Preview 9789056366490 Materialenleer

Materialenleer Materialenkennis niveau 3

I nz

ag

e

9789056366490

3e druk

e ag

I nz

COLOFON ©2020 Kenteq, Hilversum Alle rechten voorbehouden. Niets uit deze uitgave mag worden verveelvoudigd, opgeslagen in een geautomatiseerd gegevensbestand dan wel openbaar gemaakt in enige vorm of op enige wijze, hetzij elektronisch, mechanisch, door fotokopieën, opname, of enige andere wijze, zonder voorafgaande toestemming van de uitgever.

Kenteq Postbus 81 1200 AB Hilversum uitgeverij@kenteq.nl

Inhoudsopgave Inleiding materialenleer

5

1.1 1.2 1.3 1.4 1.5

Indeling technische materialen Materiaaleigenschappen Materiaalbehandeling en beproeving Samenvatting Antwoorden

6 9 15 19 21

2

Gelegeerd staal

2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 2.8

Doelstelling van legeren Invloed van legeringselementen Constructiestaal Machinestaal Gereedschapstaal Corrosievast staal Samenvatting Antwoorden

3

Gietijzer en gietstaal

47

3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 3.7 3.8 3.9 3.10

Gietijzer Grijs gietijzer Wit gietijzer Warmtebehandelingen Gelegeerd gietijzer Bijmengsels in gietijzer Gietijzer bewerken Gietstaal Samenvatting Antwoorden

48 56 61 62 65 66 66 68 72 73

4

Aluminium en aluminiumlegeringen

75

4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 4.6

Ongelegeerd aluminium Aluminiumlegeringen Behandelen van aluminium Verwerken van aluminium Samenvatting Antwoorden

76 78 82 87 92 93

5

Overige Non-ferrometalen

95

5.1 5.2 5.3 5.4 5.5 5.6 5.7 5.8 5.9

Koper- en koperlegeringen Magnesium en magnesiumlegeringen Titanium en titaniumlegeringen Zink en zinklegeringen Lood en loodlegeringen Tin en tinlegeringen Superplastische materialen Samenvatting Antwoorden

96 102 103 105 106 107 108 109 110

ag

I nz © Kenteq

e

1

23

24 26 30 31 34 39 44 45

3

Kunststoffen (algemeen)

111

6.1 6.2 6.3 6.4 6.5 6.6 6.7

Indeling van kunststoffen Fabricage van kunststoffen Materiaaleigenschappen Toevoegmiddelen Milieu-aspecten en recycling Samenvatting Antwoorden

112 114 117 122 124 128 129

7

Kunststofsoorten

131

7.1 7.2 7.3 7.4 7.5 7.6

Thermoplasten Thermoharders Elastomeren Vezelversterkte kunststoffen Samenvatting Antwoorden

132 148 150 151 159 160

8

Materiaalonderzoek (niet-destructief)

161

8.1 8.2 8.3 8.4 8.5 8.6 8.7 8.8 8.9 8.10

Niet-destructieve materiaalbeproeving Visuele inspectie Magnetisch onderzoek Penetrant onderzoek Wervelstroomonderzoek Ultrasoon onderzoek Radiografisch onderzoek Akoestisch onderzoek Samenvatting Antwoorden

162 163 164 166 168 170 174 175 177 178

9

Materiaalbeproeving (destructief)

179

9.1 9.2 9.3 9.4 9.5 9.6 9.7 9.8

Destructieve materiaalbeproeving Trekproef Hardheidsmetingen Kerfslagproef Buigproef Vermoeiingsproef Samenvatting Antwoorden

180 180 189 198 201 202 203 205

10

Vragen

207

10.1 10.2 10.3 10.4 10.5 10.6 10.7 10.8

Vragen Inleiding materialenleer Vragen Gelegeerd staal Vragen Gietijzer en gietstaal Vragen Aluminium en aluminiumlegeringen Vragen Overige non-ferrometalen Vragen Kunststoffen (algemeen) Vragen Materiaalonderzoek (niet-destructief) Vragen Materiaalbeproeving (destructief)

207 210 215 221 226 229 233 237

ag

I nz 4

e

6

Inhoudsopgave

1 Inleiding materialenleer Inleiding

In het verleden werden auto's bijvoorbeeld vooral van staal gemaakt.

