Samenvatting Materiaalkunde II
advertisement
Samenvatting Materiaalkunde II De stof van materiaalkunde II is het laatste deel van hoofdstuk 8, alles van hoofdstuk 9,10,11 een deel van hoofdstuk 17 en twee aanvullingen over hoge‐ en lage‐temperatuursmaterialen. Hoofdstuk 9: Fase­diagrammen Legeringen zijn materialen die gemaakt zijn van meer dan 1 atoomsoort. Bij het toevoegen van kleine hoeveelheden vreemd materiaal verandert de elasticiteitsmodulus nauwelijks. De productiekosten nemen echter wel toe. Enkele voordelen van legeringen zijn: • • • • • • Hogere sterkte(T ↕ Tkamer) Hogere corrosieweerstand Grotere doorhardingsdiepte Grotere ontlaatvastheid Grotere slijtageweerstand Verbeteren bepaalde fysische eigenschappen In een fasediagram kan afgelezen worden hoeveel fasen er in een legering voorkomen op een bepaalde temperatuur en bij een bepaalde hoeveelheid toegevoegd materiaal. In het ‐gebied komt stof A voor, met af en toe een opgelost deeltje B. De hoeveelheid deeltjes B die op willen lossen in A, hangt af van de temperatuur. Bij hogere temperatuur is de oplosbaarheid groter. Wordt de hoeveelheid deeltjes B echter te groot, dan raakt de oplossing verzadigd, en zullen de deeltjes van stof B niet meer mooi oplossen in A, maar blijven ze bij elkaar zitten. Op dit moment kom je in het twee‐fasengebied . Hierbij bestaat een deeltje uit stof B, met af en toe een opgelost deeltje A. Ga je nu nog meer B toevoegen aan het materiaal, dan zullen er meer ‐deeltjes komen en minder ‐deeltjes, maar de samenstelling van de ‐ en ‐deeltjes blijft hetzelfde! (de samenstelling van de 2 fasen kunnen alleen veranderen als je de temperatuur varieert, want dan verandert de maximaal oplosbare hoeveelheid van de ene stof in de andere). Alleen de verhouding waarin ze voorkomen verandert dus. Ga je nu nóg meer B toevoegen, dan zal de hoeveelheid A zo klein worden dat deze opgelost kan worden in B. Hierdoor gaat het 2‐fasengebied weer over in 1 fase met enkel ‐deeltjes, dus deeltjes die bestaan uit stof B waarin af en toe een deeltje A opgelost zit. Hierdoor ontstaat weer een onverzadigde oplossing. Als een kristal van stof A deeltjes van stof B opgelost heeft, dan spreken we van een mengkristal. De vaste stoffen in het 1‐fase gebied van een fase‐diagram bestaat dus uit mengkristallen. Zit je echter in het 2‐fasegebied van 2 vaste stoffen, dan is er sprake van een kristalmengsel, waarin zowel de mengkristallen als voorkomen. Naast het 2‐fasengebied van twee vaste stoffen, bestaan er ook 2‐fasengebieden waarin het ene deel van de legering vloeibaar is en het andere deel vast. De vaste stof bestaat dan óf uit allemaal ‐ deeltjes óf uit allemaal ‐deeltjes. Er is echter één situatie waarin de vaste stof uit zowel ‐ als ‐ deeltjes bestaat, namelijk op de horizontale isotherm in het fasediagram. Op dit moment moet het 2‐ fasengebied namelijk omslaan naar óf ‐deeltjes en vloeibaar, óf ‐deeltjes en vloeibaar. Tijdens de overgang zullen dus altijd alle drie de fasen aanwezig moeten zijn. Een bijzonder punt op deze horizontale isotherm is het eutecticum. Op dit punt is er namelijk een fase‐overgang van én naar alleen maar vloeistof, dus niet een vloeistof in combinatie met nog een vaste stof. Met behulp van de fasenregel van Gibbs kan berekend worden hoeveel vrijheidsgraden er zijn die bepalen wat de samenstelling van de fasen is (dus in α‐fase zit …% A, …% B enz), zie vraag 9.45 uit het boek. Het gaat er hierbij niet om hoeveel procent van elke fase voorkomt, maar hoeveel procent B opgelost zit in de α‐fase. Deze hoeveelheid verandert in het 2‐fasegebied alleen met de temperatuur, en in het 1‐fasengebied zowel met temperatuur als samenstelling van de stoffen: • • • • F = aantal vrijheidsgraden (aantal parameters dat je nog moet kiezen voordat je zeker weet op welk punt in het fasediagram je zit; bijv. temperatuur, druk, samenstelling, enz.) C = aantal componenten in de legering (bijv. C =2 voor een koper‐tin legering) P = aantal fasen N = aantal samenstellingsonafhankelijke parameters in het fasediagram (meestal 1, namelijk alleen temperatuur. In figuur 9.38 kun je zowel de temperatuur als de druk kiezen, dan N=2) In het 2‐fasengebied bestaan er dus 2 verschillende stoffen naast elkaar in de legering. Om te bepalen in welke hoeveelheid beide stoffen voorkomen kun je gebruik maken van de hefboomregel: In het fase‐diagram staat de evenwichtssamenstelling van een legering afgebeeld, dus de samenstelling die je zou krijgen als je oneindig lang de tijd had. In de praktijk komt het echter vaak voor dat het materiaal niet genoeg tijd krijgt om het diffusieproces af te ronden, waardoor de gestolde kristallen geen homogene samenstelling hebben. In de afbeelding hiernaast bijvoorbeeld blijkt dat na het stollen van de koper‐tin legering de kristallen niet overal 35% tin bevatten, maar er ontstaan ringen met allemaal een verschillende tin‐concentratie. Hierbij is de concentratie in het midden meer dan 35% en aan de randen minder dan 35%. Dit proces noemen we kristalsegregatie. Dit betekent dus dat de samenstelling van de kernen in de kristallen anders is als aan de omtrek van de kristallen. Een aantal eigenschappen van kristalsegregatie zijn: • • • De diffusiesnelheid is te laag: de mate van segregatie wordt bepaald door de diffusiesnelheid De elementen in de legering die het eerst gestold zijn hebben het hoogste smeltpunt, en vormen dus