge koolstofgehalte en hun gehalte aan andere legeringelementen geen gepassiveerd oppervlak ontwikkelen. Roestvaste staalsoorten zijn dus staalsoorten met ten minste 10,5% chroom die in oxiderende omgevingen een gepassiveerd oppervlak krijgen.

Bij het smelten van roestvast staal moeten er speciale technieken worden gebruikt om te voorkomen dat er chroom verloren gaat door oxidatie. Na veel onderzoek kwam men ten slotte uit op een bereidingsmethode waarbij koolstofarm staalschroot (met daaraan toegevoegd soms ijzererts) in een elektrische oven wordt gesmolten.

14.1 Metaalkunde van roestvaste staalsoortenZoals al is aangegeven in onze bespreking van het ijzer-koolstofdiagram, zijn de belangrijkste componenten in de microstructuur van staalsoorten:

1. Ferriet: kubisch ruimtelijk gecentreerd (KRG) ijzer2. Cementiet: een ijzer-koolstofverbinding, Fe3C3. Perliet: afwisselende laagjes ferriet en cementiet4. Austeniet: kubisch vlakken gecentreerd (KVG) ijzer

Aan het voorgaande valt nog toe te voegen dat gehard staal een martensitische structuur kan hebben (ruimtelijk gecentreerd tetragonaal rooster). Wanneer er aan ijzer chroom wordt toegevoegd, verandert dat zowel het toestandsdiagram als de structuren die in het metaal kunnen voorkomen. Het toestandsdiagram voor ijzer-chroomlegeringen is afgebeeld in fig. 14.2 p 522. Bij kamertemperatuur hebben ijzer-chroomlegeringen met minder dan 20% chroom een ferritische structuur. Wordt het chroomgehalte hoger dan 20%, dan begint er een fase te verschijnen die sigma wordt genoemd. De stigmafase is een harde, brosse intermetallische verbinding van ijzer en chroom met een variabele samenstelling. Het is een ongewenste fase; zij vermindert de corrosieweerstand en doet de mechanische eigenschappen sterk achteruitgaan. In sommige ijzer-chroomlegeringen waaraan nikkel is toegevoegd, is austeniet de evenwichtsstructuur bij kamertemperatuur. Er zijn dus roestvaste staalsoorten die een ferritische structuur hebben, soorten die austenitisch zijn en soorten die gehard kunnen worden naar hun microstructuur bij kamertemperatuur ingedeeld in een aantal groepen, en elk van die groepen bestaat uit een reeks van legeringen met onderling iets verschillende samenstellingen.

Chroomstaalsoorten: ferritisch staal, superferritisch staal, martensitisch staal, supermartensitisch staal. Chroom-nikkelstaalsoorten: austenitisch staal, superaustenitisch staal, duplex (austenitisch-ferritisch) staal, superduplex staal en precipitatiehardend staal (austenitisch of martensitisch).Zie slides!!!

Ferritische roestvaste staalsoortenDe staalsoorten van deze groep hebben bij kamertemperatuur een kubisch ruimtelijk gecentreerd (ferritisch) kristalrooster, een laag koolstofgehalte (gewoonlijk minder dan 0,2%), en een chroomgehalte dat meestal tussen 16% en 20% ligt. Aangezien deze staalsoorten, zowel ijzer, chroom als koolstof bevatten, zou voor een complete beschrijving van de evenwichtsfasen een ternair toestandsdiagram (een toestandsdiagram voor combinaties van drie elementen (C-Fe-Cr) in variërende concentraties). Het effect van koolstof is dat het austenietgebied (de gammalus) groter wordt. Fig. 14.3 p 523

Sigmafase is een intermetallische fase tussen ijzer en chroom. Deze fase is zéér hard en bros. In (ferritisch) staal wordt deze fase gevormd tussen 540 en 870°C, en zorgt voor een drastische


verlaging van de taaiheid, indien de uitscheiding langs de korrelgrenzen plaatsvindt. Naarmate meer chroom aanwezig is, wordt de gevoeligheid voor de sigmafase ook groter.P 523!!!

Ferritische roestvaste staalsoorten zijn vanwege hun slechte lasbaarheid en hoge kerfgevoeligheid altijd maar weinig gebruikt als materiaal voor buizen, tanks en constructieonderdelen. Materiaal dat dikker was dan hun plaatmetaal kon niet worden gelast of worden omgevormd. Dat deze staalsoorten een slechte lasbaarheid hebben, komt doordat er bij afkoeling vanaf de lastemperatuur brosmakende fasen ontstaan en carbiden precipiteren. Het is al lang bekend dat ferritische roestvaste staalsoorten 475°C verbrossing ondergaan. Wanneer een ferritische legering verhit wordt tot temperaturen tussen 340°C en 510°C, kan reeds na enkele minuten een sub-microscopische uitscheiding van chroomcarbiden langs de korrelgrenzen ontstaan (zogenaamde -prime of ’). In sommige soorten ferritisch roestvast staal ontstaat er bij langdurig verblijf tussen 540°C en 870°C sigma fase. Deze vorming van de sigmafase is meestal niet een direct gevolg van het lassen, maar van gebruik bij genoemde temperatuur. Daarom werden ferritische roestvaste staalsoorten nooit gebruikt bij temperaturen hoger dan 340°C. er zijn ook soorten waarin martensiet ontstaat wanneer een bij lassen verhit materiaal afkoelt, en ook dit veroorzaakt lasbrosheid. Het tweede probleem met het lassen van ferritisch roestvast staal is een vermindering van de corrosieweerstand (interkristallijne corrosie), als gevolg van carbideprecipitatie in het gebied van de las (ontchroming).

Dat men soms toch liever een ferritisch roestvast staal gebruikt dan de gemakkelijker te verwerken austenitische soorten, komt doordat ferritische roestvaste staalsoorten minder blootstaan aan spanningscorrosie.

Martensitische roestvaste staalsoortenMartensitische roestvaste staalsoorten hebben een chroomgehalte dat tussen ongeveer 12% en 18% ligt en 18% ligt en een koolstofgehalte van soms wel 1,4%. Het hogere koolstofgehalte zorgt voor een zodanige vergroting van de gammalus, dat deze staalsoorten bij voldoende verhitting tot austeniet transformeren, zodat harden mogelijk is. Soms worden nog (in het algemeen kleine hoeveelheden) andere element toegevoegd, zoals Mo en V voor carbidevorming in Ni om de taaiheid te verhogen.

Austenitische roestvaste staalsoortenDe austenitische roestvaste staalsoorten zijn aanzienlijk ingewikkeldere materialen dan de ferritische en de martensitische soroten, omdat ze legeringen zijn van tenminste vier belangrijke elementen: ijzer, chroom, koolstof en nikkel. Het koolstofgehalte van deze staalsoorten is het laagste dat nog voor een aanvaardbare prijs is te realiseren; het chroomgehalte kan variëren van 16% tot 26% en het nikkelgehalte is doorgaans ten minste 8%, maar soms wel 22%. De rol van het nikkel is dat dit element een volledig austenitische structuur bevordert.

