Leerboek Materiaalkunde voor technici
advertisement
Leerboek Materiaalkunde voor technici Marcel Kooijman Marc Pallada Meer informatie over deze en andere uitgaven kunt u verkrijgen bij: Sdu Klantenservice Postbus 20014 2500 EA Den Haag tel.: (070) 378 98 80 www.sdu.nl/service © 2009 Sdu Uitgevers bv, Den Haag Academic Service is een imprint van Sdu Uitgevers bv 1e druk juni 2009 2e verbeterde oplage mei 2012 Zetwerk: Studio Bassa, Culemborg Omslag: Carlito’s Design, Amsterdam ISBN: 978 90 395 2466 4 NUR: 985 Alle rechten voorbehouden. Alle auteursrechten en databankrechten ten aanzien van deze uitgave worden uitdrukkelijk voorbehouden. Deze rechten berusten bij Sdu Uitgevers bv. Behoudens de in of krachtens de Auteurwet gestelde uitzonderingen, mag niets uit deze uitgave worden verveelvoudigd, opgeslagen in een geautomatiseerd gegevensbestand of openbaar gemaakt in enige vorm of op enige wijze, hetzij elektronisch, mechanisch, door fotokopieën, opnamen of enige andere manier, zonder voorafgaande schriftelijke toestemming van de uitgever. Voor zover het maken van reprografische verveelvoudigingen uit deze uitgave is toegestaan op grond van artikel 16h Auteurswet, dient men de daarvoor wettelijk verschuldigde vergoedingen te voldoen aan de Stichting Reprorecht (postbus 3051, 2130 KB Hoofddorp, www.reprorecht.nl). Voor het overnemen van gedeelte(n) uit deze uitgave in bloemlezingen, readers en andere compilatiewerken (artikel 16 Auteurswet 1912) dient men zich te wenden tot de Stichting PRO (Stichting Publicatie- en Reproductierechten Organisatie, Postbus 3060, 2130 KB Hoofddorp, www.cedar.nl/pro). Voor het overnemen van een gedeelte van deze uitgave ten behoeve van commerciële doeleinden dient men zich te wenden tot de uitgever. Hoewel aan de totstandkoming van deze uitgave de uiterste zorg is besteed, kan voor de afwezigheid van eventuele (druk)fouten en onvolledigheden niet worden ingestaan en aanvaarden de auteur(s), redacteur(en) en uitgever deswege geen aansprakelijkheid voor de gevolgen van eventueel voorkomende fouten en onvolledigheden. All rights reserved. No part of this publication may be reproduced, stored in a retrieval system, or transmitted in any form or by any means, electronic, mechanical, photocopying, recording or otherwise, without the publisher’s prior consent. While every effort has been made to ensure the reliability of the information presented in this publication, Sdu Uitgevers neither guarantees the accuracy of the data contained herein nor accepts responsibility for errors or omissions or their consequences. v Beknopte inhoud Voorwoord 1 Materiaalkeuze 2 Technische materiaalkeuze 3 Materiaal­eigenschappen 4 Materiaalkeuze­methoden 5 Modelvorming bij de materiaalkeuze 6 Keuze van de productietechniek 7 Materiaalkundig productonderzoek 8 Kunststoffen 9 Karakterisering van kunststoffen en hun verwerkingsprocessen 10 Kunststoffen en hun toepassingen 11 Technische keramiek 12 Metaalkunde 13 Metaalkunde: mechanisch gedrag van metalen 14 Metaalkunde: corrosie van metalen 15 IJzer 16 Aluminium 17 Koper 18 Nikkel 19 Overige non-ferrometalen: magnesium, titanium, zink Bijlagen vii 1 19 43 73 95 135 191 241 315 393 425 481 543 571 587 645 658 670 684 697 vii Voorwoord Er is al weer geruime tijd behoefte aan een nieuw boek over materiaalkunde op het niveau van het hoger beroepsonderwijs, dat tevens de brug slaat naar het wetenschappelijk onderwijs. Een boek dat zijn weg zal vinden onder ontwerpers, constructeurs en materiaalkundigen, maar ook toegankelijk is voor anderen die zijdelings met materiaalkunde te maken hebben, zoals bedrijfskundigen, forensisch onderzoekers en chemisch technologen. Steeds meer wetenschappelijke onderzoeksresultaten van de afgelopen vijftien jaar zijn inmiddels vertaald naar materiaalkundige toepassingen. De benadering van de materiaalontwikkeling heeft ook een verandering ondergaan. Dankzij nieuwe onderzoekstechnieken wordt de route van wetenschappelijk onderzoek naar technische toepassing van materialen steeds korter. Dat betekent dat materiaalkeuze en materiaalkunde de weg hebben afgelegd van een soort van rekenkundige opgave naar een meer toegepaste wetenschap. Het gevolg is, dat we de technici van nu, die belast zijn met de verantwoording voor de materiaalkeuze, meer dan ooit efficiënt moeten informeren over de materiaalkundige randvoorwaarden van hun keuzes. Daarnaast moeten we op effectieve wijze de veelheid van beschikbare materialen aan de moderne constructeurs en ontwerpers presenteren. Een boek over materiaalkeuze dus, maar met nadrukkelijke aandacht voor de fysische, chemische en productietechnische aspecten, maar ook voor de gebruiksaspecten van producten en hun materialen. Dit boek gaat dus over toegepaste wetenschap. Ondanks de omvang, is het slechts een korte samenvatting van alles wat mogelijk is op het gebied van de materiaalkeuze. Het is een boek met twee belangrijke leerdoelen. Ten eerste willen we ontwerpers en constructeurs leren te komen tot een zelfstandige en verantwoorde materiaalkeuze. Daarnaast willen we een brug slaan naar de wetenschap. Veel nieuwe materialen worden ontwikkeld. Technici van nu kunnen daar gebruik van maken, maar ze kunnen ook een bijdrage leveren aan de ontwikkeling ervan. Met dit boek wordt dit fascinerende vakgebied ontsloten. We dragen bij aan kennis van productmaterialen op een dermate hoog niveau, dat toepassing en onderzoek in elkaars verlengde kunnen liggen. In dit boek nemen we dat bijna letterlijk. De eerste zes hoofdstukken dragen bij aan materialenkennis en leiden op tot het doen van materiaalkeuze. We vervolgen met een hoofdstuk over materiaalkundige productanalyse, waarin we meerdere onderzoekstechnieken toelichten. Hiermee is de basis gelegd voor een zestal hoofdstukken over de theorie betreffende het gedrag van materialen, geordend naar de groepen kunststoffen, keramische materialen en metalen. Deze worden per groep gevolgd door een vijftal hoofdstukken over materialenkennis, waarmee de materiaalkeuze van groep kan worden verfijnd naar een keuze op materiaalspecificatie. Het boek is visueel opgezet. Veel beeldmateriaal is afkomstig uit de nalatenschap van Wim Bruis, die met goed gevoel voor educatie een enorm archief heeft verzameld bij zijn onderzoeken ten behoeve van productverbetering van viii Leerboek Materiaalkunde voor technici vele producten en alle materiaalgroepen. In zijn stijl is ook veel nieuw materiaal ontwikkeld, om materiaalkunde goed toegankelijk te maken. Bij de keuze per materiaalgroep maken we deels gebruik van de bijzonder inzichtelijke wijze van presenteren van de ‘methode Ashby’. Het boek legt hiermee een nadrukkelijke link naar zijn uitstekende (Engelstalige) serie boeken over methodische materiaalkeuze, en de hierop toegesneden Cambridge Engineering Selector, van Granta Design. Voor een meer gespecificeerde materiaalkeuze is meer materiaalkundige kennis nodig. Vandaar dat we de groepskeuze uitbreiden met kennis over specifieke legeringen. We gebruiken voor de materiaalspecificaties de meest gebruikelijke Europese normaanduidingen, welke met name ook aan de DIN gelieerd zijn. Op veel plaatsen in het boek hebben we verwijzingen opgenomen naar informatieve internetsites. Een totale lijst van deze links kan worden gedownload vanaf de website van de uitgever. De snelkoppelingen kunnen dan gemakkelijk worden aangeklikt op de eigen computer. Hierdoor komt veel aanvullend beeldmateriaal beschikbaar als aanvulling of verdieping bij de stof die in het boek behandeld wordt. We hopen dat nieuwe generaties van technici, opgeleid aan de universiteit of hogeschool, dankzij dit boek kunnen genieten van hun uitstekende kennis van materialen en dat ze deze kennis zullen benutten om de wereld te verrijken met vele goede ontwerpen. Maart 2009 Marcel Kooijman Marc Pallada ix Inhoud 1Materiaalkeuze 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 Materiaalkeuze in de techniek Materiaalkeuze – kaderstelling Materiaalkunde – kaderstelling Materiaalkeuze en ontwerpen Materiaalkeuze en de productlevenscyclus Samenvatting Steekwoorden Opgaven 1 4.5 1 2 6 10 12 16 16 17 4.6 2 Technische materiaalkeuze 19 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 Opbouw van materialen Materiaalkeuze bij kunststoffen Materiaalkeuze bij keramische materialen Materiaalkeuze bij metalen Materiaalkeuze bij composieten Deklagen Productlevenscyclus Steekwoorden Opgaven Opdrachten 19 24 30 31 34 36 38 39 39 40 3 Materiaal­eigenschappen 43 3.1 3.2 3.3 3.4 43 44 46 3.5 3.6 3.7 Denken in termen van eigenschappen Producteigenschappen Toepassingseigenschappen Vormeigenschappen en verwerkings­ eigenschappen Mechanische eigenschappen Fysische eigenschappen Chemische eigenschappen Steekwoorden Opgaven 4 Materiaalkeuze­methoden 73 4.1 4.2 4.3 4.4 Kiezen op gevoel Kiezen aan de hand van tabellen Kiezen op prioriteiten Combineren van eigenschappen 73 75 75 76 48 53 61 65 68 68 De materiaalkeuzediagrammen van Ashby – inleiding De materiaalkeuzediagrammen van Ashby – een selectie Steekwoorden Opgaven 82 90 90 5 Modelvorming bij de materiaalkeuze 95 5.1 5.2 5.3 5.4 5.5 5.6 Methodische materiaalkeuze Omzetten naar fundamenteel gedrag Mechanische eigenschappen Merit-parameters Kosten Materiaalkeuze Steekwoorden Opgaven 95 99 100 120 123 126 126 127 6 Keuze van de productietechniek 135 6.1 80 De plaats van productietechniek bij het ontwerpen 135 6.2 Karakterisering van de vervaardiging technieken 138 6.3 Variatie in materiaaleigenschappen ten ge­­volge van de levenscyclus van een materiaal 140 6.4 De mogelijkheden en beperkingen van productietechnieken 143 6.5 De wisselwerking tussen materialen en productietechnieken 146 Conclusie 164 6.6 Invloed van het aantal producten 167 6.7 De fabricagetijd van een product en de flexibiliteit 168 6.8 Milieuaspecten 170 6.9 Het systematische kiezen van een fabricage­ proces met behulp van de Ashby-methode 173 6.10 Het kiezen van een fabricageproces op basis van producteigenschappen 180 6.11 Het tijdstip van de keuze van een vervaardigingtechniek 183 Steekwoorden 186 Opgaven 187 Opdrachten 189 x Leerboek Materiaalkunde voor technici 7 Materiaalkundig productonderzoek 191 10 Kunststoffen en hun toepassingen 393 7.1 7.2 7.3 7.4 7.5 7.6 7.7 7.8 Visueel onderzoek Macroscopisch onderzoek Microstructuuronderzoek Lichtmicroscopie Elektronenmicroscopie Niet-destructieve onderzoekstechnieken Toepassing en interpretatie Schadeanalyse Samenvatting Steekwoorden Opgaven 192 193 196 201 205 210 222 230 237 237 238 10.1 10.2 10.3 10.4 10.5 Thermoharders Rubber en elastomeren Thermoplastische elastomeren Thermoplasten Polymeermengsels 393 398 402 403 423 11 Technische keramiek 425 8Kunststoffen 241 8.1 8.2 8.3 8.4 241 249 261 Polymeerchemie Moleculaire opbouw Thermodynamica Gedrag van kunststoffen tijdens verwerking Mechanisch gedrag Degradatie van kunststofproducten Opgaven 270 280 291 310 9 Karakterisering van kunststoffen en hun verwerkingsprocessen 315 9.1 9.2 9.3 9.4 9.5 9.6 9.7 9.8 9.9 9.10 9.11 Vormgeven vanuit vloeibare fase Vormgeven vanuit de rubberfase Verspanen Rapid prototyping Verwerken van rubbers en elastomeren Verwerken van kunststofcomposieten Oppervlakteveredeling Verbinden van kunststoffen Hergebruik van kunststoffen Construeren in kunststoffen Enkele constructieregels voor kunststof producten Opgaven 8.5 8.6 316 325 328 329 332 336 340 348 353 354 381 389 11.1 11.2 11.3 11.4 Inleiding 425 Sterkte van keramische materialen 426 Gesinterde keramieken 439 Gegoten, gespoten en getrokken keramieken 447 11.5 Keramiekvezels 455 11.6 Ontwerpen in keramiek 457 11.7 Materiaaleigenschappen van de klassieke keramieken 464 11.8 Materiaaleigenschappen van glassoorten 469 11.9 Materiaaleigenschappen van koolstof 473 11.10 Materiaaleigenschappen van hardmetaal 476 Steekwoorden 478 Opgaven 478 12Metaalkunde 481 12.1 Materiaalkunde van de metalen 12.2 Diffusie en oppervlakteharding­behandelingen 12.3 Leveringstoestanden 12.4 Vormgeheugengedrag Samenvatting Steekwoorden Opdrachten 481 13 Metaalkunde: mechanisch gedrag van metalen 13.1 13.2 Mechanisch gedrag van metalen Warmtebehandelen als middel om mecha­ nische eigenschappen te beïnvloeden Samenvatting Steekwoorden Opgaven 528 533 535 539 540 540 543 543 566 569 569 569 xi Inhoud 14 Metaalkunde: corrosie van metalen 571 Bijlagen 697 14.1 14.2 Corrosie – elektrochemie Corrosiebestrijding Steekwoorden Opdrachten 571 583 584 584 Bijlage A: Eigenschappen van materialen Bijlage B: Vergelijkingstabellen Bijlage C: Materiaalkeuze en modellen Bijlage D: Materiaalkundige woordenlijst Engels/Nederlands Bijlage E: Literatuurbronnen Bijlage F: Internetbronnen 697 712 744 15IJzer 587 15.1 15.2 15.3 15.4 15.5 15.6 587 597 601 604 606 631 643 Structuurtoestanden Legeringelementen Aanduidingssystemen van ijzerlegeringen Warmtebehandelingen van ijzerlegeringen Stalen: kneedlegeringen IJzer: gietlegeringen Steekwoorden 16Aluminium 645 16.1 16.2 16.3 16.4 645 652 654 655 657 Structuurtoestanden en legeringelementen Kneedlegeringen Gietlegeringen Thixotroop gietbare legeringen Steekwoorden 17Koper 658 17.1 17.2 658 664 Inleiding Koperlegeringen 18Nikkel 670 18.1 Inleiding 670 18.2 Toestandsdiagrammen 672 18.3 Overzicht warmvaste en corrosiebestendige nikkellegeringen 677 18.4 Warmtebehandelingen 679 18.5 Speciale toepassingen 681 19 Overige non-ferrometalen: magnesium, titanium, zink 684 19.1 19.2 19.3 19.4 Inleiding Magnesium Titanium Zink 684 684 688 692 787 797 801 xii Leerboek Materiaalkunde voor technici Boekwijzer Bij het bladeren door het boek zal het de lezer niet ontgaan dat er handige “duimen” op de bladzijde te vinden zijn, in kleuren die een eenheid uit­ beelden. Hierin is de structuur van het vakgebied van de materiaalkunde in kleur te herkennen. Materiaalkunde is de leer die ons een beeld geeft van wat de diverse eigenschappen van materialen kunnen zijn. Dit maakt het mogelijk om te komen tot een goede materiaalkeuze, waarbij we nuttig gebruik maken van die eigenschappen. Daartoe is een goede materialenkennis onontbeerlijk. We beginnen met een inleiding tot materiaalkeuze: hoofdstuk 1 tot en met 6. Dit levert al zoveel materialenkennis en inzicht op, dat een eerste keuze van de materiaalgroep gedaan kan worden. We vervolgen met hoofdstuk 7, dat inzicht verschaft in het wezen van de ­materialen, en dat een aanschouwelijke opstap biedt naar de materiaalkunde. In de hoofdstukken 8 en 9 gaan we in op de materiaalkunde van kunststoffen. We vervolgen met hoofdstuk 10 met vele kennis feiten van de verschillende kunststoffen In hoofdstuk 11 behandelen we in één hand de materiaalkundige grondslagen en de kennis van de keramische materialen. De metalen, tenslotte, komen met hun specifieke metaalkunde aan bod in hoofdstuk 12, over de thermodynamica, hoofdstuk 13 over de dislocatietheorie en hoofdstuk 14 over corrosieleer. We sluiten af met de hoofdstukken 15 tot en met 19, met vele gegevens van metalen. Materiaalkunde Materiaalkeuze Hoofdstuk 1 inleiding Hoofdstuk 2 materiaalkeuze processen Hoofdstuk 3 eigenschappen Hoofdstuk 4 keuzemethodieken Hoofdstuk 5 modelvorming Hoofdstuk 6 productiekeuze Hoofdstuk 7 onderzoeksmethoden Hoofdstuk 8 kunststoffenleer Hoofdstuk 9 construeren in kunststof Hoofdstuk 11 keramische materialen Hoofdstuk 12 thermodynamica Hoofdstuk 13 dislocatietheorie Hoofdstuk 14 corrosieleer Materialenkennis Hoofdstuk 10 de kunststoffen Hoofdstuk 11 keramische materialen Hoofdstuk 15 ijzerlegeringen Hoofdstuk 16 aluminiumlegeringen Hoofdstuk 17 koperlegeringen Hoofdstuk 18 nikkellegeringen Hoofdstuk 19 zink, titaan, en magnesium 1Materiaalkeuze Na het bestuderen van dit hoofdstuk heb je inzicht in: – de plek van de materiaalkeuze in de productlevenscyclus; – het belang van een goed pakket van eisen; – de invloed van ontwerpkeuzes (waaronder de materiaalkeuze) op de levenscycluskosten; – de globale eigenschappen van de verschillende materiaalgroepen. Bij het maken van de oefeningen: – verken je de mogelijke productietechnieken die gebruikt kunnen worden voor verschillende producten; – leer je meedenken met de ideeën van anderen; – gebruik je het pakket van eisen als communicatiemiddel; – vergelijk je producten met behulp van levenscycluskosten. 1.1 Materiaalkeuze in de techniek De mens heeft al een lange historie van het maken van werktuigen achter zich. Daarbij is een veelheid van materialen toegepast. Soms waren dat natuurlijk gevormde materialen, zoals steen, been, hout en hars, maar ook ontdekte men al vroeg dat door behandelingen als drogen, gloeien of door zonlicht, materialen andere eigenschappen kregen waardoor ze voor nieuwe toepassingen geschikt werden. Een deel van de materialenkennis is verkregen door uitproberen, dus in feite door experimenteel bepaalde eigenschappen toe te passen. Vaak ook zijn toepassingen ontstaan door slim te kijken naar de aard van de toepassing en te concluderen dat, als een bepaald materiaal voor iets anders geschikt was waarbij vergelijkbare functies te vervullen waren, dan ook dit materiaal voor een nu te bedenken product te gebruiken was. Je kunt bijvoorbeeld denken aan steen dat geschikt is voor hakwerktuigen en dus ook voor snijgereedschappen, tegenwoordig vervangen door gereedschapsstaal. Of aan huiden en lakdoek voor het afdekken tegen regen, en dus ook tegen wind, tegenwoordig vervangen door nylon of polyesterdoek. Dit boek gaat het proces van de materiaalkeuze meer inhoud geven. We gaan kijken naar slimme strategieën om materialen te kiezen, maar ook naar de meer wetenschappelijke kanten van materialen en hun eigenschappen. Bij het kiezen van een materiaal heb je materialenkennis nodig, ofwel kennis van de eigenschappen van materialen en van de betekenis van die eigenschappen. Daarover gaat het eerste deel van dit boek bestaande uit hoofdstuk 1 tot en met 7. Op zich kun je aan de hand van inzicht in de eisen die een product stelt en met behulp van allerlei kennis van eigenschappen al allerlei materialen kiezen voor producten. Met behulp van productmodellen zijn dit ook legitieme materiaalkeuzes. Toch is het nodig om enerzijds de keuzes te valideren aan de hand van meer kennis van de mogelijkheden en beperkingen van de verschillende materialen en anderzijds door met deze extra kennis aan producten een meerwaarde te kunnen geven. Daarover gaat het tweede deel Materiaalkeuze 1 2 Leerboek Materiaalkunde voor technici van het boek (hoofdstuk 8 t/m 19). Het eerste deel gaat dus over materiaalkeuze, het tweede deel gaat over materiaalkunde. Soms zijn de eigenschappen van een materiaal te verbeteren met het oog op een bepaalde toepassing. Polyetheen kan door mengen met weekmakers zachter gemaakt worden voor een toepassing als een tuinslang, goud kan door smeden harder worden gemaakt voor sterke sieraden, staal kan roestvast gemaakt worden door het te legeren met chroom waardoor een nieuw materiaal ontstaat. Om iets te kunnen begrijpen van de werking van dit soort materiaalmodificatieprocessen is het van belang ook voldoende te weten van de fundamenten van materiaalgedrag en daarmee van materiaalkunde. Bij het kiezen van materialen heb je ook inzicht nodig in de eisen die het product stelt en in de vertaalslag van die eisen naar de gewenste materiaal­ eigenschappen. Het kiezen van een materiaal hangt dus samen met waar het voor bedoeld is, maar hangt ook samen met hoe je een werktuig wilt maken. Wat het eerste betreft spelen de functie, de grootte en de vorm van het werktuig een rol; wat het tweede betreft spelen de beschikbare productieprocessen een rol, en ook verschillende economische afwegingen die soms met de seriegrootte samenhangen. Ook de beschikbaarheid van de materialen speelt een grote rol. Hierin is een verschuiving te zien doordat we tegenwoordig een veelheid van transportmiddelen kennen, waardoor we niet met lokale bronnen hoeven te werken, en dus materialen van ver kunnen laten komen, uiteraard met inbegrip van de transportkosten. De te gebruiken materialen laten zich vanuit verschillende invalshoeken indelen in de steenachtige keramieken, de metalen en de (eventueel natuurlijke) polymeren. Ook zijn combinaties van de verschillende materialen mogelijk in de zogeheten composieten. Vroege voorbeelden hiervan zijn de met wilgentakken versterkte leemmuren van hutten, die opgevolgd zijn door het gewapend beton van nu. Daarnaast vallen glasvezelversterkte kunststoffen onder de composieten. Als we kijken naar de relatieve mate van gebruik van deze materialen, ontstaat het beeld zoals weergegeven in figuur 1.1. 1.2 Materiaalkeuze – kaderstelling Het is goed om helder te hebben wat de plaats is van de verschillende deel­ vakgebieden die onderdeel uitmaken van, of relaties hebben met de materiaalkeuzewetenschappen. Hierdoor krijg je ook een goed gevoel van de mogelijkheden om door een goede materiaalkeuze tot betere producten te komen. 1.2.1Materiaalkeuze Door het zoeken naar een match tussen gewenste eigenschappen en vergelijkbare materiaalkenmerken wordt een geschikt materiaal gevonden. Dat betekent dat er een relevant pakket van eisen moet worden opgesteld, waar een aantal kandidaat-materialen worden ingepast en beoordeeld op hun geschiktheid. Zowel het zoekproces als het keuzeproces moet reproduceerbaar worden uitgevoerd en dus worden gedocumenteerd. Dit betekent ook dat er consensus is over de te gebruiken termen voor eigenschappen. Als iemand 3 10 000 BC GOLD 0 5 000 BC COPPER 1000 BRONZE IRON 1500 1900 1960 1980 AL - LITHIUM ALLOYS STEEL DUAL PHASE STEELS GLUES 2010 2020 DEVELOPMENT SLOS: MOSTLY QUALITY CONTROL AND PROCESSING MICROALLOYED STEELS NEW SUPER ALLOYS LIGHT ALLOYS RUBBER POLYMERS, ELASTOMERS SUPER ALLOYS PAPER TITATIUM ZIRCONIUM etc. STONE FLINT POTTERY HIGH TEMPERATURE POLYMERS ALLOYS COMPOSITES HIGH MODULUS POLYMERS CERAMICS COMPOSITES POLYESTERS METAL-MATRIX NYLON EPOXIES COMPOSITES PE PMMA ACRYLICS KELVAR-FRP CERAMICS, GLASSES PC PS PP CFRP GFRP TOUGH ENGINEERING FUSED PYROCERAMICS (Al2O3, Si3N4, PSZ etc.) CERMETS CERAMICS SILICA BAKELITE GLASS CEMENT REFRACTORIES CERAMICS, GLASSES PORTLAND CEMENT M F A 86 5 000 BC 2000 METALS ALLOY STEELS COMPOSITES STRAW-BRICK 1990 GLASSY METALS CAST IRON WOOD SKINS FIBRES 10 000 BC 1940 METALS POLYMERS, ELASTOMERS RELATIVE IMPORTANCE 1800 Materiaalkeuze 1 – Materiaalkeuze 0 1000 1500 1800 1900 1940 1960 1980 1990 2000 2010 2020 DATE Figuur 1.1 Materiaalgebruik door de eeuwen heen (Bron: M.F. Ashby, Materials Selection in Mechanical Design, Pergamon Press) materiaal zoekt dat ‘rood, slagvast en flexibel’ is, dan moet men het erover eens zijn wat precies met de termen bedoeld wordt. Het eisenpakket moet ook uitsluitsel kunnen geven over welk rood, hoe slagvast en hoe flexibel het materiaal moet zijn. Ten behoeve van de materiaalkeuze zal een (vaak wiskundig) model moeten worden gemaakt van het product waarvoor de materialen moeten worden gekozen. Dit model vormt de vertaalslag van het materiaaleisenpakket naar de materiaalparameters zoals ze door middel van genormeerde proeven zijn bepaald. 1.2.2Materialenkennis Om te weten of er een mogelijke match gevonden kan worden tussen gewenste eigenschappen en de in het materiaal veronderstelde kenmerken, zal er een lijst van materiaaleigenschappen moeten worden geraadpleegd. Daarvoor is het nodig om te weten hoe de eigenschappen bepaald zijn, zodat begrepen kan worden of de eigenschap past bij de bedachte toepassing. Kennis van de meetmethoden is dus nodig om te kunnen inschatten of bij toepassing van het materiaal er overeenkomstig gedrag ontstaat als bij de meetmethoden. Dit helpt mede bij het valideren van het op te stellen productmodel. Ook hier geldt dat men de namen voor de verschillende gemeten eigenschappen zal moeten kennen (en in de eisenformulering zal moeten herkennen) om het eens te worden over de toepasbaarheid. Dit zijn de eerdergenoemde materiaal- 4 Leerboek Materiaalkunde voor technici parameters. Veel materialenkennis is verzameld in tabellen en zogeheten datasheets en hier kunnen ontwerpers hun voordeel mee doen. Een tweede bron van materiaaleigenschappen wordt gevormd door een overzicht van ‘vergelijkbare’ producten en de daarvoor gekozen materialen. Hierbij moet men wel inzicht hebben in de keuzecriteria die bij deze vergelijkbare producten zijn gebruikt. Stel dat je materiaal zoekt voor de behuizing van een laptopcomputer, en je meent dat koffiezetapparaten, zakrekenmachines en televisies tot de ‘vergelijkbare producten’ kunnen worden gerekend – want ze zijn ‘kleurbaar, grote serie en ook elektronica bevattend’ –, dan vergeet je wellicht te zien dat bij koffiezetapparaten de temperatuurbestendigheid van belang is, zakrekenmachines klein zijn en televisies minder krachten te verwerken krijgen, zodat hiervoor een ander materiaal vereist kan zijn. Het grote en kwetsbare scherm van een laptop vraagt om een grotere mechanische stabiliteit van de behuizing dan de andere producten. Kijken naar andere producten kan je dus op weg helpen, maar je moet wel oog hebben voor de verschillen. 1.2.3Werktuigbouwkunde en productontwikkeling Materiaalkeuze is een onderdeel van het proces van het bedenken en maken van producten. In deze productontwikkeling zijn verschillende fasen aan te wijzen: van ideegeneratie en informatiefase tot ontwerpfase, maakfase en marketing. Werktuigbouwkunde is letterlijk de ‘kunde van het bouwen van werktuigen’ en in dit vakgebied komen we dan ook het technisch ontwerpen, het construeren, de productietechniek en de materiaalkunde als belangrijke pijlers tegen. Kijken we naar de levenscyclus van producten, dan komen we vanzelf al deze vakgebieden tegen: Ideegeneratiefase Ontwerpfase Constructiefase Productievoorbereiding Productiefase Inpakken Verkoop Gebruiksfase Recycling Werktuigbouwkundige Productontwikkeling De materiaalkeuze heeft invloed op, en wordt beïnvloed door aspecten uit alle fasen van de productlevenscyclus. Het zal dus altijd nuttig zijn om ook als men al een idee heeft van welk materiaal geschikt zou kunnen zijn, nog even stil te staan bij deze invloeden. We stellen per fase steeds twee vragen: 1 Hebben we aan alle eisen met betrekking tot deze fase voldaan? 2 Heeft de beoogde materiaalkeuze nog iets speciaals toe te voegen in deze fase? Binnen de werktuigbouwkunde en de productontwikkeling liggen veel antwoorden op deze vragen die speciaal aandacht vragen, in verband met 5 maakbaarheid, functionaliteit en werking van producten. Tussen ontwerp, constructie, productie en materiaalkunde liggen talloze mogelijke verbanden die de materiaalkeuze in positieve of negatieve zin kunnen beïnvloeden. Het (technisch) ontwerpen van een product houdt voornamelijk verband met de functionele en werkingsaspecten. De juiste materialen kunnen hier sterk aan bijdragen, zoals rubber om grip te geven, metalen voor stijfheid of hout of kunststoffen om lichte constructies te maken. Het construeren (engineering) van een product gaat samen met het modelmatig toepassen van allerlei materiaaleigenschappen in berekeningen, waarin de werking van producten wordt bewezen, of ontkracht (zodat soms een ander materiaal gekozen moet worden). Materiaalkeuze en produceerbaarheid hangen altijd sterk samen. De verschillende verbanden worden onder andere duidelijk in producten die bijvoorbeeld nogal wat dubbelgekromde oppervlakken bevatten. Hierdoor ontstaat de vraag of het te gieten is, en er gezocht moet worden naar een materiaal dat gietbaar is, en bovendien de juiste mechanische, fysische en chemische eigenschappen bezit voor het product. 