de kern van het kristal. De elementen aan de buitenkant hebben een veel lager smeltpunt. Onzuiverheden met een kleine oplosbaarheid worden naar de korrelgrenzen gedwongen omdat zij een lager smeltpunt hebben dan het zuivere metaal of de legering zelf (“eigen volk eerst”). Door kristalsegregatie verschuift ook de lijn die de grens aangeeft tussen het 1‐ en 2‐fasen gebied. Bovenstaande problemen kunnen voorkomen worden door vlak voor het stollen een klein beetje natrium toe te voegen, of door na afloop te gloeien met een temperatuur net onder het smeltpunt, zodat de diffusiesnelheid verhoogd wordt en de atomen weer naar de evenwichtssituatie kunnen. Als een stof met een samenstelling van het eutecticum gaat stollen ontstaat er een opmerkelijke structuur die we de eutectische structuur noemen: Het ontstaan van deze opmerkelijke structuur heeft een thermodynamische achtergrond. Stel je voor dat je een lood‐tin legering met een eutectische samenstelling hebt (61,9% tin) die zich in de vloeibare fase bevindt. Dan zwemmen de lood‐ en tin‐deeltjes kriskras door elkaar. Nu ga je de temperatuur verlagen zodat de legering begint te stollen. Hierdoor komen de kriskras door elkaar bewegende deeltjes op een willekeurige manier naast elkaar te liggen in de vaste toestand. Met deze toestand zijn de deeltjes echter niet gelukkig. Ze willen per se naar de toestand waarin alleen nog maar ‐ en ‐deeltjes voorkomen (dit zijn namelijk de meest chaotische toestanden waarin lood en tin nog in elkaar willen oplossen). Dus zullen de loodatomen naar elkaar toe gaan kruipen en de tinatomen ook, net zolang totdat ze “tevreden” zijn met de verhouding lood:tin. Dit doen ze door middel van diffusie. Op deze manier staat een lamellenstructuur met om en om een loodrijke en tinrijke laag, omdat in deze situatie de lengte van het diffusiepad geminimaliseerd wordt. Daarnaast zal er ook een eutecticumstructuur ontstaan als een concentratie stolt die zich in het 2‐ fasengebied bevindt met één vaste fase en één vloeibare fase, bijv. het gebied . De vloeibare fase zal bij het stollen namelijk steeds tinrijker worden omdat de loodrijke delen beginnen te stollen (de dikke zwarte vlekken). Dit proces gaat door totdat de vloeistof de eutecticum‐samenstelling heeft. Dan zal ook het vloeibare deel vast worden en een eutectische structuur krijgen. Om onderscheid te maken tussen de fase die volledig uit bestaat en de uit de eutecticumstructuur, spreken we van respectievelijk primair (of pro‐eutectisch ) en eutectisch . De totale hoeveelheid in een legering is de som van het primaire en eutectische . Naast een eutecticum heb je ook nog andere karakteristieke punten in het fase‐diagram. Hieronder een overzicht van de bekende karakteristieke punten: • • • • • Eutecticum: Eutectoïde: Peritecticum: Peritectoïde: Congruent punt: (dus geen 2‐fasengebied in het fase‐diagram) Hypo‐eutectoïdisch: staal met minder dan 0,76% koolstof; Hyper‐eutectoïdisch: meer dan 0,76% C Verschillende typen fasendiagrammen Het simpelste fase‐diagram is het fase‐diagram van 1 stof, bijv. water, waarin je bij verschillende temperaturen en drukken de fase (vast, vloeibaar of gasvormig) af kunt lezen. Indien er meerdere stoffen met elkaar gemengd zijn, spreken we van een binair systeem. Bij een isomorf systeem zijn de twee legeringselementen altijd volledig in elkaar oplosbaar. Dan krijg je een fasediagram met alleen de fasen , en . Je zit dus altijd in het 1‐fase gebied, en het fasediagram bevat ook geen eutecticum o.i.d. Daarnaast bestaat er ook een binair eutectisch systeem. Hierin kunnen wel situaties met een 2‐ fasengebied voorkomen, en deze bevatten ook één of meerdere eutecticums o.i.d. Congruente fase­overgangen We spreken van een congruente fase‐overgang als er geen veranderingen in de samenstelling van de fase zijn, da wil zeggen dat de percentages van stof A en stof B gelijk blijven. Een voorbeeld is het smelten van pure materialen. Is dit niet voor elke fase het geval, dan spreken we van een incongruente fase‐overgang. Een voorbeeld is het laten stollen van legeringen in een isomorf fase‐ diagram. Harder maken van materialen: Zoals in het begin al is gemeld, hebben legeringen onder andere als doel het sterker en harder maken van metalen. Dit doen ze door het bewegen van dislocaties (=plastische deformatie) tegen te gaan. Dit kan op 2 manieren: • • Oplossingsharding (1 fase): het toevoegen van substitutionele of interstitiële atomen, bijvoorbeeld koper en zink in elkaar oplossen (messing), koolstof oplossen in ijzer (staal). Matrix en deeltjes (2 fasen): grote gedeelten met ander materiaal tussen de hoofdstructuur, bijvoorbeeld koolstoflamellen in gietijzer, precipitaties. Roestvast staal (RVS) De structuur van RVS is onder de lichtmicroscoop slecht zichtbaar omdat er een glimmende laag chroomoxide overheen zit. In plaats van korrelgrenzen zie je een egaal wit vlak, met hier en daar een kras van een beschadiging. Hoofdstuk 10: Fase­overgangen in metalen Fase‐overgangen zijn er niet plotseling, maar beginnen met kiemvorming. Hiervan bestaan twee soorten, namelijk homogene kiemvorming en heterogene kiemvorming. Er is sprake van homogene kiemvorming als er spontaan nieuwe kiemen ontstaan doordat de vrije energie van de vaste fase lager is dan de vrije energie van de vloeibare fase. Niet alle nieuwe kiemen zijn blijvend. Ze worden pas blijvend als de vrije energie