PH-legeringenDe term PH is een veelgebruikt acroniem voor precipitatieharding. ¨PH-legeringen vormen een tamelijk recente groep (ze werden de afgelopen 30 jaar ontwikkeld), en er zijn diverse typen: martensitische, semi-austenitische en austenitische. De martensitische soorten zijn koolstofarme chroom-nikkellegeringen met een chroom/nikkel-verhouding van 13/8, 15/5 of 17/4. De samenstelling van sommige van deze legeringen is zo gekozen, dat ze in ontlaten toestand een overwegend martensitische structuur hebben (het staal is dan gewoonlijk aan de lucht vanaf de ontlaattemperatuur afgekoeld). De martensiet in dit soort legeringen is een koolstofarme martensiet (het koolstofgehalte is meestal lager dan 0.1%) en de ontlaathardheid is verhoudingsgewijs laag (niet meer dan 25 HRC).P 526 lezen!!!

DuplexlegeringenZie p 526 – 527 !!!

Gedeponeerde merklegeringenZie p 527 – 529 !!!


SamenvattingRoestvaste staalsoorten bevatten soms aanzienlijke gehaltes van wel acht verschillende elementen en kunnen in metaalkundig opzicht dus erg ingewikkeld zijn: een achtdimensionaal toestandsdiagram laat zich heel moeilijk voorstellen. Voor de ontwerper is echter voldoende te onthouden dat de roestvaste staalsoorten op grond van hun microstructuur een aantal verschillende groepen worden verdeeld: fig. 14.6 p 529.

1. Ferritische soorten: ijzer-chroom + laag koolstofgehalte2. Martensitische soorten: ijzer-chroom + hoger koolstofgehalte3. Austenitische soorten: ijzer-chroom-nikkel + laag koolstofgehalte4. Precipitatiehardende soorten: ijzer-chroom-nikkel + laag koolstofgehalte + precipiterend

element5. Duplexlegeringen: gedeeltelijk austeniet, gedeeltelijk ferriet6. Superferritische soorten: ijzer-chroom + zéér laag koolstofgehalte7. Superduplex legeringen: met verhoogd gehalte aan legeringselementen Cr, Mo, Ni en N8. Superaustenitische soorten: met verhoogd Cr- en Ni-gehalte

Hier is ook belangrijk te onthouden dat sommige soorten roestvast staal door afschrikken of precipitatieharding gehard kunnen worden, terwijl andere soorten vanwege hun microstructuur niet hardbaar zijn.

14.2 Aanduiding van legeringenDe roestvaste vervormingsstalen wordt gewoonlijk aangeduid met behulp van het driecijferige systeem dat aanvaard is door het American Iron and Steel Institute (AISI), en dat ook door andere regulerende organen wordt gebruikt. Het eerste cijfer heeft betrekking op de samenstelling. Zo bevatten de staalsoorten van de 200-serie als belangrijkste legeringelementen chroom, nikkel en mangaan. De 300-serie bestaat uit chroom-nikkellegeringen, de staalsoorten van de 400-serie zijn zuivere chroomlegeringen.De staalsoorten van de 500-serie zijn legeringen met een laag chroomgehalte. Ze bevatten niet genoeg chroom om als roestvast staal te kunnen gelden en worden daarom niet opgenomen in overzichten van roestvaste staalsoorten. De precipitatiehardende roestvaste staalsoorten werden oorspronkelijk aangeduid met nummers van de 600-serie.Tabel 14.2 p 532 geeft een overzicht van de meest gebruikte roestvaste kneedlegeringen.

14.3 Fysische eigenschappenLezen p 534 ev!!

14.4 Mechanische eigenschappenLezen p 536 ev!!

14.5 Verwerking tot productenFig. 14.10 p 545

14.6 CorrosiekenmerkenDe verschillende soorten roestvast staallegeringen danken hun corrosieweerstand aan het in vaste oplossing aanwezige chroom.Chroom bindt zich gemakkelijk aan zuurstof, en bevordert als element in vaste oplossing de vorming van een passieve oppervlaktefilm die corrosie tegengaat. Samenstellingsvariaties hebben invloed op de corrosieweerstand. De koolstofrijke legeringen hebben een lagere corrosieweerstand dan de koolstofarme soorten. De toevoeging van nikkel verandert de structuur, en maakt het mogelijk het staal een hoger chroomgehalte te geven zonder dat er daardoor sterkteproblemen ontstaan. De toevoeging van zwavel of selenium ter verbetering van de verspaanbaarheid verlaagt de corrosieweerstand. De toevoeging van niobium, tantalium en titaan voorkomt sensitizatie. De toevoeging van molybdeen maakt het staal minder vatbaar voor putvormige corrosie.


Beperkingen aan de corrosieweerstand van roestvaste staalsoortenDe belangrijkste beperkingen of zwakheden van roestvaste staalsoorten zijn de volgende:

1. Roestvaste staalsoorten zijn in sommige omgevingen vatbaar voor putvormige corrosie2. Ze zijn het beste bestand tegen oxiderende omgevingen3. Ze zijn vatbaar voor spleetcorrosie4. Ze worden gemakkelijk aangetast door chlorideoplossingen5. In een atmosfeer die halogenen of bepaalde andere stoffen bevat, ondergaan sommige

soorten roestvast staal spanningscorrosie6. In gesensitiseerde toestand zijn roestvaste staalsoorten erg vatbaar voor interkristallijne

corrosie7. Roestvaste staalsoorten met een microstructuur die uit 2 fasen bestaat (bjjvoorbeeld ferriet in

austeniet) kunnen op microschaal galvanische corrosie ondergaan.

Omgevingen Atmosferische corrosie Oxidatie bij hoge temperaturen Zwavelzuur Salpeterzuur Fosforzuur Organische oplosmiddelen Benzine Zout water Water Zoutzuur Waterstoffluoride Azijnzuur Voedingsproducten Bleekmiddelen Basische oplossingen

14.7 Het kiezen van legeringen

Algemene kenmerkenRoestvaste staalsoorten zijn bij het technisch ontwerp erg nuttige materialen. De eigenschappen van de roestvaste staalsoorten vertonen een grote variatie, en de corrosie- en de oxidatieweerstand van deze legeringen is beter dan van de meeste andere materiaalsystemen.Fig. 14.16 p 555Elk van de groepen roestvaste staalsoorten heeft zijn eigen toepassingsgebied, de staalsoorten binnen zo’n groep onderscheiden zich van elkaar door bijzondere kenmerken.P 555 ev lezen!!!

Een ontwerprepertoireTabel 14.8 p 559!!!


HFDST 15: Gieterijtechnologie en poedermetallurgieGietprocessen:

Zandvorm: o HT materialen, grote stukken

Coquille gieten o LT materialen

Spuitgieten: o Dunwandig, cfr. Ook kunststoffen

Verloren (was) model o Maatnauwkeurigheid

Andere: centrifugaal gieten (buizen, pijpen)Gietijzer en gietlegeringen:

Gietijzer: o Grijs gietijzero Wit gietijzero Nodulair (ductiel) gietijzero Smeedbaar gietijzero Gelegeerde gietijzersoorten

Gietproducten van staal Gietlegeringen (vs. ‘kneedlegeringen’)

o Chemische toevoegstoffen: Lagere viscositeit smelt Minder slink/krimp

Zie slides!!!

15.3 Grijs gietijzerFig. 15.10 p 575Grijs gietijzer is een koolstofrijke ijzer-koolstof-siliciumlegering.Wit gietijzer stolt na het gieten als een materiaal met een harde structuur.Smeedbaar gietijzer lijkt wat chemische samenstelling betreft op wit gietijzer, maar men heeft de structuur door middel van warmtebehandelingen gewijzigd om het materiaal een meetbare ductiliteit te geven.Nodulair gietijzer lijkt wat samenstelling betreft op grijs gietijzer en wat ductiliteit betreft op smeedbaar gietijzer, maar deze ductiliteit is gerealiseerd door aan de smelt bepaalde stoffen toe te voegen.Gelegeerde gietijzersoorten zijn gewoonlijk grijze of witte gietijzersoorten die men gemodificeerd heeft door legeringelementen toe te voegen om het materiaal hard of corrosievast te maken.