1.2.4Productietechnologie Bij het maken van een product komen allerlei specialistische soorten van kennis kijken. Om te beginnen moet de grondstof worden vervaardigd. Dit is het vakgebied van chemisch technologen. Vervolgens wordt de grondstof verwerkt tot halffabricaten en eindproducten. Hierbij worden technieken gebruikt als gieten, oervormen, omvormen, scheiden en samenvoegen. Binnen elk van deze begrippen liggen tal van specialistische productiemethoden besloten, zoals omsmelten, zandgieten, spuitgieten, walsen, smeden, zagen, draaien, frezen, lassen, lijmen, schroeven en vastklikken. Elk van deze technieken heeft zo haar sterke en zwakke kanten als het gaat om de combinatie met een van de materiaalgroepen kunststoffen, metalen en keramieken. Sterkte en zwakte worden hierbij bepaald door de materiaalkeuze, maar ook door producteisen zoals seriegrootte, afwerking, vormgeving, grootte, onderhoud, kostprijs en wanddikte. De materiaalkeuze komt in de eerste plaats voor in technische vragen als: Kan ik dit materiaal boren, lassen, spuitgieten, smeden, …? Vervolgens komen er vragen als: Welke oppervlaktekwaliteit levert deze techniek met dit materiaal? Zijn er snellere, goedkopere, mooiere methoden? Heeft de gekozen productietechniek een materiaalkundige meerwaarde? (Door hogere sterkte of betere verschuiming of minder poriën of minder nabewerkingen of een verbeterde corrosievastheid.) De materiaalkeuze stelt dus eisen aan de productiekeuze maar de productiekeuze stelt ook eisen aan de materiaalkeuze en bovendien kunnen ze nog een toegevoegde waarde hebben ten opzichte van elkaar. Hierop gaan we hierna kort in. 1.2.5 Integraal ontwerpen Is de materiaalkeuze werktuigbouwkundig te verantwoorden, dan liggen er in de andere fasen van de productlevenscyclus nog tal van obstakels. We moeten dan bijvoorbeeld beoordelen of de materiaalkeuze milieutechnisch, econo- Materiaalkeuze 1 – Materiaalkeuze 6 Leerboek Materiaalkunde voor technici misch, gebruikstechnisch, bedrijfskundig en esthetisch verantwoord is. Milieutechnisch verantwoord wil zeggen dat de energie nodig om het materiaal te maken, te verwerken, te bewerken en te recyclen te verantwoorden is, en dat bij winning, gebruik en recycling van het materiaal geen nettomilieuschade ontstaat. Economisch en bedrijfskundig verantwoord wil zeggen dat de materiaalkeuze bijdraagt aan de instandhouding van de economische ketens rondom het product, dus dat betrokken bedrijven geen onverantwoorde investeringen of inkopen hoeven te doen, en dat de materiaalkeuze niet zo duur is dat er een nicheproduct ontstaat dat slechts een kleine afzetmarkt kent. Soms, bijvoorbeeld bij sieraden, wordt dit laatste overigens nagestreefd. Gebruikstechnisch verantwoorde materiaalkeuze draagt ook bij aan de instandhouding van de ketens, omdat de gebruiker dan geen ongemakken ervaart van de materiaalkeuze. Hierbij komen zaken als niet te zwaar, te licht, voldoende grip en prettig aanvoelen aan bod. Onderdeel van het gebruik is bovendien het onderhoud; ook hier kan de materiaalkeuze van invloed zijn op zaken als demonteerbaarheid, smering, gebruikstijd en productieverlies door stilstand. 1.3 Materiaalkunde – kaderstelling Een deel van de materiaaleigenschappen is bepaald toen men onderzoek deed naar het gedrag van materialen in het algemeen, om voornamelijk fysische en chemische grootheden van vaste stoffen te bepalen. Daarnaast zijn veel materiaaleigenschappen bepaald om inzicht te verkrijgen in de werking en opbouw van de materie. In de vastestoffysica en de fundamentele chemie zijn eigenschappen als warmtegeleiding, soortelijke massa, smeltpunten, elektrische geleiding en chemische bestendigheid in kaart gebracht. Dit wetenschappelijke werk van de onderzoekers is ook van belang voor ontwerpers, omdat zij hieruit kunnen begrijpen (soms intuïtief) wat voor gedrag het materiaal bij bepaalde toepassingen zal vertonen. Daarnaast is deze materiaalkunde van belang om te kunnen beseffen waar de grenzen van de toepassingsmogelijkheden liggen. In de materiaalkundige eigenschappen liggen verschillende argumenten besloten om de materialen op te delen in drie hoofdgroepen: de metalen, de kunststoffen en de keramische materialen. Voornamelijk als wordt gekeken naar de samenstelling en de structuur van materialen zal blijken dat verschillende overeenkomsten of verschillen niet toevallig zijn. Metalen als koper en aluminium, keramieken als alumina (‘porselein’) en glas, en kunststoffen als PVC en nylon hebben in hun groep overeenkomsten, maar zijn duidelijk verschillend van de andere groepen. 1.3.1Metaalkunde Metalen zijn smeedbaar, goed stroomgeleidend, goed warmtegeleidend, glanzend en vrijwel altijd kristallijn (met dus geordende atomen). Als we de samenstelling van metalen – en daarmee de eigenschappen – willen veranderen, dan komt dat er eigenlijk altijd op neer dat we andere atomen in de roosterstructuur aanbrengen. Dit gebeurt door middel van diffusieprocessen 7 op atomaire schaal na mengen in een smeltbad, of soms door diffusie van gasatomen in het metaal. We noemen dit legeren. Een tweede methode om de eigenschappen van metalen te wijzigen is het smeden of anderszins plastisch omvormen van metalen (ook door buigen of walsen). Dit leidt tot verandering van de kristalvorm, maar vooral ook tot verandering van de spanningstoestand, en daarmee tot verandering van de eigenschappen. Het feit dat het mogelijk is om metalen plastisch te vervormen, leidt ertoe dat we van metalen zeer lange producten kunnen maken. Het kunnen smeden en het kunnen legeren zijn twee eigenschappen die de leer der metalen ofwel de metaalkunde wezenlijk anders maken dan de kunststoftechnologie en de keramiektechnologie. We gaan hierop in de hoofdstukken 12, 13 en 14 uitgebreid in. 1.3.2Kunststoftechnologie Pas sinds circa 1910 worden er in de techniek stoffen gebruikt, die door middel van chemische reacties uit organische stoffen kunnen worden gemaakt, en die in uitgeharde toestand het gedrag van vaste stoffen vertonen. Deze kunststoffen hebben behalve hun organische en chemische oorsprong ook met elkaar gemeenschappelijk dat ze bij relatief lage temperaturen in vloeistofvorm tot producten kunnen worden verwerkt. Dit verwerken uit vloeistof – door smelten of door oplossen – gaat dermate eenvoudig dat er allerlei giet-, persen kneedtechnieken (zoals kunststofextrusie) zijn ontwikkeld om direct producten uit grondstof te kunnen vervaardigen. De eindeigenschappen van de kunststofproducten zijn daardoor vaak sterk afhankelijk van de verwerkingscondities. Vandaar dat we voor begrip van het gedrag van kunststoffen niet alleen naar de kunststofkunde kijken, maar eerder naar de meeromvattende kunststoftechnologie, waarbinnen ook polymeertechnologie en productietechnologie een plaats hebben. In de hoofdstukken 8 en 9 gaan we hier uitgebreider op in. Ook kunststoffen kunnen gelegeerd worden door andere stoffen in een basismateriaal te mengen. We noemen dit echter geen legeren maar mengen, omdat er een paar grote verschillen zijn met de vergelijkbare processen bij metalen. Om te beginnen gebeurt dit mengen van een kunststof met een andere stof niet op atomaire schaal maar op macromoleculaire schaal, of zelfs op de schaal van zichtbare mengcomponenten. De verschillende componenten behouden dus hun eigen eigenschappen. Dit levert een tweede belangrijk verschil op met het legeren: het mengsel zal eigenschappen van de verschillende componenten overnemen. Een mengsel van polystyreen en rubber krijgt zo de glans van polystyreen en de slagvastheid van rubber mee. Dit gebeurt dus niet bij metalen. Als je koper in ijzer legeert, wordt de warmtegeleiding van het ijzer niet beter maar slechter. 1.3.3Keramiektechnologie Steenachtige materialen zoals natuursteen, been en gebakken klei worden al sinds mensenheugenis gebruikt voor allerlei producten. Door een sterke verbetering van in feite de pottenbakkerstechnieken is het inmiddels mogelijk om technische keramieken uit poeder onder hoge druk te bakken (sinte- Materiaalkeuze 1 – Materiaalkeuze 8 Leerboek Materiaalkunde voor technici ren), waardoor porievrije materialen ontstaan met de hardheid en slijtvastheid van natuursteen én met het vormgevingsgemak van kleitechnologie. Ook voor deze groep van materialen geldt dat de eindeigenschappen tegelijk met het product ontstaan en dat deze dus mede afhankelijk zijn van de productiecondities. Materiaalparameters als korrelsamenstelling, korrelvorm en korrelgrootte bepalen samen met productvorm, perstijd, baktemperatuur en baktijd de materiaaleigenschappen. We kijken dus ook bij deze groep niet alleen naar de keramiekkunde maar vooral ook naar de technologie om iets te kunnen zeggen over eindeigenschappen en daarmee over toepasbaarheid. We zullen hier meer over laten zien in hoofdstuk 11. 1.3.4Materiaalmodificatiekunde De eigenschappen van de verschillende materialen zijn bruikbaar voor allerlei toepassingen, maar soms is het handig om lokaal andere eigenschappen te hebben, of om de eigenschappen nog verder te verbeteren. Voorbeelden zijn een as die alleen aan de oppervlakte hard moet zijn, of een zachte schuimzitting, waarvan de oppervlakte met water afneembaar moet zijn, dus van een andere kunststof. Of een stof met de sterkte van staal, maar met de taaiheid van een kunststof, of een metaal met de roestbestendigheid van keramiek. Dit vraagt om allerlei creatieve oplossingen, soms met gebruik van fundamentele materialenkennis. In het geval van metalen zijn er allerlei warmtebehandelingen mogelijk, vaak in combinatie met de juiste legeringelementen. Hierdoor wordt de kristalstructuur van het metaal zodanig veranderd dat de gewenste eigenschappen ontstaan. Metalen kunnen ook worden voorzien van deklagen van kunststof of van keramiek (emailleren, eloxeren, fosfateren, verven), en bovendien kan men gelaagde materialen maken van metaal afgewisseld met bijvoorbeeld glasvezelversterkte epoxy (‘Aral’). Ook bestaan er keramiekvezelversterkte metalen (bijvoorbeeld siliciumcarbideversterkt aluminium). Het legeren, ofwel op atomaire schaal ‘vreemde’ atomen her en der aanbrengen, werkt ook bij de keramieken, zij het dan dat deze niet door warmtebehandelingen worden beïnvloed, maar er wordt simpelweg een ander poeder gebruikt. Keramiek wordt zelden gemengd met andere materialen. Wel kunnen andere keramieken als deklaag worden aangebracht (glazuren). Kunststoffen worden zelden warmtebehandeld (soms om spanningen eruit te gloeien), en tussen de ruime ketenstructuur doen ‘vreemde’ atomen weinig. Ze worden dus niet gelegeerd op atomair niveau, maar gemengd op macromoleculair niveau of zelfs op macroscopisch niveau. (Een macromolecuul is een atomair gebonden cluster atomen van tientallen tot soms wel enkele duizenden atomen groot.) Dit kan betekenen dat er pigmentmoleculen worden toegevoegd voor de kleur, olieachtige moleculen voor het weker maken, of bijvoorbeeld teflonmoleculen voor een smerende werking. Eveneens op macromoleculair niveau kennen we mengsels van rubberachtige kunststoffen en glanzende harde kunststoffen om slagvaste glanzende producten te kunnen maken. Op macroscopisch niveau kennen we bovendien de glasvezel- of carbonvezelversterkte kunststoffen en de laminaten, waarbij lagen van verschillende materialen op elkaar gebruikt worden. Hierbij bestaat de modificatie uit het toevoegen van een aantal eigenschappen van het ene 9 materiaal aan de eigenschappen van een ander materiaal. Vaak komt zelfs het ene materiaal uit een geheel andere groep van materialen. Glasvezelversterkte kunststof is een voorbeeld, waarbij keramische vezels met een matrix van kunststof gecombineerd worden. Het brosse, stijve glas levert dan met de taaie slappe kunststof een relatief taai en stijf materiaal op. Een ander voorbeeld is gepoedercoat (‘geverfd’) staalplaat, waarbij de stijfheid en sterkte van het chemisch onbestendige staal worden gecombineerd met de kleurbaarheid en de chemische bestendigheid van het zwakke en slappe kunststof. 1.3.5 Productietechnologie – Materiaalkundig Een van de manieren om de eigenschappen van metalen te beïnvloeden is smeden. De metaalkunde geeft allerlei antwoorden over wat de effecten van smeden zijn. Door slim te smeden kun je bovendien zorgen dat de juiste eigenschappen op de juiste plaats komen. Als een metaal niet smeedbaar blijkt, kunnen er soms warmtebehandelingen gevonden worden waardoor het toch smeedbaar wordt. Zo zijn er ook warmtebehandelingen om de verspaanbaarheid of om de polijstbaarheid te verbeteren. Omgekeerd kunnen processen als polijsten of oppervlakkig smeden de materiaaleigenschappen beïnvloeden; de vermoeiingssterkte gaat omhoog. Ook voor kunststoffen liggen er soortgelijke relaties tussen fabricageparameters en materiaaleigenschappen. Er is bijvoorbeeld een techniek zoals extruderen, die lijkt op de manier waarop uit deeg spaghetti wordt gemaakt. De kunststofstaaf die echter ontstaat, kan terwijl hij uit de extruder loopt in eigenschappen beïnvloed worden door er aan te trekken. Zo kan onder meer, ondanks de elastische eigenschappen van verschillende kunststoffen toch een precieze maatvoering worden bereikt. Ook kan men door bepaalde giettechnieken toe te passen spanningsarme kunststoffen gieten met andere eigenschappen dan de geëxtrudeerde staaf. Onder andere oriëntatie van de molecuulketens wordt hierdoor beïnvloed. Deze kennis kan ook worden gebruikt om in spuitgietproducten de juiste ketenoriëntatie op de juiste plek te krijgen en deze als het ware in te vriezen bij de afkoeling van het product. Het mag duidelijk zijn: we gaan ook in de materiaalkunde kijken naar relaties met productie-eigenschappen. In het bijzonder in hoofdstuk 6 wordt hier dieper op ingegaan. 1.3.6 Materiaalkeuze Het doel van dit boek is materiaal te kunnen kiezen voor gebruik in producten. Dit leren we in de eerste zes hoofdstukken. Met behulp van de eerste vijf hoofdstukken en de bijlagen kun je al voor allerlei producten de meest geschikte materiaalgroepen selecteren. Aan de hand van kennis van de materiaaleigenschappen (uit tabellen, grafieken en databases) en aan de hand van de denkpatronen zoals geschetst in de eerste hoofdstukken, kun je heel goed inschatten waarom een bepaalde materiaalcombinatie goed geschikt is. Een tweede doel is het voorkomen van schade. Vandaar dat we in het zevende hoofdstuk ingaan op de verschillende manieren om vooral materialen en materiaalschade te onderzoeken. De relaties met de fundamentele materiaal- Materiaalkeuze 1 – Materiaalkeuze 10 Leerboek Materiaalkunde voor technici kunde kunnen vervolgens gebruikt worden om meer zicht te krijgen in de beste materiaalkeuze. Bovendien is er meer nodig. Om te beginnen wil je precies het juiste materiaal benoemen. ‘Plastic’, ‘brons’, ‘staal’ of ‘carbonversterkte epoxy’ is geen toereikende specificatie. Vandaar dat we vanaf hoofdstuk 8 veel dieper op de materiaaleigenschappen van de verschillende groepen in gaan. Je kunt dan al materialen kiezen aan de hand van verschillende keuzemethoden. Voor de puntjes op de i zul je je echter moeten verdiepen in de fundamentele verschillen tussen de materialen. Dit leidt tot meer gedetailleerde keuzes, zoals ‘polypropeen met grotere ketenlengte’, ‘voorgesinterd siliciumcarbide’, ‘chroom molybdeen staal 25CrMo4, veredeld tot rekgrens 850 MPa’. De materiaalkunde van de laatste hoofdstukken is dus nodig om te kunnen begrijpen waarom het ene materiaal inderdaad meer geschikt is dan het andere materiaal. Het resultaat is dat het geheel van materiaaleigenschappen meegewogen kan worden. In de hoofdstukken 10, 11 en 15 tot en met 19 behandelen we de specifieke materialen. 1.4 Materiaalkeuze en ontwerpen In de totale levensloop van producten zijn verschillende fasen te onderscheiden. Nadat een productidee is geopperd kan er besloten worden het product te gaan ontwerpen. Als het product haalbaar is zal het op de markt komen, verkocht worden en gebruikt worden. Na gebruik wordt het afgedankt. Het restproduct kan op allerlei wijzen hergebruikt worden, variërend van upgrading tot recycling of thermische recycling (verbranden) of biologische recycling (storten). Het totale ontwerpproces bestaat uit een opeenvolging van logische activiteiten. De weg van productidee naar product begint met het vaststellen van de klantenwensen gevolgd door de productspecificaties, het conceptuele ontwerp (op papier) en een model. Hierna volgen gebruikstesten en begint de engineering; dit leidt tot een prototype waaraan diverse testen kunnen worden uitgevoerd. Hiermee wordt de conceptfase afgesloten en begint de detailengineering. Hierbij worden de fabricagewijzen en de materiaalkeuze vastgesteld. Vervolgens begint de fabricage, gevolgd door verpakking en de verkoopactiviteiten. Vanuit de klantenwensen worden de productspecificaties opgesteld. En deze productspecificaties die we in het vervolg het ‘pakket van eisen’ zullen noemen, worden dan ook in het vervolg van het ontwerpproces als leidraad gebruikt. Conceptueel moet het productidee voldoen aan de eisen. Vervolgens wordt het concept uitgewerkt en in samenhang worden de berekeningen uitgevoerd, de tekeningen gemaakt, de fabricagetechnieken gekozen, de materiaalkeuze uitgevoerd. Dit totaal resulteert in een set tekeningen en een voorstel voor de vervaardiging van het product. De afdeling Productie evalueert het ontwerp op de maakbaarheid waardoor nog kleine details kunnen wijzigen. De productie wordt voorbereid, materialen en componenten (koopdelen) worden ingekocht en uiteindelijk wordt het product vervaardigd en geassembleerd, getest, verpakt en verkocht (zie figuur 1.2). Het totale ontwerpproces is een iteratief proces, wat wil zeggen dat de verschillende stappen meermalen doorlopen worden. Het schetsidee wordt eerst uitgewerkt tot een concept en vervolgens uitgewerkt tot een product. Marktvraag PVE Specificeren Toename detaillering PVE Concept Detaillering Produceren Verkoop Figuur 1.2 Relatie tussen het pakket van eisen (PVE) en het ontwerpproces Het product wordt vervolgens weer opgesplitst in (sub)systemen, componenten en onderdelen. Op elk niveau wordt het probleem geanalyseerd en gemodelleerd, oplossingen gegenereerd en geëvalueerd en de ‘beste’ oplossing gekozen. Creativiteit, kennis van bestaande oplossingen, inzicht in mogelijke combinaties en ervaring uit voorgaande ontwerpprojecten worden samengevoegd. Het pakket van eisen is hierbij het belangrijkste communicatiemiddel. We zien dan ook dat de mate van detaillering van het pakket van eisen toeneemt naarmate we verder in het ontwerpproces zijn. Uit de detaillering kunnen aspecten naar voren komen waardoor eerdere ontwerpkeuzes moeten worden herzien. (Een lichtgewicht gasturbine van aluminium blijkt bijvoorbeeld niet hittevast genoeg.) Je zit dan op een doodlopende weg. Er zit dan meestal niks anders op om terug te gaan naar de conceptuele fase of soms zelfs tot het bijstellen van het pakket van eisen. Het proces moet dus opnieuw worden doorlopen om andere keuzes te maken. Dit is kenmerkend voor iteratieve processen. Ook bij de materiaalkeuze staat een pakket van eisen centraal. Dit is afgeleid uit het pakket van eisen dat bij het productontwerp wordt gebruikt. Het is in feite een lijst van eigenschappen waaraan het gezochte materiaal moet voldoen. Ook deze lijst wordt iteratief vastgesteld. De eigenschappen worden zowel kwalitatief (welke eigenschappen) als kwantitatief (welke waarde hebben de eigenschappen) benoemd. Dit betekent dat vanuit rekenkundige of aanschouwelijke productmodellen een vertaalslag naar materiaaleigenschappen wordt gemaakt. Lichtgewicht constructies worden dan vertaald naar dunwandige sterke materialen of naar lichte materialen. In feite is het materiaalkundig pakket van eisen een lijst van gewenste materiaalparameters, dat logisch volgt uit de productparameters van het pakket van eisen op productniveau. Waar staat de ontwerper in de route van materiaalkeuze? Deze vraag is mede afhankelijk van de materiaalgroep waarin je denkt. Metalen worden Materiaalkeuze 11 1 – Materiaalkeuze 12 Leerboek Materiaalkunde voor technici meestal gewonnen uit erts, gegoten tot blokken en vervolgens gewalst tot platen en balken. Vanaf dat moment liggen materiaalparameters zoals sterkte, anisotropie en scheurtaaiheid vast. Kunststoffen worden gewonnen uit aardolie en bijvoorbeeld zoutzuur (PVC), verwerkt tot granulaatkorrels en deze worden omgesmolten en gegoten tot eindproduct. Hier liggen de materiaaleigenschappen pas vast op het moment dat het product ontstaat. De ontwerper heeft dus veel invloed op de eindeigenschappen, doordat hij bijvoorbeeld de wanddikte en daarmee de afkoelcondities van de kunststof heeft bepaald. Ook bij keramieken ontstaat het materiaal op het moment dat het product ontstaat. Poeders worden gewonnen uit steen of langs chemische weg, gemengd en gesinterd tot een product en dan zijn met het product de eigenschappen bekend. In de groep metalen zijn gietproducten een uitzondering op de regel; ook hier heeft de ontwerper invloed op de eindeigenschappen. In de groepen kunststoffen en keramieken kun je extrusieproducten en vlakglas als uitzondering zien; deze worden ook als halffabricaat in stafvorm geleverd, waarbij de eigenschappen al bekend zijn. Wil de ontwerper al eerder in het maakproces de eindeigenschappen van zijn productmateriaal beïnvloeden, dan zal hij zich goed moeten verdiepen in de invloed die de verschillende productiestappen op de eigenschappen hebben. We zullen hierop op verschillende plaatsen in dit boek ingaan. 1.5 Materiaalkeuze en de productlevenscyclus Materiaalkundige aspecten hebben een belangrijk aandeel in de succesverhalen van de technologische evolutie van de mens in de laatste twee eeuwen. Zonder de ontwikkeling van staal had de stoommachine nooit voor de snelle industrialisering kunnen zorgen. De productie van aluminium en titanium heeft de luchtvaart en ruimtevaart in een stroomversnelling gebracht. De uitvinding van bakeliet door Baekeland in het begin van de twintigste eeuw was het begin van een nieuw tijdperk voor industriële vormgevers. De ontwikkeling van thermoplastische kunststoffen en de daarbij behorende verwerkingsprocessen heeft de ontwerper pas echt veel ontwerpvrijheden gegeven. Als we kijken naar de levenscyclus van een product, dan bestaat deze globaal uit ideegeneratiefase, ontwerpfase, productiefase, verkoopfase, gebruiksfase en hergebruik- of afdankfase. Het materiaal doorloopt ondertussen de cyclus van grondstof naar halffabricaat naar productmateriaal naar (andere) grondstof. We zullen aan de hand van een aantal voorbeelden laten zien dat in al deze fasen de materiaalkeuze een bijzondere plaats inneemt. De materiaalkeuze bepaalt mede de waarde van een product in de diverse fasen. Bij de ontwikkeling van een product hebben we te kiezen uit een breed scala van materialen. Als je alle verschillende soorten kunststof, metalen (legeringen), keramische materialen, glassoorten en composietmaterialen op een rijtje probeert te zetten, zul je merken dat je met enkele duizenden materialen niet klaar bent. Een database met informatie over materiaaleigenschappen is dan ook een belangrijk ontwerphulpmiddel! Alle materialen hebben zo hun sterke kanten en het loont om te kijken in tabellen naar de belangrijkste toepassingsgebieden van een materiaal. Assemblagekosten Verpakkingskosten Gelukkig hoef je als ontwerper niet elke keer weer je speurtocht naar een geschikt materiaal te starten in die grote database. In dit boek zullen we aangeven hoe je relatief eenvoudig tot een goede materiaalkeuze kunt komen, door gebruik te maken van het pakket van eisen. In de meeste gevallen kies je een materiaal niet direct in het begin van het ontwerpproces, maar ontwikkelt de keuze zich gedurende het ontwerpproces. Gedurende het ontwerp­ proces ontwikkel je steeds meer inzicht in productfuncties, geometrie en vervaardiging. Immers, je concept krijgt langzaamaan steeds meer vorm, het prototype wordt na een testfase (door beproeven of simulatie) uitontwikkeld tot een productierijp product. Tijdens de ontwikkeling van zo’n product werk je als ontwerper dus samen met verschillende afdelingen en je gebruikt het pakket van eisen als een communicatiemiddel. Stap voor stap neemt de mate van detaillering van je pakket van eisen toe, totdat je op een zeker moment een materiaal kunt kiezen. Kies niet te snel een materiaal of een vervaardigingsproces. Snelle keuzes kunnen betere en soms ook goedkopere alternatieven tegenhouden. Bedenk dat je in de productontwikkelingsfase keuzes maakt. Keuzes die consequenties hebben voor de productievoorbereiding, de fabricage, de assemblage, het verpakken of de installatie (bij kapitaalgoederen), het gebruik, het onderhoud en de recycling, en die de kostenstructuur vastleggen (zie figuur 1.3). Relatieve kosten (%) 100 Vastgelegde kosten Gemaakte kosten Transportkosten 0 Productontwikkeling Productievoorbereiding Onderdelenfabricage Montage Figuur 1.3 Kostenontwikkeling gedurende de productontwikkeling De keuze voor bijvoorbeeld het vervaardigen van een pomphuis uit gegoten aluminium omvat veel meer dan alleen het gieten van aluminium. Immers, de gietvorm moet worden gemaakt (uit vormzand), het gegoten product moet worden nabewerkt en geassembleerd. In de ontwikkelfase leg je dus al snel de kosten van de daaropvolgende fasen vast. Dit illustreren we aan de hand van een voorbeeld. K De inkoper van een constructiebedrijf besluit een goedkope partij staal (5% goedkoper) te kopen zonder overleg met de productieafdeling. De inkoper denkt een koopje te hebben. Hij neemt dit besluit op basis van de prijs en het feit dat dit staal 20% sterker is dan het oude vertrouwde materiaal. Bij het lassen van dit nieuwe materiaal loopt men echter tegen kwaliteitsproblemen. Het materiaal blijkt alleen met behulp van voor­ Materiaalkeuze 13 1 – Materiaalkeuze Leerboek Materiaalkunde voor technici warmen lasbaar te zijn. De kosten van de productiederving bedroegen ¤ 50.000; de extra fabricagestap verhoogt de fabricagekosten met 5%. Als we voor de eenvoud veronderstellen dat de kostprijs voor 25% wordt bepaald door de materiaalprijs en voor de rest door de fabricagekosten (waarin ontwerp, overhead en dergelijke zijn verrekend), dan is het gevolg een kostprijsstijging van (0,75 × 5%) − (0,25 × 5%) = 2,5%. Een producent is vooral geïnteresseerd in de kostprijs van een product, en uit concurrentieoogpunt wil hij deze zo laag mogelijk houden en voldoende winst maken om de ontwikkeling van nieuwe producten te kunnen blijven financieren. Ontwikkelt de producent een product voor de Duitse markt, dan kunnen, gelet op de Duitse milieuwetgeving (het groenepuntsysteem), de kosten voor recycling niet worden verwaarloosd. 