over een barrière (de kritische straal, ∆ ) heen getild wordt. Is de vrije energie eenmaal over deze barrière (∆ ∆ ) heen, dan wordt de vrije energie steeds minder naarmate de kiem groter wordt en dan is kristallisatie dus gunstig. De barrière is zichtbaar in de grafiek in de vorm van een somfunctie van de grensvlakenergie en de bulkenergie. Hierin is de grensvlak‐energie en ∆ is het vrije‐enthalpieverschil. Voor homogene kiemvorming is een grote onderkoeling nodig, waardoor er veel kiemvorming is. Dit geeft een relatief fijne structuur. Daarnaast bestaat er ook nog heterogene kiemvorming. Hierbij zijn al een aantal startpunten voor kristallisatie ingebouwd (in de vorm van verontreinigingen). Op deze plaatsen is de barrière (zoals die bij homogene nucleatie bestaat) al weg, zodat het kristallisatieproces direct begint bij onderkoeling. Hierdoor is de temperatuur nog hoger, waardoor de korrels sneller groeien. Dit geeft een relatief grove structuur. Bij het stollen van gietijzer in verschillende vormen zullen verschillende structuren ontstaan: Bij het coquillegieten zal de buitenkant van het werkstuk snel afkoelen door de koude mal. Hierdoor is er aan de rand een grote onderkoeling, waardoor heel veel kleine kiemen ontstaan. Daarachter zal de onderkoeling iets kleiner worden, maar omdat er in dit gebied sprake is van een duidelijke temperatuursgradiënt zullen de kiemen in de richting van die temperatuursgradiënt groeien (richting van warm naar koud: dus vanaf het middelpunt naar buiten). In het midden zal er weinig onderkoeling zijn, en de invloed van de temperatuursgradiënt wordt steeds minder. Daardoor is er middenin geen duidelijke groeirichting meer aan te wijzen, en in combinatie met een kleine onderkoeling levert dit grove korrels. Bij het zandgieten gebeurt in wezen hetzelfde als in het midden bij coquillegieten: Er is geen duidelijke temperatuursgradiënt tijdens het afkoelen, waardoor er sprake is van een kleine onderkoeling, en hierdoor ontstaan grove korrels. Microporositeit: Holtes die tijdens het stollen ontstaan omdat de dikke vloeistof te stroperig is om aan de kant gedrukt te worden door nieuwe dunne vloeistof, dus kunnen ze niet opgevuld worden. De kristallen in staal worden tijdens het stollen gevormd uit zogenaamde dendrieten. Dendrieten kenmerken zich door een vertakkende structuur, de dendrietarmen. Deze dendrietarmen groeien in de richting van de temperatuursgradiënt. Ze groeien net zolang door totdat ze elkaar raken. Vervolgens beginnen de dendrietarmen zich te verdikken, waardoor uiteindelijk alleen nog de korrelgrenzen zichtbaar zijn. Het ijzer­koolstofdiagram Eén van de belangrijkste diagrammen is het ijzer‐koolstofdiagram, met name het eerste gedeelte (tot 6,70 massa% koolstof). In dit deel zitten namelijk alle belangrijke gietijzer‐ en staalsoorten. Helemaal links in het diagram kan de structuur van 100% ijzer gevonden worden: • • • Ferriet: KRG ijzer, de vorm bij lage temperaturen tot 912°C (α‐ijzer) Austeniet: KVG ijzer, de vorm bij temperaturen 912°C ‐1394°C (γ‐ijzer) Delta‐ferriet: KRG ijzer, de vorm bij hoge temperaturen vanaf 1394°C tot smeltpunt (δ‐ijzer) Als er koolstof wordt toegevoegd aan het ijzer, zal hiervan eerst een deel interstitieel oplossen. Bij het KVG ijzer zal het koolstof atoom midden in de kubus gaan zitten. Bij KRG ijzer zal het koolstof atoom midden op de grensvlakken gaan zitten. Wordt de hoeveelheid koolstof echter te groot, dan zal het niet meer oplossen, waardoor je in het 2‐fasengebied terecht komt. Hierdoor ontstaat een nieuwe stof, namelijk cementiet. Deze stof zet zich af aan de korrelgrenzen: • Cementiet: IJzer gemengd met koolstof (Fe3C) Bij verschillende hoeveelheden koolstof heeft de ijzer‐koolstoflegering verschillende namen: • • • Puur ijzer: ijzer met minder dan 0,0008 % koolstof Staal: ijzer met 0,0008 – 2,14 % koolstof (gangbaar: <1% koolstof) o Constructiestaal: ijzer met minder dan 0,3 % koolstof o Machinestaal: ijzer met 0,3 – 0,6 % koolstof o Gereedschapsstaal: ijzer met 0,6 – 1,5 % koolstof Gietijzer: ijzer met 2,14 – 6,70 % koolstof (gangbaar: 3 – 4 % koolstof) Een karakteristiek punt in dit fasediagram is het eutecticum bij 4,30% koolstof. Als een vloeibare staalsoort met deze samenstelling smelt ontstaat er een eutectische structuur die we een speciale naam hebben gegeven, namelijk ledeburiet: • Ledeburiet: Speciale eutecticumstructuur van austeniet en cementiet, ontstaan uit vloeistof. Een ander karakteristiek punt is het eutectoïde bij 0,76% koolstof. Als het austeniet (α‐ijzer) bij deze samenstelling stolt zal er, net als bij een eutecticum, een lamellenstructuur ontstaan die we ook een aparte naam hebben gegeven, namelijk perliet. Daarnaast ontstaat het ook gedeeltelijk bij hogere/lagere koolstofgehaltes. Van 0 tot 0,76% neemt het perlietgehalte in het ferriet lineair toe. Hierbij moet er onderscheid gemaakt worden tussen fijnkorrelig perliet (ontstaat bij snel koelen) en grofkorrelig perliet (dikkere lagen in de lamellenstructuur door langzaam koelen, waardoor de temperatuur langer hoog blijft, zodat de diffusie sneller gaat en atomen een grotere afstand af kunnen leggen): • Perliet: Speciale eutectoïdestructuur van ferriet en cementiet, ontstaan uit austeniet. Als we er voor zorgen dat het austeniet heel snel stolt (afschrikken), dan krijgen de atomen geen tijd voor diffusie, waardoor er ook geen lamellenstructuur