Met de term gietijzer wordt dus niet één bepaald materiaal aangegeven, maar een hele familie van ijzer-koolstoflegeringen.

De metaalkunde van grijs gietijzerGietijzer is een ijzer-koolstoflegering met een koolstofgehalte van 3 à 4% en bevat in het algemeen 1 tot 3% silicium. Ijzer-koolstoflegeringen met een koolstofgehalte lager dan 2% worden tot de stalen gerekend. Tijdens de stolling van grijs en nodulair gietijzer kunnen er primaire austenietdendrieten worden gevormd, terwijl er ontkieming van grafiet plaatsvindt (er wordt gebruikgemaakt van het stabiele zijer-koolstofdiagram (onderbroken lijnen fig. 15.11)) en er ontstaan zogenaamde eutectische cellen volgens de eutectische reactie:

Deze reactie loopt tot het gehele metaal is gestold. Deze austeniet bevat meestal meer koolstof dan dat er bij temperaturen lager dan de eutectische temperatuur in het ijzer kan oplossen. Grijs gietijzer is te beschouwen als een staal dat grafiet bevat.

De staalmatrix van grijs gietijzer bestaat gewoonlijk uit ferriet, perliet of martensiet. De grafiet in grijs gietijzer vormt driedimensionale roosachtige structuren.


Het silicium in grijs gietijzer bevordert de vorming van grafiet. Bij de aanmaak van handelssoorten grijs gietijzer worden de chemische samenstelling en de afkoelsnelheid meestal zo gekozen, dat de vorming van cementiet of cementietrijke fasen (ledebureit) wordt voorkomen.

Aanduidingen van legeringenP 577

Fysische eigenschappenDoordat grijze gietijzersoorten eigenlijk staalsoorten zijn die grafiet bevatten, lijken ze wat sommige van hun fysische eigenschappen betreft veel op gewone koolstofstalen.

Waar grijs gietijzer wordt besproken, valt vaak de term dempingvermogen. Hiermee bedoelt men het uitsterven van mechanische trillingen die door uitwendige oorzaken in het materiaal worden opgewekt. Over het dempingvermogen van materialen zijn zeer weinig kwantitatieve gegevens voorhanden, maar het staat wel vast dat het dempingvermogen van grijs gietijzer verhoudingsgewijs hoog is. De oorzaak van dit hoge dempingvermogen is dat grijs gietijzer tot aan 10% (volumegehalte) aan grafiet bevat, en deze grafiet absorbeer de mechanische trillingen.

Een ander effect van de grafiet in grijs gietijzer is dat het een langzame verandering van grootte kan veroorzaken: perliet kan overgaan in grafiet en ferriet, en deze overgang gaat gepaard met een volumetoenamen. Bij hogere temperaturen kan er inwendige oxidatie van de grafiet optreden, en ook dit proces leidt tot een volumetoename. De veranderingen van grootte zijn echter onbelangrijk zolang de bedrijfstemperatuur beneden 400°C blijft.

De soortelijke weerstand van grijs gietijzer wordt beïnvloed door de structuur van grafiet. Grafiet met een grove structuur geeft een hogere soortelijke weerstand dan grafiet met een fijne structuur. Alle gietijzersoorten met grafiet hebben een hogere soortelijke weerstand dan de koolstofstaalsoorten.

Alle veelgebruikte soorten grijs gietijzer zijn ferromagnetisch, behalve austenitische gietijzersoorten, die natuurlijk niet ferromagnetisch zijn. De verdere magnetische eigenschappen, zoals permeabiliteit, coërcitiefkracht en hystereseverlies worden beïnvloed door de microstructuur van de grafiet in het desbetreffende type grijs gietijzer.

Grijs gietijzer bezit in de meeste omgevingen een betere corrosievastheid dan koolstofstaal. In de beginfase van de corrosie lost er een beetje materiaal van de staalmatrix op. Het gevolg is dat de grafietlamellen boven het metaaloppervlak gaan uitsteken, want grafiet is edeler dan het matrixmateriaal. Dit grafietreliëf bevordert het ontstaan van een taaie oppervlaktefilm, die op zijn beurt een verdere aantasting vertraagt. Dit laatste geldt vooral wanneer de film onoplosbaar is in de corroderende stof.

Mechanische eigenschappenGrijs gietijzer is een bros materiaal. De plastische vervorming in trekproeven is verwaarloosbaar klein, zodat er gewoonlijk geen onderscheid kan worden gemaakt tussen de elasticiteitsgrens en de treksterkte. Fig. 15.14Grijze gietijzersoorten voldoen dus niet erg goed aan de wet van Hooke, en dat komt doordat de grafiet in de microstructuur bij elk spanningsniveau microslip geeft. ( Er treedt geen versteviging op aan de korrelgrens ijzer-grafiet. De dislocaties verdwijnen aan deze korrelgrenzen.)Grijs gietijzer vertoont dus geen echt elastisch gedrag.

Één van de betere mechanische eigenschappen van grijs gietijzer is daarentegen de druksterkte, die vaak drie- tot vijfmaal zo groot is als de treksterkte. De afschuifsterkte van grijs gietijzer is ongeveer gelijk aan de treksterkte (1 tot 1,5 maal zo groot).

Grijze gietijzersoorten hebben niet alleen een lage ductiliteit, maar ook een zeer geringe kerfslagsterkte. De taaiheid is zo laag, dat die niet met een gewone gekerfde staaf in een slingerhamerapparaat gemeten kan worden. Het beste is grijs gietijzer nooit te gebruiken voor onderdelen die schokbelasting moeten ondergaan.


De waardevolste eigenschappen van grijs gietijzer is de grote slijtvastheid. Wat betreft de weerstand tegen abrasie, wrijvingsslijtage en bepaalde vormen van corrosieve slijtage gedraagt grijs gietijzer zich niet beter dan een koolstofstaal met een middelhoog koolstofgehalte. Maar de grafiet in de microstructuur van gietijzer verhoogt de weerstand tegen adhesieve slijtage. In glijtoepassingen en in toepassing zoals schroefdraden, moergangen en wormschroeven is er bij het gebruik van grijs gietijzer heel weinig kans op vastlopen. Grijs gietijzer met een gehard staal als glijdend tegenoppervlak en voorzien van smering, vertoont een zeer lage slijtage.

Grijs gietijzer dankt zijn weerstand tegen adhesieve slijtage aan de grafiet in de microstructuur. De grafiet werkt zelf als smeermiddel, en wanneer er onder invloed van slijtage grafiet uit het oppervlak verdwijnt, dienen de achterblijvende gaatjes als smeermiddelreservoir.

WarmtebehandelingenDe verschillende warmtebehandelingsprocessen zijn gebaseerd op toestandsdiagrammen en TTT-krommen.

Normaalgloeien:Het belangrijkste doel van normaalgloeien is het verhogen van de sterkte en de hardheid. Er wordt verhit tot in het austenitische gebied voor desbetreffende legering, na het gloeien wordt er afgekoeld in lucht. Bij grijs gietijzer berust het effect vooral op de eliminatie van inwendige spanningen en op de verhoging van de sterkte door de vermindering van de hoeveelheid uitscheiding in de matrix, want de eigenschappen van grijs gietijzer hangen doorgaans niet af van de korrelgrootte.