Tegenwoordig worden er steeds meer onderdelen van aluminium toegepast, waardoor auto's lichter en zuiniger worden.

e

Er komen steeds nieuwe, verbeterde producten op de markt. Bijvoorbeeld snellere computers, telefoons met meer mogelijkheden of grotere vliegtuigen. Producten worden bijvoorbeeld verbeterd door andere materialen te gebruiken, of door de eigenschappen van bestaande materialen aan te passen.

ag

Aluminium chassis van een Lotus Evora

Er wordt veel onderzoek gedaan naar de eigenschappen van materialen. Er komen ook vaak nieuwe materiaalsoorten bij. Als werktuigbouwkundige moet je de eigenschappen van deze materialen kennen. Daardoor kun je de juiste materialen kiezen voor een product en bepalen hoe je deze materialen gaat bewerken.

Leerdoelen

I nz

Je kunt: • de hoofdindeling van technische materialen noemen • belangrijke mechanische, fysische, chemische en technologische materiaaleigenschappen noemen • uitleggen wat legeren is en wat daarvan het doel is • het doel van veel voorkomende warmtebehandelingen noemen • uitleggen wat corrosiebestrijding is en wat daarvan het doel is • uitleggen waarom materiaalbeproeving belangrijk is

© Kenteq

5

1.1

Indeling technische materialen Technische materialen worden op basis van hun structuur als volgt ingedeeld: • metalen • polymeren • keramische materialen • composieten

e

De laatste jaren zijn daar nog de halfgeleiders, biomaterialen en zogenaamde 'slimme materialen' bij gekomen. Deze laatste worden nu niet behandeld, omdat ze (op enkele uitzonderingen na) niet onder de werktuigbouwkunde vallen.

Metalen

ag

Metalen zijn de meest gebruikte technische materialen in de werktuigbouwkunde. Er zijn zeer veel verschillende soorten metalen. Ze vormen de grootste groep in het periodiek systeem der elementen. Veel metalen hebben een glimmend uiterlijk, geleiden goed warmte en elektriciteit en hebben een hoge sterkte en stijfheid. Je kunt de meeste metalen gieten in vloeibare toestand.

Brug gemaakt van metaal

I nz

Metalen worden ingedeeld in ferrometalen en non-ferrometalen. Bij ferrometalen is ijzer het hoofdbestanddeel. Voorbeelden van ferrometalen zijn: • staal • gietijzer • gietstaal In non-ferrometalen kan ook ijzer zitten, maar het is niet het hoofdbestanddeel.

De non-ferrometalen worden als volgt ingedeeld: • zware non-ferrometalen: koper, lood, tin, zink, nikkel, chroom • lichtmetalen: aluminium, magnesium, titaan • edelmetalen: goud, zilver, platina

6

Inleiding materialenleer

Polymeren

Polymeren zijn niet zo sterk als metalen, maar je kunt er relatief snel ingewikkelde productvormen mee maken. Bijvoorbeeld behuizingen voor stofzuigers, telefoons en televisies of onderdelen van een carrosserie.

e

Polymeren is een verzamelnaam voor alle kunststoffen en rubbers. Deze organische materialen zijn voornamelijk opgebouwd uit lange moleculen van koolstofatomen en waterstofatomen.

Ze hebben een lage dichtheid en zijn vaak erg flexibel.

Veel onderdelen zijn gemaakt van polymeren

ag

Er zijn drie soorten polymeren: • thermoharders (bijvoorbeeld bakeliet, alkydhars, polyesterhars) • thermoplasten (bijvoorbeeld polyvinylchloride (PVC), polystyreen, polytetrafluorethyleen (Teflon) • elastomeren (bijvoorbeeld rubber, neopreen, polyurethaan) Keramische materialen

I nz

Keramische materialen zijn meestal zeer hard en slijtvast, en zijn goed bestand tegen zeer hoge temperaturen (> 2000ºC).

Om deze reden worden hardmetalen snijplaatjes vaak voorzien van een keramische laag (wolfraamcarbide). Door de hoge temperatuurbestendigheid zijn keramische materialen ook erg geschikt als isolatiemateriaal. Tot slot kunnen ze uitstekend smeermiddelen opnemen.

Daarom worden sommige lagerbussen van keramische materialen gemaakt.

Vlakfrees met hardmetalen snijplaatjes

Voorbeelden van keramische materialen zijn: • porselein • siliciumoxide • aluminiumoxide • titaancarbide • glas • diamant • zirkoniumoxide

© Kenteq

7

Composieten

ag

Een voorbeeld van een composiet is het materiaal Glare. Het is een in Nederland ontwikkeld composietmateriaal dat wordt gebruikt in de Airbus A380.