kan ontstaan. Het ijzer wil gelijk van KVG naar KRG, maar dit lukt maar half. De stof die dan ontstaat noemen we martensiet, deze heeft een plaatvormige TRG‐structuur met een erg grote hardheid. Tussen de platen in ligt niet‐getransformeerd austeniet: • Martensiet: Fasetoestand van ijzer dat heel snel afgekoeld wordt vanaf austenietgebied; hard en bros. Verder bestaat er nog een soort tussenfase van perliet en martensiet, die we bainiet noemen. Deze stof is opgebouwd uit cementietnaalden of –plaatjes met ferriet. Bij deze stof maken we onderscheid tussen hoogbainiet en laagbainiet. Deze stof ontstaat als de temperatuur al zo ver gedaald is dat de vorming van perliet niet meer mogelijk is, (zie het TTT‐ diagram). Bij bainiet zit er veel meer ferriet tussen de naalden dan bij martensiet: • Bainiet: Tussenfase van perliet en martensiet Isotherm tijd­temperatuur­transformatie diagram (TTT­diagram) Om te achterhalen welke staalsoort ontstaat tijdens het afkoelen van de ijzer‐ koolstoflegering, kun je gebruik maken van het isotherme TTT‐diagram, zie het figuur hiernaast (deze geldt voor 0,76% C). De gekleurde lijnen zijn enkele voorbeelden van hoe het diagram afgelezen kan worden. Het verschil tussen het TTT‐diagram en het fasediagram is dat in het TTT‐diagram de metastabiele fasen afgelezen kunnen worden. Hierbij moet opgemerkt worden dat alleen austeniet kan transformeren, dus bijv. bainiet wordt geen martensiet meer, dan moet je het eerst weer opwarmen tot austeniet. Een stof noemen we metastabiel als hij in een bepaalde toestand wél stabiel is, maar niet in de laagste energietoestand. Een goed voorbeeld hiervan is cementiet. Deze stof zal bij kamertemperatuur niet ontbinden in ijzer en koolstof, maar als hij opgewarmd wordt en vervolgens een paar jaar opgeslagen, dan zal hij ontbinden in ijzer en koolstof. Continue koeling transformatie diagram (CCT­diagram) In de praktijk blijkt het lastig metalen een isotherme warmtebehandeling te geven. Daarom is er ook een diagram ontwikkeld waarin je de curves voor afkoelsnelheden kunt tekenen, uitgaande van een constante afkoelsnelheid in °C/s. In het CCT‐diagram van een ijzer‐koolstof legering met 0,76% koolstof zit geen bainiet‐neus, omdat de snelheidskromme altijd eerst door het perlietgebied komt, voordat hij bij net bainietgebied aan zou komen. Dit zou betekenen dat al het austeniet al getransformeerd is tot perliet, en dan is het niet meer mogelijk om bainiet te vormen. Mechanische eigenschappen De hardheid en sterkte van ijzer‐koolstof legeringen die de fasen ferriet en cementiet bevatten hangen af van het grensoppervlak tussen deze twee fasen. Hoe groter dit gebied, des te harder en sterker is dit materiaal. Dit komt omdat deze grenzen de beweging van dislocaties belemmeren. Tevens zorgt de cementiet fase ervoor dat deformatie van de ferrietfase aan de grenzen beperkt wordt. Fijnkorrelig perliet is dus harder dan grofkorrelig perliet, omdat er meer grensoppervlak is. Martensiet is een zeer hard en bros materiaal, omdat er relatief weinig mogelijke glijsystemen zijn voor een TRG (tetragonaal ruimtelijk gecentreerde) kristalstructuur. Tevens zit alle koolstof vast opgelost. Hierdoor wordt het voor de dislocaties erg moeilijk om te bewegen. Indien men martensiet gaat veredelen, neemt de hardheid af en de taaiheid toe. Dit komt omdat er dan cementiet bolletjes aan de fase‐grenzen ontstaan, die steeds groter worden. De ductiliteit wordt gemeten in AR% (Area reduction). Hoofdstuk 11: Toepassingen en processen voor metaallegeringen Ongelegeerd staal Ongelegeerd staal is ijzer met daarin onder andere koolstof, mangaan en silicium opgelost. Daarnaast kunnen er zeer kleine hoeveelheden zwavel, fosfor, stikstof en zuurstof in voorkomen. De sterkte van ongelegeerd staal kan op de volgende manieren opgevoerd worden: • • • • • Korrelverfijning Versteviging (koud‐deformatie) Vaste‐oplossingsharding (Mn, Si) Harde tweede fase cementiet naast ferriet Vorming van martensiet Enkele warmtebehandelingen voor ongelegeerd staal (zie figuur): 1. 2. 3. 4. 5. 6. Normaliseren (normaalgloeien) Harden Onderbroken harding Warmbad harding Bainitisch harden Patenteren Het doel van zachtgloeien is het omzetten van plaatvormig cementiet naar bolvormig cementiet bij staal met 0,5% tot 0,8% koolstof. Dit omzetten kan door diffusie van C‐atomen. Hierdoor zullen de sterkte en hardheid van het staal afnemen, maar de taaiheid neemt toe, waardoor het staal beter bewerkbaar wordt. Dit proces duurt 5 tot 10 uur, bij een temperatuur van rond de 700°C. Tijdens het verspanen is het voor de beitel gemakkelijker om de harde cementietbolletjes aan de kant te drukken in de zachte ferriet/perliet massa, dan om plaatvormige cementiet weg te drukken. Hierdoor heb je minder beitelslijtage. Daarnaast bestaat er ook nog spanningsarm gloeien. Hierbij dalen de inwendige spanningen, veroorzaakt door plastische vervormingen, niet‐uniforme koeling of fase‐overgangen waarbij de oude en nieuwe fase verschillende dichtheden hebben. Het wegnemen van deze spanningen kan door het werkstuk gedurende enige tijd op hogere temperatuur te laten verblijven, net zolang totdat het hele werkstuk een uniforme temperatuur heeft, en vervolgens het werkstuk weer rustig af te laten afkoelen in lucht. Deze temperatuur is meestal niet zo hoog dat de effecten van bijv. afschrikken ongedaan kunnen worden gemaakt. Door normaalgloeien