Ontlaten:Gietstukken van grijs gietijzer worden ontlaten om inwendige spanningen te verwijderen en om de verspaanbaarheid te optimaliseren. Bij ontlaten wordt koolstof die deel uitmaakt van vrije cementiet of op een andere manier gebonden is, in grafiet omgezet.

Spanningsarmgloeien:Inwendige spanningen in gietstukken zijn meestal het resultaat van een van de volgende oorzaken:

1. Niet-homogene afkoeling van delen van ongelijke doorsnede2. Niet-homogene afkoeling doordat in de gietvorm of bij warmtebehandeling de buitenste laag

sneller afkoelt dan het inwendige.3. Krimp van het gietstuk rond een stijve kern

Spanningsarmgloeien is een minimale vereiste voor gietstukken die een intensieve machinale bewerking moeten ondergaan of die tijdens het gebruik aan zware bedrijfsomstandigheden worden blootgesteld.

(Afschrik-) harden:Harden biedt als voordelen een verbetering van de sterkte, de hardheid en de slijtkenmerken. Nadien op juiste manier ontlaten! Anders dan voor koolstofstalen, neemt de sterkte van grijze gietijzersoorten door harden af. Er wordt slechts dan een verbetering van de sterkte gerealiseerd wanneer er na het harden getemperd wordt.Fig. 15.15 p 582

Lassen:In werkstukken van gietijzer kunnen tijdens het lassen gemakkelijk scheuren ontstaan. Twee verbindingsmethoden worden veel gebruikt voor het verbinden van gietijzer: booglassen met een nikkelrijk metaal en solderen met een metaal op koperbasis. Na het lassen dient men het werkstuk langzaam te laten afkoelen.

Grijs gietijzer: Meest gewone gietijzer 2 .. 4% C, 1..3% Si, Mn en Fe Metaalkunde:

o Eutectische reactie: vloeibaar austeniet + grafieto T < 738°C: austeniet martensiet, ferriet of perliet (afh. van afkoelsnelheid en

legeringssamenstelling) Koolstof: 2 componenten, gebonden ( = opgeloste, vaak < 1%) + grafiet Grafiet = 3-dimensionale roosachtige structuur, lamellen (plaatjes)


o Vorm, grootte, verdeling invloed op eigenschappen Fysische en chemische eigenschappen:

o Cfr. gewone koolstofstaalsoorten (die grafiet bevatten)o Dempingvermogeno Betere corrosie-vastheid (cfr. oppervlak van grafietlamellen + Si)

Mechanische eigenschappeno Warmtehandelingen: alle warmtebehandelingen van koolstofstaal zijn mogelijk

15.4 Smeedbaar gietijzerSmeedbaar gietijzer is gedefinieerd als gietijzer dat als resultaat van een temperatuurbehandeling een aanzienlijke ductiliteit heeft gekregen.In VS wordt smeedbaar gietijzer gemaakt door een wit gietijzer om te zetten in hetzij een ferritische matrix hetzij een perlitische matrix. De vrije grafiet heeft dan de vorm van kleine bloemachtige nodulen die temperkool worden genoemd.Een ander soort smeedbaar gietijzer is frisijzer, ook wel wit of Europees smeedbaar gietijzer genoemd. Hierbij worden de gewenste eigenschappen verkregen door uitgaande van normaal wit gietijzer, de koolstof door oxidatie uit het gietstuk te verwijderen.

MetaalkundeDe smeedbare gietijzersoorten zijn ijzer-koolstof-siliciumlegeringen, met een koolstofgehalte dat gewoonlijk tussen 2% en 3% ligt en een siliciumgehalte dat gewoonlijk tussen 1% en 1,8% ligt. Wit gietijzer bestaat uit perliet en ledeburiet, en is een zeer hard en bros materiaal. Lezen p 584 ev!!!

Aanduiding van legeringenLezen p 585!!!

EigenschappenDe meeste fysische eigenschappen van smeedbaar gietijzer lijken op die van grijs gietijzer, maar de mechanische eigenschappen van beide groepen materialen vertonen aanzienlijke verschillen.Smeedbaar gietijzer heeft een veel grotere taaiheid dan grijs gietijzer. De procentuele verlenging (totale plastische rek voor breuk) kan 20% bedragen, en dat betekent dat producten van smeedbaar gietijzer zonder te breken kunnen buigen. Producten van smeedbaar gietijzer kunnen trekbelasting en slag- en stootbelasting verdragen.

Smeedbaar gietijzer is heel goed verspaanbaar zolang de hardheid lager is dan 300 HB.

De slijtkenmerken zijn niettemin goed, vanwege de temperkool in de microstructuur.

De vermoeiingsterkte van smeedbaar gietijzer kan wel 60% van de treksterkte bedragen, en in onbehandelde toestand kan het materiaal een druksterkte hebben van viermaal de treksterkte.

WarmtebehandelingAangezien smeedbaar gietijzer tijdens de vervaardiging uitvoerig wordt getemperd, is afschrikharden de enige warmtebehandeling die veel wordt toegepast. Smeedbaar gietijzer kan net als staal door middel van vlamharden, inductieharden en afschrikharden worden gehard. Afschrikharden wordt toegepast op de perlitische soorten smeedbaar gietijzer. Na het harden moet er worden getemperd.

Smeedbaar gietijzer: Als wit gietijzer, doch verlengde verwarming (warmtebehandeling) van gietstukken Hierdoor: ontbinding van carbides en vorming van grafiet aggregaten (cfr. nodulair gietijzer,

doch minder bolvormig) Superieure mechanische eigenschappen (o.m. taaiheid, verlenging bij breuk …), zeer goede

slijtageweerstand buigen zonder scheuren, koudbewerking mogelijk


15.5 Nodulair gietijzerNodulair gietijzer wordt gemaakt uit dezelfde ruwe materialen als grijs gietijzer, maar het verschil is dat men bij de bereiding van nodulair gietijzer bijzondere stoffen aan de smelt toevoegt om de vorming van kleine grafietnodulen te bevorderen. Heeft niet de brosheid van grijs en wit gietijzer, en vereist ook niet de excessief lange warmtebehandelingen die voor de bereiding van smeedbaar gietijzer nodig zijn. Nodulair gietijzer heeft na het gieten meteen al een goede ductiliteit.

MetaalkundeWat de chemische samenstelling betreft, is nodulair gietijzer een koolstof-ijzer-siliciumlegering met een koolstofgehalte van 3% tot 4% en een siliciumgehalte van 2% tot 3%.Aan veel nodulaire gietijzersoorten is bovendien nikkel toegevoegd. Bij de bereiding van nodulair gietijzer wordt er aan de smelt, net voor het gieten, magnesium toegevoegd (in een verhouding van een paar kilo’s per ton) om de vorming van grafietnodulen te bevorderen. De temperatuur van de smelt is veel hoger dan zelfs de kooktemperatuur van magnesium, en er vindt een heftige reactie plaats.

Aanduidingen van legeringenLezen p 586 ev!!!

EigenschappenDe meest opvallende verschillen tussen de fysische kenmerken van grijs gietijzer en nodulair gietijzer betreffen de magnetische en elektrische eigenschappen. Nodulair gietijzer heeft bijvoorbeeld een veel lagere soortelijke weerstand.Wat betreft de corrosieweerstand lijken nodulaire gietijzersoorten op grijs gietijzer; de grafiet in de microstructuur bevordert in allerlei omgevingen de corrosieweerstand.