10 8 Beslissingsruimte Cumulatieve kosten (€) 100 Beslissingsruimte (%) 14 Levensduurkosten Aanschafprijs 0 0 Ontwerpfase 15 Tijd (jaar) Montagefase Gebruiksfase 0 Afdankfase Figuur 1.4 Ontwikkeling van de levensduurkosten van een eenvoudig gebruiksartikel over de totale levensduur Uit perspectief van de koper zijn veel meer zaken belangrijk; kostprijs is maar een van de vele belangrijke aspecten. Meestal kijkt de koper naar de totale levenscyclus van het product. De ontwerpfase steekt soms schril af tegen een gebruiksfase van soms wel dertig jaar. Meestal is de ontwerpfase kort, enkele weken voor business-to-businessproducten en maximaal een jaar voor een nieuw automodel of een chemische fabriek. Afhankelijk van het type product is een levensduurbeschouwing meer of minder relevant. Een product zoals een stoomstrijkijzer vervang je simpelweg als het op een of andere manier kapot gaat of niet meer functioneert. Onderhoud van een dergelijk apparaat beperkt zich tot schoonmaken en ontkalken (beide kunnen met relatief goedkope schoonmaakazijn). Een chemische fabriek waar de grondstoffen voor de kunststof polycarbonaat worden gemaakt, is een veel complexer product. Bij het ontwerpen van (petro) chemische installaties moet men in het algemeen rekening houden met de omvang van het product. Het product kan maar ten dele in het eigen bedrijf worden vervaardigd. De componenten moeten worden getransporteerd naar het bedrijfsterrein van de klant en ter plaatse worden geassembleerd. Verder 15 worden deze installaties met regelmatige tussenpozen uit veiligheidsover­ wegingen geïnspecteerd en gekeurd en de hierbij geconstateerde gebreken worden dan gerepareerd. Dit kun je vergelijken met de apk-keuring voor personenwagens. Bij kapitaalgoederen maar ook bij bruggen en sluizen is de aanschafprijs maar een fractie van de feitelijke gebruikskosten. Ze worden vaak in zeer korte tijd afgeschreven en als vuistregel begroot men bij deze producten de jaarlijkse onderhoudskosten op circa 10% van de aanschafwaarde. Een verkeerde materiaalkeuze heeft bij dit soort producten grote economische gevolgen, namelijk meer onderhoud of zelfs een vervroegde modificatie. Veel kapitaalgoederen (zoals chemische fabrieken en gebouwen) worden na ongeveer vijfentwintig jaar gerenoveerd en moeten dan nog eens twintig jaar mee. Aan het einde van de levensduur is het vaak interessant om het materiaal te recyclen tot nieuwe grondstof of energiebron, mits er voor mens en milieu maar geen schadelijke materialen zijn toegepast. Zo kun je PVC maar beter niet verbranden in een vuilverbrandingsinstallatie in verband met vrijkomende chloorverbindingen, zoals chloorgas, zoutzuur en dioxine. De in de ontwerpfase gemaakte keuzes betreffende geometrie, materiaal en vervaardiging hebben invloed op de montage- en gebruiksfase. Scherpe bochten in leidingen eroderen sneller dan flauwe bochten. Gepolijste (vliegtuig)onderdelen hebben een langere levensduur dan enkel gefreesde onderdelen. De levensduur van een product wordt veelal direct bepaald door een goede materiaalkeuze. In een enkel geval is de uiteindelijke keuze een compromis. Echter, het gebruik van goedkope materialen kan zomaar duurkoop betekenen. Dat illustreren we aan de hand van een voorbeeld. K Een voedselproducent wil een deegkneedarm van roestvast staal kopen. Hij kan kiezen tussen AISI304 en AISI316 (12% duurder). Na wat wikken en wegen kiest hij voor AISI304. Tijdens de eerste onderhoudsbeurt wordt er ernstige slijtage waargenomen, met als gevolg dat de kneedarm na twee jaar vervangen moet worden. Was een kneedarm van AISI316 genomen, dan was deze vijf jaar meegegaan. Dit voorbeeld illustreert het belang van kennis van de totale levenscyclus van het product en deze mee te laten wegen in het beslisproces. Een schijnbare kostenverhoging van 12% resulteert in een levensduurverlenging van ten minste 150%. In veel gevallen loont het de moeite om alternatieven te evalueren met behulp van levenscycluskosten (life cycle cost). De aanschafprijs van een auto vervaardigd uit aluminium (bijvoorbeeld Audi) of een composiet (bijvoorbeeld Lotus) is vaak hoger dan zijn tegenhanger van staal (bijvoorbeeld BMW). Het gewicht kan echter lager zijn. Gelet op de almaar stijgende brandstofprijzen is het echter nog maar de vraag of dat de stalen auto over de gehele levensduur goedkoper is. Als het gebruik van deze materialen zich vertaald in een lager gewicht, is een lager brandstofgebruik een logisch gevolg. Nu zijn autocarrosserieën de laatste decennia stukken lichter geworden, maar ABS, airbags, cruisecontrol, boardcomputer en airconditioning hebben autorijden veiliger en comfortabeler gemaakt maar de auto ook weer zwaarder gemaakt. Objectief vergelijken is daarom soms moeilijk. Het belang van de materiaalkeuze op het totale ontwerp en ontwikkeltraject van een product reikt echter veel verder dan alleen de levensduur van het Materiaalkeuze 1 – Materiaalkeuze 16 Leerboek Materiaalkunde voor technici product. Zo zijn er allerlei producten bedacht op basis van specifieke materiaaleigenschappen. Krimpfolie is gebaseerd op het geheugengedrag van polyetheen. De vormgevingsvrijheden van kunststoffen hebben de afgelopen twintig jaar geleid tot veel nieuwe producten. Met het gebruik van bepaalde materialen probeert men een product een wat exclusievere uitstraling te geven. Denk aan titanium ringen en horloges, maar ook aan de aluminium Senseo® of een roestvast stalen koelkast. Het uiterlijk van het materiaal, de goede corrosievastheid aangevuld met een stijlvolle vormgeving zorgen ervoor dat deze producten aan de bovenzijde van hun marktsegment zitten. Samenvatting Om te komen tot de beste materiaalkeuze zijn materialenkennis en materiaalkunde nodig. De kennis kan uit boeken, tabellen, grafieken, leverancierscatalogi en internetdatabases gehaald worden. De kunde is nodig om te snappen wat de ‘match’ is tussen het gekozen materiaal en de gewenste eigenschappen. Aan de hand van goede modellen en een goed beeld van de gewenste producteigenschappen (pakket van eisen) kan een materiaalgroep gevonden worden. Vervolgens kan met voldoende kennis van het gedrag van de materialen in die groep en met kennis van de mogelijkheid om dat gedrag te verbeteren in de richting van de gewenste eindeigenschappen een materiaal of een materiaalcombinatie gekozen worden. Deze keuze hangt samen met de manier waarop het product vervaardigd moet worden. Hierbij kan de materiaalkeuze mede bepaald worden door de meest gewenste productiewijze, maar ook kan de productiewijze mede bepalend zijn voor de eindeigenschappen van een materiaal. Deze laatste relatie is onderdeel van de materiaalkunde. Met de eerste zes hoofdstukken van dit boek komt men tot de keuze van de materiaalgroep, met de materiaalkunde van de laatste hoofdstukken wordt het materiaal met zijn eindspecificaties in relatie tot de bedreigende factoren en productiewijzen bepaald. In de laatste hoofdstukken wordt per materiaalgroep ingegaan op de fundamentele materiaalkundige relaties die het bepalend gedrag van de materialen mogelijk maken, in de volgorde kunststoffen, keramische materialen en metalen. Ook is er dan inzicht in de grenzen van de toepassing van het gekozen materiaal. Steekwoorden Atoom Keramiek Levenscyclus Metaal Spanningstoestand Composiet Kunststof Levenscycluskosten Molecuul Structuur Functie Kwaliteit Materiaal Samenstelling Vervaardigingstechniek 1 – Materiaalkeuze 17 1.1 1 Geef een voorbeeld van een product dat vermoedelijk al duizenden jaren door de mens gebruikt wordt en benoem de verschillende uitvoerings­ vormen en materiaalkeuzes. 2 Geef een voorbeeld van een verandering in materiaalkeuze voor een huishoudelijk product, waardoor het product beter is geworden. Geef ook aan in welk opzicht het beter is geworden. 1.2 1 Wat is het verschil tussen materiaalkeuze en materiaalkunde? 2 Waar vind je materialenkennis? 3 Geef een voorbeeld van proeven waarmee je materialenkennis zou kunnen opbouwen. 4 Stel dat je een kano moet maken. Geef aan welke informatiebronnen je gaat raadplegen om kennis op te doen en geef aan welke kennis je verwacht aan te treffen. 1.3 1 Vastestoffysica is een natuurkundig vakgebied. Noem vier eigenschappen van materialen die in de vastestoffysica bepaald zijn en die gebruikt kunnen worden voor de materiaalkeuze. 2 Noem vier eigenschappen die langs chemische weg bepaald worden en die van belang zijn voor de materiaalkeuze. 1.4 1 Wat is de functie van het pakket van eisen in het ontwerpproces? 2 Geef een voorbeeld van een vertaalslag van een aantal producteisen naar de logische materiaaleisen die dus in de materiaalkeuze tot uitdrukking komen. 3 Wat zijn de vier belangrijkste ontwerpactiviteiten? 4 Benoem de levenscyclusfasen van een product. 1.5 1 Beschrijf de productlevenscyclus van een bureaulamp. 2 Geef in de cyclus van de bureaulamp aan wie er allemaal bij betrokken zijn, en op welke wijze. 3 Geef in de cyclus van de bureaulamp aan hoe de materialen de cyclus meemaken, dus welke uitvoeringsvormen en behandelingen ze door­ maken. Materiaalkeuze Opgaven 2Technische materiaalkeuze Na het bestuderen van dit hoofdstuk heb je inzicht in: – de fundamenten van materiaalgedrag; – de globale eigenschappen van de verschillende materiaalgroepen. Bij het maken van de oefeningen: – leer je denken in termen van eigenschappen; – leer je materiaal te kiezen op basis van kwalitatieve eigenschappen. 2.1 Kobaltoxide Grijs gietijzer Sferulieten hippuurzuur Opbouw van materialen Materiaalkeuze is goed te doen zonder kennis van allerlei fundamentele zaken zoals atoomfysica, chemie en thermodynamica. Toch gaan we er hier op in omdat de elementaire materiaalkunde inzicht verschaft in het gedrag van de verschillende materiaalgroepen in relatie tot allerlei beoogde toepassingen. Later, bij de behandeling van de verschillende materiaalgroepen, zullen we terugkomen op de materiaalkundige grondslagen, maar dan op een hoger niveau, dat tevens een verdieping van de materiaalkeuze mogelijk maakt. De materiaaleigenschappen zijn rechtstreeks afhankelijk van de ­samenstelling, de structuur en van de (mechanische) spanningstoestand van een materiaal. De samenstelling zegt uit welke atomen een materiaal bestaat, de structuur zegt iets over de plaats van de atomen onderling en de spannings­ toestand kan dusdanig zijn dat het materiaal afwijkend gedrag gaat vertonen. Aluminium kan gelegeerd worden met koper en door deze verandering van samenstelling wordt het metaal sterker. Als de atomen een regelmatige ordening hebben, spreken we van een kristallijn materiaal, in tegenstelling tot een amorf materiaal dat geen duidelijke structuur kent. Kristallijne kunststoffen hebben een hogere stijfheid dan amorfe kunststoffen van dezelfde samenstelling. Zilver is een zacht materiaal, maar door het koud te smeden kunnen we de spanningstoestand dusdanig beïnvloeden dat het hard genoeg wordt voor toepassingen zoals bestek en sieraden. Samenstelling (welke atomen?), structuur (waar zitten ze?) en spanningstoestand (hoe verandert de structuur?) zijn dus rechtstreeks van invloed op de eigenschappen. We hoeven niet alle elementen (atoomsoorten) te behandelen die in de natuur bekend zijn; we kunnen ons beperken tot de bouwstoffen van de belangrijkste ontwerpermaterialen. Bovendien kunnen we volstaan met eenvoudige modellen voor zaken als atoomopbouw en atoombinding, al zijn deze soms in de fundamentele fysica al afgedaan als zijnde té simpel. Het atoommodel van Bohr (uit 1913) stelt atomen voor als zijnde opgebouwd uit een bolvormige kern met daarin positief geladen deeltjes ­(protonen) en elektrisch neutrale deeltjes (neutronen) die de kern bijeen­ houden. De positieve lading van de kern oefent een aantrekkingskracht uit op negatief geladen, zeer kleine deeltjes (elektronen) die om de kern heen ‘zweven’. Er zijn evenveel elektronen als protonen in een atoom. De elektronen Materiaalkeuze 19 20 Atoommodel Bohr Mendeljev Leerboek Materiaalkunde voor technici worden weliswaar aangetrokken door de kern, maar zullen niet allemaal op het oppervlak komen te liggen. De reden is simpelweg dat de elektronen elkaar zullen afstoten, wegduwen dus, en wel zo dat er in feite in een bol­ vormige schil om de kern maar ruimte is voor twee elektronen. Iets verderop is weer ruimte voor acht elektronen, die ook weer in een bolvormige schil liggen. Nog weer een eind verderop ligt een schil waar maximaal achttien elektronen in passen. De schillen in dit eenvoudige model zijn te vergelijken met luchtlagen rondom de aardbol; alleen de verhoudingen in hoogte van de lagen zijn totaal anders. Stel dat we de kern van het koolstofatoom zouden nemen als ‘aardbol’ met een straal van 1 cm, dan zou de eerste ‘luchtlaag’ met twee elektronen zich op kilometers hoogte bevinden. Atomen zijn dus erg lege bollen. Al in 1870 kwam Mendeljev met een ordeningssysteem voor de verschillende atomen die de natuur kent: Periodiek Systeem der Elementen. Hierin worden de atomen gerangschikt op atoomgewicht, en, zo bleek later, netjes op volgorde van het aantal elektronen dat hiermee gelijk oploopt. Mendeljev ordende bovendien op bepaalde chemische eigenschappen, die inmiddels herleid kunnen worden naar de verdeling van de elektronen over de schillen. Met name het aantal elektronen in de buitenste aanwezige schil bepaalt een groot deel van het chemisch gedrag. Dit zijn er maximaal acht en zodoende kent het Periodiek Systeem acht hoofdgroepen, met respectievelijk één, twee, drie, vier, vijf, zes, zeven en acht elektronen in de buitenste zichtbare schil. De groep met acht elektronen in de buitenste schil blijkt een bijzondere groep materialen te vertegenwoordigen: ze zijn alle gasvormig en reageren niet chemisch met andere materialen. Deze groep wordt de edelgassen genoemd: neon, argon, krypton, xenon en radon. Er is ook nog een bijzonder edelgas, namelijk helium; dit is echter zo klein dat het slechts twee elektronen bevat. De hedendaagse toepassingen van edelgassen blijven beperkt tot gasvulling in sommige lampen, beschermgas bij sommige lasmethoden en het lichte helium voor de vulling van ballonnen. We noemen ze echter toch omdat de elektronenverdeling van edelgas van belang is: de edelgasconfiguratie. We geven in dit boek een deel van het Periodiek Systeem weer, dat nagenoeg alle in de techniek gebruikte elementen bevat (zie figuur 2.1). De atoomnummers 57-71 en 89-112 ontbreken in het overzicht. Met uitzondering van het ook al zeldzame thorium (legeringmiddel), deodymium (supermagneten), uranium (ballastmateriaal, kernfysica) en plutonium (kernfysica) worden deze in de ons omringende producten niet gebruikt. In dit eenvoudige diagram zijn de meeste door productontwerpers gebruikte elementen vetgedrukt aangegeven. Dit zijn er maar een paar! We kunnen al meteen zien, waarom koolstofvezelversterkt materiaal zo licht kan zijn, want Koolstof heeft een laag atoomgewicht. We zien ook waarom magnesium autovelgen licht kunnen zijn, terwijl loden stralingsschermen zwaar zijn. We zien van elk element weergegeven welke verdeling de elektronen hebben over de schillen. Het valt op dat de metalen steeds maar twee of drie elektronen in de buitenste schil hebben, terwijl de niet-metalen er juist veel hebben, namelijk vijf, zes of zeven. Tussen deze twee groepen in zitten de metalloïden die zowel metaaleigenschappen als niet-metaaleigenschappen kunnen hebben. Het aantal elektronen in de buitenste schil bepaalt de manier waarop de verschillende atomen een verbinding met elkaar aan kunnen gaan. Bovendien blijkt het bindingstype van atomen samen te gaan met diverse 2 2 21 2 8 9 2 22 2 8 10 2 23 2 8 11 2 24 2 8 13 1 25 2 8 13 2 26 2 8 14 2 27 2 8 15 2 28 2 8 16 2 29 2 8 18 1 30 2 8 18 2 5 2 3 6 2 4 7 2 5 8 2 6 9 2 7 2 8 1 Cs 1,01 waterstof H 1 132,9 cesium 1 2 8 18 18 8 1 Ba 2 8 18 9 2 Atoommassa Naam Ti 178,5 hafnium Hf 91,22 72 zirkonium Zr 47,87 40 titaan }elektronenverdeling Atoomnummer 137,3 barium 2 8 18 = 18 = 8= 2= 88,91 57-71 56 87,62 85,47 55 Y yttrium Sr strontium Rb 2 8 18 8 2 rubidium 2 8 18 8 1 44,96 39 38 40,08 33,10 37 Sc scandium Ca 2 8 8 2 calcium K 20 kalium 2 8 8 1 Nb 180,9 Ta 183,84 W 2 8 18 32 11 2 wolfraam 2 8 18 32 10 2 tantalium molybdeen Mo 52,00 42 95,94 74 niobium 2 8 18 12 1 Cr chroom 92,91 73 2 8 18 10 2 50,94 41 vanadium V = = = = 2 8 18 32 12 2 2 8 18 13 1 2 8 18 32 13 2 ijzer Fe 190,23 osmium Os 101,07 76 ruthenium Ru 55,85 44 Metaal Metalloïde Niet-metaal Edelgas 186,21 renium Re (98) 75 technetium Tc 54,94 43 mangaan Mn 2 8 18 32 14 2 2 8 18 15 1 192,22 iridium Ir 102,91 77 rhodium Rh 58,93 45 kobalt Co 2 8 18 32 15 2 2 8 18 16 1 195,08 platina Pt 106,41 78 palladium Pd 58,69 46 nikkel Ni 2 8 18 32 17 1 2 8 18 18 0 196,97 goud Au 107,87 79 zilver Ag 63,55 47 koper Cu 2 8 18 32 18 1 2 8 18 18 1 200,59 kwik Hg 112,41 80 cadmium Cd 65,41 48 zink Zn 2 8 18 32 18 2 2 8 18 18 2 204,38 thallium Tl 114,82 81 indium In 69,72 49 gallium Ga 26,98 31 24,31 22,99 19 Al aluminium Mg 10,81 13 magnesium 2 8 2 B boor natrium Na 9,01 12 6,94 11 Be beryllium lithium Li 2 8 18 32 8 3 2 8 18 18 3 2 8 18 3 2 8 3 207,2 lood Pb 118,71 82 tin Sn 72,64 50 germanium Ge 28,09 32 silicium Si 12,01 14 koolstof C 2 8 18 32 8 4 2 8 18 18 4 2 8 18 4 2 8 4 208,98 bismut Bi 121,76 83 antimoon Sb 74,92 51 arseen As 30,97 33 fosfor P 14,00 15 stikstof N S (209) Po 127,60 84 tellurium Te 78,96 52 seleen Se 32,07 34 zwavel 2 8 18 32 8 5 polonium 2 8 18 18 5 2 8 18 5 2 8 5 16,00 16 zuurstof O Cl 2 8 18 32 8 7 2 8 18 18 7 2 8 18 7 2 8 7 (222) radon Rn 131,29 86 xenon Xe 83,80 54 krypton Kr 39,95 36 argon Ar 20,18 18 neon Ne Materiaalkeuze (210) At 126,90 85 jood I 79,90 53 broom Br 35,45 35 chloor 2 8 18 32 8 6 astatium 2 8 18 18 6 2 8 18 6 2 8 6 19,00 17 fluor F 10 4 1,01 3 2 1 He helium H 2 waterstof 1 Figuur 2.1 Beknopt Periodiek Systeem der Elementen, met accent op technische materialen 6 5 4 3 2 1 1 2 8 18 32 8 8 2 8 18 18 8 2 8 18 8 2 8 8 2 8 2 2 – Technische materiaalkeuze 21 22 Leerboek Materiaalkunde voor technici Na Cl Na+ Cl- Vorming ionbinding H H C H Methaan, CH4 Stukje Polyetheen keten Polyetheen kristal H karakteristieke materiaaleigenschappen. Alle atomen streven ernaar de buitenste zichtbare schil in de edelgasconfiguratie te krijgen, dat wil zeggen, met acht elektronen. Natrium heeft één elektron in die buitenste schil en acht elektronen in de schil eronder. Chloor heeft zeven elektronen in de buitenste schil. Als deze twee atomen dicht genoeg bij elkaar komen, zou het ene elektron van het natrium semipermanent in de buitenste schil van chloor kunnen gaan zitten. Van buiten lijkt chloor nu op een edelgas met acht elektronen, en natrium ook want hiervan zie je de volgende schil als buitenste schil. Het gevolg is wel dat het chlooratoom er een negatieve lading te veel bij heeft en we noemen het dan ook een eenwaardig negatief ion. Het natriumatoom is een eenwaardig positief ion geworden. De verbinding levert een bij kamertemperatuur vast, steenachtig, kristallijn materiaal op: natriumchloride ofwel keukenzout. Deze vorm van elektronenuitleen, waarbij geladen atomen ontstaan, heet een ionbinding ofwel zoutbinding. Materialen met dit bindingstype bestaan steeds uit een metaal en een niet-metaal, ze zijn kristallijn, en steenachtig, keramisch. Een andere truc om aan de edelgasconfiguratie te komen is het over en weer aan elkaar uitlenen van elektronen. Butaangas bijvoorbeeld, dat gebruikt wordt om te koken, maakt hiervan gebruik. Vier koolstofatomen en tien waterstofatomen vormen samen een groot molecuul, dat dus uit veertien atomen bestaat. Waterstof, met één elektron, en nog één van koolstof, om de edelgasconfiguratie van helium te krijgen. Koolstof leent er even later vier van zijn vier buren en heeft er dan acht in de buitenste schil. Door een snel over en weer lenen lijkt het of alle atomen de edelgasconfiguratie hebben, zonder dat ze permanente ionen vormen. We noemen deze binding een atoombinding of ook wel covalente binding. Alléén als atomen aldus gebonden zijn, spreken we van moleculen. Men kan zich makkelijk voorstellen dat zo’n butaanmolecuul nog veel langer zou kunnen zijn, tot wel een miljoen koolstofatomen lang. We praten dan over een macromolecuul ofwel een polymeer. De lengte van zo’n molecuul bedraagt overigens niet meer dan ongeveer een honderdste millimeter. De naam van zo’n lange koolstofketen met verder alleen waterstofatomen is polyetheen. Dit bindingstype tussen twee niet-metalen zoals koolstof, waterstof, zwavel, zuurstof en stikstof komt veelvuldig in de kunststoffen voor. Soms gaat het hierbij om slordig liggende ketens in een amorf materiaal, maar de ketens kunnen ook netjes parallel liggen zodat een lokale ordening ontstaat en we het materiaal (gedeeltelijk) kristallijn mogen noemen. De sterkte en stijfheid nemen hierdoor toe. In het Periodiek Systeem der Elementen (PSE) kun je zien dat koolstof (C) nog vier elektronen moet lenen om op de edelgasconfiguratie te komen. Elk koolstofatoom moet dus zien dat er vier ‘uitleeninteracties’, lees bindingen, worden gerealiseerd met buuratomen. Dat kunnen vier verschillende atomen zijn, maar er kunnen ook dubbele of zelfs driedubbele bindingen worden aangegaan. Zwavel (S) heeft volgens het PSE maar twee leenelektronen nodig voor de edelgasconfiguratie en zal dus maximaal twee bindingen aangaan. Dit geldt ook voor zuurstof (O), terwijl stikstof (N) er drie moet hebben. Met waterstof (H) als buuratomen ontstaan dan respectievelijk verbindingen als CH4 of C2H6, C2H4, C2H2, H2S, H2O en NH3. De metalen zitten redelijk in de buurt van de edelgasconfiguratie en maken hier handig gebruik van door met een heleboel atomen in een compact – + – – + – + – – – + – – + – + – – + – – – – + + – + – – – – + – + – Zwerm elektronen Positieve ionen Metaalbinding Waterstofbrug C O N C O O N N C C + C C _ Cl Druk A Afstand atomen metaalbinding ionogeen covalent Trek 23 rooster te gaan zitten en de één, twee of drie elektronen van de buitenste schillen gezamenlijk een grote wolk te laten vormen door het rooster heen. Deze manier van binden heet een metaalbinding en is binnen in het rooster weliswaar stabiel, maar de metalen zullen aan de buitenkant toch reageren met bijvoorbeeld niet-metalen als zuurstof, fosfor en chloor, om alsnog de edelgasconfiguratie te krijgen. Het resultaat zijn allerlei corrosielagen zoals roest, groen koperfosfaat en stabiel aluminiumoxide. Dankzij het gelijkmatige rooster en de overal identieke metaalbindingen laten de metalen zich over het algemeen goed omvormen door technieken zoals walsen en smeden. Bovendien kan men door legeren het rooster hier en daar beïnvloeden, waardoor hogere sterktes ontstaan, hoewel het materiaal dan minder goed te walsen is. Ook zijn allerlei warmtebehandelingen mogelijk waarbij de atomen anders gerangschikt worden met als gevolg andere eigenschappen. De atoombinding is de sterkste binding en de ionbinding een goede tweede; de metaalbinding is de minst sterke van de drie. In kunststoffen en keramiek komen echter ook nog andere, zwakkere bindingstypen voor, de secundaire bindingen. Als twee kunststofketens voldoende dicht bij elkaar komen, dan kunnen de waterstofatomen van beide ketens ook nog een aantrekkende kracht op elkaar uitoefenen, de zogeheten waterstofbrug. Daarnaast kunnen in sommige kunststoffen, zoals PVC aan de keten dermate grote atomen vastzitten, zoals het ‘enorme’ chlooratoom, dat er een asymmetrie ontstaat. Daardoor zit er aan de ene kant van de kunststofketen een grote negatief geladen elektronenwolk van chloor en aan de andere kant een klein relatief positief waterstofatoom. De ‘negatieve pool’ van het ene molecuul trekt als het ware de ‘positieve pool’ van het andere molecuul aan en we spreken dan ook van een dipoolbinding. Een van de gevolgen is dat PVC een hogere stijfheid en een hoger smeltpunt heeft dan polyetheen. Tot slot noemen we nog wrijving tussen de ketens of tussen de kunststof wapeningsvezels in versterkte kunststoffen. Al deze krachten tussen de kunststofmoleculen zijn relatief klein, vandaar dat kunststoffen ondanks hun sterke covalente bindingen zwakker zijn dan veel metalen. Uiteraard is er een ontwikkeling gaande om de covalente binding steeds beter te benutten, zodat er ook al sterkere kunststoffen op de markt komen. Ook tussen de kristallen van sommige keramische materialen kunnen een soort waterbruggen voorkomen, hydraten geheten. Hier wordt ook de waterstofbrug benut als bindend element; cement maakt hier gebruik van. Ook deze materialen zijn dus zwakker dan metalen. Bovendien komen er in keramische materialen als gevolg van de manier waarop ze uit poeders gebakken worden, ook veel holtes voor, porositeiten geheten, die het materiaal verzwakken. Gegoten glas en vlakglas lijken hierop een uitzondering, maar hier komen weer kerven voor in de oppervlakte, als gevolg van inefficiënt gebruik van de bindingen. Ook deze materialen zijn daardoor minder sterk dan veel metalen. In de natuurkunde is het atoommodel van Bohr al weer verlaten om plaats te maken voor meer complexe atoommodellen. Wij kunnen het model van Bohr wel gebruiken als handig model om het gedrag van productmaterialen te verklaren. Het is duidelijk dat er vanuit de atoombindingstypen een onderscheid gemaakt kan worden tussen drie materialengroepen: 1 De kunststoffen, met in de keten sterke covalente bindingen en tussen de ketens secundaire bindingen, waardoor ze onder andere een laag smelt- Materiaalkeuze 2 – Technische materiaalkeuze 24 Leerboek Materiaalkunde voor technici + – + +– + + – + – + – + + – – + – – + Je ziet deze kenmerken terug in de producten om je heen, in een veelheid van materialen. Wat zijn hun eigenschappen? Hoe gedragen ze zich als reactie op hun omgeving? Welke overwegingen hebben geleid tot de keuze voor kunststof, keramiek of metaal of een combinatie hiervan? Ging het om geld, schoonheid, of om functionele eigenschappen zoals roestbestendigheid, kleur, elektrische geleidbaarheid, grip, sterkte of hittevastheid? In de hierna volgende paragrafen bespreken we de overwegingen die kunnen hebben geleid tot de keuze voor respectievelijk een kunststof (paragraaf 2.2), een keramiek (paragraaf 2.3), een metaal (paragraaf 2.4) of een composiet (paragraaf 2.5). We benoemen ook veel eigenschappen. In paragraaf 2.6 behandelen we deklagen en in paragraaf 2.7 gaan we in op de productlevenscyclus. 2.2 Materiaalkeuze bij kunststoffen A + C A H + OH H_ C OH H H = H C H + – + OH OH + + – O OH H_ C_ H + formaldehydefenol H C H + – – + + H _ _ OH _ _ H C H H C H H bakeliet C HO H _ _ H C H A + punt hebben en niet al te stijf zijn, licht zijn en slecht warmte geleiden en dus goed isoleren. Bovendien zijn de elektronen op een gecompliceerde manier bij de binding betrokken, zodat kunststoffen slecht stroom geleiden. 2 De keramische materialen, kristallijn, dus met een regelmatig rooster met afwisselend metaalatomen en niet-metaalatomen. Ze zijn daardoor bros, kunnen niet goed op trekspanning belast worden en zijn zeer hard door het ontbreken van secundaire bindingen en stijf door het kristallijne karakter in combinatie met de sterke bindingen. Ook hier zijn de elektronen bij de binding betrokken waardoor de stroomgeleiding slecht is. 3 De metalen zijn door hun vrije elektronen en kristallijne structuur goede stroom- en warmtegeleiders. Door hun kristallijne structuur met een isotrope ordening van de atomen zijn veel zuivere metalen redelijk tot goed koud te vervormen, en hebben ze een behoorlijke stijfheid. Door het bijvoegen van kleine hoeveelheden vreemde atomen, het zogenoemde legeren, kan het metaal aanzienlijk worden versterkt. H C H OH + HOH OH Bij de kunststoffen heeft men de keuze uit allerlei materialen met zeer uiteenlopende eigenschappen: van tamelijk hard en sterk tot zeer zacht en flexibel. Ze zijn op basis van materiaalkundige en productietechnische kenmerken onder te verdelen in vijf groepen: thermoharders, thermoplasten, rubbers (thermohardende elastomeren), (thermoplastische) elastomeren en gewapende kunststoffen. De laatste groep zullen we bij de composieten behandelen (paragraaf 2.5). 2.2.1 Thermohardende kunststoffen De kunststoffen danken hun opmars, van onbekend naar niet meer weg te denken in de westerse wereld, aan de vormgevingsvrijheid van vloeibaar vorm te geven materialen. Dat kan ook met metalen, maar dan moet je smelten bij hoge temperatuur, en het kan ook met keramiek, maar dan moet je bakken bij hoge temperatuur. De eerste kunststoffen voor consumentenproducten waren thermoharders, waarmee op eenvoudige wijze integraal radiobehuizingen en keukenmachines vormgegeven konden worden (1930-1950) Thermoharders Lange cross-linked molecuulketens Ruimtelijke structuur hebben in dit opzicht veel voordelen boven het toen nog gangbare hout, gietijzer en zinkgietwerk voor allerlei behuizingen. Er zijn twee groepen thermoharders. In het ene geval werkt men bij kamertemperatuur met een dunne gietbare vloeistof, waaraan vlak voor verwerking een hardingsmiddel wordt toegevoegd. Vanaf dat moment begint de uitharding, en moet men dus haast maken met de vormgeving. Dit is te vertragen door te koelen. De dik geworden vloeistof kan handmatig verwerkt worden, meestal in combinatie met vezelmatten. Ook kan men gekoelde en reeds met vloeistof geïmpregneerde matten (‘prepregs’) later bij kamertemperatuur als platen vormen en dan onder druk laten uitharden. De tweede groep thermoharders gaat uit van poeder, waar alle componenten al inzitten. Dit wordt onder druk verwarmd tot het gaat smelten, meestal bij temperaturen tussen de 150 en 200 °C, waarna meteen ook het uitharden begint en men dus moet aanvangen met de vormgeving. Aan deze groep danken de thermoharders hun naam: thermische verwarming leidt tot uitharding. Na uitharding kunnen de thermoharders niet meer opnieuw omgesmolten worden. Vóór het uitharden bestaan de grondstoffen van thermoharders uit korte reactieve polymeren, die door een chemische reactie uitharden tot een groot, driedimensionaal, macromoleculair netwerk. Thermoharders zijn erg bros; vandaar dat ze vrijwel alleen in combinatie met vulmaterialen gebruikt worden. We gaan hier verder op in bij de composieten (paragraaf 2.5). Een nadeel van de eerste thermoharders was de geur. Met name de fenolharsen (in fenolformaldehyde, PF, bakeliet) waren hierom berucht, vandaar dat ze in keukenmachines vervangen zijn door moderne thermoplasten, die bovendien tot dunnere producten te verwerken zijn. De thermoharders zijn echter bijna niet meer weg te denken uit de elektronica en ook de melamine platen op ijskasten, wasmachines en geveldelen zijn nauwelijks te evenaren in chemische bestendigheid en krasbestendigheid. Eveneens vanwege de chemische bestendigheid worden in de chemische industrie ook polyesters en epoxies in leidingen en tanks gebruikt. 