Uploaded by Jason Mejia

samenvatting-boek-materiaalkunde-h4569-en-10

advertisement
lOMoARcPSD
Samenvatting - boek "Materiaalkunde" H4,5,6,9 en 10
Materiaaltechnologie 1 (De Haagse Hogeschool)
Verspreiden niet toegestaan | Gedownload door Jason Mejia ([email protected])
lOMoARcPSD
SAMENVATTING MTT2
Bevat de volgende hoofdstukken:
Hoofdstuk 4 Grondslagen van de polymeerkunde
Hoofdstuk 5 Polymeergroepen
Hoofdstuk 6 Fabricageprocessen voor kunstoffen
Hoofdstuk 9 Staalproducten
Hoofdstuk 10 Warmtebehandeling van staal
BART NIEUWENHUIS
Verspreiden niet toegestaan | Gedownload door Jason Mejia ([email protected])
lOMoARcPSD
Samenvatting MTT2
Bart Nieuwenhuis
Inhoudsopgave
Hoofdstuk 4 – Grondslagen van de polymeerkunde ............................................................................... 2
H4.1 – Polymerisatiereacties ............................................................................................................... 2
H4.2 – Basistypen van polymeren ........................................................................................................ 3
H4.3 – Wijzigen van polymeereigenschappen ..................................................................................... 3
Hoofdstuk 5 – Polymeergroepen ............................................................................................................. 5
Hoofdstuk 6 – Fabricageprocessen voor kunststoffen en polymeercomposieten .................................. 7
H6.1 – Fabricageprocessen voor thermoplastische polymeren .......................................................... 7
H6.2 – Fabricageprocessen voor thermohardende polymeren ........................................................... 8
H6.3 – Polymeercomposieten ............................................................................................................ 10
H6.4 – Fabricagetechnieken voor composieten ................................................................................ 10
H6.5 – Toepassing van polymeercomposieten .................................................................................. 11
H6.6 – Specificeren van de verwerkingsmethoden ........................................................................... 12
H6.7 – Hergebruik van kunststoffen .................................................................................................. 12
Hoofdstuk 9 – Staalproducten ............................................................................................................... 13
H9.1 – Bereiden ijzererts .................................................................................................................... 13
H9.2 – Bereiden staal ......................................................................................................................... 13
H9.3 – Raffineren staal ....................................................................................................................... 13
H9.4 – Omvormen staal ..................................................................................................................... 14
H9.5 – Begrippen ................................................................................................................................ 15
H9.6 – Staalspecificaties ..................................................................................................................... 16
Hoofdstuk 10 – Warmtebehandeling van staal ..................................................................................... 17
H10.1 – Toestandsdiagrammen ......................................................................................................... 17
H10.2 – De morfologische bouw van staal ........................................................................................ 18
H10.3 – Redenen voor warmtebehandeling ...................................................................................... 18
H10.5 – Diffusiebehandelingen .......................................................................................................... 21
Hoofdstuk 19 – Oppervlaktebehandelingen .......................................................................................... 22
Disclaimer:
Het leren van deze samenvatting geeft geen gerantie voor het behalen van het tentamen. Dit
zijn slechts de zaken die ik als meest belangrijk heb beschouwd.
1
Verspreiden niet toegestaan | Gedownload door Jason Mejia ([email protected])
lOMoARcPSD
Samenvatting MTT2
Bart Nieuwenhuis
Hoofdstuk 4 – Grondslagen van de polymeerkunde
Polymeren zijn lange ketens van zich herhalende moleculen op basis van het element koolstof.
Polymeren hebben hun oorsprong uit de natuur, enkele polymeren: eiwitten, hars, natuurrubber en
hout.
Polymeer
Elk type materiaal dat door middel van polymerisatie met zich herhalende moleculen ontstaan is.
Binnen de techniek worden de volgende drie groepen onderscheiden binnen de kunststoffen:
1. Thermoharders – blijven hard als ze worden verhit, smelt niet maar ontleed zich zonder
vloeibaar te worden.
2. Thermoplasten – bij sterke verhitting wordt materiaal zacht, het materiaal ontleed zich
vloeibaar
3. Elastomeren - materialen die zich elastisch gedragen, smelten bij tempratuursverhoging
H4.1 – Polymerisatiereacties
Er bestaan in principe twee manieren waarop afzonderlijke moleculen zich aan elkaar hechten:
1. Additiepolymerisatie: moleculen ondergaan een fysische verbinding met elkaar (zoals kralen
aan een ketting).
2. Condensatiepolymerisatie: moleculen hechten zich aan elkaar door middel van een
chemische reactie, het uitgangsmateriaal verdampt (vandaar condensatie)
Beide reacties komen vaak alleen op gang door het gebruik van een katalysator of hoge
tempratuur/druk. Een katalysator is een stof die de reactie helpt, maar zelf niet wordt omgezet in het
reactieproces.
Door middel van het kiezen van de juiste procesparameters of het type katalysator kan de lengte van
het te maken polymeer worden beïnvloedt. De lengte van het polymeer heeft heel veel invloed op
de eigenschappen.
Copolymerisatie
Een polymeerproductieproces waarbij een polymeerketen onstaat die twee verschillende
monomeren bevat. Elk monomeer is op zichzelf in staat om een polymeerketen te vormen, maar het
wordt met opzet een aan een ander monomeer gekoppeld.
Homopolymeren
Mengsels en legeringen door fysische vermenging van twee of meer polymeren. Er is minstens 5%
van een ander polymeer nodig voor het maken van een mengsel of legering.
Mengbaar: er onstaat een enkelfasemengsel of –legering
Niet mengbaar: er onstaat een multifasemengsel of –legering
De eigenschappen van een legering zijn als het ware het gemiddelde van de samenstellende delen.
Verder bestaan er nog terpolymeren (drie monomeren in een keten) en kunststoflegeringen met
verscheidene polymeeradditieven.
2
Verspreiden niet toegestaan | Gedownload door Jason Mejia ([email protected])
lOMoARcPSD
Samenvatting MTT2
Bart Nieuwenhuis
H4.2 – Basistypen van polymeren
Thermoplastische polymeren bestaan meestal uit lange polymeerketens met een geringe breedte en
hebben in wezen een tweedimensionale structuru. Polymeren met dit type ketenstructuur worden
wel lineaire polymeren genoemd. Tussen de ketens zitten secundaire (zwakkere) bindingen. Door
tempratuurverhoging verdwijnen deze bindingen waardoor het materiaal plastisch of vloeibaar
wordt.
Thermohardende polymeren hebben een structuur die wordt gekenmerkt door een driedimensionaal
netwerk van moleculen.
H4.3 – Wijzigen van polymeereigenschappen
De materiaaleigenschappen worden vooral bepaald door de polymeerchemicus, daarna kan de
verwerker qua basiseigenschappen weinig veranderen. De verwerken kan wel aangeven dat er
bepaalde additieven moeten worden toegevoegd. Verder kunnen de eigenschappen worden
beïnvloed door: tempratuur, tijd, versterkrichting en druk.
Lineaire polymeren
De meest eenvoudige vorm van
een thermoplastisch polymeer
bestaat uit een lineaire
structuur. Dat wil zeggen dat
elke keten zich als een afzonderlijke keten gedraagt. Dit resulteert weer in weinig breedte, maar wel
een significante lengte. De verbinding tussen de ketens wordt veroorzaakt door vanderwaalskrachten.
Dit type structuur lijkt op een kom met spaghetti, de ketens zitten in elkaar verstrengeld.
Vertakte polymeren
Dit ontstaat wanneer er tijdens het polymerisatieproces een keten bedoeld of onbedoeld splitst in
twee en blijft doorgroeien. De vertakkingen zorgen voor een versterkte en stijvere structuur. Er
worden speciale katalysatoren en verwerkingstechnieken gebruikt om vertakkingen te kunnen
controleren en te bevorderen.
Crosslinking
Dit is het onstaan van chemische verbindingen
tussen verschillende ketens. Dit zorgt voor een
sterke en stijve structuur. In feite gebeurt
crosslinking bij elke thermoharder. Wanneer er
crosslinking wordt toegepast is het vaak niet meer
mogelijk het materiaal te smelten, omdat de crosslinks simpelweg een te sterke verbinding vormen
tussen ketens. In de afbeelding zijn de rode lijntjes de crosslinks tussen de losse ketens.
Ketenverstijving
De sterkte en stijfheid van een polymeer wordt kan niet alleen worden gewijzigd door middel van
grote zijgroepen, maar ook door middel van de locatie van de zijgroepen op de hoofdketen. De
relatieve locatie wordt ook wel stereoregelmaat of tacticiteit genoemd. Als het ware zorgt de
keteninteractie voor de stijfheid.
3
Verspreiden niet toegestaan | Gedownload door Jason Mejia ([email protected])
lOMoARcPSD
Samenvatting MTT2
Bart Nieuwenhuis
Structurele en smeltkenmerken van kristallijne en amorfe thermoplasten
Polymeren in vaste toestand zijn grotendeels amorf, wat betekent dat de atoombindingen geen
regelmatige, repeterende driedemensionele rangschikking hebben. Kristalliserende polymeren
hebben juist wel een regelmatige structuur.
Wanneer kunststoffen worden verwarmd zetten ze, net als andere materialen, uit. Echter is de
smelttempratuur relatief laag en de uitzettingscoëfficiënt zeer hoog. Bij het smeltpunt zijn is de
structuur verdwenen en is het polymeer als het ware een amorfe vloeistof. Op dit moment is de
uitzetsnelheid evenredig is met de thermische
uitzettingscoëfficiënt.
Wanneer een gesmolten amorfe polymeer langzaam afkoelt,
neemt het volume af op basis van de thermische
uitzettingscoëfficiënt. De viscociteit neemt toe, het materiaal
wordt steeds stroperiger. In het begin van de stolling is er nog
ordening, maar op gegeven moment wordt het materiaal ineens
echt stroperiger door krimp en toenemende aantallen secundaire
bindingen en dan wordt de eindstructuur vastgelegd. Dit is ook wel
de glasovergangstempratuur.
Amorfe polymeren