WarmtebehandelingAlle warmtebehandelingen die op grijze gietijzersoorten worden toegepast, zijn ook geschikt voor nodulair gietzijer: de gebruiker kan nodulair gietijzer zachtgloeien, spanningsarmgloeien, normaalgloeien en afschrikharden. Het gedrag van het materiaal bij harden hangt af van het gehalte aan koolstof in vaste oplossing. Voor harden van nodulair gietijzer geldt, net als voor alle andere soorten gietijzer, dat het beste resultaat wordt verkregen met een matrix van perliet.

Bainitisch nodulair gietijzer is een nodulaire gietijzersoort die commercieel ontwikkeld in de jaren tachtig. Uit dit materiaal kunnen gietproducten worden gemaakt met dezelfde sterkte als geharde of getemperde staalsoorten, echter met een hogere ductiliteit en taaiheid. De bainitische structuur ontstaat door austeniteren, afschrikken tot op transformatietemperatuur en isotherm transformeren bij een temperatuur net boven de temperatuur waarbij martensiet ontstaat (Ms).

Nodulair (ductiel) gietijzer: Als grijs gietijzer, doch: vorming kleine (bolvormige) grafietnodulen Verkregen door toevoegstoffen aan legering (Ni, Mg) of door inoculatie met “entstoffen” in

gietpan (Mg, Ce) Ook: ferritisch, perlitisch, martensitisch Superieure mechanische eigenschappen (o.m. slagvastheid), vergelijkbare

corrosieweerstand, (veel) lagere elektrische weerstand

15.6 Witte gietijzerlegeringenOngelegeerd wit gietijzer bevat 2% tot 4% koolstof, 0,5% tot 2% silicium, en ongeveer 0,5% mangaan. Wit gietijzer ontstaat tijdens het stollen van materiaal dat minder dan 10 cm dik is, en heeft een microstructuur die geen vrije grafiet bevat en overwegend bestaat uit vrije cementiet en perliet, plus eventueel een beetje austeniet. De hardheid van wit gietijzer kan wel 600 HB bedragen.


Grijs gietijzer dat vanaf de giettemperatuur snel wordt afgekoeld, krijgt tijdens het stollen een structuur van wit gietijzer. Het zo verkregen ijzer wordt meestal harde-schilijzer genoemd, en is een belangrijk technisch materiaal.

Wit gietijzer: Gecontroleerde samenstelling (e.g. laag Si, hoog Mn) en stollingssnelheid 2 .. 3,5% C, 0,5 .. 2% Si, Mn (0,5%) en Fe Metaalkunde:

o Snelle koeling +/- alle koolstof behouden als opgelost Fe3Co “wit”: geen vrije grafiet in microstructuur

Resultaat: harde, brosse, +/- niet machienbare legering Toepassing: abrasie-resistentie Microstructuur van wit gietijzer: géén vrije grafiet, fijnkorrelig perliet en vrije cementiet

15.7 Gietproducten van staalSommige ontwerpers aarzelen om gietijzersoorten te gebruiken, omdat ze denken dat alle soorten gietijzer bros zijn. We hebben echter gezien dat nodulair gietijzer en smeedbaar gietijzer niet bros hoeven te zijn.Alle soorten gietijzer hebben een lagere stijfheid dan staalsoorten, en met staal kan een veel beter taaiheid en ductiliteit worden verkregen dan met gietijzer.Lezen p 590 ev!!!

Een voordeel van staalgietwerk ten opzichte van gietijzerproducten is de betere lasbaarheid: gietproducten van koolstofarm staal, roestvast staal en laaggelegeerd staal kunnen gemakkelijk worden gelast.

“gietijzer = bros “ Alle soorten gietijzer = lagere stijfheid Staal = beter taaiheid en ductiliteit Gieten:

o Staal = moeilijker gieten (wegens te hoge viscositeit, slinkholten, …)o Gietijzers

Smelten bij lagere temperaturen Door hoog C en Si: lagere viscositeit smelt Minder slinkholten bij stollen, minder krimp

o Staal: gieteigenschappen verbeteren door iets gewijzigde chemische samenstelling (0,3 .. 0,65% Si, 1% Mn)


HFDST 16: Koper en koperlegeringenKoper komt – anders dan de meeste andere metalen – in de natuur niet alleen als erts voor, maar ook in metallische vorm, en is daardoor één van de oudst bekende constructiematerialen.

16.1 De extractie van koper uit koperertsKoper wordt in een aantal stappen gewonnen uit arme sulfide- en oxide-ertsen:

1. Het vergruisde erts wordt vanwege het geringe kopergehalte eerst door middel van flotatie en andere fysische scheidingsmethoden geconcentreerd.

2. Het geconcentreerde erts wordt vervolgens in speciale ovens (roosterovens) geroost, om de vluchtige bestanddelen te verwijderen en het erts zodanig te veranderen, dat het gemakkelijker verder kan worden geconcentreerd. Het erts wordt bij deze behandeling niet gesmolten; het ondergaat alleen een chemische verandering.

3. Het gerooste erts wordt in een gecontroleerde atmosfeer omgesmolten tot een smeltraffinageproduct dat ongeveer 30% koper bevat. Het effect van deze bewerking is dat het erts verder gezuiverd wordt, doordat – bijvoorbeeld – het ijzer dat erin voorkomt wordt omgezet in een sulfide, dat vervolgens door oxidatie verwijderd kan worden.

4. Gewoonlijk wordt het gesmolten raffinageproduct in een koperconvertor overgebracht, waar er een grote hoeveelheid lucht doorheen geblazen wordt. In dit proces wordt het ijzer na een reactie in de slak opgenomen en er ontstaat ruwe koper met een zuiverheid van 98% à 99%.

5. Verdere zuivering gebeurt door middel van elektrolyse. Uit ruwe koper worden anodeplaten gegoten, en de elektrolyse vindt plaats in een waterige oplossing van kopersulfaat en zwavelzuur. De anode gaat daarbij in oplossing en het zuivere koper slaat neer op de kathodeplaat. Het aldus verkregen materiaal bestaat voor meer dan 99,5% uit zuiver koper. Als het zo verkregen elektrolytische koper in vlamovens wordt opgesmolten en gegoten, verkrijgt men een product dat zuurstofhoudend koper wordt genoemd.

Winning / bereiding: Ertsen: 5% (arm), malachiet, sulfidisch, (CuxSy)… prijs! Vergruizen, flotatie etc … concentratie Pyrometallurgie :

a. Roosterovens (chemische conversie) + smelter ( 30% koper)

b. Koperconvertor (oxidatie sulfides) o.m. Fe etc … in slak + H2SO4 + ruw koper (blister copper), 98-99% zuiver

= Anode koperRaffinage:

Anode koper: 98-99% = uitgangsproduct uit pyrometallurgie Cu, Ag, Au, Ni, Pb, Co, Bi, …

Elektrisch koper: > 99,5% Doel van raffinage:

o Zeer zuiver metaleno Recuperatie (edele) metalen

Kathode koper via elektrolyse (raffinage) + anodeslib!

16.2 Aanduiding van legeringenOverzicht: fig. 16.1 p 611!!!

16.3 Producten van koperLezen p 612 ev!!!

16.4 Metaalkunde

Zuiver koperZuiver koper heeft een kubisch vlakken gecentreerd kristalrooster. Het is een goede geleider, het is smeedbaar en het laat zich gemakkelijk gieten en omvormen.