krijg je een korrelverfijning met een homogene korrelgrootte, bestaande uit ferriet‐ en perlietkorrels. Het normaalgloeien gebeurt bij temperaturen zo’n 55°C boven de fase‐ grens. Hierdoor kom je dus tijdelijk in het austeniet‐gebied, en na rustig afkoelen kom je weer terug in het ferriet/perliet gebied, dus je krijgt 2 keer een korrelverfijning. Door dit proces nemen de hardheid en de rekgrens van het materiaal toe. Harden is het zeer snel afkoelen van staal in het austeniet‐gebied naar het martensietgebied. Hierdoor ontstaat heel hard en slijtvast staal. Hiervoor zijn verschillende afkoelmiddelen, namelijk een oven, zoutbad, lucht, olie of water. Na het harden blijven er restspanningen over in het materiaal. Bovendien blijven er stukken rest‐austeniet in het materiaal zitten. Dit kan verholpen worden door te gaan ontlaten. De hardingsdiepte (diepte martensiet‐fase) wordt gecontroleerd met de Jominy proef. Er kan tevens gehard worden door extra legeringselementen toe te voegen, zoals Ni, Cr of Mo. Deze vertragen de vorming van perliet/ferriet, zodat er meer martensiet ontstaat. De hardingsdiepte wordt verder beïnvloed door de grootte van de austenietkorrels (grote korrels = minder grensvlak = minder kiemvorming perliet = meer martensietvorming), de thermische geleidingscoëfficiënt (goede geleiding = sneller afkoelen binnenkant = meer hardingsdiepte) en de soortelijke warmte (hoge soortelijke warmte = veel energie afvoeren per graad koeling = langzamere koeling = minder martensietvorming, dus minder hardingsdiepte). Ontlaten doe je bij relatief lage temperatuur, namelijk onder de 200°C. Hierdoor ontstaat zeer fijn ε‐ carbide (Fe2,4C). Bij dit proces transformeert het rest‐austeniet in martensiet. Tevens worden, als het koolstofpercentage minstens 1% bedraagt, restspanningen weggenomen, waardoor het materiaal minder bros wordt en de kans op spontane scheuren kleiner wordt. Daarnaast bestaat er ook nog veredelen. Dit doe je met martensiet tussen de 400 en 600°C, bij een koolstofpercentage van 0,35 tot 0,70%. Hierdoor krijg je fijn verdeelde cementietbolletjes in het ferriet. Hierdoor wordt het materiaal sterk en taai. Enkele oppervlaktebehandelingen voor ongelegeerd staal zijn: • • • • Carboneren Carbonitreren Nitreren Vlam‐ en inductieharding Veredelen Carboneren is het verhogen van het koolstofgehalte in staal door het in een koolstofrijke omgeving te leggen, zodat het koolstof van buitenaf via diffusie op kan lossen in het staal. Hierbij wil je in het austeniet‐gebied zitten, omdat je dan veel meer koolstof op kunt lossen in het staal. Dit austeniet‐ gebied wordt bereikt bij relatief hoge temperaturen. Hierdoor kan er bij langdurig carboneren sprake zijn van korrelgroei. Dit verschijnsel kan ongedaan gemaakt worden door na afloop te gaan normaliseren. Carboneren kan nuttig zijn om staal een koolstofgehalte van boven de 0,3% te geven, zodat harden mogelijk is (bij een te laag koolstofgehalte kan geen martensiet gevormd worden). Het carbonitreren is een alternatief voor het carboneren dat wordt toegepast bij ongelegeerde materiaalsoorten, zoals automatenstaal, Fe360 en C45. Het verschil tussen carboneren en carbonitreren is dat bij carbonitreren in gasvorm naast koolstof ook stikstof langs het oppervlak geleid wordt. De stikstof die met de koolstof in het oppervlak diffundeert, verbetert de hardbaarheid zodat ook beperkt hardbare staalsoorten voorzien kunnen worden van een hard oppervlak. De bereikbare dieptes zijn, ten opzichte van de carboneerstaalsoorten, beperkt. Bij het nitreren wordt op hoge temperatuur een stroom ammoniakgas (NH3) langs de buitenkant van het stalen product geleid. De stikstof (N2) uit het gas gaat hierbij een chemische reactie aan met ijzer atomen uit de schil. Hierbij worden in de schil zeer harde, slijtvaste ijzer‐nitriden gevormd (FexN). Om deze reactie mogelijk te maken, moet het staal wel gelegeerd zijn met enkele procenten Al, Cr en Mo. Met behulp van de processen vlamharding en inductieharding wordt een materiaal gemaakt met een harde martensitische schil en een zachte kern. Dit wordt gedaan door van een koud materiaal alleen de schil heel snel op te warmen met een autogene vlam (vlamharding) of inductieve verhitting (inductieharding), en gelijk weer af te schrikken. Precipitatie Precipitatie is het maken van een “oververzadigde oplossing”. Dit gebeurt in 3 stappen: 1. Oplosgloeien: Wachten totdat al het koper opgelost is in aluminium 2. Afschrikken: Op het moment dat het koper goed opgelost is ga je heel snel afkoelen. Hierdoor kan het koper niet zo snel naar zijn evenwichtsfase. Je krijgt nu een oververzadigde oplossing. Hierdoor blijven tevens de vele vacatures in het materiaal aanwezig. 