2.2.2 Thermoplast 25 Thermoplastische kunststoffen Rond 1950 werd duidelijk dat het mogelijk moest zijn langs chemische weg hersmeltbare kunststoffen te maken voor diverse technische toepassingen. Tien jaar later kwamen de eerste huishoudelijke toepassingen. Er zijn diverse voordelen van het gebruik van thermoplasten die, zoals de naam al aangeeft, door thermisch verwarmen zacht en plastisch worden. Het afval dat tijdens de productie ontstaat blijft waardevol, omdat het opnieuw gesmolten kan worden. Ook de eindproducten zijn recyclebaar. De sterkte en stijfheid van kunststofproducten ontstaan door de vele interacties tussen de lange moleculen, waterstofbruggen, wrijving en knopen in de ketens. Als de temperatuur verhoogd wordt, komen de ketens verder van elkaar te liggen waardoor het aantal interacties afneemt en het materiaal omvormbaar of zelfs gietbaar wordt. De stijfheid en sterkte nemen dan af. Door de lange ketens is er overigens geen sprake van ‘gietbaar als water’; de polymere vloeistof is ongeveer zo dik als warm asfalt. Vandaar dat er vaak gebruik wordt gemaakt van spuitgietmachines waarmee men hoge druk Materiaalkeuze 2 – Technische materiaalkeuze 26 Polyetheen Polypropeen Polyvinylchloride Polystyreen Leerboek Materiaalkunde voor technici achter de kunststof kan zetten zodat de matrijs met de dikke vloeistof snel en geheel gevuld kan worden. De hoge drukken in combinatie met de stroperige vloeistoffen vergen veel van de machines en de matrijzen, zodat deze vaak van duur edelstaal worden gemaakt. Het gevolg is dat men deze techniek alleen voor relatief grote series producten gebruikt, zodat de matrijskosten terugverdiend kunnen worden. Het is wel een eenvoudige techniek, waarbij in goed overleg met leveranciers grondstofkorrels (granulaat) worden ingekocht en de productie kan beginnen. De eenvoud maakt echter dat ook producenten met te weinig ontwerpkennis spuitgietproducten maken waar dus nogal eens slechte exemplaren tussen zitten. De ontwerpers van kunststofmatrijzen moeten vooral goed gevoel ontwikkelen voor de warmtehuishouding en de doorstroommogelijkheden in de matrijzen. Ook te grote wanddikten of grote wanddikteverschillen zijn veel voorkomende ontwerpfouten. De thermoplasten vertegenwoordigen een grote groep kunststoffen. Vier ervan, namelijk polyetheen, polypropeen, polystyreen en polyvinylchloride, maken samen zo’n 80% uit van alle kilogrammen die aan kunststoffen verkocht worden. De eerste drie – polyetheen met verschillende ketenlengtes en daarmee toepassingen van boterhamzakjes tot aan supervezels, polypropeen als een van de meest universele kunststoffen met toepassingen van stijve verpakkingen tot aan machineonderdelen, polystyreen met een veelheid van toepassingen van wegwerpbekertjes en isolatieschuimen tot aan hoogwaardige apparaatbehuizingen – hebben een hoofdketen alleen bestaande uit koolstof en waterstof, met als gevolg dat ze bij thermische recycling (verbranding) minder vervuilend zijn dan polyvinylchloride. Polyvinylchloride heeft een fenomenale chemische bestendigheid tegen allerlei stoffen als zuren, oliën en alcoholen. Polyvinylchloride moet bij voorkeur na gebruik omgesmolten worden en in zo’n kringloop is de milieubalans gunstig ten opzichte van veel andere materialen. Een toepassing van kunststoffen die in de techniek nog wel eens vergeten wordt, is de textiel. Dankzij de lange ketens laten kunststoffen zich goed verwerken tot spindraden waarvan sterke garens gemaakt kunnen worden. Thermoplasten als polyamide (nylon) en polyester worden algemeen gebruikt in toepassingen waarbij sterkte en laag gewicht van belang zijn, zoals in kleding maar ook in tenten en rugzakken. Polyaryletherketon (PAEK) wordt gebruikt in brandwerende textiel gebruikt. Polyetheen, polypropeen en polyamide worden in allerlei band- en touwproducten gebruikt. In deze toepassingen blijven de eigenschappen vergelijkbaar, dus kunnen textiel­ producten een bijdrage leveren aan technische ontwerpoplossingen voor problemen. Geotextiel is hiervan een voorbeeld, waarbij matten worden gemaakt om zandpakketten in dijken bij elkaar te houden. Een van de belangrijkste redenen dat kunststoffen, en vooral thermo­ plasten, zo’n grote vlucht hebben genomen is dat men ze door ze te mengen met andere materialen ongeveer alle eigenschappen kan meegeven die nodig zijn voor bepaalde toepassingen. Dat levert composieten op (waar we later op in gaan), maar ook mengpolymeren die van alle verschillende basispolymeren een deel van de eigenschappen meekrijgen. Zo worden thermoplasten gemengd met weekmakers om ze zachter te maken, of met aramidevezels om ze sterker te maken. Soms worden aan kunststoffen rubberen microbolletjes toegevoegd om de slagsterkte te verbeteren. Naast mengpolymeren zijn er ook copolymeren waarbij de kunststofketen eigenschappen van meerdere poly­ 27 meren langs chemische weg krijgt door hem op te bouwen uit meerdere basispolymeren. Door te mengen met kleurstoffen zijn de thermoplasten daarnaast in nagenoeg elke kleur en glans te leveren. 2.2.3Rubbers Te midden van alle materialen is een groep die opvalt vanwege de lage sterkte en de grote rek die ze kunnen hebben. Dit zijn de elastomeren, letterlijk: elastische polymeren. Op grond van de verwerkingseigenschappen wordt deze groep tegenwoordig in twee groepen gesplitst: de (thermohardende) rubbers en de (thermoplastische) elastomeren. De rek is een elastische rek. De rubbers kunnen dus tot vele malen hun oorspronkelijke lengte uitgerekt worden om daarna weer terug te keren in hun oude toestand. De naam rubber is afgeleid dan het Engelse ‘to rub’ (= wrijven), omdat het als natuurproduct bekende natuurrubber een hoge wrijvingscoëfficiënt heeft met andere materialen. Een rubber is in de elastische eindtoestand niet zinvol in vorm te persen, omdat deze dan weer terugveert, dus het vormgeven van bijvoorbeeld een autoband gebeurt in een niet ‘uitgeharde’ toestand. Het rubbermengsel is dan zeer plastisch en zacht, en enigszins plakkerig waardoor lagen van verschillende rubbersoorten op elkaar geplakt kunnen worden. Deze ‘plakkerigheid’ wordt ‘tack’ genoemd. Daarna kunnen de banden geperst worden in de uiteindelijke vorm onder verwarming, waardoor er met het in het rubbermengsel zittende zwavel bindingen worden gevormd tussen de ketens. Dit proces heet vulkaniseren en is vergelijkbaar met het uitharden van thermoharders. Het ongevulkaniseerde mengsel is beperkt houdbaar en moet dus binnen een bepaalde tijd verwerkt worden. Het aantal bindingen dat gevormd wordt, is veel geringer dan bij thermoharders, waardoor rubbers beweeglijk en elastisch worden. Het mengen van de bestanddelen is een van de belangrijkste stappen in de rubberbereiding. Het is een complex proces, door de vele soorten pasteus vloeistofgedrag die het ongevulkaniseerde mengsel kent. Het valt dan ook niet mee om bijvoorbeeld het zwavelpoeder (zwavelbloem) homogeen door het rubberdeeg te kneden. Om te zorgen dat er in ieder geval overal genoeg zwavel zit voor voldoende sterkte, wordt er vaak wat meer in gedaan. Als het rubber nu te lang wordt gevulkaniseerd, ontstaan er meer zwavelbruggen dan bedoeld en wordt het rubber echt zo hard als een thermoharder. Eboniet is hiervan een voorbeeld. Roet (koolstof) is een belangrijk element in rubbers. Vandaar dat rubbers bijna allemaal zwart zijn. Zo is niet te zien dat een product zoals een autoband uit wel vijf tot negen soorten rubber kan bestaan. Je kunt het wel voelen, want het loopvlak bevat een andere rubbersoort dan de zijwanden en ook een andere rubbersoort dan de hiel van de band die om de velg zit, en waar staaldraad in zit. Het zijn combinaties van rubbersoorten als styreenbutadieenrubber (SBR), nitrilbutadieenrubber (NBR) en isopreenrubber (IR), die echter niet voldoende luchtdicht zijn zodat aan de binnenkant nog een laag, eveneens zwarte butylrubber (IIR) wordt aangebracht. Het roet kent een enorme hechtingskracht en is om die reden zo populair als versterkings­ middel in rubber. Materiaalkeuze 2 – Technische materiaalkeuze 28 Leerboek Materiaalkunde voor technici Door de elasticiteit is het rubber in staat om zich aan bijna elk oppervlakte aan te passen waardoor grip ontstaat. Rubbers zijn net als thermoharders na het uitharden niet meer om te smelten en kunnen hooguit als vulmateriaal verwerkt worden. Omdat ze vaak een grote scheurweerstand kennen en dus niet zonder meer in stukjes geslagen kunnen worden, gebeurt de terugwinning vaak bij zeer lage temperaturen waarbij rubbers hard en breekbaar worden. 2.2.4Elastomeren Een van de onhandige kanten van rubbers is dat ze moeilijk te kleuren zijn. Bovendien moet men om de juiste eigenschappen te krijgen nauwkeurig meerdere componenten mengen. Vandaar dat er een nieuwe groep kunst­ stoffen is ontwikkeld met het productiegemak en de kleurbaarheid van thermoplasten, maar met de gripeigenschappen en elasticiteit van rubbers. De elastomeren zijn wereldwijd samen goed voor circa anderhalf miljoen ton aan productie, tegen circa twaalf miljoen ton voor de rubbers. We onderscheiden in deze groep de thermoplastische elastomeren (TPE), de thermoplastische polyolefinen (TPO) en de thermoplastische polyurethanen (TPU), naast een aantal andere kleinere groepen. Kenmerkende toepassingen voor TPE zijn schoenzolen, kabelisolatie, handvatten, smeltlijmen en kitten. Ze zijn gebaseerd op styreenblokcopolymeren, die samen goed zijn voor ruim veertig procent van de TPE. De TPO vallen formeel ook onder de thermoplastische elastomeren, maar wordt toch gezien als een aparte groep, meer als een flexibel plastic en minder als een kleurbaar rubber. Ze zijn dan ook harder en gladder dan de styreen-TPE. Kenmerkende soorten zijn ethyleenpropyleenrubber (EPR) en ethyleenpropyleendieen-M (EPDM), alsook enige vinylrubbers (EVA). Kenmerkende producten zijn laarzen, balgen, aandrijfriemen, afdichtingringen, wrijvingwieltjes en dempingmaterialen, samen goed voor een kwart van de TPE. De polyurethaanelastomeren (TPU, vijftien procent van de elastomeren) kunnen van zeer zacht tot zeer hard zijn en ze vertegenwoordigen dan ook een breed gezelschap van verschillende chemische verbindingen. Van het beschilderbare polyesterpolycaprolacton voor spuitgegoten autopanelen tot aan het polytetramethyleen­ glycolether voor benzineslangen en chemisch bestendige kabelisolatie. 2.2.5 Vormgeving vanuit de vloeibare fase Bij het kiezen van materialen wordt altijd rekening gehouden met de uiteindelijke vormgeving van de producten. De kunststoffen laten zich het eenvoudigst vormgeven in de vloeibare toestand, vooral omdat hiervoor zo’n lage temperatuur nodig is dat de matrijzen die gebruikt worden om het product te vormen, van staal kunnen zijn en soms zelfs van het zwakkere aluminium. Vandaar dat veel kunststof producten onder hoge druk worden gegoten (persen, spuitgieten), of roterend in een holle mal (rotatiegieten), of warm worden omgevormd uit plaat (vacuümvormen). Indien de seriegroottes groot genoeg zijn, en er voor een product voor een bepaalde complexe vorm gekozen wordt, zal men vaak kijken of kunststoffen een optie zijn. Vooral wanneer er Spuitgietproduct Spuitgieten en blazen Spanningen in spuitgietproduct 29 de wens is tot integrale vormgeving, waarbij allerlei lipjes, bevestigingspunten, holtes, gaten in één keer gemaakt moeten worden, wordt vaak gekozen voor een spuitgietproduct. Op het moment dat het product ontstaat, ontstaat bij vloeibare vormgeving ook het materiaal. Dat betekent dat de productieomstandigheden invloed hebben op de materiaaleigenschappen. Druk, temperatuur en tijd zijn parameters die een rol spelen. De gesmolten kunststof koelt af in de matrijs, stolt en zal proberen te krimpen. Omdat de warmtegeleiding van kunststoffen slecht is, zal het enige tijd duren voor het binnenste van het materiaal gestold is. Als de buitenkant dan al hard is, zal het krimpende binnenste voor spanningen gaan zorgen in het materiaal. Soms kan dit worden tegengegaan door tijdens het uitharden vloeibaar kunststof in de matrijs te blijven drukken. Normaal gesproken zal echter door een goed ontwerp van het product moeten worden voorkomen dat de spanningen kunnen optreden. Doorgaans betekent dit voor de ontwerper dat er in het product alleen dunwandige stukken mogen voorkomen, die dus gelijkmatig kunnen afkoelen. Ook moet de ontwerper bedenken hoe de gekozen productiewijze aansluit bij de vorm van het product, opdat de materiaaleigenschappen optimaal zijn en het materiaal vrij van spanningen is. Dunwandige vormgeving betekent extra problemen bij het vullen van de matrijs. Dit betekent dat er voor de vormgeving goed overlegd moet worden met de matrijzenmakers, die hier de meeste ervaring mee hebben. Dit geldt zowel voor spuitgieten als voor vacuümvormen als voor rotatiegieten. Bovendien moet er goed worden overlegd met de grondstofleverancier over de gewenste productiewijze en over de gewenste eindeigenschappen. Zodra de gewenste producteigenschappen, de gewenste productiemethode en de gewenste materiaaleigenschappen bekend zijn zal goed overleg moeten leiden tot het juiste resultaat. Bij het vloeibaar vormgeven heeft de ontwerper behalve op de producteigenschappen dus ook een grote invloed op de materiaaleigenschappen. Uit het overleg met de grondstofleverancier moet ook volgen welk type kunststof gekozen moet worden, of beter gezegd welke blend. Polyetheen alleen is niet genoeg als bestelnaam. Uitgezocht moet worden welke toevoegstoffen er wel en niet in moeten en welke handelsnaam de fabrikant gebruikt. Zijn polyetheen kan geheel anders blijken dan dat van de concurrent. Kunststoffen zijn dus gemakkelijk vorm te geven in de vloeibare fase dankzij de lage smelttemperatuur. Een lage smelttemperatuur wil echter ook zeggen dat de atomen kennelijk relatief beweeglijk zijn. Voor kunststoffen zelfs zo erg, dat producten bij kamertemperatuur als gevolg van erop uitgeoefende krachten langzaam maar zeker steeds verder vervormen. We noemen dit verschijnsel kruip. Kunststof producten zijn dus niet stabiel in de tijd, onder belasting. Een ontwerper zal hier rekening mee moeten houden door krachten voldoende te verdelen over de constructie. Een oplossing is om gebruik te maken van toevoegmaterialen met een hogere smelttemperatuur, zoals glas. Hierdoor ontstaat een kruipbestendig materiaal. We gaan hier nog op in bij de composieten (paragraaf 2.5). Materiaalkeuze 2 – Technische materiaalkeuze 30 Leerboek Materiaalkunde voor technici 2.3 Warmhoudplaat Horlogelagers Kogellagers Isolators Materiaalkeuze bij keramische materialen De kunststoffen zijn niet de enige groep materialen waarvan de vormgeving bij voorkeur langs vloeibare weg plaatsvindt. Bij kunststoffen gebeurt dat echter omdat het zo eenvoudig is in vergelijking met andere productiemethoden, terwijl technische keramiek vanuit de vloeibare toestand wordt vormgegeven omdat andere methoden simpelweg niet kunnen. Je kunt keramiek in uitgeharde toestand niet buigen en nauwelijks verspanen (te hard). Vloeibaar is niet geheel het juiste woord want het smeltpunt van keramiek is veel te hoog om het materiaal te kunnen smelten in industriële processen. Vloeiende vormgeving is een betere uitdrukking. De meeste keramische producten worden gemaakt door te sinteren, een proces waarbij poeder bij hoge temperatuur onder druk wordt gezet. De temperatuur die gebruikt wordt, is doorgaans in de orde van 1000 °C. Als gevolg van de temperatuur en de druk gaan de korrels vloeien tot één geheel, met nog enige porositeit als gevolg van luchtinsluiting. Hoe hoger de druk, hoe minder poreus, hoe sterker de keramiek wordt. Vandaar dat keramische producten die op deze wijze vervaardigd worden, niet al te groot zijn, anders zouden de benodigde drukkrachten te hoog zijn. De op deze wijze verkregen keramiek is vele malen sterker dan het zonder druk gebakken aardewerk dat we dagelijks gebruiken en dat zeer poreus is. De associatie met aardewerk en onbekendheid met technisch keramiek maakt echter dat veel ontwerpers liever geen keramiek voorschrijven. Tot de keramische materialen behoren glassoorten, koolstof, hardmetaalsoorten en de meer als keramiek herkenbare porseleinachtige materialen zoals alumina. Er zitten wat beperkingen aan het gebruik van keramiek. Het is door de verschillen in uitzettingscoëfficiënt moeilijk verbindingen te maken met andere materialen. De keramieken zijn bros, niet erg slagvast, en kunnen niet goed trekbelasting opnemen. De bewerkingskosten zijn hoog. De materiaalkosten zijn relatief hoog doordat gebruik moet worden gemaakt van poeders met een geschikte korrelgrootte en een kleine spreiding in korrelgrootte. Deze eisen zijn kostenverhogend. De materiaaleigenschappen zijn afhankelijk van de temperatuur, de sintertijd, de druk, de korrelgrootte, de korrelgrootteverdeling, de korrelvorm, de zuiverheid en de productvorm. Door het werken met poeders en het sinteren in vloeiende maar niet vloeibare toestand, is er tijdens het persen geen sprake van een constante druk door het materiaal heen. Daardoor is het moeilijk te voorspellen hoe de vorm en de verdeling van de porositeiten (holtes) zijn, waardoor het gedrag van het materiaal niet geheel vastligt. Goede technische keramiek maken is dus een kwestie van vakmanschap. De markt is klein en het aantal productiebedrijven gering. Toch zijn de chemische bestendigheid, de slijtbestendigheid en de hitte­ bestendigheid van keramieken zo spectaculair dat ze een aantal bijzondere producten mogelijk maken, die vaak niet van een ander materiaal kunnen worden gemaakt. Slijtvastheid en doorzichtigheid zien we samen in glasproducten, chemische bestendigheid in afdichtingen voor vloeistoffen als azijnzuur, chemische bestendigheid met precisiegaatjes voor filters, slijtagebestendigheid in snijgereedschappen zoals beitels voor staalbewerking, hittebestendigheid in kijkglazen voor ovens en tegels voor ruimteveren. Meer dichtbij komen we keramiek tegen in vele composieten zoals carbonframes, remblok- Beitelplaten 31 ken, maar ook in isolatoren zoals schakelaars in ovens, halogeenlampvoeten, zekeringen en schrikdraadhouders. Veel toepassingen, met nauwelijks alternatieven voor de materiaalkeuze. Koolstof, als metalloïde, kan ook een metaalbinding aangaan en wordt zo onder andere gebruikt om de eigenschappen van stalen te modificeren. Daarnaast leidt deze eigenschap tot een bijzondere groep van keramische materialen: de hardmetalen. Ook met metalen als kobalt, molybdeen, wolfraam, chroom en vanadium kunnen door koolstof carbiden worden gevormd, die zeer hard zijn en bovendien thermisch stabiel, zodat ze gebruikt kunnen worden in gereedschappen die ook bij hogere temperatuur nog goed moeten werken. In verschillende verhoudingen in poedervorm worden deze gesinterde carbiden gebruikt voor hardmetalen beitelplaatjes, boortanden en zaagtanden. 2.4 Materiaalkeuze bij metalen Sinds de Industriële Revolutie zijn metalen niet meer weg te denken uit ons dagelijks leven. Van nature komen metalen echter nauwelijks voor in de vorm waarin wij ze kennen. Ze zitten in zouten gebonden in allerlei gesteenten. We hebben veel moeite gedaan om ze eruit te halen en moeten daarna veel moeite doen om te voorkomen dat ze weer gaan roesten. De buitenste atomen van metaalproducten zullen steeds steenachtige bindingen aangaan met de omgeving. Soms vormen ze daarbij een dichte keramische oxidehuid, zodat de rest van het metaal beschermd is. Soms ook roesten ze letterlijk door en moet het product beschermd worden tegen corrosie. In het kristalrooster zitten de metalen dicht op elkaar; hierdoor is de sterkte hoog en kan er vaak dun geconstrueerd worden, zodat constructies van metalen toch licht kunnen zijn, ondanks hun hoge soortelijke massa. Het grote voordeel van metalen, bekeken vanuit de vormgeving, is dat ze op vrijwel elke manier verwerkt kunnen worden. Van metalen kunnen gewalste profielen bestaan, gietlegeringen en gesinterde producten uit poeder. We spreken van omvormmetalen, gietmetalen en poedermetallurgische metalen (P/M-metalen). Bovendien kunnen metalen producten geleverd worden in nagenoeg elke denkbare maat: van dun gouddraad voor elektronicatoepassingen tot gegoten bolscharnieren van meters in diameter voor een waterkering en van meterslange treinrails tot paperclips. De materiaaleigenschappen van metalen kunnen bovendien op verschillende manieren aangepast worden. Het rooster in combinatie met het isotrope (in alle richtingen gelijke) bindingenpatroon maakt dat metaal koud gesmeed kan worden tot een zekere vervormingsgraad, met als resultaat dat het metaal sterker wordt. Door middel van diverse warmtebehandelingen kunnen veel metalen harder en sterker, of juist zachter gemaakt worden. Daarnaast kunnen elementen (dus andere atomen) worden opgelost in het rooster van metalen om de eigenschappen te beïnvloeden. Op sommige metalen kunnen bovendien ook koudebehandelingen worden uitgevoerd waarmee dan de sterkte of slijtvastheid verbeterd wordt. Al deze technieken kunnen ook plaatselijk uitgevoerd worden. Het kan allemaal, maar het heeft zijn prijs. Als producten moeten worden warmtebehandeld, moeten ze vaak uit de productielijn naar een gespeciali- Materiaalkeuze 2 – Technische materiaalkeuze 32 Leerboek Materiaalkunde voor technici seerd bedrijf en weer terug om afgewerkt te worden. Naast de kosten van de warmtebehandeling (per kilo product berekend) komen er dan ook vervoersen logistieke kosten bij. Plaatselijke warmtebehandelingen vergen een goede voorbereiding en worden vaak uitgevoerd met speciaal vervaardigde gereedschappen zoals branders of magnetische inductiespoelen. Legeren gebeurt over het algemeen met metalen met dure toevoegmaterialen. Voor een juiste toepassing van de verschillende warmtebehandelingen is goed overleg met de toeleverancier en met de warmtebehandelaar noodzakelijk. Het kunnen veranderen van metaaleigenschappen (modificeren) hangt samen met de kristalliniteit van metalen. De metalen beginnen doorgaans als gesmolten vloeistof en worden dan direct gegoten tot eindproduct, of als gegoten halffabricaat gewalst tot platen, balken en profielen. Bij het stollen van het gietstuk ontstaan kristallen, vergelijkbaar met ijsbloemen, met een duidelijke regelmatige vorm. Door het metaal warm te walsen worden de kristallen geplet, maar er treedt ook door de warmte rekristallisatie op, zodat uiteindelijk platen ontstaan met een regelmatige kristalvorm. In de kristallen is vervorming mogelijk door het langs elkaar schuiven van de kristalvlakken. Dit wordt nog weer vergemakkelijkt door de aanwezigheid van allerlei fouten in de regelmatige kristalroosters, de zogeheten randdislocaties en schroefdislocaties. Door externe krachten op het metaal kunnen deze dislocaties zich door het metaal verplaatsen, op een manier vergelijkbaar met een hobbel in een tapijt of tafellaken die weggestreken wordt. Zolang dit gemakkelijk gaat zal het metaal niet al te sterk zijn, maar wel ver kunnen uitrekken. Het metaal laat zich dan goed verwerken door middel van technieken als buigen, walsen en dieptrekken. Als we de beweging van de dislocaties kunnen belemmeren, wordt het metaal sterker. Hiervoor zijn verschillende mogelijkheden. Ten eerste kunnen we het metaal voorzien van atomen van een ander metaal; we noemen dit legeren (spreek uit: legéren). Meestal moeten deze legeringelementen meegesmolten worden in het oorspronkelijke gietbad, soms echter kunnen ze later door middel van diffusie bij hoge temperatuur het metaal in worden geleid. De vreemde atomen zullen zich nestelen in de omgeving van de dislocaties en zo de verdere beweging tegengaan. Een tweede techniek is ook gebaseerd op legeren, maar nu in combinatie met warmtebehandelingen die zorgen dat de legeringelementen al dan niet samen met het basismateriaal nieuwe kristallen of kleinere kristallieten gaan vormen. Deze tweede fase die zo in het materiaal ontstaat, zal niet mee afschuiven met het vervormende eerste kristalrooster waardoor ook nu het metaal sterker wordt. Een vergelijkbare derde techniek is een warmtebehandeling, het zogeheten normaalgloeien, waarbij het metaal nieuwe, kleinere, kristallen vormt. Doordat er nu aan de kristalgrenzen vaker overgangen zijn van het ene kristalrooster naar het andere, wordt het moeilijker voor de dislocaties om over grotere afstanden af te schuiven, waardoor het materiaal wederom sterker wordt. Sommige metalen kennen meerdere kristalroostertypen. Dit zijn polymorfe materialen. Een voorbeeld is ijzer, dat tot 912 °C een kubisch rooster kent, met een ordening waarbij op elke hoek van de kubus een atoom zit, en bovendien een enkel atoom in het midden van de kubus. Van 912 tot 1394 °C zijn de atomen anders gerangschikt en ontstaat een ander kubisch roostertype, met Ferriet: kubisch ruimtelijk gecentreerd Austeniet: kubisch viakken gecentreerd Martensiet: ‘vervormd ferriet’: tetragonaal ruimtelijk gecentreerd 33 naast atomen op de hoekpunten ook steeds één op elk van de zijvlakken van de kubus. De eerste ordening, of structuurtoestand, in ijzer heeft als naam α-ferriet (alfa-ferriet) en de tweede heet γ-austeniet (gamma-austeniet). De structuurtoestand kan men ook aflezen in toestandsdiagrammen, zoals het ijzer-koolstofdiagram, waarin het roostertype als functie van temperatuur en koolstofgehalte te vinden is. Ook kan worden afgelezen dat er in het ferriet maximaal 0,02% koolstof kan worden opgelost (bij 727 °C), terwijl er in de austeniet tot wel 2,1% kan worden opgelost (bij 1148 °C). Hiervan wordt gebruikgemaakt bij nog een methode om metalen te harden: het afschrikharden. Bij staalsoorten met circa 0,2 tot 1% koolstof kan men, door vanaf circa 900 °C relatief snel af te koelen, zorgen dat het koolstof vast komt te zitten in het ferrietrooster, waar het dus niet in past. Het ferrietrooster raakt hier zo sterk van vervormd, dat er geen afschuiving meer mogelijk is, zodat het metaal zeer hard geworden is. Als men metaal gaat vervormen, is er in het begin nog veel afschuiving mogelijk. Naarmate de vervorming voortschrijdt, wordt het aantal mogelijkheden om verder af te schuiven steeds kleiner. Er ontstaan bij voortgaande vervorming steeds meer dislocaties, het materiaal verstevigt en wordt sterker. Vandaar dat koudgewalst plaatmateriaal sterker is dan warmgewalst plaat­ materiaal. Vandaar ook dat als men dikker materiaal inkoopt, dit vaak een lagere sterkte heeft dan dunne plaat of staf; een lagere sterkte, maar ook een grotere vervormbaarheid, wat handig is als men het materiaal nog wenst te buigen of anderszins om te vormen. Plaatmateriaal wordt dan ook verkocht in klassen als hard, halfhard of dieptrekkwaliteit. Men zal dus bij