Zuurstofhoudend koper bevat ongeveer 0,04% zuurstof (afkomstig van raffinageproces). De zuurstof is in koper slecht oplosbaar en is aanwezig in de vorm van een oxide (Cu2O). Als het zuurstofgehalte hoog is, zoals in ruwe koper dat 1% zuurstof bevat, kan dat koper bros maken, maar zelfs als de zuurstofconcentratie zeer laag is, zoals in zuurstofhoudend koper, dat slecht 0,04% zuurstof bevat, veroorzaakt de zuurstof al verbrossing wanneer het koper in een reducerende omgeving wordt verhit tot temperaturen boven ongeveer 370°C.Wordt zuurstofhouden koper in een waterstof houdende atmosfeer verhit, dan kan er waterstofziekte optreden. De waterstof diffundeert naar binnen en reageert met de zuurstof onder vorming van waterdamp. Deze waterdamp zit in het koper gevangen en staat onder een zeer hoge druk, met als gevolg dat er heel fijne scheurtjes kunnen ontstaan en het koper uitermate bros wordt.

Om zuurstof te verwijderen wordt er soms ongeveer 0,02% fosfor toegevoegd. Het zo verkregen koper noemt men met fosfor gedesoxideerd koper of ook wel kortweg gedesoxideerd koper. Een ander kopermateriaal dat fosfor bevat is fosforbrons. De oplosbaarheid van fosfor in koper bedraagt slechts zo’n 0,5%.Door kleine toevoegingen van fosfor wordt de treksterkte in lichte mate verhoogd, maar het elektrische geleidingsvermogen wordt er drastisch door verlaagd.

Zwavel en lood worden toegevoegd om de verspaanbaarheid te verbeteren. Beide elementen zijn in koper praktisch onoplosbaar; ze verbeteren de verspaanbaarheid doordat ze fijnverdeelde sulfiden in loodinsluitsels vormen. Chroom wordt toegevoegd om koper te verstevigen.

Er zijn speciale zuurstofvrije kopersoorten in de handel die niet zijn gedesoxideerd door de toevoeging van fosfor (OFHC – koper). De geleidbaarheid van OFHC-koper is iets lager dan die van zuurstofhoudend koper, maar doordat het zuurstofgehalte heel laag is hebben deze kopersoorten geen last van waterstofziekte. Ondergaan ook geen verbrossing bij verhoogde temperaturen en kunnen gemakkelijk worden gelast.

Zuiver koper heeft een kubisch vlakken gecentreerd rooster en bestaat uit slechts één fase. Zuiver koper heeft uitstekende elektrische (door de metaalbinding tussen de atomen, de elektronen in zuiver koper kunnen zich zeer gemakkelijk verplaatsen) en thermische geleidingsvermogens.

Fig. 16.3 p 615!!!Lezen p 614!!!

Koper-berylliumsoortenZijn een groep laaggelegeerde kopersoorten die als legeringelement kleine hoeveelheden beryllium bevatten. De hoge sterkte wordt verkregen door precipitatieharden.

Het precipitatieharden bestaat uit het oplosgloeien bij een hoge temperatuur, gevolgd door afschrikken in een vloeistofbad en nagloeien (= precipiteren) bij een gematigde temperatuur.Precipitatieharding is dus een belangrijke warmtebehandeling voor het verstevigen van koperlegeringen.

MessingGewone soorten messing, dus binaire legeringen van koper en zink, kunnen 2 verschillende soorten kristalstructuur hebben. Messing met zinkgehalte van 38% of minder bestaat uit -kristallen – een vaste oplossing van zink in koper met een KVG kristalstructuur – en wordt -messing genoemd. Is het zinkgehalte hoger dan 38%, dan beginnen er zich -kristallen te vormen met een kubisch ruimtelijk gecentreerd rooster. Zie fig. 16.4 p 616De -messingsoorten met een hoog zinkgehalte ( 30%) wordt dieptrekmessing genoemd of ook wel geel koper.Het meest gebruikte –messing ( + -structuur) heeft een samenstelling van 60% koper – 40% zink en staat bekend onder de naam Muntzmetaal.


BronsSiliciumbrons is een legering die veel wordt gebruikt voor toepassingen op zeeschepen, en waaruit zeer sterke verbindingsmiddelen worden gemaakt. Silicium maakt de legeringen harder en steviger en verbetert de corrosieweerstand.

Aluminiumbronzen bevatten geen tin en tegenwoordig worden deze legeringen dan ook met de meer precieze benaming koper-aluminium-ijzer-legeringen aangeduid.P 618!!!

Koper-nikkellegeringenNikkel is volledig oplosbaar in koper, en elke combinatie van deze 2 elementen geeft dus een vaste oplossing die uit één fase bestaat, iets dat in de metaalkunde maar weinig voorkomt. Deze legeringen zijn ductiel en worden vooral door middel van koudvervormen verstevigd en gehard. De belangrijkste koper-nikkellegeringen bevatten ongeveer 70% en 30% nikkel. Ze worden vaak gebruikt vanwege hun corrosieweerstand.

NieuwzilverlegeringenNieuwzilvers of koper-nikkel-zink-legeringen, zoals de meer precieze aanduiding luidt, bevatten ongeveer 45% tot 75% koper, 5% tot 30% nikkel en 5% tot 45% zink. De structuur van ternaire koper-nikkel-zink-legeringen lijkt in het algemeen op die van messingsoorten. Het zijn ductiele, zachte, eenfasige legeringen, of minder ductiele en hardere tweefasenlegeringen.Nieuwzilversoorten hebben in koudvervormde toestand een middelmatige sterkte, en vinden daarom toepassing als materiaal voor veren en mechanische doeleinden.

16.5 EigenschappenSlijtvastheid:

Sinds eeuwen voor slijttoepassingen gebruikt = nog steeds een van de belangrijkste toepassingen, e.g.: lagers in elektrische

motoren/scheepstoepassingen, zelfs: lagers van treinen, rollagers in staalfabrieken, …

kneedlegeringen: e.g. raderen klokken, tijdsmechanismen Slijtage messing, bronzen, Cu-Be Ook: cavitatie en andere vormen van corrosieve slijtage

Corrosie: 1/3 van legerinen: buizen en pijpen voor transport van ‘corrosieve’ media, i.e.

atmosfeer scheepsbouw warmtewisselaars (i.e. zout water) + breed spectrum van zuren en basen

wel: vatbaar voor een aantal soorten corrosie (cfr. ‘season cracking’) + fouling preventie

16.8 SlijtvastheidKoperlegeringen worden al sinds eeuwen voor slijttoepassingen gebruikt, en nog steeds is dit een van de belangrijkste toepassingsgebieden van deze materialen.

16.9 CorrosieOngeveer een derde van alle geproduceerde koperlegeringen wordt gebruikt voor buizen en pijpen waar stoffen doorheen gaan die op de een of andere manier corrosief zijn. Koperlegeringen in elektrische apparaten en in bouwkundige toepassingen staan vaak bloot aan de corrosieve invloed van de atmosfeer.

Koperlegeringen zijn vatbaar voor een aantal soorten corrosie, namelijk gelijkmatige corrosie, putvormige corrosie, interkristallijne corrosie, selectieve corrosie, cavitatie en spanningscorrosie.


HFDST 17: Aluminium en aluminiumlegeringenLezen p 636 ev!!!