Glare bestaat uit dunne laagjes aluminium (0,3 - 0,4 mm) die afwisselend zijn gestapeld met laagjes glasvezel. Het geheel wordt bij elkaar gehouden door een polymeerhars. Het materiaal is lichter dan aluminium en ongeveer 1,5 keer sterker dan staal.

e

Een composiet is een materiaal dat bestaat uit verschillende soorten materialen. Het zijn vaak vezelversterkte polymeren. De vezels vegroten de treksterkte van het composiet en de polymeer houdt de vezels bij elkaar (matrix) en vangt druk- en afschuifspanningen op. Hiermee worden de goede eigenschappen van de vezels en de polymeer gecombineerd.

Airbus A380

Composieten worden bijvoorbeeld ook gebruikt in de scheepsbouw, als kogelwerend materiaal en voor de carrosserie van race-auto's.

1.

Welke materialen worden het meest toegepast in de werktuigbouwkunde? metalen polymeren keramische materialen composieten

I nz

A. B. C. D.

8

2.

Noem drie lichtmetalen.

3.

Waarom worden hardmetalen snijplaatjes voorzien van een keramische laag?

Inleiding materialenleer

4.

Materiaaleigenschappen

e

1.2

Noem een voordeel van composieten.

ag

Als werktuigbouwkundige moet je bij het kiezen van een materiaal rekening houden met de materiaaleigenschappen en de kosten van het materiaal. De toepassing van het materiaal bepaalt welke materiaaleigenschappen belangrijk zijn. Voor de vliegtuigindustrie zal bijvoorbeeld de vermoeiing van het materiaal erg belangrijk zijn.

Maar voor het maken van radiatoren is de vervormbaarheid veel belangrijker.

Je kunt de materiaaleigenschappen verdelen in de volgende categorieën: • mechanische eigenschappen • fysische eigenschappen • chemische eigenschappen • technologische eigenschappen Mechanische eigenschappen

De mechanische eigenschappen van een materiaal zijn voor een werktuigbouwkundige vaak het belangrijkst. Ze bepalen of het materiaal de krachten kan weerstaan die op het product worden uitgeoefend. De vervorming van het product moet daarbij binnen bepaalde grenzen blijven.

I nz

Enkele belangrijkste mechanische eigenschappen zijn: • treksterkte • rek • hardheid Treksterkte

Treksterkte is de spanning waarbij een materiaal bezwijkt onder trekbelasting, uitgedrukt in N/mm². Als het materiaal langdurig op deze spanning wordt belast zal het plastisch vervormen (vloeien) en uiteindelijk breken. Bij treksterkte spelen het soort materiaal en de doorsnede een belangrijke rol. Zo is staal met een treksterkte van 420 N/mm² sterker dan een aluminiumlegering met een treksterkte van 305 N/mm².

Treksterktemeetapparaat

Om een staaf aluminium even sterk te maken als een van staal, zal deze een grotere diameter moeten hebben.

© Kenteq

9

Voorbeeld Een staaf staal heeft een doorsnede van 5 x 5 mm. De treksterkte van staal is 420 N/ mm².

De staaf kan (theoretisch) een trekkracht (F) weerstaan van: 420 N/mm² x 25 = 10.500 N. Wanneer je de aluminium staaf even sterk wilt maken dan moet deze een doorsnede hebben van: 10.500 N / 305 N/mm² = 34,4 mm² = 5,9 x 5,9 mm.

e

Rek

ag

Een materiaal dat wordt belast met een trekkracht, zal langer worden. Denk maar eens aan een boterhamzakje dat je uit elkaar trekt. In eerste instantie veert het materiaal terug als je stopt met trekken.

Dit noem je elastische verlenging. Als je het zakje verder uit elkaar trekt veert het niet meer terug. Het zakje wordt dan blijvend langer. Je kunt daarna doorgaan met trekken tot het zakje breekt.

De blijvende verlenging van het materiaal noem je plastische verlenging. Met de breekrek geef je aan hoeveel het materiaal vervormt tot het breekt. De breekrek is een maat voor de vervormbaarheid van een materiaal.

Elastische en plastische verlenging

I nz

Als het materiaal een grote breekrek heeft (grote plastische verlenging), noem je dat materiaal taai. Als het een kleine breekrek heeft (kleine plastische verlenging), noem je het bros.

Hardheid

Stel je voor dat de lagerschalen van een wiellager van erg zacht materiaal worden gemaakt. Dan vreten de kogels snel in het materiaal en moet je de lagers misschien wel elke 100 km vervangen. Om deze reden worden lagerschalen gemaakt van materiaal dat erg hard (en slijtvast) is.