Thermoplasten met uitgebreide ketenvertakkingen, grote zijgroepen en lage
stereoregelmaat hebben een voorkeur voor een amorfe structuur
Thermohardende polymeren zijn amorf omdat de cross-linking de kristallisatie belemmert
Thermoplastische en thermohardende amorfe polymeren vertonen
glasovergangstempraturen (Tg)
De mechanische eigenschappen van amorfe polymeren verslechteren in grote mate bij de Tg
Amorfe thermoplasten smelten of worden vloeibaar over een uitgebreid tempratuurbereik
Thermohardende poylmeren smelten niet, maar degeneren boven de Tg
Semikristallijne polymeren




Semikristallijne polymeren hebben een bepaalde smelttempratuur (Tm)
De meeste kristallijne polymeren bevatten een zekere hoeveelheid amorfe polymeer
Voor de in een kristallijne polymeer aanwezige amorfe fase kan een Tg worden geregistreerd
De amorfe fase in een kristallijne polymeer kan een grote invloed hebben op de mechanische
eigenschappen van het polymeer
Additieven
Deze verbeteren de mechanische egenschappen, de thermische verwerkingsprocessen, de
oppervlakeigenschappen en de chemische eigenschappen. De additieven kunnen op verschillende
manieren worden toegevoegd. Bij thermohardende polymeren worden ze aan de hars toegevoegd
door middel van speciale meng- en verspreidingsprocessen. Bij thermoplasten wordt het toegevoegd
in de vorm van korrels.
De sterkte kan worden beïnvloed door het toevoegen van glas, koolstof of aramide (ook wel kevlar
vezels)
4
Verspreiden niet toegestaan | Gedownload door Jason Mejia ([email protected])
lOMoARcPSD
Samenvatting MTT2
Bart Nieuwenhuis
Hoofdstuk 5 – Polymeergroepen
De algemeen gebruikte kunststoffen worden vaan handelskunststoffen genoemd. De andere
kunststoffen , met grotere sterkte, grotere omgevingsweerstand of betere fysische eigenschappen
staan bekend als technische kunststoffen. Het grote verschil tussen deze twee groepen zijn de
kosten. In dit hoofdstuk worden de kunststoffen onderverdeeld in:





Thermoplastische handelskunststoffen
Thermoplastische technische kunststoffen
Thermohardende handelskunststoffen
Thermohardende technische kunststoffen
Elastomeren
De belangrijkste punten uit dit hoofdstuk (samenvatting van boek zelf):