het bestellen niet alleen de metaalsoort, maar ook de gewenste sterkte, hardheid of omvormkwaliteit moeten opgeven. Zolang er geen speciale eisen worden gesteld, vindt men voor de meeste toepassingen al wel een geschikte kneedlegering of gietlegering in de ijzerlegeringen (staalsoorten) of de aluminiumlegeringen. Voor magnesium (autovelgen, motorblokken) kiest men als het echt lichter moet, voor titanium als men dun en elastisch wil construeren (brilmonturen), voor nikkel als de chemische bestendigheid of de hittebestendigheid een rol spelen (industriële ovens) en voor koper als warmtegeleiding of stroomgeleiding van belang zijn, of als chemische bestendigheid meespeelt (waterleidingsarmaturen, stroomdraad). Ook metalen worden wel als eindproduct gegoten, net als kunststoffen en keramieken. Diverse producten, zoals autodeurknoppen (zink), fietsremhandels (aluminium) en verwarmingskachels (aluminium, gietijzer) bevatten onderdelen van gegoten metaal. Gietmetalen hebben ten onrechte een reputatie van breekbaar en ruw van uiterlijk. De moderne metaaltechnologie heeft vele gietlegeringen voortgebracht die qua eigenschappen niet onderdoen voor omvormmetalen. Giettechnieken worden vooral gebruikt voor producten die in grotere series vervaardigd worden en die een complexe vorm hebben. Door middel van gieten kunnen producten worden gemaakt die met productietechnieken zoals frezen, smeden en omvormen nauwelijks te maken zijn. Alleen het computergestuurd meerassig frezen is soms een concurrerende techniek. De verschillende legeringen voor omvormmetalen kunnen niet zonder meer gegoten worden. Vanwege de complexe vormgeving worden vaak stoffen toegevoegd om de gietbaarheid te verbeteren, zodat gietlegeringen vaak andere aanduidingen hebben dan vergelijkbare omvormmetalen. Gietstukken hebben vaak een grovere kristalstructuur dan smeedstukken of andere Materiaalkeuze 2 – Technische materiaalkeuze 34 Omvormen Gieten Leerboek Materiaalkunde voor technici omvormmetalen. Daarnaast hebben de kristallen vaak verschillende samenstellingen met als gevolg dat er een galvanische reactie mogelijk is in bepaalde milieus (edele plus minder edele kristallen als plus en min pool.) De corrosiebestendigheid is dus ook minder, tenzij er rekristalliserende warmtebehandelingen worden uitgevoerd, wat niet altijd kan. We hebben eerder gezien dat als de metaalkristallen klein worden, de sterkte toeneemt. Vanuit dit idee is een nieuwe techniek ontstaan. Er wordt gebruikgemaakt van zeer fijn metaalpoeder, dus poeder met korrels ter grootte van één micrometer ofwel een duizendste millimeter. Een nieuwe trend is zelfs het gebruik van poeders die nog duizend maal kleiner zijn. Het metaalpoeder wordt gesinterd, dus net als keramiek onder druk gebakken tot de korrels aaneenvloeien. Het resultaat is een product uit poedermetallurgisch metaal, dat extreem slijtvast en sterk is in vergelijking tot het materiaal waaruit het poeder is gemaakt. Om het metaal vrij van poriën te krijgen, moeten hoge drukken gebruikt worden. Daardoor kan deze techniek alleen voor relatief kleine producten (tot enkele kubieke centimeters groot) gebruikt worden. Een alternatief is het eerst uit poeder vervaardigen van cilinders van circa één tot twee meter lengte, die daarna uitgewalst worden tot zeer homogeen fijnkorrelig stafmateriaal van grotere afmetingen. Gezien de hoge kosten van poeder en machines, wordt dit metaal alleen voor speciale toepassingen gebruikt, zoals slijtvaste tandwielen en kleine machineonderdelen die op andere wijze moeilijk te harden zijn zonder dat ze te bros worden. Het is aantrekkelijk om van kneedlegeringen uit te gaan, omdat deze als kant-en-klare staf worden aangeleverd met bekende eigenschappen. Door de lange industriële historie is de metaalbranche goed georganiseerd. Bovendien is de werktuigbouwkundige ontwerpwereld al zo vertrouwd met metalen dat de meeste traditionele constructieberekeningen gebaseerd zijn op de gegevens zoals deze gepresenteerd worden door de leveranciers. Vandaar dat er schijnbaar veel beter aan de materiaalkeuze van metalen te rekenen valt dan van andere materialen. Toch is dit een kwestie van gewenning. Het rekenen met de kruip van kunststoffen en de variatie in eigenschappen van keramiek is goed te doen, zoals we nog zullen zien. 2.5 Materiaalkeuze bij composieten Bij het legeren van metalen ontstaan nieuwe metalen met eigenschappen die niet rechtstreeks lijken op de eigenschappen van de uitgangsmaterialen. Als we bijvoorbeeld aluminium legeren met het beter geleidende koper, krijgen we een legering die slechter warmte en stroom geleidt dan elk der beide uitgangsmetalen. Echter, bij het mengen van materialen zullen de uitgangsmaterialen nog afzonderlijk herkenbaar blijven en zal het resultaat een materiaal zijn dat het ene materiaal versterkte eigenschappen van het andere materiaal meegeeft. Stel dat we geen legering van aluminium en koper maken, maar koperdeeltjes ingieten in aluminium. Dan zal het geheel de warmte beter geleiden dan aluminium. Zo krijgt beton meer sterkte van de stalen wapening en de stalen wapening een lager gewicht van het beton, en kan licht en sterk geconstrueerd worden. Zo krijgt polystyreen slagvastheid van een rubber, polyfenyleenoxide, in het mengsel PS/PPO, en krijgt het PPO meer sterkte van het polystyreen. Zo ook ontleent siliciumcarbidevezelver- Bamboe-fiets Calfee 35 sterkt aluminium zijn sterkte aan het siliciumcarbide en krijgt het siliciumcarbide er de gietbaarheid van aluminium bij. In de gemengde materialen of composieten wordt onderscheid gemaakt tussen het matrixmateriaal en het vulmateriaal. Het matrixmateriaal is het materiaal waaraan de stoffen worden toegevoegd om specifieke eigenschappen te verbeteren, dus in feite het basismateriaal. Naar het matrixmateriaal worden de composieten onderscheiden in metaalmatrixcomposieten, versterkte kunststoffen en gewapende keramieken. Hout is een natuurlijke composiet omdat het uit onderscheidbare verschillende celmaterialen bestaat, maar waar niet specifiek iets aan toegevoegd is. Binnen de composieten wordt bovendien onderscheid gemaakt tussen mengcomposieten en laminaatmaterialen. De mengcomposieten bestaan uit een homogeen mengsel van matrix en toevoegmateriaal of wapeningsmateriaal. Als sprake is van wapeningsvezels kunnen deze kort zijn, of juist zeer lang, wat invloed heeft op de totale productsterkte. Laminaatmaterialen zijn opgebouwd uit lagen van verschillende materialen. Voorbeelden zijn multiplex (hout op hout of kunststof op hout) en gelaagd glas (kunststof op keramiek). Het is goed om te bedenken dat composieten niet altijd gemaakt worden om sterkte te verhogen, een composiet kan ook tot doel hebben de warmtegeleiding te verbeteren (metaalvezel in kunststof) of juist te verlagen (luchtinsluiting: kunststof schuimen, metaalschuimen, poreus keramiek). Hout is een van de oudste, bekende productmaterialen. Voor veel hedendaagse producten wordt het echter nauwelijks toegepast omdat de eigenschappen niet erg constant zijn door natuurlijke invloeden zoals wind, bodemgesteldheid en knoesten en door vochtopname van het gedroogde hout. Ook is het hout uitgesproken anisotroop, wat inhoudt dat de eigenschappen in verschillende richtingen niet gelijk zijn: het hout is in de nerfrichting veel sterker dan loodrecht op de nerfrichting. Daarnaast zijn de industriële vormgevingsmogelijkheden beperkt voor massief hout. Bij complexe gefreesde vormen kunnen stukken afbreken door de slechte hechting loodrecht op de nerf. Men zal bij massief hout van rechte, in de nerfrichting belaste vlakken moeten uitgaan, die eventueel warm gebogen kunnen worden. Om tegemoet te komen aan de geringe vormgevingsvrijheid van het werken met massief hout zijn allerlei houtspaander- en houtmeelmengsels gemaakt die door persen met lijmstoffen vormgegeven worden. De sterkte hiervan is echter veel geringer dan van massief hout, en behoudens een enkele uitzondering moeten ze van deklagen worden voorzien tegen vochtopname of slijtage, of om esthetische redenen. Om tegemoet te komen aan de anisotropie zijn laminaatmaterialen zoals triplex en multiplex ontwikkeld, die in het vlak van de platen in twee richtingen redelijk gelijk van eigenschappen zijn te noemen. Indien goed toegepast, kan met de houtlaminaten lichter en tegelijk sterker geconstrueerd worden dan met vrijwel alle andere materialen. Van de door de mens gemaakte composieten zijn de versterkte thermoharders de bekendste, met name het glasvezelversterkte epoxy, dat in autodaken, vliegtuigonderdelen, zeiljachten, surfplanken en dienbladen voorkomt en daar voor extra sterkte en stijfheid zorgt. Er zijn grofweg drie manieren om dit soort composieten te maken. 1 Men kan vezelmatten of korte vezels op net aangemaakte thermohardende vloeistof verspreiden en dan eventueel onder druk laten uitharden. Dit noemt men de hand-lay-up-methode. Materiaalkeuze 2 – Technische materiaalkeuze 36 Leerboek Materiaalkunde voor technici 2 Een tweede manier is om lange vezels door een bad heen te leiden en dan bijvoorbeeld buizen te wikkelen of lange profielen te maken. Eventueel kan men langs deze weg ook matten weven of bevochtigen met thermo­ harder, die dan als vooraf geïmpregneerd materiaal, ofwel prepreg, verkocht worden en gekoeld bewaard worden. Na vormgeving worden de matten in een grote oven (autoclaaf) onder druk uitgehard. 3 Een derde methode is om korte vezels of deeltjes van tevoren te mengen met kunststof in poeder of granulaat en dat dan droog te bewaren. Vervolgens wordt het in een vorm geperst en gesinterd. Deze techniek wordt onder andere in microchipbehuizingen gebruikt, met als doel de chip vormvast te houden bij temperatuurverhoging. Een logisch vervolg op de vezelversterkte thermoharders zijn de vezelversterkte thermoplasten. Deze kunnen met korte vezels of glasdeeltjes en andere vulstoffen simpelweg gespuitgiet worden. Een nadeel van deze productietechniek is de snelle slijtage van de matrijzen, zodat deze over minder producten moeten worden afgeschreven. Deze techniek wordt gebruikt voor behuizingen van handgereedschapmachines, met als resultaat dat deze sterker worden en ook bij het warm worden nog stijf en sterk blijven. Een relatief nieuwe ontwikkeling zijn de langvezel-thermoplasten. Hierbij worden lange vezels al dan niet geweven ingesmolten in thermoplastische halffabricaten zoals staf en plaatmateriaal. Dit kan vervolgens warm vervormd worden tot eindproducten. Het gebruik van thermoplasten heeft meerdere voordelen ten opzichte van thermoharders. Het materiaal is taaier, sterker en beter recyclebaar. Bovendien zijn betere oppervlaktekwaliteiten en meer kleuren mogelijk dan bij thermohardercomposieten. Een nadeel van de thermoplasten is wel dat ze minder krasvast zijn. De nieuwste familie van de composieten vormen de metaalmatrix­ composieten. Het betreft hier eigenlijk alleen metalen met keramische vezels als wapening. De belangrijkste reden om metalen te willen wapenen met keramiek is net als bij veel kunststoffen om de mechanische eigenschappen bij hoge temperatuur te verbeteren. Door gebruik te maken van aluminium als matrix ontstaat een licht maar toch sterk materiaal voor gebruik bij hoge temperaturen. De aluminiummatrixcomposieten zijn drie keer zo duur als aluminiumlegeringen. Toepassingen zijn onder andere ventielkleppen en cilindermantels in dieselmotoren. 2.6Deklagen De drie hoofdgroepen materialen hebben elk zo hun eigen kenmerken als het gaat om de interacties tussen product en omgeving. Als we denken aan oppervlakte-interacties waarbij corrosie, grip, reflectie, kleur, slijtage, glijden, warmtegeleiding, comfort of klank een rol spelen, zijn de groepen duidelijk verschillend. Dankzij het gebruik van deklagen kunnen we oppervlaktekenmerken van de ene groep toevoegen aan de andere groep. Een van de grootste problemen is de hechting van de deklagen. Er zijn drie hechtingsprincipes: chemische, fysische en mechanische hechting. Bij de chemische hechting wordt er een verbinding (covalente binding, ionbinding of metaalbinding) aangegaan tussen ondergrond en deklaag. De deklaag kan 37 vervolgens niet mechanisch verwijderd worden. Bij de fysische hechting is er in feite sprake van adhesie, waarbij de microstructuur van belang is. Als op atomaire schaal de beide materialen qua vorm in elkaar passen, treedt er hechting op, mits de aantrekkingskracht tussen de materialen (adhesie) groter is dan de interne aantrekking (cohesie). Mechanische hechting is een grootschalige variant van fysische hechting. Door opruwing van de ondergrond ontstaat een vorm waar het deklaagmateriaal in grijpt. De kunststof deklagen zijn de bekendste. Dankzij het gebruik van verf kunnen andere materialen zoals hout en metalen tegen corrosie beschermd worden. In principe kunnen alle materialen van een kleur voorzien worden. Nog meer toepassingen van kunststofdeklagen zijn tijdelijke beschermfolies, antiaanbaklagen en antislijtlagen of glijlagen. Ook worden kunststofdeklagen aangebracht om juist meer grip op oppervlakken te krijgen, bijvoorbeeld op douchevloeren of scheepsdekken. De anticorrosietoepassing is de bekendste. Veel metalen gaan een reactie met zuurstof aan. Soms ontstaat daarbij een dichte oxidehuid die het metaal beschermt tegen verder roesten. Vaak echter blijkt het corrosieproduct een poreuze laag, waardoor de zuurstof nog steeds bij het onderliggende metaal kan komen. In dat geval is de oplossing het metaal af te schermen tegen de omgeving met een zuurstofdichte laag. Niet alle kunststoffen hechten zonder meer; vandaar dat vaak overgangslagen (primers, grondverven) gebruikt worden, die aan het metaal kunnen hechten en aan de kunststof (verf) toplaag. Dit zijn meestal lagen met een keramische aard. Ze bestaan dus uit een verbinding van een metaal en een niet-metaal, waardoor ze zowel aan het metaal als aan de kunststof hechten. Er zijn drie soorten keramische deklagen. De eerste is de anticorrosielaag op metalen die vaak al van nature ontstaat. Normaal gesproken wordt de laag echter langs industriële weg aangebracht, waardoor een betere kwaliteit ontstaat. Dit proces heet passiveren. Aluminium krijgt aldus een laag aluminiumoxide (alumina), roestvast staal een laag chroomoxide. De lagen hebben de chemische stabiliteit van een keramiek, maar ook de brosheid. Dus als het onderliggende metaal gebogen wordt, zal de laag barsten gaan vertonen en moet het metaal opnieuw gepassiveerd worden. Ook als het product later nog bewerkingen ondergaat, zoals knippen of boren, zal het bewerkte vlak opnieuw gepassiveerd moeten worden. Het ver-/bewerken van dit soort materialen vergt dus meer processtappen, die vaak door gespecialiseerde bedrijven moeten worden uitgevoerd. Het passiveren kan ook gecombineerd worden met een decoratieve functie, waarbij de oppervlakte een kleur meekrijgt. Een andere specialistische manier van keramisch bedekken is het bekende emailleren. Dit kan echter niet op elk metaal uitgevoerd worden. Over het algemeen wordt deze techniek uitgevoerd tegen (hoge temperatuur)corrosie, maar het heeft vaak ook een decoratieve functie in combinatie met hoge chemische bestendigheid en reinigbaarheid. Het onderliggende metaal is doorgaans van een speciaal voor emailleren vervaardigde laaggelegeerde koolstofstaalkwaliteit. De derde soort keramische deklaag is bedoeld om slijtage tegen te gaan. Er zijn drie technieken om dit soort lagen aan te brengen. Hardmetalen lagen worden onder andere aangebracht door ze op te lassen. Deze techniek wordt gebruikt voor machines voor zandtransport. Twee andere technieken zijn het opdampen (physical vapour deposition) en het chemisch opdampen Materiaalkeuze 2 – Technische materiaalkeuze 38 Leerboek Materiaalkunde voor technici (chemical vapour deposition). Deze technieken worden gebruikt voor dunne slijtvaste lagen op onder andere snij- en verspanende gereedschappen. Keramische deklagen worden in principe alleen op metalen aangebracht. De stijfheid van kunststoffen is te laag, waardoor de laag op een kunststof product bij belasting zou kunnen barsten. Metallische deklagen kunnen wel op kunststof worden aangebracht. Er zijn twee hoofdredenen te geven voor het gebruik ervan. Soms wil men een licht product de degelijke uitstraling meegeven van een metaal (‘titanium look’), maar ook wordt gebruikgemaakt van de stroomgeleiding van metalen om lekstromen af te voeren of om elektronische componenten af te schermen tegen elektromagnetische straling. 2.7Productlevenscyclus Materiaalkeuze neemt een bijzondere plaats in in de mogelijkheden om producten te laten werken, te kunnen maken, te kunnen laten bestaan en te kunnen afvoeren. Producten worden bedacht, ontworpen, gemaakt, verkocht, gebruikt en weggegooid. Het materiaal waaruit de producten zijn gemaakt, kan dan vaak opnieuw de cyclus van maken en gebruik doorlopen. De eigenschappen van producten worden mede bepaald door de eigenschappen van de beschikbare materialen. Materiaalkeuze komt in alle fasen van de productlevenscyclus voor. Bepaalde producten konden alleen bedacht worden doordat bepaalde materiaaleigenschappen voorhanden waren. Denk aan autobanden en elastomeer handvatten, die hun grip danken aan de bijzonder elastische eigenschappen van rubberachtige materialen. Denk aan hangbruggen die hun vorm danken aan de bijzondere sterkte-eigenschappen en omvormeigenschappen van metalen die tot draad gewalst konden worden. Denk ook aan voorruiten van hogesnelheidstreinen die hun bestaan danken aan de uitstekende transparantie en krasbestendigheid van glas. Aan de andere kant leiden de beperkingen van materialen vaak tot een begrensde levensduur van producten. Met name slijtage door langs elkaar bewegende oppervlakken leidt meer dan eens tot het falen van producten. Deels is dit te voorkomen door goed onderhoud, maar ook het gegeven dat onderhoud nodig is komt weer voort uit de materiaaleigenschappen. De gebruiksfase speelt dan ook de belangrijkste rol in de materiaalkeuze. Hoe het product wordt ervaren en functioneert, bepaalt een groot deel van het pakket van eisen van de materiaalkeuze. In de maakfase wordt ook een groot deel van het pakket van eisen ingevuld, omdat de maakbaarheidseigenschappen bepalen of het product te maken is, maar ook of het gemaakte product nog steeds de gewenste materiaaleigenschappen bezit. Bepaalde materialen kunnen bijvoorbeeld zowel gegoten als omgevormd voorkomen, waarbij er een verschil in sterkte, corrosiebestendigheid of vormmogelijkheden kan bestaan. Conservenblikjes bijvoorbeeld zouden als ze van hetzelfde materiaal zouden worden gegoten, minder sterk en minder corrosiebestendig zijn. Bovendien zou de wanddikte flink omhoog moeten om gieten mogelijk te maken. De afvalfase speelt in de praktijk een te kleine rol in de materiaalkeuze. Dat is jammer, want in deze fase zit de mogelijkheid om zeer grote economische voordelen te behalen. Een goed ontworpen product, met goed op elkaar afgestemde en te recyclen materialen, kan gemakkelijk gedemonteerd worden en gescheiden worden in zijn grondstofmaterialen. Dit zijn vervolgens waardevolle grondstoffen voor nieuwe producten. Te vaak wordt bij de mate­ riaalkeuze alleen gekeken naar de kortetermijnkosten van producten. Duurzame materialen kunnen echter een duurzame levenscyclus opleveren. Het product gaat langer mee, zodat geen vervangingskosten worden gemaakt, minder onderhoudskosten worden gemaakt, er geen kostenverlies door machinestilstand ontstaat, waardoor de nettolast lager is, en vervolgens levert het materiaal ook nog eens veel op. Deze analyse moet zeker worden mee­ genomen bij de materiaalkeuze. Steekwoorden Amorf Deklaag Elektron Gietlegering Kunststof Levenscyclus Metaal Rubber Structuur Vervaardigingstechniek Atoom Edelgasconfiguratie Functie Keramiek Kwaliteit Levenscycluskosten Molecuul Samenstelling Thermoharder Composiet Elastomeer Geometrie Kristallijn Laminaat Materiaal Omvormmetaal Spanningstoestand Thermoplast Opgaven 2.1 1 Geef een voorbeeld van twee materialen die als gevolg van een verschil in samenstelling verschillende eigenschappen hebben. 2 Geef een voorbeeld van twee materialen die als gevolg van een verschil in structuur verschillende eigenschappen hebben. 3 Geef een voorbeeld van twee materialen die als gevolg van een verschil in spanningstoestand verschillende eigenschappen hebben. 4 Laat zien op welke wijze de keramische siliciumnitride, Si3N4, als ion­ binding voldoet aan de edelgasconfiguratie. 5 Laat zien dat de metallische verbinding ijzercarbide, Fe3C, op basis van een covalente of ionbinding niet kan voldoen aan de edelgasconfiguratie. 6 Leg uit waarom kunststoffen ondanks hun sterke covalente bindingen niet de sterkste materialen zijn. 7 Welk materiaal zal zwaarder zijn: een kristallijne kunststof of een amorfe kunststof van dezelfde samenstelling? Licht toe. 8 Leg uit waarom het bindingstype van een materiaal niet van invloed is op de mogelijkheid om een materiaal vorm te geven door middel van gieten. Materiaalkeuze 39 2 – Technische materiaalkeuze 40 Leerboek Materiaalkunde voor technici 2.2 1 Waarom is de restwaarde in de afdankfase van thermoplastisch materiaal hoger dan van thermohardend materiaal? 2 Geef vier mogelijke processen om een kunststof emmer te maken en beredeneer in welke volgorde van seriegrootte ze rendabel zijn. 3 Waarom zul je geen gewalste plaat van kunststof tegenkomen? 4 Wat is het verschil tussen elastomeren en rubbers? 5 Waarom kunnen thermoplasten meer uitrekken dan thermoharders? 6 Waarom is het aantrekkelijker om, bij vergelijkbare producteigenschappen, een product in kunststof te spuitgieten dan in metaal? 2.3 Waardoor breekt keramiek in uitgeharde toestand vrijwel meteen zonder verdere vervorming als je het probeert krom te buigen? 2.4 1 Verklaar waarom metaal zo goed gewalst kan worden. 2 Geef vier manieren om de hardheid van een metaal hoger te maken. 3 Waarom corroderen (roesten) metalen zo gemakkelijk? Opdrachten 2.1 1 Stel een pakket van eisen op voor een tandwiel van een versnellingsbak van een sportauto. 2 Stel een pakket van eisen op voor een tandenborstel. Zoek uit van welke materialen deze is gemaakt en beredeneer de materiaalkeuze. 2.2 1 Welke materiaalkundige aspecten zorgen ervoor dat Miele bij de wasmachines bekend staat als een van de meest betrouwbare merken? Wat zorgt ervoor dat deze machines gemiddeld veel langer leven? 2 Stel een Miele-wasmachine heeft een verwachte levensduur van zestien jaar bij normaal gebruik. Een AEG-wasmachine met de gelijke functionaliteit heeft een verwachte levensduur van twaalf jaar. Nu ben jij op zoek naar een nieuwe wasmachine. Welke van de twee zou jij kopen? Motiveer je antwoord. 3 Je staat op het punt een nieuwe auto aan te schaffen en je moet kiezen tussen een benzine- of dieseluitvoering. Kies één auto en twee vergelijkbare uitvoeringen (één diesel en één benzine). Je rijdt 20.000 km per jaar. Welke uitvoering kies je? 4 Stel je financiert de auto van de vorige opgave volledig met een lening. Hoe verschuift het break-evenpunt? 41 5 Hoe verhouden zich de ratio’s gewicht (in kg)/motorinhoud (in cc), ­gewicht/brandstofgebruik (bij 120 km/h) en gewicht/motorvermogen van een Lotus, een Audi TT en BMW Z3? 2.3 Beschrijf in goed Nederlands in welke opzichten het polyetheen van boterhamzakjes en het butylrubber van fietsbinnenbanden wel op elkaar lijken en in welke opzichten ze toch verschillend zijn. 2.4 1 Geef drie redenen waarom SiO2 (glas), Al2O3 (alumina), WC (wolfraam­ carbide) en C (carbonvezel) bij elkaar horen in de groep keramiek. 2 Keramiek is erg bros maar wel slijtvast. Bedenk een manier om de slijtvastheid te benutten in een schaar, zonder bang te hoeven zijn dat deze te gemakkelijk breekt. 3 Je zit voor een schroothoop met de opdracht de metalen eruit te halen. Op grond van welke eigenschappen weet je welk de metalen zijn? 2.5 1 Geef twee redenen, een technische en een commerciële, waarom je een kantinestoel met een kunststof kuip van stalen poten voorziet en niet geheel uit kunststof maakt. 2 Geef drie goede redenen waarom je een kunststof zou kunnen willen mengen met een ander materiaal. Materiaalkeuze 2 – Technische materiaalkeuze 3Materiaal­ eigenschappen −− −− −− −− −− Na het bestuderen van dit hoofdstuk heb je inzicht in: de definities van de belangrijkste eigenschappen; de relaties tussen verschillende eigenschappen; de plaats van verschillende eigenschappen in de materiaalkeuze; de kennisdomeinen van de eigenschappen; de verschillende niveaus van materiaal- en producteigenschappen. Na het maken van de opgaven kun je: −− zelf meerdere eigenschappen afleiden uit meetresultaten; −− zelf actief eigenschappen aan product toekennen; −− toepassingen afleiden uit een gegeven verzameling materiaaleigen­ schappen; −− tabelgegevens vertalen naar praktisch materiaalgebruik; −− zelfstandig komen tot een Programma van Eisen; −− materialen kiezen op basis van een eenvoudig Programma van Eisen. 3.1 Denken in termen van eigenschappen We hebben in de twee voorgaande hoofdstukken al veel verteld over het gebruik van de verschillende materialen. Dat hebben we gedaan in termen van ­eigenschappen. Als een ontwerper aan de producent, de opdrachtgever of de consument duidelijk moet maken wat voor een product hij in gedachten heeft, zal hij moeten communiceren aan de hand van de eigenschappen. Door materialen en producten aan de hand van hun eigenschappen te benoemen, kunnen we communiceren over de geschiktheid van een materiaal voor een ­bepaalde toepassing. We moeten hiervoor dus de parameters en de meet­metho­­des afspreken. Als we het vervolgens eens zijn over de meetparameters, moeten we het ook eens zijn over het productniveau waarop we meten. Stel dat het gewicht van belang is, bedoelen we dan dat het product licht of juist zwaar moet zijn, of bedoelen we dat het materiaal zwaar moet zijn? Stalen �etsframes kunnen lichter zijn dan aluminium �etsframes, door gebruik te maken van dunnere stalen buizen, die toch dezelfde sterkte hebben als de dikke zware aluminium buizen. Dit terwijl aluminium een lichter materiaal is! Bovendien zijn sommige eigenschappen – zoals warmte – relatief van begrip, en moeten we het dus eens worden over hoe warm warm is? En praten we dan over de temperatuur of over de warmtestroom als meetwaarde? En wat is de referentiewaarde of het referentieproduct? Dit hoofdstuk gaat dus over eigenschappen; kenmerken van het product of materiaal waarmee we de ontwerpkeuzes kunnen motiveren. Als we aan materialen en producten gaan meten, vinden we allerlei waarden. Wàt we meten, dus het kenmerk waaraan we meten, noemen we de eigenschap, ofwel de meetgrootheid. Datgene waarin we de meetwaarde uitdrukken noemen we de meeteenheid. Materiaalkeuze 43 44 Leerboek Materiaalkunde voor technici De lengte van een product is een eigenschap of kenmerk van het product. De grootheid lengte wordt gemeten in meters, dus de eenheid is een meter. We kunnen ervoor kiezen met andere eenheden te meten, op voorwaarde dat de meetwaarde naar de afgesproken eenheid vertaald kan worden. We houden ons hierbij aan de grootheden en eenheden zoals vastgelegd in het S.I.-eenhedenstelsel. Soms zul je echter productgrootheden, (zoals “de vorm”) en materiaalgrootheden (zoals “de verspaanbaarheid”) tegenkomen die niet internationaal vastliggen, of die volgens verschillende normen benoemd worden. Hierover moeten we dus apart afspraken maken in dit boek. Als we het hebben over de lichtdoorlatendheid van een materiaal als eigenschap aan de hand waarvan we willen kiezen, zullen we het eens moeten worden over wat licht inhoudt (welke soort, welke kleur) en wat doorlatendheid inhoudt (meet je de energie, de licht-sterkte, de lichtstroom, de kleur?). Dit hoofdstuk gaat dus over de afspraken rondom eigenschappen. 