Iedereen heeft andere ideeën over wat hard of zacht is. Daarom heeft men vastgesteld wat hardheid nu precies is: • Hardheid is de weerstand tegen blijvende indrukking door een standaard indruklichaam bij een bepaalde kracht.

Je kunt de hardheid van materialen bepalen en vergelijken met gestandaardiseerde meetmethoden.

Bij deze meetmethoden worden verschillende indruklichamen gebruikt.

Bijvoorbeeld een kogel, een kegel of een piramide. Hoe dieper het indruklichaam in het materiaal drukt, hoe zachter het materiaal is.

10

Hardheidsmetingen

Inleiding materialenleer

Fysische eigenschappen

Voorbeelden van fysische eigenschappen zijn: • smeltpunt • dichtheid • uitzetting • soorterlijke weerstand Smeltpunt

ag

Afhankelijk van het koolstofpercentage smelt staal bij ± 1150 - 1500°C. Bij brand kan de temperatuur oplopen tot wel 1200°C, waardoor de staalprofielen van een constructie verzwakt kunnen worden. Het gebouw kan daardoor instorten, met rampzalige gevolgen.

e

Met fysische eigenschappen bedoelen we de natuurkundige eigenschappen van een materiaal. Deze geven vaak aan hoe het materiaal reageert op omstandigheden in zijn omgeving. Bijvoorbeeld een temperatuurverhoging of de invloed van een elektrische spanning.

Het smeltpunt en de warmtebestendigheid van een materiaal zijn dus belangrijke informatie voor een werktuigbouwkundig ontwerper.

I nz

Wat is het smeltpunt?

Dichtheid

Voor het construeren van lichte producten is de dichtheid van het materiaal een belangrijke eigenschap. De dichtheid bepaalt de massa van een materiaal bij een bepaald volume. Hoe groter de dichtheid van een materiaal is, hoe zwaarder het product wordt dat van dat materiaal wordt gemaakt.

Dat producten die gemaakt worden van lichte materialen niet minder sterk zijn, zie je bij het materiaal Microlattice. Het is het lichtste metaal dat ooit is gemaakt, het heeft dus een zeer lage dichtheid. Toch is het metaal zeer elastisch.

Uitzetting

De meeste materialen zetten uit als ze warm worden. Bij hogere temperaturen komen de moleculen van het materiaal sterker in beweging, waardoor ze meer ruimte nodig hebben. Materialen kunnen uitzetten in de lengte, de oppervlakte en in hun volume.

Als je twee verschillende onderdelen van een product maakt van hetzelfde materiaal, is de uitzetting van beide onderdelen gelijk. Gebruik je twee verschillend materialen, dan kunnen de onderdelen een verschillende uitzettingscoëfficiënt hebben. Dat kan bijvoorbeeld van belang zijn bij passingen.

© Kenteq

11

e

In de praktijk is rekening houden met de uitzettingscoëfficiënt belangrijk om schade te voorkomen. Denk bijvoorbeeld maar eens aan de benodigde tussenruimte tussen spoorrails. Op warme zomerdagen zet de spoorrails zo veel uit dat de rails krom kunnen trekken als er te weinig tussenruimte is.

Uitzetting bij spoorrails

Soortelijke weerstand

ag

De soortelijke weerstand van een materiaal geeft aan hoe goed het materiaal elektriciteit geleidt. De meeste metalen geleiden goed elektriciteit. Ze hebben een lage soortelijke weerstand. De meeste kunststoffen geleiden slecht elektriciteit.

Kunststoffen hebben een hoge soortelijke weerstand.

Koper is een metaal dat zowel goed warmte als elektriciteit geleidt. Het wordt daarom bijvoorbeeld veel gebruikt in koelsystemen van computeronderdelen en in stroomdraden. Aluminium is ook een goede geleider. Het wordt veel gebruikt in ons hoogspanningsnet.

Chemische eigenschappen

I nz

Met chemische eigenschappen bedoelen we de scheikundige eigenschappen van een materiaal. Deze geven aan hoe de chemische samenstelling (structuur) van het materiaal verandert door omstandigheden in zijn omgeving.

Bijvoorbeeld door vocht, lucht of chemische stoffen.