3. Verouderen: Je laat de losse opgeloste koperatomen langzaam weer naar elkaar toe komen, waardoor er groepjes worden gevormd. De grootte van die groep bepaalt de rekgrens. Er is een bepaalde optimale grootte waarbij de rekgrens maximaal is. De gevormde koper groepen noemen we precipitaten en zijn op onderstaande foto te zien. Let op: De stof is nu nog niet in thermodynamisch evenwicht, maar omdat de diffusiesnelheid op lage temperaturen ook heel laag is, kun je het materiaal prima gebruiken. Niet elke legeringssamenstelling is geschikt voor precipitatie. De samenstelling moet aan twee eisen voldoen, namelijk een oplosbaarheid van enkele procenten van stof A in B, en de oplosbaarheid moet snel afnemen bij precipitatie. Een ideaal punt voor precipitatie staat in de figuur hierboven weergegeven. Bij het opwarmen van het materiaal verdwijnen de precipitaten, en daarmee het effect van de precipitatieharding. Oplossingsharden Een andere techniek om de hardheid en treksterkte van metalen te vergroten is door middel van oplossingsharden. Hierbij worden substitutionele atomen toegevoegd die niet mooi in het metaalrooster passen,waardoor er interne spanningen ontstaan en het materiaal harder en sterker wordt. Bij het opwarmen gaat het effect van oplossingsharding NIET verloren. Gietijzer Gietijzer bevat gemiddeld zo’n 3% tot 4% koolstof. De structuur hangt onder andere af van het koolstofgehalte, siliciumgehalte en afkoelsnelheid (lagere afkoelsnelheid zorgt voor meer koolstofvorming). Er zijn verschillende soorten gietijzer: • • • Grijs gietijzer varianten (Si‐gehalte 1‐3%) o Perlitisch grijs gietijzer o Ferritisch grijs gietijzer o Gewoon grijs gietijzer Wit gietijzer varianten (Si‐gehalte <1%) o Wit gietijzer (zonder nabehandeling) o Tempergietzijer (laag C‐gehalte) o Frisijzer (hoog C‐gehalte) o Gemêleerd gietijzer Perlitisch gemêleerd gietijzer Ferritisch gemêleerd gietijzer Gewoon gemêleerd gietijzer Nodulair gietijzer (Mg en/of Ce toevoegen) Lamellair ferritisch grijs gietijzer Grijs gietijzer bevat tussen de 2,5% tot 4% koolstof (in lamellen) en tussen de 1% en 3% silicium. Het heeft slechte mechanische eigenschappen: het is erg bros en heeft een lage treksterkte. Grijs gietijzer is goed in staat trillingen op te vangen. Het wil in gesmolten toestand goed vloeien, dus hier kun je complexe vormen mee maken. Bovendien is de volumetrische krimp tijdens het afkoelen laag. Bovendien is het een van de goedkoopste metalen. Het verlagen van het siliciumgehalte en het verhogen van de afkoelsnelheid zorgen er voor dat er Lamellair perlitisch grijs gietijzer minder koolstof ontstaat. Is de afkoelsnelheid hoog en het Si‐gehalte laag, dan ontstaat er perlitisch grijs gietijzer. Bij lage afkoelsnelheid laag en hoog Si‐ gehalte ontstaat ferritisch grijs gietijzer. Daar tussenin ontstaat gewoon grijs gietijzer. Nodulair gietijzer is gietijzer waarbij een kleine hoeveelheid magnesium en/of cerium is toegevoegd. Ook bij deze gietijzersoort ontstaat er losse koolstof (net als bij lamellair gietijzer), maar nu in de vorm van kleine bolletjes in een ferriet‐ of perlietmatrix. Hierdoor nemen de taaiheid en de sterkte toe (vergelijkbaar met de standaard staalsoorten). Het wordt gebruikt voor kleppen, krukassen en andere auto‐ en machine‐ onderdelen. Nodulair gietijzer Wit gietijzer ontstaat bij stoffen met minder dan 1% silicium, gemiddeld een koolstofpercentage van 2,5% tot 4%, en hoge afkoelsnelheden, waardoor het overgrote deel van het koolstof opgeslagen blijft als cementiet, en het cementiet dus niet kan ontleden tot ijzer en grafiet. Als je het doormidden zou breken, dan heeft een gedeelte van het breukvlak een witte kleur (cementiet), omringd door perliet. Door de grote hoeveelheid cementiet die er in zit, is het gietijzer erg hard, maar tegelijkertijd ook erg bros, zodat het bijna niet na te bewerken is. Daarom wordt het ook niet veel toegepast. Het meeste witte gietijzer dient als tussenproduct in de productie van gemêleerd gietijzer. Door de noodzakelijke hoge afkoelsnelheid is het onmogelijk om hiervan dikwandige producten te maken. Gemêleerd gietijzer ontstaat wanneer wit gietijzer een bepaalde tijd herverwarmd wordt tot 800‐ 900°C. Hierdoor gaat het cementiet alsnog ontleden en worden er grafietclusters gevormd, omringd door een ferrietmatrix. Hierdoor nemen de sterkte en taaiheid toe. Deze gietijzersoort lijkt erg op nodulair gietijzer, alleen ziet het grafiet er hier niet uit als bolletjes, maar meer als rozetjes. Ook is er bij deze gietijzersoort sprake van twee varianten, namelijk perlitisch gemêleerd gietijzer (snel koelen) en ferritisch gemêleerd gietijzer (langzaam koelen). Deze gietijzersoort wordt gebruikt voor tandwielen, differentieelbehuizingen, fittingen en voor andere zware toepassingen in de automobiel, spoorweg‐ en maritieme industrie. Frisijzer wordt geproduceerd door hoog koolstofhoudend wit gietijzer te gloeien in een koolstof onttrekkend (decarburiserend) medium. Koolstof wordt verwijderd aan het oppervlak van het gietstuk en het verlies wordt alleen gecompenseerd door de diffusie van koolstof uit het inwendige van het gietstuk. Frisijzeren gietstukken zijn inhomogeen met een ontkoolde oppervlaktelaag en een kern met een hoger koolstofgehalte. Temperijzer wordt gemaakt door het gloeien (900‐950°C) van wit gietijzer met een laag koolstofgehalte (2,2 ‐ 2,9 %) zonder decarburisering. De resulterende structuur van koolstof in een ferriet matrix is homogeen met betere mechanische eigenschappen dan frisijzer. Tevens neemt de schokvastheid toe. Temperijzer Gelegeerde stalen Door het legeren van staal worden betere eigenschappen verkregen. Enkele voordelen van legeren: • • • Vergroten hardingsdiepte (grotere werkstukken) Behoud sterkte bij verhoogde temperatuur in ontlaten toestand Verhoogde corrosieweerstand • Behoud sterkte bij temperaturen < 0°C Enkele voorbeelden van bekende gelegeerde staalsoorten: • • • • • Dual phase steel Ausformingsstaal Maraging staal Veredelingsstaal Roestvast staal (RVS) o Ferritisch RVS (goed lasbaar, rekgrens 300‐400 MPa) o