3.2Producteigenschappen Ruwheidsmeter Een product kent vele eigenschappen. Zo zijn er de vorm, de grootte, het gewicht, de prijs, de functie, de seriegrootte, het aantal fabrikanten, het aantal verkooppunten, het aantal onderdelen, de gebruikte materialen, de gebruikte productiemethoden, het land van herkomst, de ontwerper en het gebruiksgemak. Andere eigenschappen die van belang kunnen zijn, zijn het gebruik, de daarbij behorende belasting (kracht, uitrekking, temperatuur, zuurgraad, ­straling) en de gebruiksschade. Al deze eigenschappen zijn eigenschappen van het product als geheel, en dus product-eigenschappen. Sommige eigenschappen, zoals de vorm van een product, zijn wel producteigenschappen maar geen materiaaleigenschappen. We zullen dit soort eigenschappen nauwkeurig via goede beschrijvende modellen moeten vertalen naar de materiaaleigenschappen om tot een geschikte materiaalkeuze te komen. Soms is het moeilijk om redelijk vlot tot een handzaam productmodel te komen en dan zul je aan de hand van producttesten moeten de�niëren welke materiaaleigenschappen het dichtst bij komen. De producttest is een vooraf afgesproken test, waarbij de meetprocedure, de meeteenheden en de goedkeur- en afkeurwaarden vastgelegd zijn. Dit kan een vergelijkende test zijn tussen twee producten, maar ook een genormeerde test, die dus is vastgelegd in een normblad. Een voorbeeld is een test waarbij de bestendigheid wordt gemeten van een regengoot tegen een ladder die ertegenaan valt. Stel dat iemand het dak op wil en een ladder tegen de goot kwakt. Je wilt als ontwerper weten of jouw goot daar tegen kan. Wat kun je testen, wat moet je testen? De doorbuiging van de goot? De bezwijksterkte van de goot? Is dat dan de kans op bezwijken na één klap of na honderd klappen? Hoe hard is een klap? Een goot is niet eenvoudig om aan te rekenen, evenmin als aan de mogelijke hardheid van een klap met een ladder. Ook is moeilijk te zeggen hoeveel een dakgoot moet kunnen hebben, al zijn er voorbeelden van goten die al lang meegaan. Dit is typisch een situatie waarbij een test ontworpen zou moeten worden, waarbij de bestendigheid van een bekende goot tegen een aantal situaties wordt vergeleken met die van een nieuw ontwerp. De conclusie kan zijn dat de goot beter is dan een bestaande goede goot of dat er nog verbetering nodig is. 45 De producttesten moeten goed beschreven worden. Op deze wijze ontstaat een goed productdossier, dat alle documentatie van het nieuwe product omvat. Ga na of voldaan is aan de volgende punten: −− De te testen eigenschap is eenduidig omschreven. −− De te testen situatie is eenduidig beschreven. −− De testparameters zijn vastgelegd. −− De wijze van vastleggen van de testresultaten is beschreven. −− De vergelijkingsparameters zijn bekend. −− De goedkeur- en afkeurcriteria zijn bekend. −− De test is reproduceerbaar. Snelle torsiebreuk Taai staal Buigbreuk Een voorbeeld van het niveau van producteigenschappen is te geven bij de doorbuiging van een bank. Stel dat een houten bank 5cm doorbuigt als je er op gaat zitten, dan is deze 5cm een producteigenschap. Deze is natuurlijk onder meer afhankelijk van de stijfheid van het materiaal, maar ook van andere producteigenschappen, zoals de dikte van de planken. Dit is geen materiaaleigenschap, al zijn er wel materiaaleigenschappen bij betrokken. Een geschikt productmodel kan soms de relatie tussen de productparameter (”doorbuiging van de bank”) en de bijbehorende materiaaleigenschap (”stijfheid”) weergeven. In dat geval kun je een geschikt materiaal vinden door te rekenen aan de balk. Het doen van testen aan producten is een goed geregisseerde vorm van productanalyse. Hierbij wordt gericht gezocht naar eigenschappen en invloedsfactoren die van belang zijn bij het gebruik van het product, maar ook bij de fabricage en bij het verhogen van de duurzaamheid van het product. Dat betekent dat we een goede analyse moeten maken van de belastingen, zoals de krachten en temperaturen, en goed moeten proberen in te schatten waar de zwakke punten zitten. Waar zal het product bezwijken en hoe lang gaat dat duren bij gewoon gebruik, bij extreem gebruik, bij matig gebruik? Een bijzondere vorm van productanalyse is dan ook schadeanalyse, waarbij aan reeds bezweken producten onderzoek wordt verricht om uitspraken te doen over de oorzaak van de schade. Soms wordt dit gecombineerd met bezwijktesten aan het product, zodat de omstandigheden die hebben geleid tot de schade goed beschreven zijn. Vaak echter wordt schadeanalyse verricht aan producten die om onbekende reden bezweken zijn. Het is dan van belang om een goede reconstructie te maken van de mogelijke toestand tijdens ­bezwijken. De volgende stappen kunnen een goed begin zijn: −− Maak foto’s van het product in gemonteerde toestand, zo kort mogelijk na het bezwijken. −− Verzamel informatie, zoals brokstukken, de stand van producten onderling, maten. −− Let op omstandigheden, zoals vloeistoffen, roest, deuken, schroeivlekken. −− Documenteer alles met foto’s en schetsen voordat je zaken demonteert. −− Leid uit de omstandigheden en de productconditie een hypothese af voor de bezwijkoorzaak. Schets het krachtenpatroon. −− Ga na of de breukvlakken, corrosiesporen, hittesporen, deuken, microstructuur corresponderen met je hypothese. −− Bedenk aanvullende producttesten om te kijken of de schade nagebootst kan worden en haal hier je productparameters uit ten behoeve van materiaalkeuze. Materiaalkeuze 3 – Materiaaleigenschappen 46 Leerboek Materiaalkunde voor technici Het handige van productonderzoek (zeker aan bezweken producten) is dat het een heel directe manier is om tot een productmodel te komen. In dit model zitten allerlei parameters die herleid kunnen worden tot materiaaleigenschappen welke van belang zijn voor de materiaalkeuze. De feitelijke schadeoorzaak is hooguit juridisch interessant. De ontwerper zal zich vooral moeten richten op de juistheid van de materiaalkeuze in samenhang met productiekeuze en productgebruik. 3.3 Verschil in grip Toepassingseigenschappen Als we het hebben over gereedschapstaal, meubelhout, schildersplakband, consumentenproducten en kantoorstoelen, dan hebben we kennelijk een indeling gemaakt naar eigenschappen die betrekking hebben op de toepassing van het product of materiaal. Kijken we meer in detail naar wat de betreffende toepassing inhoudt, dan krijgen we een verzameling toepassingseigenschappen, op basis waarvan de materialen gekozen kunnen worden. We onderscheiden twee categorieën toepassingseigenschappen, namelijk de materiaalkundige toepasbaarheideigenschappen en de gebruikseigenschappen. Bij de eerste categorie gaat het om materiaaleigenschappen. Een aantal materialen is bij elkaar geplaatst en geschikt bevonden of is ontwikkeld voor een bepaalde toepassing. Bij de gebruikseigenschappen gaat het vaak om eigenschappen die samenhangen met de ergonomie van producten. Ergonomie heeft betrekking op het handiger maken van het gebruik van producten, zodanig dat het gebruik veilig, eenduidig, prettig en met minimale inspanning kan plaatsvinden. De materiaalkeuze hierbij hangt samen met visuele interacties en met tactiele interacties. De visuele interacties worden mede bepaald door de kleuren, de contrasten en de reflecties van het materiaal. We zullen er een aantal verderop behandelen in paragraaf 3.7 bij de fysische eigenschappen. De tactiele eigenschappen hebben betrekking op de tastzin, dus op het aanvoelen van een product, door zintuigen ergens in de huid. Het zijn dus eigenschappen die we kunnen meten, al dan niet bewust, tijdens het zitten, lopen en vastpakken. Voor een deel zijn dit producteigenschappen, omdat ze worden bepaald door vorm en ruwheid en grootte van oppervlaktedetails. Het zijn bovendien typische ervaringseigenschappen, omdat sommige materialen en oppervlakken door verschillende personen anders benoemd zullen worden. Voor een deel hebben de tactiele eigenschappen echter ook te maken met materiaaleigenschappen zoals hardheid en warmtegeleiding. Als materialen zachter zijn dan hout, kun je vaak al met de hand verschillen voelen in hardheid. De ervaring hiervan noemen we de tactiele hardheid. Dit heeft relaties met grip en prettig aanvoelen. Grip is niet alleen van belang bij het vastpakken van producten, maar ook bij het afzetten met de voeten of het ervaren van steun van zitvlakken en rugleuningen. Als we grip vertalen naar materiaaleigenschappen, gaat het om (tactiele) hardheid en de wrijving tussen materialen, waaronder huid en textiel met andere oppervlakken. De wrijving tussen materialen wordt bepaald door de druk tussen de materialen en door de mate van relatieve vervorming van de beide oppervlakken ten opzichte van elkaar. Bovendien speelt de adhesie tussen de materialen een rol. Een bruikbare meetparameter voor de mate van wrijving is de maximale wrijvings- 47 kracht, die optreedt tussen twee oppervlakken vóór er beweging optreedt. Deze kracht F W,max blijkt per materiaalcombinatie steeds rechtevenredig met de normaalkracht N waarmee de materialen op elkaar gedrukt worden. In formule: F W,max = µ ⋅ N Hierin is µ (‘mu’)de wrijvingscoëf�ciënt van de betreffende materiaal-combinatie. Als µ een waarde 1 of hoger heeft, ervaren we grip. Ligt µ beduidend lager, dan zullen we uitglijden of grip verliezen. Veel elastomeren geven zelfs op vochtige oppervlakken nog grip met de huid. Hiervan wordt handig gebruikgemaakt in moderne tandenborstels en scheerapparaten, door elastomeervlakken mee te spuitgieten met het polypropeen of polystyreen, zodat er gripvlakken ontstaan. Prettig aanvoelen heeft ook te maken met een andere tactiele eigenschap, namelijk de warmte die je ervaart bij aanraken. We meten niet de temperatuur, maar de warmtestroom die van de huid uitgaat. Als een oppervlak kouder is dan de huid, ervaren we bij aanraken de wegstromende warmte; als een oppervlak warmer is dan de huid, ervaren we de instromende warmte. Deze warmtestroom yW is rechtevenredig met het temperatuursverschil tussen huid en materiaal. In formule: yw = λ ⋅ (Thoog- Tlaag) Hierbij is Thoog de waarde van de hoogste temperatuur van huid of materiaal en Tlaag de laagste temperatuur van de twee. De parameter λ (‘lambda’) is de warmtegeleidingcoëf�ciënt van het betreffende materiaal. Kunststoffen en hout van 20 °C, met een warmtegeleidingscoëf�ciënt λ van 0,1 - 0,6 W/mK, voelen warmer aan dan de keramieken en veel metalen met een λ van 30 tot 100 W/mK. Binnen de metalen zijn zuiver koper (λ = 400 W/ mK) en zuiver aluminium (λ = 210 W/mK) buitenbeentjes. Legeringen hebben een lagere warmtegeleidingscoëf�ciënt dan zuivere materialen van dezelfde groep. Het lijkt op basis van je ervaring misschien vreemd dat keramiek in één adem met de metalen wordt genoemd. Je weet immers dat een kopje van steen slechter geleid dan een beker van staal, maar dat komt omdat het kopje niet is gemaakt van keramiek, maar van ongesinterd (slechts afgebakken) poreus aardewerk. Technisch keramiek heeft echter door het persen en sinteren een hogere dichtheid dan aardewerk en heeft net zo’n compact kristalrooster als metalen. De warmtegeleiding is dus beter. De tactiele warmte-ervaring wordt wel in een ordinale schaal van 1 tot 10 gegeven. Een waarde van 1 komt ongeveer overeen met een warmtegeleidingscoëf�ciënt van 0,03 W/mK (isolatieschuim). Een waarde van 5 correspondeert met harde kunststoffen met een warmtegeleidingscoëf�ciënt van 0,2 W/mK. En 10 komt overeen met metalen. We geven een voorbeeld van een diagram waarin de tactiele warmte en de hierna te bespreken tactiele hardheid van verschillende materialen af te lezen is. Tactiele warmte Materiaalkeuze 3 – Materiaaleigenschappen 48 Leerboek Materiaalkunde voor technici De hardheid van materialen is ook een tactiel gegeven. Zachtere materialen, zoals sommige houtsoorten, de meeste kunststoffen en enkele metalen, kunnen met de hand onderscheiden worden in hardheid. Er is ook een manier gevonden om de tactiele ervaringshardheid onder te brengen in een schaal van 1 tot 10, maar voor de techniek is deze niet toereikend. Vrijwel alle technische materialen zitten dan tussen de 8 en 10, terwijl de matrasschuimen en zelfs leer tussen de 0 tot 6 zitten. De overige kunststoffen en hout krijgen een 6, 7, of 8. Dit is te beperkt, vandaar dat er een andere methode is voor de zachte materialen: de Shore-A en de Shore-D, gemeten met een Shore Durometer. Rubber elastiekjes hebben een Shore-A van 25, wat overeen komt met een tactiele hardheid van 4; het loopvlak­r ubber van autobanden heeft een Shore-A waarde van 70 en een tactiele hardheid van 7. 3.4 Vormeigenschappen en verwerkingseigenschappen Het is al eerder gezegd: de vorm is geen materiaaleigenschap. Bij vormgeving onderscheiden we drie invalshoeken: de geometrie, de (wand) dikte en de oppervlaktetextuur. Er zijn vanuit de materiaalkeuze verschillende manieren om tegen vormaspecten van producten aan te kijken. Enerzijds heeft de Integrale vormgeving Gieten Gieten plus nadraaien 49 gewenste geometrie relaties met de maakbaarheid en daarmee met de verwerkingseigenschappen. De gewenste dikte heeft duidelijke relaties met de sterkte en de stijfheid van de gebruikte materialen en in zekere mate ook met de maakbaarheid. De gewenste oppervlaktetextuur hangt nauw samen met de materiaalkeuze. In principe is in elk materiaal een zeker oppervlaktepatroon aan te brengen. Maar soms wordt dit onevenredig duur. Ook hier komt dus de relatie met de maakbaarheid in beeld. We zullen in deze paragraaf een aantal productietechnieken noemen welke toegelicht worden in hoofdstuk 6. We zullen de eigenschappen gietbaarheid, omvormbaarheid, verspaanbaarheid en lasbaarheid behandelen. Als de door de ontwerper gewenste geometrie veel glooiende, dubbelgekromde oppervlakken bevat met een strakke oppervlaktetextuur, moet al snel gekeken worden naar de mogelijkheid om het product te gieten of te spuitgieten. Het materiaal moet dan wel gietbaar zijn, dan wel in gegoten toestand nog de juiste eigenschappen bevatten. Kunststoffen zijn hier vaak in het voordeel. We zeggen wel: de vormgevingsvrijheid van de productiemethode moet groot zijn. Deze vormgevingsvrijheid bepaalt ook de mogelijkheid om met de productiemethode �jne details aan te brengen. Met spuitgieten bijvoorbeeld kunnen allerhande bevestigingspunten en klikvingers in metalen en kunststoffen integraal meegespoten worden, evenals met de verloren-wasmodelmethode voor metalen, terwijl met plaatvormtechnieken deze details veel grover worden. Dankzij moderne plaatsnijtechnieken als lasersnijden en waterstraalsnijden hebben deze details overigens wel hun eigen schoonheid. Gietbaarheid wordt bepaald door het antwoord op de vraag of een materiaal met weinig moeite en kosten door middel van een gietmethode in een gewenste vorm kan worden gebracht, met als resultaat in het eindproduct de gewenste producteigenschappen. De kosten worden mede bepaald door de gewenste seriegrootte. Materiaalkundig gezien is gietbaarheid voor de drie groepen kunststof, keramiek en metaal niet hetzelfde. Gietbare kunststoffen moeten óf smeltbaar zijn óf vóór het uitharden als vloeistof gemengd kunnen worden. Vervolgens moet de techniek zich ervoor lenen om de dikke vloeistof binnen zekere tijd in alle hoeken van de mal te krijgen. Keramiek wordt eigenlijk altijd gegoten en moet daarna onder druk gesinterd worden om gewenste eigenschappen te krijgen. Hier wordt de vormgevingsvrijheid vooral door het persproces achteraf beperkt. Gietbare metalen moeten binnen bepaalde samenstellingtoleranties liggen om de juiste gieteigenschappen te hebben. Dit bepaalt mede de kristalvorm en de samenstelling van de kristallen na het gieten. De tijdens het stollen ontstane structuur bepaalt de materiaaleigenschappen van het product. Zijn deze niet toereikend, dan kunnen metalen vaak nog een warmtebehandeling ondergaan om meer te voldoen aan de gestelde eisen. De warmtebehandeling verandert de structuur van het materiaal en daarmee de eigenschappen. De warmtebehandeling is een extra handeling en verhoogt de kosten. We gieten dus bij voorkeur legeringen die na gieten niet meer hoeven te worden warmtebehandeld. Niet alle legeringen zijn even goed te gieten. Bij de overgang van vloeibare fase naar vaste fase (het stollen) slinken de meeste materialen behoorlijk doordat de atomen zich regelmatig gaan ordenen (het kristalliseren). De volume­ afname is soms wel 20%. De grote slink van deze legeringen veroorzaakt soms problemen, zoals porositeit en stolscheuren. Porositeit en stolscheuren zijn gietfouten die een zeer nadelige invloed hebben op de producteigenschappen. Materiaalkeuze 3 – Materiaaleigenschappen 50 Verspanen Omvormen Leerboek Materiaalkunde voor technici De gietbaarheid van een legering wordt dus afgemeten aan het antwoord op de vraag of er na het gieten een gietfoutvrij product zal ontstaan met een structuur die, al dan niet na een warmtebehandeling, over acceptabele eigenschappen beschikt. Een manier om de gietstructuur flink te verbeteren is het omsmelten, meestal onder vacuüm, door middel van elektriciteit. Dit proces heet vacuümboogomsmelten en is uiteraard kostenverhogend. Het resultaat is echter een materiaal dat op een andere manier niet zo homogeen gemaakt kan worden. Voor het gieten zijn mallen (vormen) nodig. Deze moeten worden terugverdiend met de producten die ermee gemaakt worden. Vandaar dat voor kleinere series ook naar andere technieken gekeken wordt. Omvormen is soms een mogelijkheid. Bij het omvormen wordt meestal uitgegaan van staf- of plaatmateriaal dat door middel van walsen of extruderen gemaakt is. In het geval van keramiek (met uitzondering van glas) vindt het plaatomvormen vóór het sinteren plaats, en ook nu wordt de vormgevingsvrijheid mede bepaald door het sinteren. Omvormen bij kunststoffen gebeurt alleen bij thermoplasten. Staf of plaat die door verwarming zacht gemaakt is, wordt in een bepaalde vorm geperst door matrijzen of door luchtdruk. Dit kan met eenvoudige matrijzen. Vandaar dat deze techniek voor kleinere series uitkan, mits de vorm niet te gedetailleerd hoeft te zijn. Metalen kunnen gegoten worden, maar zijn in gewalste toestand aanzienlijk homogener van kwaliteit en bovendien sterker. Ook kunnen we met omvormen aanzienlijk dunner produceren dan met gieten. We onderscheiden warmomvormen en koudomvormen. Bij het koudomvormen neemt met het dunner worden de materiaalsterkte toe, maar de omvormbaarheid af. Als we dus dungewalste plaat bestellen met de bedoeling daar later nog omvorm­ bewerkingen als buigen, persen, of dieptrekken op los te laten, dan moet deze plaat niet al teveel koud gewalst zijn, want dan kan de plaat de extra bewerkingen niet aan. We kunnen bestellen: hardgewalst, halfhard, kwarthard of dieptrekkwaliteit. Een groot voordeel van het werken met plaat- en stafmateriaal is dat aanzienlijk grotere producten gemaakt kunnen worden dan met andere technieken. Dit geldt ook voor thermohardende- en thermoplastische plaatwerktechnieken, en voor de keramieken is dit zichtbaar bij glas. Voor kleinere series waarbij een tamelijk grote vormgevingsvrijheid gevraagd wordt, kunnen we tegenwoordig gebruikmaken van computergestuurde freesmachines: CNC-frezen. Hierbij gaan we uit van massieve stukken staf of dikke plaat, welke op maat worden gezaagd, ingespannen en bewerkt. Ook Nodulair gietijzer Mangaansulfide (grijs) Gieten 51 kunnen we – als het om ronde producten gaat – gebruikmaken van draaien, ook een verspanende techniek. Dit kan ook met keramiek. Het materiaal wordt dan in ongesinterde (”groene”) toestand (als samengeperst poeder) verspaand en vervolgens onder druk gesinterd. Bij kunststof wordt deze techniek al snel te duur, onder meer omdat dikke platen kunststof een duur uitgangsproduct vormen, de lange lintspanen lastig te verwijderen zijn, en de giet- en perstechnieken voor kunststof relaties goedkoop kunnen zijn. Voor metalen zijn deze verspanende technieken veel gebruikelijker. Bij het automatisch verspanen met een CNC-machine willen we echter geen lange krullerige lintspanen hebben die de machine in lopen en lastig te verwijderen zijn. Vandaar dat voor deze toepassing de zogeheten automatenmetalen ontwikkeld zijn, die korte brokkelige spaantjes geven. Dit is bereikt door lood-, koperfos�de- of mangaansul�dedeeltjes door het metaal verspreid te legeren. Deze deeltjes hechten niet aan het basismetaal, met als gevolg dat bij het verspanen de spanen er op afbreken. We kennen onder andere automatenstaal, automatenmessing, automatenkoper en automatenaluminium. Er is er een index bedacht om de verspaanbaarheid aan te geven. Uitgaande van AISI 1017 (een laaggelegeerd koolstofstaal met 0,17% koolstof) wordt gekeken of het materiaal moeilijker of makkelijker te verspanen is. De verspaanbaarheids­ index van AISI 1017 is op 100 gesteld. Kost een materiaal meer moeite (energie, tijd, handelingen) dan AISI 1017, dan krijgt het een hogere verspaanbaarheidsindex. Kost het verspanen minder moeite, dan krijgt het een lager getal. De laatste eigenschap die we in deze paragraaf behandelen is de lasbaarheid. Met lassen wordt de techniek bedoeld waarbij een verbinding tussen twee materialen tot stand wordt gebracht, waarbij het ene materiaal continu in het andere overgaat, dus waarbij er geen ander materiaal in de verbinding zit. Volgens deze de�nitie zijn van de keramie-ken alleen enkele glassoorten lasbaar. Thermoharders kunnen over het algemeen uitstekend gelast worden, al noemen we dit lijmen. Hierbij worden twee stukken thermoharder verbonden met hetzelfde materiaal als het matrixmateriaal. Een verschil met andere vormen van lassen is dat er geen materiaal van de beide te verbinden stukken mee oplost of smelt in de verbinding. Thermoplasten kunnen ook gelast worden door middel van verschillende verwarmingstechnieken, zoals infrarood, weerstandsverwarming, hete lucht. Toch zijn er enige beperkingen. Als er in de thermoplasten als gevolg van de productiewijze spanningen zitten, zullen deze door verwarming vrijkomen, met als gevolg: vervorming van het product. Ook zal de las bij thermoplasten minder sterk worden dan de te lassen kunststof, doordat er geen ketenvermenging optreedt bij het lassen én doordat de las spanningsarm is. Als de las in het zicht ligt is het een nadeel dat de oppervlaktekwaliteit gering is, terwijl een geschikte nabewerking veel arbeid vergt. Lassen wordt bij kunststoffen voornamelijk toegepast bij het sealen van folies en verbinden van water- en gasleidingen. Bij het lassen van leidingen wordt er vaak gebruikgemaakt van speciale moffen. Bij metalen wordt lassen veel meer toegepast. Een van de meest toegepaste methodes is boogsmeltlassen, waarbij de beide te lassen delen gedeeltelijk smelten en waarbij vaak een toevoegmateriaal meegesmolten wordt. Bij deze methode wordt plaatselijk zeer veel hitte ingebracht. Het gevolg kan zijn dat er in de omgeving van de las allerlei structuurveranderingen plaatsvinden die tot ongewenste eigenschappen kunnen leiden. Dit kan betekenen dat het Materiaalkeuze 3 – Materiaaleigenschappen 52 Las (wit, boven) met warmte­ beïnvloede zone (onder) Leerboek Materiaalkunde voor technici materiaal voorverwarmd moet worden of zelfs een warmtebehandeling achteraf nodig heeft, of dat het geheel niet lasbaar is. Ook hier geldt weer: hoe minder moeite je moet doen, des te beter de lasbaarheid. Soms wordt wel een goede las bereikt, maar leidt de structuurverandering ertoe dat het materiaal in de omgeving van de las dermate verzwakt dat het lassen de constructie minder sterk maakt dan het uitgangsmateriaal. In dat geval is lassen niet slim, en moet er óf anders geconstrueerd worden óf een verbindingstechniek gekozen worden die het materiaal minder verwarmd, zoals solderen of lijmen. Lasbaarheid wordt aangegeven met een letter: G (goed), M (matig) S (slecht). Voor een aantal materiaalgroepen is een extra criterium ingebouwd om uitspraken te kunnen doen over de lasbaarheid. Hoewel veel materialen goed lasbaar zijn, garandeert het kunnen lassen niet automatisch ook een verbinding met goede eigenschappen. Van staal nemen we vaak ten onrechte aan dat dit materiaal probleemloos te lassen is. Bijvoorbeeld bij de laaggelegeerde koolstofstalen met een wat hoger koolstofpercentage ondervinden we soms problemen. Er doen zich geen problemen voor bij het maken van een visueel goed ogende verbinding, maar na het lassen kan het materiaal net naast de las (de door de laswarmte beïnvloede zone) enigszins bros worden. Het materiaal naast de las is vaak veel minder taai dan het uitgangsmateriaal en in het slechtste geval breekt het materiaal spontaan net naast de las. Dit fenomeen van spontaan breken noemen we koudscheuren. Koudscheuren kan direct na het lassen, maar ook nog na enkele dagen optreden. Deze verbrossing wordt veroorzaakt door meerdere aspecten. De belangrijkste zijn de opname van waterstof en een ongunstige structuurverandering in de door de laswarmte beïnvloede zone. Door schoon en droog te werken en te lassen met een goede gasbescherming (meestal een inert gas) kan de opname van waterstof worden geminimaliseerd. IJzer kan bij hoge temperatuur (1000 à 1400 °C) in de austeniettoestand meer koolstof bevatten dan in de ferriettoestand bij lage temperatuur. Koel je relatief snel af, dan ontstaat door het te veel aan koolstof een vervormd ferrietrooster, martensiet genoemd, dat zeer bros is, en dus ongewenst. Als er veel koolstof in het staal zit, is de kans op het ontstaan van martensiet groot. Het gebied in de buurt van de las dat door het lassen op 900 à 1400 °C is geweest, zal dus langzamer moeten afkoelen om vorming van martensiet te voorkomen. Dit langzame afkoelen is te bereiken door de constructie in de buurt van de las voor te verwarmen. Naarmate er meer warmte in de totale constructie zit, zal het langer duren voordat deze weer is afgekoeld. In het verleden is veel onderzoek verricht naar het fenomeen koudscheuren en het verlies aan taaiheid in de warmtebeïnvloede zone. Hieruit is gebleken dat door middel van voorwarmen toch goede verbindingen kunnen worden verkregen. Aan de hand van de samenstelling van het materiaal kunnen we een uitspraak doen over de noodzaak van voorwarmen bij het lassen van een laaggelegeerd koolstofstaal. Om de verschillende staalsoorten met elkaar te kunnen vergelijken, is het koolstofequivalent geïntroduceerd. Dit kan worden bepaald met de volgende formule: Ceq = % C + % Mn % Cr + % Mo + % V % Ni + % Cu + + 6 5 15 53 Als dit koolstofequivalent hoger is dan 0,45, zullen we moeten voorverwarmen (tot circa 150 °C) en kunnen we dus zeggen dat het staal minder goed lasbaar is. Dankzij het voorverwarmen ontstaat toch een goede las. Verbindingstechnieken zoals lijmen, solderen en lassen vereisen, ongeacht het te verbinden materiaal, schoon en droog werken. Vocht veroorzaakt ook bij het lassen van aluminium problemen, namelijk gasporositeit en het bros worden van aluminium. Immers bij de hoge las-temperatuur ontleedt het water in waterstof en zuurstof. Een te veel aan atomair opgelost waterstof maakt elk willekeurig metaal bros. Door dus schoon te werken – alle mogelijke bronnen van waterstof te verwijderen – en te lassen met een inert beschermgas (bijvoorbeeld argon) kan de opname van waterstof en de daarmee gepaard gaande achteruitgang van de taaiheid van het materiaal worden voorkomen. Ook bij lijmen moet er schoon worden gewerkt. Een lijm kan op een vuil oppervlak niet goed hechten. We constateren dus dat goed lasbare, lijmbare of soldeerbare materialen door foutief werken toch een kwalitatief slechte verbinding kunnen krijgen. In hoofdstuk 6 komen we nog terug op deze productieaspecten. 