Roestend staal

Voorbeelden van chemische eigenschappen zijn: • corrosiebestendigheid • brandbaarheid • vochtbestendigheid Technologische eigenschappen

De technologische eigenschappen van een materiaal bepalen of het materiaal goed bewerkbaar en verwerkbaar is. De belangrijkste technologische eigenschappen voor de werktuigbouwkunde zijn: • verspaanbaarheid • lasbaarheid • vervormbaarheid • gietbaarheid

12

Inleiding materialenleer

Verspaanbaarheid Als je voor een product een materiaal kiest dat verspaand moet worden, moet je rekening houden met de verspaanbaarheid van het materiaal.

e

Niet alle materialen zijn even goed te verspanen. Bij zeer harde metalen schuiven de delen van het metaal bijvoorbeeld moeilijker over elkaar heen, waardoor de verspaningskrachten groter zijn.

Verspaanbaarheid

Lasbaarheid

ag

Door de hogere krachten ontstaat er meer warmte. Harde metalen geleiden warmte vaak slecht, waardoor deze warmte niet snel genoeg afgevoerd wordt. Daardoor wordt het gereedschap te warm en slijt het sneller.

Veel metalen zijn niet of slecht lasbaar. Ze hebben een chemische samenstelling die de kwaliteit en de mechanische eigenschappen van de lasverbinding negatief beïnvloed.

Bij goed lasbare metalen (bijvoorbeeld staal) bepalen de hoeveelheid extra behandelingen die voor het lassen nodig zijn of het materiaal goed of slecht lasbaar is.

Bij het afkoelen van de lasverbinding kan het materiaal krimpen en/of scheuren door hoge interne spanningen. Bij veel metalen is dit op te lossen door de afkoelsnelheid te vertragen.

I nz

Bij het lassen worden het moedermateriaal en het toevoegmateriaal zeer snel en sterk verhit, waardoor ze smelten en in elkaar oplossen. Daarbij kunnen ongewenste gassen (bijvoorbeeld zuurstof uit de lucht) worden opgenomen in het smeltbad. Deze gassen krijgen geen tijd om te ontsnappen en kunnen poreusheid in de lasverbinding veroorzaken.

Beschermgas

Om deze reden wordt bij alle lasprocessen het smeltbad beschermd door een beschermgas. Bij sommige metalen bevat het moedermateriaal echter ongewenste chemische stoffen die in het smeltbad terecht kunnen komen (bijvoorbeeld zwavel, fosfor). Ook deze stoffen kunnen poreusheid of scheurvorming veroorzaken.

© Kenteq

13

Vervormbaarheid

Het gebruikte metaal moet goed te vervormen zijn, zonder dat het breekt.

Daarvoor moet het metaal een grote breekrek en een lage treksterkte hebben.

e

Veel producten worden gemaakt door metalen plastisch te vervormen.

Bijvoorbeeld een radiator, een behuizing van een pc of een benzinetank van een auto. Het metaal van deze producten wordt (koud of warm) vervormd door het te walsen, te dieptrekken of te persen.

Persen

Gietijzer is bijvoorbeeld niet plastisch vervormbaar, omdat het nauwelijks rek heeft.

Gietbaarheid

ag

Bij het vervormen mogen de benodigde vervormingskrachten niet te hoog oplopen, zodat het gereedschap of de machine niet beschadigd wordt. Verder mag het materiaal niet te veel verstevigen bij het vervormen, omdat dit de treksterkte juist verhoogd. Over versteviging lees je later meer.

Bij het gieten wordt een vloeibaar materiaal in een holte gegoten, waarin het afkoelt. Tijdens het afkoelen stolt het materiaal, waardoor het eindproduct de vorm van de holte krijgt.

I nz

Over het algemeen zijn materialen die aan de volgende eisen voldoen goed gietbaar: • lage giettemperatuur (laag smeltpunt) • klein stoltraject • weinig krimp bij stolling • goed lossend vermogen • weinig gasholten en onzuiverheden 5.

Leg uit wat er met de treksterkte van een materiaal wordt bedoeld.

6.

Een materiaal is blijvend verlengd door het koud te vervormen.

Er is hier dus sprake van:

A. B.

14

Spuitgieten van kunststof

elastische verlenging plastische verlenging

Inleiding materialenleer

8.

Geef een voorbeeld van een product waarbij bij de fabricage rekening moet worden gehouden met de uitzetting van het materiaal.

9.

Welke materiaaleigenschappen zijn vooral van belang voor een werktuigbouwkundig ontwerper?

ag

e

Welke indruklichamen worden gebruikt om de hardheid van een materiaal te bepalen?

Materiaalbehandeling en beproeving

I nz

1.3

7.