Martensitisch RVS (niet lasbaar, grote sterkte en slijtvastheid) o Austenitisch RVS (Corrosie bij de korrelgrenzen door chroomarme zone op hoge T) o Precipitatie‐hardend RVS (martensitisch RVS met intermetallische bindingen) Dual phase steel is staal met een laag koolstofgehalte, snel gekoeld vanaf het twee‐fasengebied. Hierdoor ontstaat zowel ferriet als martensiet. Met dieptrekken wordt het sterk verstevigd. Ausformingsstaal wordt gemaakt door het toevoegen van chroom, molybdeen, vanadium, mangaan en nikkel. Het heeft een hoge sterkte en ductiliteit. Tevens zorg je er door deze toevoegingen voor dat de bainiet‐ en perlietneuzen in het TTT‐diagram opgeschoven worden in de tijd, zodat er ook bij lagere afkoelsnelheden martensiet gevormd kan worden. Dit komt omdat de substitutionele legeringselementen slecht diffunderen, waardoor de perliet/bainiet‐vorming belemmerd wordt. Hierdoor is er tijd voor plastische deformatie in het metastabiele gebied, en kun je na afloop toch martensiet/bainiet maken. Dit is echter moeilijk uitvoerbaar, omdat je staal met hoge temperatuur moet deformeren. Warm walsen behoort tot de mogelijkheden. Maraging staal heeft de bijzondere eigenschap dat de fase‐grenzen tijdens het afkoelen op een andere temperatuur liggen dan bij het opwarmen. Het is tevens goed lasbaar. Het wordt gemaakt door verschillende nikkelverbindingen toe te voegen( Ni3Mo, Ni3Al en Ni3Ti). Verder zijn er verschillende soorten veredelingsstaal. Dit is staal waarbij ze tijdens het veredelen (harden + ontlaten, zie eerder in de samenvatting) enkele legeringselementen hebben toegevoegd: • • • • • • grote doorhardingsdiepte: Mn, Cr, Si, Ni, B (0,005 %) lagere toegestane afkoelsnelheid (scheurvorming) Beperken korrelgroei (V) Beperken ontlaatbrosheid (Mo) Precipitatie tijdens ontlaten (Mo, Cr) Hardheid behouden op hoge temperatuur (650°C) door secondaire harding in een Mo‐staal Er is pas sprake van roestvast staal als er meer dan 12% chroom aanwezig is. Hierdoor ontstaat een oxidatievaste chroomoxide‐laag Cr2O3, die we de σ‐fase noemen. Deze fase zet zich af aan de korrelgrenzen, en maakt het materiaal erg bros. Deze oxidatiehuid is echter wel gevoelig voor Cl‐ ionen. Door meer chroom toe te voegen wordt het austeniet‐gebied steeds kleiner, daarom wordt chroom ook wel een ferrietvormer genoemd. Dit komt omdat chroom een KVG‐structuur heeft. Nikkel daarentegen is een austenietvormer en heeft een KRG‐structuur. Non­ferro legeringen Enkele veelgebruikte non‐ferro legeringen: • • • Al‐legeringen 2,7 g/cm3 o o Goede corrosiebestendigheid o Goede warmte‐ en elektrische geleiding o E‐modulus = 70 GPa o KVG structuur: Goed vervormbaar (extrusie, smeden, walsen, draadtrekken) Geen taai/bros overgang o Sterkte: 40 MPa (onbehandeld, wordt beter door oplossingsharding (Mg), precipitatieharding en koud‐deformatie) o Temperatuursbestendigheid: Onbehandeld: 150 ‐ 200°C (in verband met kruip) Na toevoegen van Ni/Fe: 250°C Gesinterd Al + geoxideerd Al‐poeder (SAP): 500°C Mg‐legeringen o 1,8 g/cm3 o Slechte corrosiebestendigheid o Goede warmte‐ en elektrische geleiding o E‐modulus = 45 GPa o HDP structuur: Slecht vervormbaar Goed verspaanbaar o Sterkte Lage taaiheid door HDP structuur Sterkte opvoeren door oplossingsharding (Al), precipitatieharding (vaak Al Zn), Toevoegen van Zr voor fijnere korrels en betere vervormbaarheid Ni‐legeringen o Nikkel‐ijzer legeringen: Invar: Geen uitzetting tussen 0 en 100°C (competitie uitzetting en demagnetisatie) Covar: α van glas Elinvar: constante E‐modulus tussen 0 en 40°C o Nikkel‐koper legeringen Monel: zeer corrosiebestendig Constantaan: elektrische weerstand is niet afhankelijk van de temperatuur. Wordt gebruikt in gloeilampen. • • Zn‐legeringen o 7,1 g/cm3 o Goede atmosferische corrosiebestendigheid (deklaag op staal) o Zeer goede gietbaarheid met nauwkeurige toleranties o Minder goede vervormbaarheid o Lage kruipsterkte (Tm = 419°C, en kruip treedt op significant op bij 0,4Tm) Cu‐legeringen o 8,94 g/cm3 o Goede corrosiebestendigheid o Goede warmte‐ en elektrische geleiding o E‐modulus = 70 GPa o KVG structuur: Goed vervormbaar (extrusie, smeden, walsen, draadtrekken) Geen taai/bros overgang o Ongeleerd koper (elektrisch): Sterkte (gerekristalliseerd): 200 MPa Sterkte opvoeren door oplossingsharding (Cd), koud‐deformatie of precipitatieharding (Cr, Be & Co) In een waterstofrijke omgeving ontstaat waterdamp, tevens scheurvorming. Op te lossen door toevoegen van P, maar dan lagere geleidbaarheid. o Enkele koperlegeringen (constructief): CuZn: Messing CuSn: Brons, wordt onder andere gebruikt voor gietwerk. Porositeit na het gieten kan hierbij een probleem zijn. Bij lagers gebruiken ze lagerbrons. Dit zijn harde, slijtvaste δ‐deeltjes in een zachte α‐matrix. CuAl: Aluminiumbrons CuNi: o.a. Cupronikkel CuBe: Koper en beryllium, dit materiaal heeft bijzonder gunstige eigenschappen, namelijk hoge treksterkte (1400 MPa), uitzonderlijk goede warmte‐ en elektriciteitsgeleiding, stijf, hard en licht. Het wordt onder andere gebruikt voor puntlaselektroden en in de luchtvaartindustrie. Het wordt vervaardigd door achtereenvolgens homogeengloeien, afschrikken en ontlaten op 325°C. Hierdoor ontstaat een fijne verdeling van CuBe. Koud­deformatie en rekristalliseren Materialen kunnen sterker worden gemaakt door middel van koud‐deformatie (versteviging). Hierbij zorg je voor een toename van het aantal