3.5 Trekstaven Mechanische eigenschappen We hebben het in de voorgaande paragrafen al meermalen gehad over eigenschappen als sterkte, taaiheid, hardheid, brosheid en vervormbaarheid. Dit zijn mechanische eigenschappen, die gaan over de vervorming van materialen als gevolg van een kracht. Er zijn meerdere genormeerde proeven die volgens een vaste de�nitie een aantal mechanische eigenschappen opleveren die veel gebruikt worden voor de materiaalkeuze. Bij deze proeven worden trek, druk, temperatuur en tijd verschillend gevarieerd. Zo is er de trekproef, waarbij een genormeerd vormgegeven proefstaaf wordt opgerekt tot breuk optreedt, en de drukproef, waarbij wordt gedrukt tot het materiaal bezwijkt. Beide proeven kunnen bij verschillende temperaturen worden uitgevoerd en geven dan informatie over het materiaalgedrag bij die temperatuur. Bij de kruipproef wordt de trekkracht gedurende langere tijd constant gehouden bij verschillende hogere temperaturen, en wordt gekeken naar de optredende rek. Bij slagvastheidstesten zoals de kerfslagproef wordt een korte klap gegeven op een opgelegde of ingeklemde staaf, meestal bij verschillende temperaturen. De hardheidmeting is een soort drukproef van enkele seconden met een hard indruklichaam, bijvoorbeeld een diamant of een gehard stalen kogeltje. Bij verschillende buigproeven wordt een staaf kromgebogen en wordt gekeken naar de relatie kracht-doorbuiging. Bij de torsieproef wordt een materiaal om zijn as verdraaid en wordt gekeken naar de mate van verdraaiing bij een bepaald torsiekoppel. Vermoeiingsproeven ten slotte zijn trek-druk, torsie- en buigproeven waarbij de richting van belasting van trek naar druk afgewisseld wordt in de tijd. De trekproef is een belangrijke proef die veel productparameters oplevert. Bij de trekproef wordt een genormeerd vormgegeven staaf opgerekt tot er breuk optreedt. De staaf wordt aan de uiteinden vastgepakt met twee klemmen en opgerekt. Om zeker te zijn dat de staaf breekt in een stuk materiaal met alleen trekspanningen – en niet door de druk van het vastpakken, wordt de staaf in het middendeel dunner gemaakt. Tijdens het uitrekken wordt de oprekking Materiaalkeuze 3 – Materiaaleigenschappen 54 Leerboek Materiaalkunde voor technici σ [N/mm2] Berekende ware trekkromme Berekende trekkromme ofwel verlenging ∆ l gemeten en de kracht F. Als de staaf dik is, dus als de oorspronkelijke doorsnedeoppervlakte A 0 groot is, wordt een grotere kracht F gemeten. Als de oorspronkelijke lengte l0 van de staaf groot is, wordt een grotere verlenging ∆ l gemeten. Dikte en lengte zijn geen materiaalparameters. Vandaar dat de gemeten kracht wordt omgerekend naar de technische spanning σ (sigma): σ= F A0 A0 is de oorspronkelijke doorsnedeoppervlakte van de staaf. We noemen σ de technische spanning, omdat het gaat om de spanning waarmee in de techniek gerekend wordt. Het is niet de werkelijke spanning in het materiaal. Het product wordt door het oprekken dunner, waardoor de werkelijke doorsnede AW kleiner wordt dan A0. De werkelijke spanning, of ware spanning: ε [%] σ= F Aw is dus hoger dan de technische spanning. Hier wordt normaal niet mee gerekend omdat de werkelijke doorsnede doorgaans niet bekend is. Ook de gemeten verlenging ∆ l wordt omgerekend, naar de rek ε (epsilon): ε= l spanning σ [N/mm²] ∆l σε plastisch elastisch rek ε [%] ∆l ⋅ 100% l0 De gra�ek van spanning tegen rek, ofwel de trek-rekcurve, is karakteristiek voor het materiaal. We hebben hiermee een gra�ek waarbij de producteigenschappen eruit gedeeld zijn. Als we de mechanische belasting en de grootte van een product kennen, kunnen we dankzij deze gra�ek berekenen hoe het product zich zal gedragen. Aan de hand van deze gra�ek kunnen allerlei materiaaleigenschappen worden gede�nieerd. We geven in de volgende alinea’s de de�nities. Als de staaf een beetje wordt opgerekt en we halen de spanning er weer af, dan zal de staaf terugveren tot de rek weer nul is. Elastiek kan heel ver worden opgerekt en veert daarna weer terug. We noemen dit materiaal dan ook elastisch. De maat voor de elasticiteit is dus de maximale elastische rek die een materiaal kan hebben waarbij het weer terugveert: εE. Metalen en keramische materialen zijn nagenoeg inelastisch. Rek je het materiaal verder op, dan zal het na het elastisch terugveren niet geheel op een rek van nul uitkomen. Het materiaal is dan blijvend vervormd. We spreken dan van plastische vervorming. Wordt het materiaal nog verder opgerekt, dan zal het op een zeker moment breken. De blijvende breukrek εbr die na de breuk wordt gevonden, is een maat voor de taaiheid van het materiaal. Is de breukrek groot, dan spreken we van een taai materiaal. Is de breukrek klein, dan spreken we van een bros materiaal. Als het materiaal vooral op één punt veel dunner wordt, doet de rest van het materiaal niet mee met de vervorming en zal de totale rek niet groot kunnen worden. Het materiaal is dan niet taai, maar ductiel. De maat hiervoor is de mate van insnoering volgens: Ψ= A0 − Aeind ⋅ 100% A0 εbr bros εbr taai rek ε, [%] Een grote insnoering is in het algemeen een ongunstige eigenschap bij om te vormen producten. Zo zal bij het dieptrekken van een bierblikje de blikbodem uitgedrukt worden met een zeer scherpe ingesnoerde rand. Voor zo’n toepassing moet je dus een taai materiaal hebben en geen ductiel materiaal. De mate van insnoering is niet alleen een kwestie van ductiliteit. Op zich is het eigenlijk vreemd dat als je aan iets trekt, er een materiaalverplaatsing naar binnen optreedt in de staaf, waardoor deze dunner wordt. Dit lijkt toch logisch omdat de totale hoeveelheid materiaal gelijk blijft; dus langer betekent dunner, maar de richting waarin het materiaal beweegt is loodrecht op de richting waarin je trekt, en dat lijkt niet te kloppen. Het naar binnen bewegen wordt beschreven met de dwarscontractiecoëf�ciënt ν (Greek symbol ‘nu’). Deze geeft de verhouding weer van de uitrekking ten opzichte van de contractie, ofwel verdunning volgens: v= spanning σ [N/mm²] bros σE taai ductiel σ 0,2 σP rek ε [%] 55 contractie rek Dit staat ook bekend als de verhouding van Poisson. Voor de meeste metalen heeft de verhouding van Poisson een waarde van 0,3, voor kurk is deze nul en voor rubber ongeveer 0,5. Als materialen bovendien anisotroop zijn, dus in verschillende richtingen gemeten verschillende eigenschappen hebben, dan zal ook de dwarscontractiecoëf�ciënt in verschillende richtingen gemeten een andere waarde hebben. Voor polyester met 40% lange glasvezels in één richting geldt bijvoorbeeld dat – gemeten in de vezelrichting – de ν een waarde van 0,27 heeft. Loodrecht op de vezels belast vind je een waarde van 0,07. Ook in koudgewalste metaalplaten kunnen de dwarscontractiecoëf�ciënten in de walsrichting of loodrecht hierop verschillen. De Poisson-verhouding is van belang bij het omvormen van plaatmateriaal, omdat je dan wilt dat dat homogeen gebeurt. Een product dient zo ontworpen te worden dat er bij normaal gebruik geen plastische vervorming zal optreden. Na belasting moet het product elastisch terugveren tot de toestand vóór gebruik. Dit betekent dat de spanning niet zo hoog mag worden dat de maximale elastische rek wordt overschreden. Deze spanning, σE, waarbij het materiaal begint te bezwijken, zou eigenlijk de bezwijksterkte of elastische sterkte moeten heten, maar wordt sinds jaar en dag de rekgrens genoemd. Om de rekgrens te bepalen moet het materiaal opgerekt worden en weer terugveren, en verder opgerekt worden en weer terugveren, net zo lang tot het hoogste punt gevonden wordt waarbij er nog steeds geen blijvende rek gemeten wordt. Het valt echter moeilijk te besluiten wanneer de rek echt nul is of ongeveer echt nul, en ook met nauwkeurige meetapparatuur wordt hierbij nog steeds een meetfout gemaakt. Vandaar dat we op zoek gaan naar het punt waarbij het materiaal een blijvende, goed meetbare, rek van 0,2% heeft. Dit punt wordt de 0,2%-rekgrens genoemd, en dit is de technische spanning waarmee we rekenen als zijnde de belasting waar we niet boven mogen gaan. Nadat berekend is wat de spanningen door gebruik in een product zijn, en er de nodige veiligheidsfactoren zijn bepaald, kan een geschikt materiaal voor de constructie worden gekozen. Materialen die erg bros zijn, zoals veel keramieken, kennen geen plastische vervorming. Meteen aan het einde van het elastische gebied breken ze. Voor metalen ligt het punt van de 0,2%-rekgrens op een herkenbare plaats. Het begin van de trek-rekkromme is namelijk recht, en net boven de plek Materiaalkeuze spanning σ, [N/mm²] 3 – Materiaaleigenschappen 56 Leerboek Materiaalkunde voor technici waar de afbuiging begint ligt de rekgrens. Net hierboven ligt de 0,2%-rekgrens. Als het metaal tot hier wordt opgerekt, veert het elastisch terug. Dit gebeurt evenwijdig aan de rechte lijn in het begin van de curve. Na terugvering wordt uiteraard een blijvende rek van 0,2% gemeten. Als de rekgrens hoog ligt, noemen we een materiaal stug. Ligt de rekgrens laag, dan noemen we een materiaal week. De rechte lijn in het begin van de curve wordt de moduluslijn genoemd. De steilheid van deze lijn, ofwel de richtingscoëf�ciënt, is karakteristiek voor het metaal en voor het kristalrooster van het metaal. Deze richtingscoëf�ciënt, E, wordt net als in de wiskunde gede�nieerd volgens: spanning σ [N/mm²] E= σp Δα →E = ∆α ∆ε Δε α → E = tg α rek ε [%] Keramiek Metaal Kunststof Rubber σ ε elastisch Dit is de verhouding tussen spanning en rek in het elastische gebied. E wordt de elasticiteitsmodulus genoemd. Hoe groter E, des te meer spanning nodig is om het materiaal elastisch te laten oprekken. E is dan ook de maat voor de stijfheid van een materiaal. Materialen met een grote E noemen we stijf, materialen met een kleine E noemen we slap. Kunststoffen hebben geen rechtlijnig verband tussen de spanning en de rek. Om een uitspraak over de stijfheid van kunststoffen te kunnen doen zijn meerdere technieken bedacht. Zo kunnen we de raaklijn aan de curve nemen in het begin, en de richtingscoëf�ciënt hiervan de elasticiteitsmodulus noemen: E 0. Deze raaklijn loopt echter voor veel kunststoffen veel steiler dan de curve en suggereert een hoge stijfheid. Veel kunststoffen rekken tijdens het gebruik meer dan metalen, dus wordt meestal een andere methode gebruikt. We trekken een rechte lijn van het beginpunt van de curve naar het punt dat bij 1% rek ligt. De richtingscoëf�ciënt hiervan, E1, wordt vervolgens als maat voor de stijfheid genomen voor kunststoffen. Veel rubbers en elastomeren rekken tijdens gebruik nog meer op, dus wordt hier op gelijke wijze bij een rek van 100% de E100 bepaald als maat voor de stijfheid. In de gra�eken is te zien dat deze waarden meer representatief zijn voor de kunststoffen. Een laatste eigenschap die veel gebruikt wordt van de trekproefresultaten is de treksterkte σT. Dit is de maximaal gevonden technische spanning bij de trekproef. Deze is eenvoudig te bepalen zonder meteen de hele curve te hoeven uitrekenen. Je kunt simpelweg een staaf kapot trekken en de maximale belasting registreren. Vandaar dat dit vanouds de meest gebruikte waarde is voor de sterkte om het materiaal mee te karakteriseren. Er zijn verschillende aanduidingssystemen in omloop die gebaseerd zijn op de treksterkte. Toch is deze waarde in feite van weinig belang voor veel producten. De maximale spanning wordt immers bereikt als het product al goed en wel aan het bezwijken is, en meestal onherstelbaar beschadigd is. Het is dus slimmer om met de rekgrens te rekenen dan met de treksterkte. Toch zijn er veel rekenwijzen die gebaseerd zijn op de treksterkte. Hierin zijn vaak ook de veiligheidsfactoren meegenomen voor het product. Soms ook wordt in berekeningen aangenomen dat de rekgrens 0,7 maal de treksterkte is. Als de rekgrens verder niet gegeven is, kan dit een bruikbare methode zijn. Materialen met een hoge treksterkte noemen we sterk, materialen met een lage treksterkte noemen we zwak. Werkversteviging (in feite: bewerkingsversteviging) is het “steviger” worden van een materiaal of product als gevolg van een beperkte plastische vervorming. De treksterkte en de rekgrens gaan hierbij omhoog. Vandaar dat er voor dunne metalen staf en plaat een hogere treksterkte wordt opgegeven dan voor dikkere metaalplaat en -staf. Aan de hand van de trekkromme kunnen we uitleggen hoe het werkt. Bij het vervormen van materialen treedt eerst een elastische vervorming op (traject AB), gevolgd door een plastische (traject BC). Als we na een kleine plastische vervorming (traject BD) de spanning van het materiaal afhalen, treedt een elastische terugvering op (traject DE). De plastische vervorming blijft behouden (AE). Wordt de inmiddels dunner geworden staaf opnieuw opgerekt, dan doorloopt deze wederom traject ED en vervolgt met DC. Eigenlijk is dit een nieuwe trekproef, met een koudvervormd materiaal. We moeten dus voor de bepaling van de trek-rekkromme de gemeten trekkracht niet meer delen door de oorspronkelijke oppervlakte A0, maar door de nieuwe, kleinere A0’. De waarde voor de spanning gaat dus omhoog van σ = D’ σ [N/mm2] B’ werkversteviging D B A C’ Berekende C trekkromme E rek ε, [%] Daarmee komt punt D hoger te liggen (wordt D’), maar ook het traject DC (wordt D’C’). De nieuwe rekgrens ligt nu bij de hogere D’ en het materiaal is dus stugger geworden. Het nieuw berekende maximum van de curve ligt ook hoger en het materiaal is dus ook sterker geworden. Hiervan wordt gebruikgemaakt om metalen door walsen of smeden harder te maken. Voor sommige kunststoffen werkt het ook (koudverstrekken). De molecuulketens komen in de richting van het verstrekken te liggen en in deze richting is het materiaal sterker. Er zijn verschillende normen in omloop die het beproeven van materialen behandelen. Hierin wordt precies beschreven hoe je een proefstaaf moet maken, hoe je deze moet oprekken en hoe je vervolgens de bijbehorende eigenschappen moet benoemen. In Nederland wordt in de literatuur veel gewerkt met de internationale aanduidingen, maar in sommige Duitse (DIN) en Europese (EN) normen worden andere symbolen gebruikt. R m staat dan voor de treksterkte σT en R0,2 wordt de rekgrens σ0,2. Ook de oppervlakte onder de curve is van belang. Stel dat we de curve een wiskundige functie van de rek zouden noemen: σ = σ(ε), dan kan de oppervlakte onder de curve wiskundig geschreven worden als: ε0 ∫ σ ( ε ) dε = σ [N/mm2] 0 ∫σ(ε)dε rek ε, [%] F F naar σ = A0 ' A0 1 A0l0 leind ∫ F ( ∆l ) dl 0 Dit is de “som van kracht maal weg”, dus arbeid ofwel de energie nodig om de staaf op te rekken of te breken. Bij het elastisch terugveren komt er elastische energie vrij. Sommige producten, zoals een vangrail of een veiligheidskooi, moeten zo veel mogelijk energie op kunnen nemen. Bij het omvormen is juist het van belang dat dit niet te veel energie kost. De energie speelt ook een rol bij de slagvastheid van een materiaal. Deze kan onder andere gemeten worden door met een slinger een proefstuk door midden te slaan en vervolgens te meten wat het verlies aan slingerenergie is. Meestal wordt niet alleen de slagvastheid gemeten, maar ook de kerfslagvastheid, waarbij een proefstaaf met een scherpe kerf doormidden wordt geslagen. Dit gebeurt bij verschillende temperaturen en levert informatie over hoe taai of bros het materiaal Materiaalkeuze 57 3 – Materiaaleigenschappen 58 Leerboek Materiaalkunde voor technici D Brinell D Vickers D Knoop reageert. De kerfslagwaarde is dus een maat voor de bestandheid tegen bros breken door een slag. Als we in plaats van een trekbelasting een drukbelasting uitoefenen, kunnen we ook iets zeggen over de krachten die een materiaal kan weerstaan. De druksterkte is een eigenschap die eigenlijk alleen wordt bepaald voor materialen die ook bij uitstek voor drukbelasting geschikt zijn, zoals keramiek en sommige gietmetalen. Een meer gebruikte meetmethode die met drukbelasting werkt is de hardheidmeting, die aan de oppervlakte van een product wordt uitgevoerd. Meestal is deze bedoeld om een idee van de sterkte van een materiaal te krijgen, zonder een trekstaaf uit het materiaal te hoeven halen. In oudere boeken wordt wel gesteld dat de hardheid gemeten volgens de methode van Brinell een derde van de treksterkte in MPa is (HB = 1/3 σT). Dit klopt gedeeltelijk voor enkele metaalgroepen. Veel meer dan een indruk van de sterkte geeft het echter niet, omdat er geen één-op-één-relatie is tussen de treksterkte en de hardheid. In het algemeen kunnen we wel stellen dat harde materialen ook sterk zijn, al hangt het ook van de meetmethode af, zoals we nog zullen zien. Voor metaalgietlegeringen is deze relatie ronduit onbetrouwbaar, omdat de meting aan de oppervlakte plaatsvindt, waar de kristallen afwijken van de rest van het materiaal. Je zult dus het product alsnog moeten doorzagen om dieper in het materiaal te kunnen meten. Bovendien zijn veel metaalgietlegeringen relatief drukbestendig, zodat een hoge hardheid in verhouding tot de treksterkte gevonden zal worden. Ook voor kunststoffen is dit onbetrouwbaar, omdat de kracht bij de hardheidmeting vaak in een andere richting uitgeoefend wordt dan bij de trekproef, terwijl kunststoffen bijna altijd anisotroop zijn. De eigenschappen in verschillende richtingen gemeten zijn dus afwijkend! Een hardheidmeting zal dus alleen bedoeld moeten zijn om een bepaling te doen in het licht van een toepassing waarvoor een bepaalde hardheid gewenst is. Er zijn naast de eerdergenoemde Shore-A en Shore-D nog meer methodes, die er alle op neer komen dat met een puntig of rond voorwerp geprobeerd wordt een deuk in het materiaal te drukken en dan vervolgens te kijken hoe groot de deuk is geworden. We noemen als voorbeeld de methode van Vickers, waarbij voor het indrukken een piramidevormige diamant wordt gebruikt. Na het indrukken, met een bekende kracht van 1 tot 30kgf, wordt de diamant weggehaald. Het materiaal veert terug en vervolgens wordt de resterende piramide deuk opgemeten door de lengte van de diagonalen op te meten met behulp van een microscoop. Hoe groter de deuk, hoe zachter het materiaal. Deze methode wordt gebruikt voor harde metalen en voor zachte keramieken. Voor harde keramieken wordt gewerkt met een “platte” diamanten piramide, waarvan een van de diagonalen heel kort is en de andere lang. Hierdoor kun je met weinig druk toch nog een redelijk lange deuk maken om op te meten. Deze methode wordt de methode van Knoop genoemd. Voor zachtere metalen wordt de deuk met een harde stalen kogel van circa 8 mm diameter gemaakt, met een drukkracht van 750kgf. Dit is de methode van Brinell. Handig aan het meten met een microscoop is dat je een éénduidige relatie kunt leggen met de structuur van het materiaal. Een nadeel is dat het niet erg snel werkt, vandaar dat er ook Vickers- en Brinell-meetmachines zijn waarbij je digitaal de diepte van de deuk meet en dan terugrekent naar de bijbehorende hardheid. Het is duidelijk dat deze methodes niet voor kunststoffen werken, want deze veren na indeuken zover elastisch terug, dat er nauwelijks nog een deuk D Rockwell C D Rockwell B D Shore-D l 1Hardheid conversietabellen 59 te zien is. Rubber lijkt dan wel erg hard! Er zijn dus ook andere methodes, waarvan de methodes van Rockwell de bekendste zijn. Dit zijn er zo’n 15, aangeduid met verschillende letters van het alfabet. De stalen kogel (met een diameter van 1,58 mm) wordt ook gebruikt bij de Rockwell-B meetmethode. Deze kogel wordt met een kracht van 100kgf in het materiaal gedrukt. Hierbij wordt echter niet de diameter van de deuk achteraf gemeten, maar de diepte van de deuk, terwijl er nog een druk van 10kgf op staat. Voor hardere metalen wordt een kegelvormige diamant gebruikt, waarbij eveneens de diepte van de deuk gemeten wordt. Deze methode heet Rockwell-C. De diamant wordt hierbij met een drukkracht van 150kgf in het materiaal gedrukt. De kogel en de kegel zijn te klein voor kunststoffen, waardoor de indringdiepte ver buiten het meetbereik van een Rockwell-machine valt. Vandaar dat voor kunststoffen met een kleinere druk en/of met een grotere kogel (6,35 mm diameter) gewerkt wordt. Bijvoorbeeld Rockwell-M met een druk van 10kgf en een kogeldiameter van 6,35 mm. Rockwell-M is helaas niet één op één uit te drukken in Shore-D, dus moeten we voor het omzetten en vergelijken verschillende testen doen op dezelfde materialen. Hetzelfde geldt voor de omzetting van Rockwell-B of -C naar Vickers; dit kan alleen met vergelijkingstabellen per materiaalgroep. Trek en druk kunnen ook afgewisseld worden. Als dit vaak genoeg gedaan wordt, kan het materiaal bij een lagere kracht bezwijken dan bij een trekproef of drukproef. We noemen dit vermoeiing. Er zijn twee vormen van vermoeiingstesten. Bij de ene wordt een wisselende spanning aangebracht, bij de andere een wisselende vervorming. Is de optredende spanning of vervorming groot genoeg, dan zal het product snel breken. Bij een kleinere belasting kan het meer wisselingen aan. Bij sommige materialen is er een bepaalde spanning of vervorming die ze tot in het oneindige kunnen volhouden. Komt de spanning of vervorming hier net boven, dan zal het product na misschien een miljoen wisselingen breken. Blijf je er onder, dan zal het product niet bezwijken. Deze grensspanning wordt de vermoeiingssterkte genoemd. Deze is doorgaans ongeveer de helft van de treksterkte. Vermoeiingstesten zijn duur, doordat ze lang duren en er speciale staven voor nodig zijn. In het algemeen is het lonend om de testen aan het product zelf uit te voeren, in plaats van speciale staven te maken en van daaruit het productgedrag te gaan berekenen. Dit geldt ook voor buigproeven. Weliswaar gebruiken we hier eenvoudige staven voor, maar de doorbuiging van een product is net zo eenvoudig te meten als van een staaf. De buiging aan eenvoudige staven levert een aantal eveneens eenvoudige vergelijkingen op, waarin de sterkte en stijfheid weer terugkomen. Vandaar dat we deze bij de productmodellen in het volgende hoofdstuk (Materiaalkeuzemethodieken) zullen behandelen. Keramische materialen moeten vanwege hun structuur bij voorkeur niet op trekspanning belast worden. Daarnaast is het moeilijk om ze voldoende klemvast te krijgen voor een trekproef. Vandaar dat we de sterkte en stijfheid van keramische materialen meestal bepalen met een buigproef. De gebruikstemperatuur is een zeer belangrijk gegeven bij de materiaalkeuze. Sommige staalsoorten verliezen bij een temperatuur-verhoging van 20 naar 200 °C al snel zo’n 30% van hun sterkte. Bij nog hogere temperaturen zal het staal bij spanningen lager dan de rekgrens gaan oprekken. Bij een temperatuurverlaging van 20 naar -40 °C wordt het staal sterker, maar sommige stalen worden dan ook brosser. De slagsterkte gaat bij deze lage temperaturen rap achteruit en bij een verdere verlaging van de temperatuur tot -60 °C zal dit Materiaalkeuze 3 – Materiaaleigenschappen 60 Leerboek Materiaalkunde voor technici 1 kg 1 kg 1 uur 1 dag 1 kg 1 jaar Geen kruip 1 kg 1 kg 1 uur 1 dag 1 kg 1 jaar rek kruip Kruip spanning tijd Kruip tijd spanning 1 uur 1 dag 1 jaar Kruip tijd materiaal zelfs bros kunnen bezwijken. Gebruiksproeven worden vaak bij kamertemperatuur uitgevoerd. Nu kan de gebruikstemperatuur sterk verschillen van de kamertemperatuur. Het is daarom zaak om mechanische eigenschappen te benoemen bij de meest slechte productscenario’s. In de regel zijn dit dus de hoogste en laagste temperaturen waaraan een product kan worden blootgesteld. Als de gebruikstemperatuur hoger is dan 0,4 maal de smelttemperatuur van een materiaal, gemeten in kelvin, is er kans op een gedrag dat kruip wordt genoemd. Dit betekent dat het materiaal langzaam oprekt in de tijd, bij een spanning lager dan de rekgrens. In het geval van metalen is dit een blijvende, dus plastische rek; in het geval van kunststoffen is het een pseudoplastische rek. Na het wegnemen van de spanning veert het materiaal zeer langzaam terug. In de praktijk komt het erop neer dat alle onversterkte kunststoffen kruip vertonen tijdens gebruik (al bij kamertemperatuur), en veel metalen bij temperaturen boven 100 °C. Bij een kruipproef word een genormeerde staaf gedurende langere tijd bij constante temperatuur belast met een constante spanning, terwijl de rek in de tijd gemeten wordt. Kruip is geen probleem, maar je moet er soms als ontwerper of als gebruiker rekening mee houden. Als een kunststof bout wordt opgerekt en vastgezet, dan zal in de loop van de tijd de spanning in de bout langzaam dalen. Dit dalen van de spanning in de bout noemen we spanningsrelaxatie. Als een product dus een kracht moet leveren, zal deze langzaam afnemen. Kruip en spanningsrelaxatie vertegenwoordigen hetzelfde gedrag, maar worden vaak onterecht door elkaar gehaald. In beide gevallen verandert de structuur van het materiaal onder invloed van de spanning in de tijd, resulterend in een vormverandering (bij kruip) of daling van de inwendige spanning. Bij kruip is echter sprake van een opgelegde spanning, bij spanningsrelaxatie van een opgelegde rek. Zowel kruip als relaxatie zijn sterk afhankelijk van de temperatuur, de structuur van het materiaal en de tijd. Hoe hoger de temperatuur of de spanning, des te sneller deze processen verlopen. We komen hier op terug bij de modellen in de volgende hoofdstukken. We hebben gezien dat het met behulp van een kerfslaghamer mogelijk is iets te zeggen over het vermogen van een al dan niet gekerfd werkstuk om energie op te nemen als gevolg van een slag of stoot. De gevonden waarden geven echter geen houvast voor materialen die mogelijk kerven of scheurtjes bevatten. Als je een klein scheurtje maakt in de cellofaan verpakking rondom een theedoosje of CD-doosje, scheurt deze gemakkelijk verder open. Dit geldt ook voor kerven in glas. Metalen hebben hier geen last van. We zeggen wel dat de metalen een grote scheurtaaiheid bezitten, terwijl veel kunststoffen een lage scheurtaaiheid bezitten. De breukmechanica biedt voor het rekenen hieraan een aantal mogelijkheden. Hier wordt kort, voor een eenvoudig geval, toegelicht wat de betekenis is van de eigenschap scheurtaaiheid. Het scheuren van een materiaal zal normaal gesproken daar beginnen waar de spanningsconcentratie het hoogst is. Stel dat we een vlakke plaat hebben onder trekspanning, die een kerf met lengte a aan de rand heeft (zie de �guren hiernaast) of een kerf, met lengte 2a in het midden van de plaat. De spanning aan de punt is dan het hoogst aan de punt van de kerf, zoals hiernaast te zien is. De hoogte van deze maximale spanning is dan, net als hiervoor besproken, afhankelijk van de nominale spanning en van de scheurlengte. We kunnen nu de spanningsintensiteitsfactor gebruiken om deze relatie te 3 – Materiaaleigenschappen F bepalen. Voor dit geval geldt: K I = Ψ ⋅σ nom ⋅ π a a 2a F F trekspanning σmax σ 0,2 σnominaal kerftip afstand Spanningsverdeling bij spannings­ concentratie rondom kerf Hierbij is ψ een dimensieloze geometrieconstante in de orde van grootte van 1 (oneindig groot veronderstelde plaat). De kritische waarde van de spanningsintensiteitsfactor waarbij de kerf of scheur zal gaan groeien, wordt de KIc-waarde (”K één c’-waarde) genoemd. De Romeinse I (één) verwijst naar de spanningstoestand, hier een trekspanning. De bijbehorende nominale spanning wordt dan de scheurspanning genoemd. De KIc-waarde geldt als maat voor de scheurtaaiheid van een materiaal en wordt experimenteel bepaald. De eenheid is MPa m. Enige karakteristieke waarden kun je aflezen in het volgende materiaalkeuzediagram. We zien dat sommige technische kunststoffen net zo’n grote KIc-waarde hebben als de wat taaiere metalen, maar voor de meeste kunststoffen geldt dat als er een scheurtje in de oppervlakte komt, ze gemakkelijk zullen breken. In het diagram is de scheurtaaiheid uitgezet tegen de stijfheid, zodat de schuine stippellijnen (voor KIc2/E )een maat geven voor de “stevigheid” van het materiaal. In verhouding tot de stijfheid moet je dus net zo veel moeite doen om rubber kapot te scheuren als om titaan kapot te scheuren, terwijl glas en kurk juist erg makkelijk scheuren. 