Legeren

Zuivere metalen zijn vaak zwak, zacht of taai, en daardoor minder goed bruikbaar als constructiemateriaal. Je kunt de eigenschappen van deze metalen verbeteren door er andere elementen aan toe te voegen. Dat noem je legeren.

Legeren vindt meestal plaats in de smeltoven, als het te legeren metaal vloeibaar is. Het doel van legeren is om door vaste stoffen samen te voegen de materiaaleigenschappen van een metaal te verbeteren.

Vloeibaar metaal

Enkele materiaaleigenschappen die je door te legeren kunt verbeteren zijn bijvoorbeeld: • gietbaarheid • slijtvastheid • breekrek • corrosiebestendigheid • hardheid • treksterkte • verspaanbaarheid

© Kenteq

15

Bij het legeren worden metalen vaak vermengd met metalen, of met elementen als koolstof of silicium. Twee zwakke, of zachte materialen vormen daarbij vaak een sterke, harde legering.

Enkele veel voorkomende legeringen zijn: • brons (koper met tin) • messing (koper met zink) • aluminium-magnesiumlegeringen • aluminium-mangaan-siliciumlegeringen • lood-tinlegeringen Warmtebehandelingen

e

Veel voorkomende legeringen

Warmtebehandelingen hebben (net als legeren) het doel om de materiaaleigenschappen van een metaal of een legering te verbeteren.

ag

Bij warmtebehandelingen wordt het materiaal gecontroleerd verhit en weer afgekoeld.

Daarbij worden de temperatuur en de verwarmings- en afkoelsnelheden nauwkeurig beheerst.

I nz

De volgende warmtebehandelingen worden veel toegepast: • gloeien: spanningen in het materiaal verminderen • veredelen: vergroten van de treksterkte • harden: vergroten van de hardheid • carboneren en carbonitreren: de hardheid van de buitenste laag vergroten

Een gascarboneeroven

16

Inleiding materialenleer

Versteviging Metalen en legeringen moeten grote krachten kunnen opvangen. Een liftkabel die bestaat uit vele kleine draadjes, wordt fors belast. Een zuiver metaal zou zo'n kracht niet kunnen opnemen. De kracht is daarvoor te groot, of er zou een veel te dikke kabel nodig zijn. Dat laatste is veel te duur.

ag

e

Het maken van een draad voor een kabel gebeurt door middel van het draadtrekproces. De draad wordt door het trekken koud vervormd en wordt daardoor stugger. Dit verschijnsel noem je koudverstevigen.

De treksterkte wordt hiermee verhoogd.

Trek je de draad meermalen tot een nog kleinere diameter, dan wordt elke keer de sterkte verhoogd.

Het principe van draadtrekken

Koudversteviging kom je ook tegen bij bijvoorbeeld het walsen. Gewalste staven of profielen hebben door de versteviging een hogere treksterkte gekregen dan ze oorspronkelijk hadden. Het materiaal kan door het koudverstevigen ook brosser worden. Dat laatste is een nadeel van verstevigen.

Corrosiebestrijding

Metalen reageren met zuurstof in een vochtige omgeving. Dit proces noem je corrosie.

Op het metaal vormt zich een corrosielaag die de oppervlakte van het metaal aantast.

Bij staal noem je deze corrosielaag 'roest'. De doorsnede van het metaal wordt kleiner, waardoor de mechanische eigenschappen slechter worden.

I nz

Bij sommige metalen (bijvoorbeeld zink of aluminium), sluit de corrosielaag het onderliggende metaal af van de omgeving. Daardoor wordt het metaal beschermt en stopt het corrosieproces. Bij ongeleerde staalsoorten is dit niet het geval. De corrosielaag is poreus en barst, waarna het corrosieproces het onderliggende materiaal aantast.

Ongelegeerde staalsoorten moeten dus worden beschermd tegen corrosie. Dat kan bijvoorbeeld door deze staalsoorten te: • verven • verzinken • verchromen • emailleren Verder is het belangrijk om in de ontwerpfase al rekening te houden met corrosie. De constructie moet zodanig ontworpen worden dat corrosie wordt tegengegaan.

Bijvoorbeeld door ervoor te zorgen dat er nergens water kan blijven staan.

Materiaalbeproeving

Hiervoor is behandeld dat materialen verschillende soorten eigenschappen hebben, waarvan er een aantal zeer belangrijk zijn voor de werktuigbouwkunde.

Door materialen te beproeven kun je beoordelen of een materiaal voldoet aan de eisen die je stelt. Er zijn daarvoor een groot aantal beproevingsmethoden ontwikkeld.