dislocaties. De effecten van koud‐deformatie kunnen ongedaan gemaakt worden door het verwarmen van het materiaal. Het materiaal doorloopt hierbij achtereenvolgens de volgende processen: • • • Herstel = herverdelen van de dislocaties Rekristallisatie = het ontstaan van nieuwe korrels op plaatsen met veel dislocaties Korrelgroei = het groeien van de nieuw ontstane korrels LET OP: Rekristallisatie kan alleen bij een minimale koud‐deformatie (kritische deformatiegraad) Hoofdstuk 17: Corrosie Corrosie is het ongewenst aantasten van een metaal. Er zijn 2 belangrijke soorten corrosie: • • Oxidatie (Chemische corrosie): Metaal staat elektronen af; zonder elektrische verschijnselen. Veel metalen maken op deze manier een binding met zuurstof. Het roesten van staal is echter geen zuivere oxidatie, maar gaat gepaard met elektrochemische corrosie. (Elektrochemische) corrosie: Metaal gaat in oplossing. Hiervoor is een elektrolyt (geleidende vloeistof) nodig. Dit proces verloopt via 2 halfreacties. De halfreacties verlopen alleen spontaan als de redoxpotentiaal van de reductie hoger is dan die van de oxidatie. Deze redoxpotentialen kun je opzoeken in een tabel met reductiereacties: o Reductiereactie (kathode, neemt elektronen op): 2 o Oxidatiereactie (anode, geeft elektronen af): 2 LET OP: Zink geeft elektronen af, dus is een reductor. De reactie noemen we echter een oxidatie‐reactie, zie hierboven: oxidatie = afgeven elektronen. Vormen van corrosie Enkele veelvoorkomende vormen van elektrochemische corrosie: • • • • • • • • • Gelijkmatige aantasting (cor‐ten staal) Put‐ en/of spleetcorrosie (RVS in zeewater, oorzaak: concentratieverschillen in elektrolyt) Impingement attack (snelstromende vloeistoffen in buizen beschadigen de oxide‐huid) Erosiecorrosie (vaste deeltjes van stromende vloeistoffen in buizen beschadigen oxidehuid) Cavitatiecorrosie (holtes in vloeistof met lage druk imploderen en beschadigen oxide‐huid) Spanningscorrosie (corrosie door spanning beneden de rekgrens samen met corrosief milieu) Vermoeiingscorrosie (corrosie door wisselende belastingen samen met corrosief milieu) Interkristallijne corrosie (RVS met plaatselijk minder dan 12% Cr) Contactcorrosie (2 metalen met daartussen een elektrolyt die elkaar gedeeltelijk raken) Corrosie door lokale concentratieverschillen in de elektrolyt Blank staal dat met water in aanraking komt gaat roesten, omdat er zuurstof in het water zit opgelost. Doordat er vaak oneffenheden, spleten (bijv. bij boutverbindingen) en dergelijke in stalen voorwerpen zitten, kunnen er lokale concentratieverschillen van de zuurstof in het water staan. Zuurstof komt namelijk minder goed door nauwe spleten heen. Deze locale concentratieverschillen van zuurstof in water kunnen ervoor zorgen dat het metaal op de ene plaats sneller roest dan op de andere plaats. Bij ijzer in water vinden bijvoorbeeld de volgende twee halfreacties plaats: 2 2 4 2 2 4 2 4 2 4 Aan de linkerkant van de vergelijking is te zien dat er zuurstof verdwijnt. Deze zuurstof wordt onttrokken aan de plek waar de zuurstofconcentratie het hoogst is, dus in het zuurstofrijke gebied. Aan de rechterkant is te zien dat er onder andere Fe2+ ionen ontstaan. Deze zullen juist ontstaan op de plek waar de zuurstofconcentratie het laagst is, dus op de plekken in het metaal die grenzen aan het zuurstofarme gebied. Je kunt dus zeggen dat de anode van dit systeem zich in het zuurstofarme gebied bevindt en de kathode in het zuurstofrijke gebied. Kathode en anode moeten echter elektrisch verbonden zijn om de redoxreactie te kunnen laten verlopen, hier zorgt het vaste ijzer voor. In het midden zitten dus verreweg de meeste Fe2+ ionen, en juist deze ionen zijn verantwoordelijk voor roestvorming. Bescherming tegen corrosie Enkele veelgebruikte manieren om materiaal tegen corrosie te beschermen: • • • • • Materiaalkeuze afstemmen op de omgeving Deklagen (verf, gegalvaniseerd ijzer, emaille pan, enz.) Constructie en fabricage o Voorkomen van stilstaand/ophopend water o Voorkomen van turbulentie o Voorkomen van te hoge restspanningen Kathodische bescherming (te beschermen metaal niet afdekken, maar elektrisch geleidend verbinden met een anode die nog onedeler is, zodat die eerst reageert en daardoor blijft het te beschermen materiaal toch intact, ondanks dat het helemaal onbeschermd blootgesteld wordt aan reactieve materialen) Verandering van omgeving (koelvloeistof gebruiken in plaats van kraanwater) Vorming van oxide De groei van de oxidelaag op een metaal hangt er vanaf of de oxidehuid poreus is of niet. Bij een poreuze laag kan de zuurstof er zo doorheen, waardoor de oxidelaag lineair groeit. Bij een gesloten oxidelaag zal de zuurstof er via diffusie doorheen moeten. Dit duurt veel langer, en de oxidelaag zal parabolisch (wortelfunctie) of logaritmisch groeien. Het Pilling‐Bedworth getal is een maat voor poreusheid: (PB=) M = molecuulgewicht oxide; d = dichtheid metaal; p = aantal metaalatomen in het oxide; m = atoomgewicht metaal; D = dichtheid oxide PB < 1 geeft trekspanning, PB > 1 geeft drukspanningen. PB iets groter dan 1 is het meest gunstig. Bescherming tegen oxidatie Naast elektrochemische corrosie moeten metalen ook beschermd worden tegen oxidatie. Dit kan op verschillende manieren: • • • Omgeving (inerte gassen tijdens het lassen van materialen) Materiaal (legeringen maken) Deklagen (Vergullen van tulpstekkertjes)