3.6 Fysische eigenschappen We hebben in hoofdstuk 1 de microstructuur van materialen behandeld. De ordening van atomen is een fysische eigenschap. Als materialen kristallijn Regelmaat Bron: Material Process Selection Charts, Granta Design Ltd., 2007 Materiaalkeuze F 61 62 Graniet Kunststof Gepolijst gietijzer Silicium (wit) Aluminium (rood) Zinkkristallen op plaatstaal Leerboek Materiaalkunde voor technici zijn, hebben de atomen een regelmatige ordening. Deze ordening is op grote schaal nog waarneembaar, bijvoorbeeld in de vorm van suikerkorrels, bergkristal en pyrietkristallen. Ook in alle metalen, keramische materialen en veel kunststoffen komen kristallen voor op een dusdanige schaal, dat ze onderzocht kunnen worden met een gewone microscoop, met vergrotingen van 50 tot 1000 maal. Hiervoor moet normaal gesproken een stuk materiaal verwijderd worden ten behoeve van onderzoek, dus het zijn destructieve proeven waarvoor een product opgeofferd moet worden. Kunststoffen en keramieken kunnen worden onderzocht met een doorvallend licht microscoop, waarbij het licht door het materiaal heen valt. Daartoe worden plakjes kunststof met een dikte tot 10µm met behulp van een microtoom (een soort precisiekaasschaaf) van het kunststof afgeschaafd, of plaatjes keramiek dun geslepen tot een dikte van minder dan 50µm. Door gebruik te maken van gepolariseerd licht kunnen we vervolgens de kristallen onderzoeken en uitspraken doen over de ontstaansges-chiedenis van het materiaal. Bij kunststoffen kun je conclusies trekken over spanningen en condities, tijdens en na het spuitgieten, extruderen of omvormen. Metalen kunnen niet met een doorvallend licht microscoop onderzocht worden. Je zou dan plakjes moeten maken met een dikte van ongeveer 0,01µm, dus een honderdduizendste van een millimeter dik, wat technisch bijna niet te doen is. Gelukkig reflecteren metalen zeer goed. Hierdoor kan gebruikgemaakt worden van een ópvallendlichtmicroscoop, waarbij het licht op het materiaal valt en weer reflecteert zodat het materiaaloppervlak onderzocht kan worden. Daarvoor moet het metaal eerst spiegelglad gepolijst worden. Als er in het metaal structuren voorkomen met een afwijkende eigen kleur, dan kunnen deze nu al onderzocht worden. Voorbeelden zijn koolstof in gietijzer (zwart), silicium in aluminium (blauwgrijs) en lood (grijs) en mangaansul�de (heldergrijs) in automatenstaal. Meestal zie je echter geen reflectieverschillen, en dan wordt er gebruikgemaakt van de eigenschap dat metalen in een zuur kunnen oplossen. Door de gepolijste oppervlakte kort bloot te stellen aan een lage concentratie van een geschikt zuur, worden sommige kristallen niet en andere meer of minder aangetast: korrelvlaketsing. Je ziet dan kleur- of grijswaarde verschillen tussen de verschillende kristallen, zoals ook op verzinkt staal te zien is van �etsenrekken en vuilcontainers. Met een ander zuur kan het resultaat zijn dat alleen de randen van de kristallen oplossen: korrelgrensetsing. Hierdoor zie je onder de microscoop schaduwranden langs de kristallen. Ook kan het zijn dat kristallen uit meerdere fasen bestaan, die verschillend op het zuur reageren, waardoor dit zichtbaar wordt onder de microscoop: fase-etsing. Op deze wijze kan de structuur en de ontstaans­ geschiedenis van metalen achterhaald worden. Informatie over gieten, walsen, warmtebehandelingen en samenstelling kan uit de structuur afgeleid worden. Een kenmerkende eigenschap van veel fysische proeven is dat de binding van de materialen bij de proef op zich niet verandert. In feite zijn de mechanische testen hierboven ook fysische experimenten. Andere voorbeelden zijn proeven met stroom, met straling, met licht en met temperatuur. De stroomgeleiding wordt getest door de weerstand van een draad van één meter lengte en een doorsnedeoppervlak van 1 mm2 te meten. De soortelijke weerstand die hiermee gemeten wordt, heeft als eenheid Ω/m/mm2, dus het aantal ohms per meter draad en per vierkante millimeter doorsnede. Metalen hebben een zeer Thaag lage soortelijke weerstand, gevolgd door de keramieken en daarna door de kunststoffen. De warmtegeleiding is al genoemd bij de tactiele eigenschappen. De warmtegeleiding wordt bepaald door aan een geïsoleerde staaf met lengte L en doorsnedeoppervlakte A te meten wat de warmtestroom Φ in Joule per seconde is als gevolg van een temperatuurverschil ∆ T = (Thoog - Tlaag) in kelvin, volgens: Tbag Φ =λ⋅A L (Thoog − Tlaag ) L De joule is gelijk aan één wattseconde, dus de joule per seconde wordt geschreven als watt. Vandaar dat de warmtegeleidingscoëf�ciënt λ als eenheid watt/ meterkelvin heeft. Zoals al beschreven bij de tactiele eigenschappen hebben de metalen de hoogste warmtegeleidingscoëf�ciënt, gevolgd door de keramieken, gevolgd door de kunststoffen. De temperatuur bepaalt een groot aantal eigenschappen. De al eerdergenoemde kerfslagwaarde kan bij lage temperaturen sterk dalen, zodat materialen zich onder een bepaalde temperatuur ineens zeer bros gedragen. We noemen dit de Nil Ductility Transition Temperature, ofwel kortweg NDT. Onder deze temperatuur moeten de betreffende materialen bij voorkeur niet worden ingezet als er kans is op stoten of wisselende belasting.Naar boven toe is er ook voor alle materialen een maximale gebruikstemperatuur, die vooral bepaald wordt door de afname van sterkte en stijfheid van het materiaal. We hebben het er al over gehad dat als de temperatuur hoger wordt dan 0,4 maal de smelttemperatuur in kelvin gemeten, dat er dan kans is op kruip. Ook zonder Bron: Material Process Selection Charts, Granta Design Ltd., 2007 Materiaalkeuze 63 3 – Materiaaleigenschappen 64 Leerboek Materiaalkunde voor technici RAL1000 RAL2000 RAL3000 RAL4000 RAL5000 RAL6000 RAL7000 RAL8000 RAL9000 dat is er kans op voortijdige breuk, omdat de sterkte is afgenomen. De vorige figuur geeft een overzicht van de maximale sterkte als functie van de temperatuur. Het gaat bij dit diagram om de treksterkte voor de metalen en kunststoffen en om de druksterkte voor de keramieken. Voor de metalen en kunststoffen betekent dat dus ook dat je rekening moet houden met plastische vervorming, omdat de treksterkte boven de bezwijksterkte of rekgrens ligt. Je kunt zien dat de kunststofschuimen het zwakst zijn, en een aantal metalen – samen met versterkte kunststofcomposieten en keramieken – het sterkst. De kunststofcomposieten geven het echter op bij circa 500K, de metalen pas bij circa 1200K en de sterkste keramieken komen nog tot 1800K. Licht is een fysische eigenschap waar een ontwerper op meerdere manieren mee te maken kan krijgen. Licht bepaalt de kleur van producten, licht kan invloed hebben op de mechanische eigenschappen. En soms wordt de materiaalkeuze bepaald door de lichtdoorlatendheid van materialen. De kleur van een product wordt zowel door het materiaal of deklaag van het product bepaald als door de kleur van het licht dat er op valt. De kleuren kunnen worden uitgedrukt in de fysische golflengtes van het licht, maar voor producten zijn er andere benaderingen gekozen. De product- of deklaagkleur wordt uitgedrukt in een nummercode, de zogeheten RAL-kleurcode. Deze kleurcode vertegenwoordigt dus een materiaaleigenschap. De RAL- kleurenaanduiding dateert van 1927 en is opgezet door het Deutsches Institut für Gütesicherung und Kenn-zeichnung. RAL staat voor Reichsausschuss für Lieferbedingungen, een soort Keuringsdienst van Waren. De viercijferige RAL-kleurenlijst bevat inmiddels 210 kleuren en is opgedeeld in negen groepen: geel, oranje, rood, paars, blauw, groen, grijs, bruin en de wit en zwart-groep. De viercijferige code wordt vooral voor deklagen gebruikt. Voor ontwerpers is er een meer uitgebreide kleurenset beschikbaar met 26 kleurgroepen, aangeduid met drie cijfers, gevolgd door twee cijfers voor het percentage kleurverzadiging, gevolgd door twee cijfers voor het percentage intensiteit. De kleur verwijst naar de golflengte, de verzadiging naar de spreiding en de intensiteit naar de amplitude van de lichtgolven. In dit boek geven we voor de eenvoud alleen de oorspronkelijke RAL-lijst aan (zie bijlage C). De ervaring van een kleur kan afhankelijk zijn van de belichting. De lichtkleur wordt ook wel uitgedrukt in de fysische golflengte. Zichtbaar licht heeft een golflengte van 400 tot 700 nanometer. Langere golflengtes gaan via infrarood naar magnetrongolven en naar radiogolven, kortere golflengtes gaan via ultraviolet naar röntgenstralen. Voor de belichting van producten worden andere eenheden gebruikt. De helderheid van een lichtbron wordt uitgedrukt in de candela [Cd], Latijns voor kaars, en gede�nieerd als de hoeveelheid licht die van een bron uitstraalt. Per de�nitie wordt deze vertaald als 1/683 watt per sterradiaal van een lichtbron met een golflengte van 555 nanometer. De constante 1/683 komt van de oorspronkelijke de�nitie: de hoeveelheid licht uitgaande van de bron op een oppervlakte van 1m2 op een afstand van 1m van de bron. De candela beschrijft de uitgaande stroom en is dus onafhankelijk van de afstand tot de bron. De lichtsterkte kan echter wel in verschillende richtingen verschillend zijn, bijvoorbeeld omdat de bron een spiegel heeft. We zijn vaak geïnteresseerd in de hoeveelheid licht die in een bepaalde richting gaat, bijvoorbeeld op een 65 werkoppervlak. Deze wordt gegeven in lumen: de lichtstroom F (in lumen) van een bron met een lichtintensiteit l (in candela) door een ruimtelijke hoek van R graden bedraagt F = l ⋅ R . Dit is dus een totale lichtstroom door een bepaalde ruimtelijke hoek, welke overeenkomt met het object waar het licht op valt, gezien vanuit de bron. 3.7 Chemische eigenschappen Elk materiaal kan in meer of mindere mate door zijn omgeving chemisch worden aangetast. Bij een chemische aantasting reageert het materiaal met een stof uit zijn omgeving. Maak een stalen spijker nat en leg deze een dag buiten. De volgende dag begint deze spijker roodbruin te verkleuren en na een paar dagen is deze volledig roodbruin: de spijker roest. Dit roesten noemen we ook wel corroderen. Corrosie is een verzamelnaam waarmee we alle vormen van een (elektro-) chemische aantasting van materialen beschrijven. Corrosie brengen we vooral in verband met metalen. Met uitzondering van de edelmetalen willen veel metalen reageren met zuurstof en een oxide vormen, of met andere stoffen een zout vormen. Een beetje water werkt hierbij als een katalysator en versnelt het proces. De meeste metalen komen van nature op aarde voor in ertsen in de vorm van een verbinding met zuurstof (oxide), een verbinding met chloor (chloride) of een verbinding met zwavel (sul�de). In feite streeft een metaal ernaar om weer erts te worden, iets dat een ontwerper dus wil tegengaan. Energetisch gezien is deze ertsverbinding de meest gunstige toestand van het materiaal. Voor het maken van ijzer of aluminium uit hun ertsen (en dus het tegengaan van de ertstoestand) hebben we dan ook heel veel energie nodig. Zonder de nodige voorzorgmaatregelen zullen veel metalen reageren met zuurstof, omdat bij de reactie van het metaal met zuurstof energie (warmte en/of een elektrisch stroompje) vrijkomt. De meest extreme vorm van reageren met zuurstof is niet voor niets verbranden. Roest nu elk metaal? Het antwoord is ja en nee. Bij blootstelling aan schone vochtige lucht zal een aantal metalen nauwelijks roesten. We noemen deze materialen dan ook wel roestvast. Voorbeelden hiervan zijn roestvast staal, aluminium, nikkel en nikkellegeringen en titaan. Deze materialen beschermen zich onder normale omstandigheden door middel van een dunne, nagenoeg ondoorlaatbare oxidehuid. Wordt deze oxidehuid door bijvoorbeeld krassen beschadigd, dan vormt zich op het blootgelegde basismateriaal in korte tijd een nieuwe oxidehuid die het materiaal opnieuw bedekt. We noemen dit passieve corrosie en we kunnen deze materialen dus beschermen tegen corrosie door ze te passiveren, dus door bewust een dicht laagje oxide aan te brengen. Deze materialen zijn goed bestand tegen corrosie omdat de gevormde oxidehuid goed hecht aan het metaal en in hoge mate chemisch resistent is tegen verschillende stoffen. Natuurlijk kunnen we altijd een medium bedenken waarmee we de oxidehuid kunnen aantasten. Bij blootstelling aan sterke zuren, basen of bepaalde zoutoplossingen kunnen zelfs de meeste corrosievaste materialen worden aangetast. Bij het etsen of graveren maken we hiervan gebruik. Bij andere metalen is de corrosielaag die ontstaat helaas niet dicht, maar poreus, zodat het onderliggende metaal nog steeds verder kan corroderen. Materiaalkeuze 3 – Materiaaleigenschappen 66 Leerboek Materiaalkunde voor technici Kathode Oxidehuid Al3+ Anode Aluminium We noemen dit actieve corrosie. IJzerroest is hiervan een voorbeeld. In dat geval zal er vaak iets moeten gebeuren om het roesten tegen te gaan. Om te weten of je moet beschermen tegen corrosie, wil je eerst weten of corrosie zal optreden. Dit kun je meten. De corrosiereactie bij metalen houdt in dat een metaal van binding verandert, wat betekent dat er een elektronenverschuiving moet plaatsvinden. Dit is dus een elektrische stroom. Deze stroom kan alleen ontstaan bij een voldoende hoge spanning. In termen van corrosie zeggen we ook wel: 1 Er moet een potentiaalverschil zijn tussen twee delen. 2 Er moet een geleidend contact zijn tussen de delen. 3 Het corrosieproduct moet kunnen oplossen. De laatste voorwaarde voor de stroom komt erop neer dat een geschikt oplosmiddel contact maakt met het materiaal. In veel gevallen is dit water, in de vorm van condensvocht, stilstaand water, of proceswater. Als dit water vervuild is (met zouten of zuren), dan verloopt de corrosie vaak gemakkelijker. Het water kan dan ionen transporteren en houdt zodoende de stroom op gang. Zo’n vloeistof, die de stroom geleidt, noemen we een elektrolyt. Je kunt dus meten aan corrosie. Om te beginnen kun je de spanning, ofwel de potentiaal tussen de twee delen, meten, onder gelijke condities. Hiervoor is een gestandaardiseerde proef beschikbaar, waarbij van elk materiaal een staaf in de elektrolyt wordt gehangen. Vervolgens wordt hiertussen de spanning gemeten. Als de spanning hoog genoeg is, kan er onder de gegeven condities corrosie optreden. We spreken van een edel en een onedel materiaal. Vervolgens kun je met een stroommeter gaan meten hoe snel de corrosie verloopt. Op het moment dat je de draden aansluit zal de stroom hoog zijn. Als het corrosie product (dat op één van de materialen ontstaat) het materiaal afdekt, zal de stroom inzakken, doordat er geen contact meer is met de elektrolyt. Dit is dus de passieve corrosie. Lost het corrosieproduct op, of blijkt het poreus, dan blijft het materiaal door corroderen. Hoe bepaal je nu of een materiaal te gebruiken is in een bepaald milieu, en wat de corrosiesnelheid is bij de gebruikstemperatuur? Hiervoor kun je putten uit een groot aantal handboeken, onderzoeksrapportages en databases. Deze zijn het resultaat van blootstelling van materialen aan de betreffende milieus gedurende langere tijd en meting van de effecten. We noemen dit expositieproeven. Dit zijn vaak langdurige en dus dure testen. Veel corrosieproeven zijn gestandaardiseerd, en zodoende reproduceerbaar. Gestandaardiseerde proeven maken tevens kwalitatieve vergelijking van verschillende materialen mogelijk. Nu worden de meeste corrosieproeven bij verhoogde temperaturen uitgevoerd. Bij hogere temperatuur verloopt een corrosieproces sneller. De tijdsduur van een experiment kan hierdoor aanzienlijk worden ingekort. In de praktijk hoef je niet altijd op zoek te gaan naar een gestandaardiseerde proef. Voor spanningscorrosie, waarbij een mechanische spanning en een geschikt milieu tot schade kunnen leiden, kun je volstaan met het onderdompelen van een dubbelgebogen plaatje van het te onderzoeken materiaal (ook wel coupon genoemd) in de oplossing van de stoffen waaraan het product in werkelijkheid wordt blootgesteld bij een verhoogde temperatuur. Breekt het plaatje, dan is er sprake van spanningscorrosie. Putcorrosie kan visueel worden waargenomen en de corrosiesnelheid van de eventuele gelijkmatige 67 corrosie kan worden bepaald aan de hand van het gewichtsverlies over een bepaalde tijd. Spanningscorrosie treedt niet alleen bij metalen op. Ook kunststoffen vertonen dit verschijnsel. Ze kunnen binnen enkele seconden bros breken als ze bij aanwezigheid van een inwendige spanning worden blootgesteld aan een verkeerde vloeistof of gas. Vooral bepaalde oplosmiddelen en weekmakers zijn berucht. Als een gebogen perspex plaatje wordt ingesmeerd met een heel klein beetje tetra (CCln), een ontvettingsmiddel, dan ontstaat er in zeer korte tijd een groot aantal haarscheurtjes. Het plaatje verandert van transparant in wit (door de vele scheurtjes) en breekt vervolgens bros. Nu bevatten veel lijmen weekmakers en moeten twee te lijmen onderdelen vaak grondig worden gereinigd (ontvet). Mocht je nu twijfels hebben over de bruikbaarheid van een schoonmaakmiddel of een lijmsoort, dan kun je de toepasbaarheid met een simpel experimentje onderzoeken. Klem een kunststof plaatje aan het ene uiteinde met een lijmklem aan een tafel en hang aan het andere uiteinde een gewichtje waarmee het plaatje enkele millimeters buigt. Wrijf vervolgens met een watje wat van het schoonmaakmiddel of de lijm over het gebogen oppervlak. Bij breken van het plaatje is er sprake van spanningscorrosie. Een andere vorm van chemische aantasting van kunststoffen is chemische veroudering. Chemische veroudering is een verzamelbegrip voor het veranderen van de chemische samenstelling in de tijd van een kunststof. In de regel veranderen door deze chemische veroudering, tegelijkertijd met de verandering van de samenstelling, een aantal mechanische en fysische eigenschappen nadelig. Door inwerking van ozon in combinatie met UV-straling worden kunststofmoleculen afgebroken. Door weer en wind worden weekmakers en andere toevoegmaterialen uitgewassen of uitgedampt. Beide processen zullen uiteindelijk resulteren in kleine haarscheurtjes, en door deze haarscheurtjes kan een kunststof bros worden. Een niet onbelangrijke vorm van chemische aantasting van kunststoffen is het verbranden. Kunststoffen hebben ten opzichte van veel andere materialen een lage ontbrandingstemperatuur. En met name door hun speci�eke samenstelling kunnen er zeer ongezonde gassen vrijkomen. Zo komt er bij het verbranden van PVC zoutzuurgas vrij waarvan de geur zeer scherp en bijtend is. Bij de verbranding van teflon kan er onder andere waterstoffluoride vrijkomen. Waterstoffluoride is zeer gevaarlijk en zo agressief dat het glas aantast (wegetsen). Het kan doordringen tot op het bot en tast het menselijke zenuwstelsel aan. Wel brandt elke kunststof op zijn eigen manier, zodat brandproeven aangevuld met een dichtheidsmeting kunnen worden gebruikt bij de materiaalkarakterisering. De brandproeven zijn niet zonder risico, en mogen alleen in speciaal daarvoor ingerichte ruimten worden uitgevoerd. Voor de materiaalkeuze bij kunststoffen is vooral van belang of een kunststof zelfdovend is, dus dat de vlam vanzelf uitgaat, en of er bij het verbranden van de kunststof giftige gassen of hete druppels vrijkomen. Materiaalkeuze 3 – Materiaaleigenschappen 68 Leerboek Materiaalkunde voor technici Steekwoorden Eigenschappen Kenmerken Parameters Meetwaarden Eenheden Grootheden Relatieve eigenschappen Producteigenschappen Producttesten Toepassingseigenschappen Gebruikseigenschappen Tactiele eigenschappen Wrijving stug taai slap bros ductiel zwak slagvast kruip spanningsrelaxatie drukvast torsie vermoeiing spanning terugvering kerfslagwaarde hardheid anisotroop brinellhardheid vickershardheid rockwellhardheid vermoeiingssterkte buigsterkte buigstijfheid gebruikstemperatuur scheurtaaiheid spanningsintensiteitsfactor wrijvingscoëfficiënt technische spanning Korrelgrensetsing warmtegeleidingscoëfficiënt verlenging Tactiele warmte korrelvlaketsing Rek fase-etsing soortelijke weerstand Tactiele hardheid ware spanning elektrische geleiding Gietbaarheid trek-rek curve warmtegeleiding Omvormbaarheid elastische vervorming ndt Verspaanbaarheid plastische vervorming Lasbaarheid elastisch ral Samenstelling inelastisch kleur Structuur insnoering licht Spanningstoestand dwarscontractiecoëfficiënt golflengte Vormgevingsvrijheid bezwijksterkte candela Automatenmetalen rekgrens lumen Verspaanbaarheidsindex 0,2%-rekgrens corrosie Koolstofequivalent elasticiteitsmodulus elektrolyt Sterk moduluslijn passieve corrosie Stijf elastische energie actieve corrosie Elastische energie spanningscorrosie Opgaven 3.1 1 Geef van de volgende producten of materialen een of meer van de meest karakteristieke eigenschappen: a elastiek b schoolplein c waterleidingbuis d zand e klaslokaal f verse stopverf g surfplank h beton i aluminium j sluisdeur 2 3 69 Schrijf voor jezelf een de�nitie op van de volgende eigenschappen: a sterk b permeabel c krasbestendig d lichtdoorlatend e taai f roestbestendig g vast h warm i luid j groot Op grond van welke eigenschappen (geef er minstens drie) is het logisch dat ijzer, zink, lood en aluminium bij elkaar horen in de groep metalen? 3.2 1 2 3 4 5 6 Welke producteigenschappen heeft een elektrisch aangedreven handboormachine? Maak onderscheid tussen consumenteigenschappen, functionele eigenschappen, technische eigenschappen en materiaalgebonden eigenschappen. Bedenk drie producttesten om de sterkte van veiligheidsgordels voor auto’s te testen. Beschrijf nauwkeurig een goede test om de opwarmcapaciteit van een waterkoker te testen. Beschrijf een goede test om de vormgeving van een tafel te beoordelen. Teken het gebruik van een vork en bepaal de meest waarschijnlijke manier waarop de vork kan bezwijken. Teken het gebruik van een schroevendraaier en bepaal de meest waarschijnlijke manier waarop deze kan bezwijken. 3.3 1 2 3 4 5 6 7 Beschrijf nauwkeurig hoe je het gebruik van een scheerapparaat kunt testen. Noem vijf factoren die de grip op een product bepalen. Noem vijf factoren die de tactiele warmte van een product bepalen. Ga voor jezelf na wat het hardste materiaal is waarvan je nog met je hand de hardheid kunt meten. Matrasschuim is tactiel zacht en warm. Verklaar dit. Waarom kun je niet spreken van “de wrijvingscoëf�ciënt van beukenhout”? Gegeven: de wrijvingscoëf�ciënt van een elastomeer op gelakt hout is 1, die van een polyetheen op gelakt hout is 0,4 en die van een polycarbonaat op gelakt hout is 0,2. Stel dat we een laptop met een behuizing van polycarbonaat en een gewicht van 2 kg willen uitvoeren met pootjes van elastomeer, polyetheen, of zonder pootjes. Bereken het verschil in wrijving en ga na of de pootjes noodzakelijk zijn. Materiaalkeuze 3 – Materiaaleigenschappen Leerboek Materiaalkunde voor technici 8 9 Waarom voelt het stalen onderstel van een tafel kouder aan dan het kunststoffen bovenblad? Er zijn kuipstoeltjes van polyetheen op een stalen onderstel voor in de kantine en eveneens stapelbare stoeltjes met een zitting en een rugleuning van gebogen beukenmultiplex. Beschrijf het verschil in tactiele ervaring. 3.4 1 2 3 4 5 6 Rangschik de volgende producten op de mate van gewenste vormgevingsvrijheid ofwel vormcomplexiteit: handvat van koekenpan, kast van polshorloge, kap van lantaarnpaal, euromunt, kerstbal, cilinder van cilinderslot, motorkap automobiel, behuizing televisie, deurpost, kraanarmatuur van verwarmingsradiator, vel papier, kof�emok, beschuitbus. Rangschik de volgende productiemethoden op volgorde van vormgevingsvrijheid: walsen, boren, gieten, smeden, dieptrekken, buigen, frezen, boetseren, zagen, draaien, schuren. Waarom kun je niet zeggen dat de gietbaarheid van een materiaal met de smelttemperatuur samenhangt? Staalplaat, vlakglas, hardboard, huishoudfolie. Allemaal vlak, glad. Geef de verschillende productiemethodes en ga na of de productiemethode van het ene product voor een van de andere producten gebruikt kan worden. Waardoor wordt de lasbaarheid van een materiaal bepaald? Hoe kan het lassen door middel van warmte tot spanningen leiden? 3.5 1 2 3 Schrijf voor jezelf een de�nitie op van de volgende eigenschappen: sterk, taai, slap, stug, bros, stijf, zwak, met bijbehorende grootheden. Bedenk van ieder twee voorbeelden van een materiaal dat de betreffende eigenschappen heeft. Plaats de eigenschappen uit de vorige vraag per twee tegengestelden bij elkaar (bijvoorbeeld sterk-zwak) Stel dat gegeven is uit een trekproef, de volgende kromme met meetwaarden: Fmax kracht F 70 Δl Uitgangslengte l0 = 50 mm Uitgangdiameter D0 = 10 mm Fmax = 46 000 N Verlenging na breuk opem eten: ∆ l = 2,75 mm Kleinste diameter na breuk: 7,2 mm 4 5 Leg uit waarom de kracht – verlengingskromme een maximum heeft, dus waarom deze omlaag loopt naar het eind toe. a Bepaal de treksterkte van dit materiaal. b Bepaal de breukrek, dus de rek na breuk van dit materiaal. c Bepaal de rek vóór breuk van dit materiaal. d Bepaal de elastische terugvering in mm na breuk van deze trekstaaf. e Bepaal de lengte van de staaf net vóór het breken. f Vertaal de assen van de kromme naar waarden voor de spanning en de rek. g Bepaal aan de hand van deze kromme de proportionaliteitsgrens. h Bepaal aan de hand van deze kromme de 0,2%-rekgrens. i Bereken aan de hand van deze kromme de E-modulus van dit materiaal. j Bepaal de insnoering van de staaf. k Bepaal de ware spanning ter plekke van de breuk op het moment van breken. l Stel dat we na 1,5 mm plastisch oprekken een nieuwe trekproef doen. Bepaal de werkversteviging, dus de nieuwe rekgrens en treksterkte. Ga er voor de berekening van de nieuwe A0 van uit dat l0 A0 = l0 A0 . Geef een voorbeeld van een materiaal dat taai en tevens week is. Licht toe (hint: taai wil zeggen grote breukrek, week wil zeggen lage rekgrens. Dit kun je per materiaal opzoeken in de tabellen). Geef een voorbeeld van een materiaal dat slap en sterk is. Licht toe (hint: schets de trek-rekkromme). 500 σ [MPa] 1 400 300 2 3 200 100 4 5 10 15 20 25 30 35 40 45 E [%] 6 Gegeven zijn de trek-rekkrommes van een viertal materialen. Het gaat om een technische kunststof, twee staalsoorten en een aluminiumlegering. Geef aan: a Welke kromme hoort bij welk materiaal? b Op grond van welke eigenschap en waarom? c Geef de rek ná breuk van materiaal nr. 2. Laat dit zien in de trekkromme! Materiaalkeuze 71 3 – Materiaaleigenschappen 72 Leerboek Materiaalkunde voor technici d Geef de rekgrens van materiaal nr.4. Laat dit zien in de trekkromme! Als gevolg van een bepaalde belasting, bijvoorbeeld warmteuitzetting, wordt een constructie opgerekt met 5%. De constructie is gemaakt van materiaal nr. 1. Er treden steeds scheuren op. e Laat in trekkromme zien dat er inderdaad scheuren optreden. h Is het een goed idee om de constructie van het zwakkere materiaal 2 te maken? Licht een en ander toe. Geef eventueel randvoorwaarden. 3.6 1 2 3 4 Teken het lichtverloop van opzij gezien bij het gebruik van een metaalmicroscoop, voor een preparaat met korrelgrensetsing (teken dus de op het preparaat vallende en weerkaatsende bundel). Beredeneer of je een metaalmicroscoop zinvol kunt gebruiken voor het bestuderen van een blokje kunststof. Leg uit aan de hand van een theorie over de opbouw van materialen waarom de sterkte van een materiaal afneemt als de temperatuur van dat materiaal toeneemt. Stel dat in een ontwerp van een kof�ezetapparaat het warmhoudplaatje ingeklemd zit tegen het kunststof huis, dat van polystyreen gemaakt is. Bepaal de maximale temperatuur die het warmhoudplaatje mag hebben. 3.7 1 2 3 4 5 Wat maakt dat veel metalen gaan corroderen? Waarom leidt de aanwezigheid van vocht vaak tot corrosie? Geef drie manieren van corrosiebescherming, welke elk een andere corrosievoorwaarde uit het rijtje van drie tenietdoet. Stel dat gegeven is dat de corrosiesnelheid van een aluminium legering in leidingwater 0,2 mm per jaar bedraagt, maak dan een schatting van de hoeveelheid aluminium die een gezin binnenkrijgt als er elke dag gekookt wordt met twee liter water in een pan uit dat materiaal met een diameter van 23 cm. Welk van de kunststoffen uit bijlage A1 mag gebruikt worden voor bekledingsmaterialen of panelen in vliegtuiginterieurs?