© Kenteq

17

• trekproef: bepalen treksterkte, breekrek • buigproef bepalen buigsterkte, breekrek • hardheidsproef: bepalen hardheid • kerfslagproef: bepalen brosheid, taaiheid • magnetisch onderzoek, ultrasoon onderzoek, röntgenonderzoek

e

Voorbeelden

Onderzoek op buigsterkte

Noem drie materiaaleigenschappen die je kunt verbeteren door metalen te legeren.

11.

Geef twee voorbeelden van producten die zijn gemaakt van legeringen.

I nz

ag

10.

18

12.

Noem twee voorbeelden van warmtebehandelingen.

Geef ook aan waarom ze worden toegepast.

13.

Wat is koudversteviging?

Inleiding materialenleer

1.4

Samenvatting

ag

e

Je kunt technische materialen op basis van hun structuur als volgt indelen: • Metalen – ferrometalen ijzer, gietijzer, gietstaal – non-ferrometalen • zware non-ferrometalen: koper, lood, tin, zink, nikkel, chroom • lichtmetalen: aluminium, magnesium, titaan • edelmetalen: goud, zilver, platina • Polymeren (kunststoffen en rubbers) – thermoharders (bijvoorbeeld bakeliet, alkydhars, polyesterhars) – thermoplasten (bijvoorbeeld polyvinylchloride (PVC), polystyreen, polytetrafluorethyleen (Teflon) – elastomeren (bijvoorbeeld rubber, neopreen, polyurethaan) • Keramische materialen porselein, siliciumoxide, aluminiumoxide, titaancarbide, glas, diamant, zirkoniumoxide • Composieten

I nz

Materiaaleigenschappen zijn in te delen in: – Mechanische eigenschappen treksterkte, rek, hardheid – Fysische eigenschappen smeltpunt, dichtheid, uitzetting, geleiding – Chemische eigenschappen corrosiebestendigheid, brandbaarheid, vochtbestendigheid – Technologische eigenschappen verspaanbaarheid, lasbaarheid, vervormbaarheid, gietbaarheid

Belangrijke materiaalbehandelingen die de eigenschappen van materialen verbeteren zijn: – Legeren Enkele materiaaleigenschappen die je door te legeren kunt verbeteren zijn bijvoorbeeld: gietbaarheid, slijtvastheid, breekrek, corrosiebestendigheid, hardheid, treksterkte, verspaanbaarheid – Warmtebehandelingen gloeien, veredelen, harden, carboneren en carbonitreren – Koudverstevigen koudvervormen – Corrosiebestrijding verven, verzinken, verchromen, emailleren

© Kenteq

19

I nz

ag

e

Door materiaalbeproeving kun je de eigenschappen van materialen onderzoeken.

– trekproef: bepalen treksterkte, breekrek – hardheidsproef: bepalen hardheid – kerfslagproef: bepalen brosheid, taaiheid – magnetisch onderzoek, ultrasoon onderzoek, röntgenonderzoek

20

Inleiding materialenleer

1.5

Antwoorden Antwoord 1 Metalen worden het meest toegepast in de werktuigbouwkunde.

Antwoord 2 Aluminium, Titanium, Magnesium.

Antwoord 3

e

Hardmetalen snijplaatjes hebben een keramische laag die ze hard en slijtvast maakt.

Antwoord 4

Composieten combineren de positieve eigenschappen van twee materialen.

Antwoord 5

Antwoord 6

ag

De treksterkte is de grootste belasting die een materiaal kan verdragen.

Er is sprake van plastische verlenging.

Antwoord 7

Kogel, kegel, piramide.

Antwoord 8

Bijvoorbeeld een zuiger in een cilinder.

Antwoord 9

I nz

De mechanische en technologische eigenschappen.

Antwoord 10

Treksterkte, hardheid corrosiebestendigheid.

Antwoord 11

Een motorblok van een fomule 1 auto, lichtmetalen velgen.

Antwoord 12

Gloeien (spanningsarm maken), veredelen (treksterkte vergroten).

Antwoord 13

Koudversteviging is het vergroten van de treksterkte door het materiaal koud te vervormen.

© Kenteq

21

e ag

I nz 22

Inleiding materialenleer

2 Gelegeerd staal

Constructies worden vaak blootgesteld aan dynamische belastingen, aan zeer hoge of zeer lage temperaturen, of aan een hoog corrosief milieu. De eigenschappen van ongelegeerd staal voldoen niet onder deze omstandigheden.