17.1 Algemene kenmerkenAluminium is een goede elektrische geleider, het is ductiel en kan gemakkelijk worden gegoten en verspaand. Het heeft net als koper, zilver, nikkel en goud een kubisch vlakken gecentreerd rooster.

Aluminium bezit een aantal eigenschappen die het een aparte plaats geven ten opzichte van andere metalen.Ten eerste is het lichter dan elk ander technisch metaal, uitgezonderd magnesium en beryllium.Een tweede belangrijke eigenschap van aluminium is dat het een hoog thermisch en elektrisch geleidingsvermogen heeft.De derde eigenschap die aluminium tot een belangrijk technisch materiaal maakt, is de corrosieweerstand.

Een aantal belangrijke voordelen van het gebruik van aluminium zijn:1. Het soortelijk gewicht is een derde van dat van staal2. Thermisch en elektrisch geleidingsvermogen zijn hoog3. De verhouding tussen sterkte en gewicht is hoog4. Men kan het door anodiseren een hard oppervlak geven5. De meeste aluminiumlegeringen zijn lasbaar6. Het roest niet7. Het heeft een hoog reflectievermogen8. Het kan verwerkt worden door middel van spuitgieten9. Het is gemakkelijk verspaanbaar10. Het is goed vervormbaar11. Het is niet magnetisch12. Het is niet giftig

17.5 WarmtebehandelingIn het voorgaande vertelden we al in het kort iets over precipitatieharding. Voor aluminiumlegeringen is dit waarschijnlijk het belangrijkste warmtebehandelingsproces, daarnaast zijn echter ook spanningsarmgloeien en zachtgloeien belangrijk. In fig. 17.6 p 647 is het verloop van de verschillende warmtebehandelingen voor aluminium schematisch als grafiek in beeld gebracht.

17.6 OppervlaktebehandelingenAluminium kan beschermd worden met dezelfde galvanische en organische deklagen die ook op de meeste andere metalen zijn aan te brengen, zoals verven, glasachtige emails en deklagen van organische materiaal. Maar anders dan geldt voor veel andere metalen, kan het oppervlak van aluminium in een harde, goede hechtende en tamelijk dikke oxidedeklaag worden veranderd, door aluminium tot anode te maken in een elektrochemische cel van hetzelfde type als ook voor galvaniseren wordt gebruikt. Anodiseren

Fig. 17.7 p 648!!!Wat er bij anodiseren gebeurt, is dat het oppervlak van metallisch aluminium langs elektrochemische weg wordt omgezet in aluminiumoxide Al2O3 (in feite een keramisch materiaal).Bij de omzetting van het metaaloppervlak in aluminiumoxide door middel van anodiseren, gaat een kleine hoeveelheid aluminium in oplossing, terwijl de oxidevorming met volumetoename gepaard gaat. Is de gevormde deklaag dun, dan is het nettoresultaat van de oplossing en de volumetoename een geoxideerde laag die voor een derde boven het oorspronkelijk oppervlak ligt en voor tweederde daaronder. Wordt er een dikke deklaag gevormd, dan ligt de geoxideerde laag voor de helft boven en voor de helft onder het oorspronkelijke oppervlak. Niet alle aluminiumlegeringen zijn goed te anodiseren.Lezen p 649 ev!!!


17.7 CorrosieLezen p 651 ev!!!

Anodiseren, hardcoaten en het aanbrengen van conversiedeklagen zijn zeer effectieve remedies tegen atmosferische corrosie.

Atmosferische corrosieBinnenshuis niet veel aantasting van aluminium.Buitenshuis is de weerstand van aluminium tegen aantasting afhankelijk van de luchtverontreiniging en de luchtvochtigheid. Elke aluminiumlegering wordt aangetast bij onderdompeling in of bespatting met zou water.In een buitenomgeving is de corrosiesnelheid hoog gedurende ongeveer de eerste twee jaar, tot het oppervlak als gevolg van de corrosie overal met een oxidelaagje is bedekt.

De meeste legeringelementen die gebruikt worden om aluminium te verstevigen en harder te maken, vormen in de microstructuur van de legering een tweede fase. De korrels van die tweede fase hebben soms een heel andere plaats in de spanningsreeks dan de fase die de matrix vormt, en kunnen dus de anoden o kathodes van miniatuur galvanische cellen worden.

Alle aluminiumlegeringen die aanzienlijke hoeveelheden koper, silicium, zink of magnesium bevatten zijn vatbaar voor spanningscorrosie, maar zuiver aluminium en de legeringen met lage concentraties aan legeringelementen gelden als immuun. Spanningscorrosie kan optreden in vochtige en in zoute omgevingen.

Door aluminium te anodiseren krijgt het een aanzienlijk betere weerstand tegen atmosferische corrosie. Zolang de anodiseerdeklaag intact is, blijft het patina of de grijze oxidelaag die zo kenmerkend zijn voor verweerd aluminium afwezig.

Corrosie onder invloed van waterAluminium wordt maar weinig gebruikt voor waterleidingssystemen, want in contact met water waarin ionen van zware metalen zoals koper, lood, tin en nikkel voorkomen, ondergaat aluminium putvormige corrosie. Dit gebeurt zelfs dan als het water neutraal is.Aluminium wordt niet aangetast door gedistilleerd en gedeïoniseerd water, omdat het geen ionen van zware metalen bevat.

Aluminium is ten opzichte van de meeste metalen anodisch. Men dient aluminium en aluminiumlegeringen dus net te koppelen aan andere metalen wanneer de combinatie in water of in een ander elektrolyt moet worden ondergedompeld. Aluminium staat in de spanningsreeks het dichtst bij magnesium en zink, en daarom zijn dit de metalen waaraan het het veiligst kan worden gekoppeld. Bevestigingsmiddelen en aanzetstukken van roestvast staal geven in constructies van aluminium geen problemen als er een gunstige verhouding bestaat tussen de oppervlakten van anode en kathode.

Elektrochemische corrosieAluminiumlegeringen zijn waarschijnlijk nog het minst bestand tegen sterke basische oplossingen, maar ze worden ook aangetast door oxiderende en reducerende minerale zuren.Een uitzondering is salpeterzuur: zuiver aluminium is bij kampertemperatuur resistent tegen geconcentreerde oplossingen (meer dan 80%) van salpeterzuur. Als gevolg van het oxiderende karakter van salpeterzuur ontstaat er blijkbaar een beschermende oxidefilm die een effectieve barrière vormt tegen verdere aantasting.

Eigenschappen aluminium: Goede elektronen geleider, ductiel ( extrusie), makkelijk gegoten en verspaand Lichter dan elk ander technisch metaal (1/3 staal) Hoog thermisch en elektrisch geleidingsvermogen Corrosieweerstand (‘ roest niet’) atmosferische corrosie Mechanische eigenschappen = OK + reflectievermogen, + niet giftig, …


Corrosieweerstand:o Waterige oplossing:

o pH 4,5 – 8o organische zuren = OK (niet voor minerale zuren)o Basen (pH > 8): zelfs korte duur is nefast

o Zeewater pitting, tenzij met CP en/of deklaago Oplosmiddelen (i.e. organisch) = OK o verpakkingen, ook voor voedsel

Zie slides!!!!!!


HFDST 18 Nikkel, zink, titaan, magnesium en hittebestendige metalenZie slides!!!

18.1 NikkelLezen p 662 ev!!!

18.3 TitaanDat de bereiding van metallisch titaan zolang op zich liet wachten, komt doordat dit metaal uiterst reactief is. Lezen p 676!!!