Het staal kan dan onverwacht bezwijken door kruip, vermoeiing, corrosie of slijtage.

e

Inleiding

ag

Verschillende staalsoorten

De materiaaleigenschappen zijn te verbeteren door koudverstevigen, door een warmtebehandeling, of door een combinatie van beide. Als dit niet mogelijk is, worden gelegeerde staalsoorten gebruikt.

Door staal te legeren kan de treksterkte, de rekgrens of de breukrek worden verbeterd. Ook technologische eigenschappen, zoals de lasbaarheid, vervormbaarheid, verspaanbaarheid, hardbaarheid en ontlaatvastheid, kunnen verbeterd worden door legeren. Verder is het mogelijk om door legeren chemische eigenschappen, zoals de corrosievastheid, te verbeteren.

Leerdoelen

I nz

Je kunt: • verschillende redenen noemen om te staal te legeren • de invloed van veel gebruikte legeringselementen op staal noemen • de indeling van gelegeerde staalsoorten noemen • de belangrijkste staallegeringen en hun toepassingsmogelijkheden noemen • de aanduidingen van de belangrijkste gelegeerde staalsoorten verklaren

© Kenteq

23

2.1

Doelstelling van legeren Legeringselementen worden toegevoegd om staal bepaalde eigenschappen te geven of om bestaande materiaaleigenschappen te verbeteren. Legeren vormt daarmee een oplossing voor diverse problemen, die bij het gebruik van staal in de praktijk kunnen optreden.

Verbeteren mechanische eigenschappen

ag

e

Staal wordt vaak gelegeerd om de mechanische eigenschappen te verbeteren. Door te legeren kunnen bijvoorbeeld de treksterkte en de rekgrens verbeterd worden of de taaiheid neemt toe. Bij hogere temperaturen nemen de mechanische eigenschappen van staal sterk af. Een staalsoort kan dan last krijgen van kruip. Daardoor neemt de doorsnede af en neemt de spanning toe waardoor de constructie kan bezwijken.

Gelegeerd koudvervormd staal: buigzaam en sterk

Door te legeren kan de kruipbestendigheid van staal worden vergroot. Ook de mogelijkheden om koud te vervormen (koudvervormbaarheid) kunnen verbeterd worden door te legeren.

Verbeteren technologische eigenschappen

I nz

Voor producten of constructies waaraan veel verspaand of gelast moet worden, gebruik je gelegeerd staal met een betere verspaanbaarheid of lasbaarheid. Bij het lassen worden hoge eisen gesteld aan de kerftaaiheid en de verouderingsgevoeligheid.

Er kan bij het lassen ook onbedoeld een warmtebehandeling plaatsvinden. Door het toevoeren van laswarmte en/of ongecontroleerd afkoelen wordt ongelegeerd staal namelijk ontlaten. Dit kan sterkteverlies, of een toename van corrosie veroorzaken.

Hetzelfde onbedoelde ontlaten treedt op bij het slijpen van gereedschap. De temperatuur kan bij het slijpen zo hoog oplopen, dat het gereedschap wordt ontlaten.

Door hoog ontlaten nemen de hardheid en de sterkte af. Dit geeft het gereedschap slechte snij-eigenschappen, of het levert een kortere standtijd op. Voor zowel lassen als slijpen kan het dus nodig zijn het staal bestand te maken tegen hardingsverschijnselen door het te legeren Soms is het juist nodig om de doorhardingsdiepte te verbeteren. Als een groot werkstuk een warmtebehandeling moet krijgen, kan dat moeilijk of zelfs onmogelijk zijn. Bijvoorbeeld omdat er geen grote oven aanwezig is, of omdat er grote hoeveelheden afkoelmiddel nodig zijn. Je hebt dan een legering met een betere doorhardbaarheid nodig.

24

Gelegeerd staal

Verbeteren chemische eigenschappen De chemische eigenschappen van staal, zoals de corrosievastheid en de hittevastheid, zijn ook te verbeteren door legeren. Bij hoge temperaturen kan het oppervlak van ongelegeerd staal verbranden. Door deze vorm van oxidatie neemt de doorsnede van staal af. Bij hoge temperaturen kan ook de corrosie toenemen. De corrosiesnelheid verdubbelt bij elke 10 graden temperatuursverhoging. Bij 200°C gaat de corrosiesnelheid 1024 maal (210) sneller dan bij 100°C. Bij lage temperaturen kan juist grote brosheid optreden.

e

Noem twee voorbeelden van ongewenste hardingsverschijnselen, die te voorkomen zijn door gelegeerd staal te gebruiken.

I nz

ag

1.

© Kenteq

25