Fysische eigenschappenAls zuiver metaal heeft titaan een smeltpunt dat hoger is dan dat van staal, 1670°C, een soortelijk gewicht van 4,5; een uitzettingscoëfficiënt van 10,8 x 10-6 K-1; een warmtegeleidingscoëfficiënt van 20 W/(m x K); een elasticiteitsmodulus (bij rek) van wel 12,7 x 104 MPa.

De belangrijkste fysische eigenschappen zijn de dichtheid en de elasticiteitsmodulus. Titaan heeft een zeer hoge specifieke sterkte en een zeer hoge specifieke stijfheid.

De metaalkunde van titaanBij kamertemperatuur is de kristalstructuur van zuiver titaan een hexagonale dichtste stapeling. Deze hexagonale structuur wordt de -fase genoemd, en is stabiel tot aan ongeveer 880°C. overschrijdt de temperatuur 800°C, dan krijgt titaan een kubisch ruimtelijk gecentreerd (KRG)-rooster, een modificatie van titaan die men -fase noemt.

Zuiver titaan reageert, net zoals zuiver ijzer, niet op afschrikharden. Titaan kan niet door smeltlassen aan andere metalen bevestigd worden, en wanneer er aan zuiver titaan legeringelementen worden toegevoegd, moeten die toevoegingen zo worden gekozen, dat er geen intermetallische verbindingen ontstaan.

De -titaansoorten bestaan uit zuiver titaan dat men heeft verstevigd door kliene hoeveelheden van elementen zoals aluminium, tin, nikkel en koper in vaste oplossing te brengen.+-legeringen zijn titaanlegeringen met gedeeltelijk een - en gedeeltelijk een -structuur. Door aan zuiver titaan elementen zoals molybdeen, vanadium, columbium en tantalium toe te voegen, wordt bevorderd dat er bij kamertemperatuur -fase voorkomt.Lezen p 677!!!

-legeringen worden gemaakt door elementen die – zoals Mo en V – de -fase stabiliseren, in iets grotere hoeveelheden toe te voegen, om aldus de -fase tot de stabiele fase bij kamertemperatuur te maken. -legeringen bezitten wanneer ze geen warmtebehandeling krijgen een goede ductiliteit en een goede omvormbaarheid. Sommige -legeringen kunnen worden precipitatiegehard, waarbij er precipitatie van de -fase of van intermetallische verbindingen optreedt. Op deze manier zijn zeer hoge sterkten te realiseren, maar de ductiliteit en taaiheid gaan daarbij achteruit.Lezen p 678!!! (samenvattend)

De verkrijgbare halfproducten van titaan4 soorten zuiver titaan en ongeveer 40 legeringen.

Weerstand tegen corrosieTitaan en titaanlegeringen zijn uitstekend bestand tegen de aantasting door zeewater en chlorideoplossingen van zeer uiteenlopende temperaturen en concentraties. Het merendeel van de titaanlegeringen wordt echter wel aangetast door reducerende zuren zoals zoutzuur en zwavelzuur.


Daar titaan edel is ten opzichte van de meeste andere metalen in de spanningsreeks, worden metalen die men aan titaan koppelt in het algemeen snel aangetast.

Het kiezen van legeringenLezen p 680 ev!!!

Titaanlegeringen worden doorgaans alleen gebruikt om de volgende 2 redenen:1. vanwege hun specifieke sterkte2. vanwege hun corrosieweerstand

Alle titaanlegeringen hebben ongunstige slijteigenschappen: ze zijn weinig bestand tegen abrasie, adhesieve slijtage en erosie door vaste deeltjes. Ze zijn echter zeer resistent tegen vloeistoferosie en cavitatie-erosie, en daarom wordt titaan vaak gebruikt voor ultrasone apparaten die in corrosieve vloeistoffen moeten werken.

18.5 Hittebestendige metalenDe hittebestendige metalen zijn een groep metalen met smeltpunten hoger dan 1650°C.Er zijn ook enkele edelmetalen met een smeltpunt boven 1650°C, zoals platina, rhodium, rhenium en osmium, maar deze metalen worden op de eerste plaats als edelmetalen beschouwd, en pas op de 2de plaats als hittebestendige metalen. De hittebestendige metalen die het meest worden toegepast, zijn molybdeen, wolfraam en tantalium.

MolybdeenMolybdeen ontleent zijn praktische belang aan de volgende fysische eigenschappen: het heeft een lage uitzettingscoëfficiënt, 5,1 x 10-6 K-1, ongeveer de helft van dei van staallegeringen; het heeft een goed thermisch en elektrisch geleidingsvermogen, 30% van dat van koper (IASCS); het bezit een stijfheid groter dan die van staal, E = 317 x 10³ MPa; en het heeft een hoog smeltpunt, waardoor het bij hoge temperaturen zijn sterkte behoud.

Van molybdeen is ongeveer hetzelfde spectrum van halfproducten verkrijgbaar als dat van andere metalen, namelijk draad, buis, staaf, dunne plaat, smeedwerk, gietproducten en producten van poedermetaal.

Zuiver molybdeen heeft een goede sterkte en taaiheid, de treksterkte kan bij kamertemperatuur wel 690 MPa bedragen, en het metaal laat zich met gewoon gereedschap omvormen en verpanen.

Wolfraam Als zuiver metaal heeft wolfraam een aantal unieke fysische eigenschappen. Van alle metalen die in de techniek worden toegepast heeft wolfraam het hoogst soortelijk gewicht (fig. 18.8 p 687); verder heeft het van alle metlaen het hoogste smeltpunt en de hoogste elasticiteitsmodulus (40,6 x 104 MPa). Het is ook het hardste zuivere metaal. In ontlaten toestand kan zuiver wolfraam een hardheid hebben van wel 400 HB. Door zijn hoge-tmeperatuureigenschappen is wolfraam in beginsel geschikt voor toepassing in ovens.

TantaliumTantalium heeft net als wolfraam een hoge dichtheid en een hoog smeltpunt, maar wordt vooral gebruikt door de elektronica-industrie, als materiaal voor condensatoren (folie en draad).Daarnaast vindt tantalium ook toepassing vanwege zijn hoge weerstand tegen corrosie, want bij temperaturen lager dan 150°C schijnt het immuun te zijn voor de aantasting door chemicaliën. Het oxide dat zich aan het oppervlak neigt te vormen, is zo weinig reactief, dat het zich bijna gedraagt als een edelmetaal, en geeft tantalium een buitengewone resistentie tegen corrosie.Doordat tantalium zich bovendien gemakkelijk laat verwerken, is het heel bruikbaar constructiemateriaal voor opslagtanks en buizen die met bijzondere chemicaliën in contact komen en voor warmtewisselaars.


Tantalium is bij kamertemperatuur inert voor vrijwel alle organische en anorganische verbindingen. Uitzonderingen zijn hier de sterke basen, rokend zwavelzuur, waterstoffluoride en zuren die fluoriden bevatten. De chemische weerstand van tantalium neemt bij hogere temperaturen af, maar is ook dan nog altijd beter dan de chemische weerstand dan de meeste roestvaste staalsoorten en van titaan en superlegeringen.

(zeer duur!!!)


Constructiematerialendreaden.studentenweb.org/latex/constructiematerialen.doc · Web...

Documents

Transcript of Constructiematerialendreaden.studentenweb.org/latex/constructiematerialen.doc · Web...