De etheenpolymeren zijn allemaal afgeleid van het etheenmolecuul.
De meest gebruikte van alle typen kunststoffen zijn etheenpolymeren, PVC, PS en PE; deze
afkortingen dien je te kennen.
PVC, PS en PE worden gebruikt voor allerlei soorten consumptieartikelen; ze worden vaak
gebruikt voor recyclebare artikelen, maar ze hebben redelijke mechanische eigenschappen
en ze kunnen bij goed gebruik worden gebruikt voor constructietoepassingen
De term technische kunststof wordt gebruikt voor het beschrijven van kunststoffen die
kunnen worden gebruikt voor toepassingen die een hoge sterkte en breukweerstand
vereisen.
Er zijn nog geen strenge criteria voor technische kunstoffen, maar enkele thermoplastische
materialen die geacht worden te behoren tot de technische kunststoffen, zijn nylons,
polycarbonaten, acetalen en polyesters. Deze zijn alle in hetzelfde marktsegment actief.
De duurdere technische thermoplasten zijn materialen zoals PPS, PI, PAI en PEEk. Deze
kunststoffen hebben een ongeveer gelijke sterkte als de andere technische kunststoffen,
maar ze zijn bestand tegen hogere tempraturen. Ze hebben vaak benzeenringen in hun
chemische structuur.
De fluorkoolstoffen maken deel uit van de etheengroep, en hun weerstand tegen chemische
stoffen en hoge tempraturen zijn uniek. Ze kunnen gewoonlijk niet worden gebruikt voor
constructies, omdat ze een relatief geringe sterkte hebben (vergeleken met de technische
kunststoffen). Ze hebben gemeenschappelijk dat ze het element fluor in hun structuur
hebben.
Belangrijke transparante thermoplasten zijn PS, PC, PMMA, PSU en cellulosepolymeren. Deze
materialen hebben verschillende mechanische en chemische eigenschappen; PS is het
goedkoopst; PMMA heeft een goede stijfheid en de beste lichtdoorlaatbaarheid; PC heeft de
grootste taaiheid; PSU heeft de hoogste tempratuurweerstand.
De belangrijkste thermohardende harsen zijn de fenolharsen, de onverzadigde polyesters en
de urea’s. Deze materialen maken ongeveer 75% uit van de productie in de VS.
Fenolharsen worden algemeen gebruikt als wrijvingsmateriaal en voor printplaten. Ze
hebben een goede stijfheid en sterkte, en goede elektrische eigenschappen
Urea’s worden meestal gebruikt voor kleefstoffen en dergelijke toepassingen. Ze worden in
het algemeen niet gebruikt als vormproducten
Onverzadigde polyesters worden algemeen gebruikt als matrixmateriaal voor
glasvezelcomposieten. Ze worden gehard met behulp van een katalysator en er is daarbij
geen compressie of verhoogde tempratuur nodig.
5
Verspreiden niet toegestaan | Gedownload door Jason Mejia ([email protected])
lOMoARcPSD
Samenvatting MTT2





Bart Nieuwenhuis
De fenolharsen en de urea’s hebben ringstructuren en de macromoleculen worden gevormd
door middel van cross-links.
Een elastomeer is een kunststof die zich gedraagt als een rubber.
Een rubber is een materiaal dat bij kamertempratuur met minsters 200% kan worden
uitgerekt. Na verwijdering van de belasting neemt het snel en krachtig de oorspronkelijke
afmetingen weer aan.
Natuurrubber is waarschijnlijk de meest ‘rubberachtige’ rubber, maar het is vatbaar voor
afbraak in vele omgevingen, het is zeer kwetsbaar
Thermoplastische elastomeren kunnen gemakklijk als smelt worden verwerkt door middel
van spuitgieten, extrusie en smeltblazen. Bovendien kunnen ze opnieuw worden verwerkt of
gerecycled
6
Verspreiden niet toegestaan | Gedownload door Jason Mejia ([email protected])
lOMoARcPSD
Samenvatting MTT2
Bart Nieuwenhuis
Hoofdstuk 6 – Fabricageprocessen voor kunststoffen en polymeercomposieten
Begrijpen hoe producten worden gevormd van de drie groepen polymeren en polymeercomposieten.
Verder de keuze maken van een geschikte fabricageproces. Begrijpen hoe deze fabricageprocessen
werken. En op welke manier er gerecycled kan worden.
H6.1 – Fabricageprocessen voor thermoplastische polymeren
Spuitgieten
Het polymeer (gewoonlijk thermoplastisch) in
korrelvorm via een vultrechter in een verwarmde
cylindrische ruimte gevoerd. Deze korrels worden
in deze ruimte zodanig verwarmd dat ze smelten,
vervolgens worden ze door een schroef of plunjer
in een matrijs geperst. Het is belangrijk dat de
druk hetzelfde blijft tot het materiaal is uitgehard.
Deze techniek wordt het meest toegepast in de
massaproductie. De grootste nadelen:


Niet alle polymeren kunnen op deze wijze worden geproduceerd
De metalen matrijzen (de vorm) zijn erg prijzig
Dit bovenstaande proces wordt ook toegepast bij het zogenaamde co-spuitgieten. Er zijn in dit geval
twee extrusievaten en twee invoersystemen. Dit wordt toegepast om een product te maken wat uit
twee lagen bestaat (om bijvoorbeeld het gebruikersgemak te verbeteren). Een voorbeeld hiervan is
het handvat van een accuboormachine met een zacht rubbere stukken erop voor beter vast houd
comfort.
Als laatste variant is er nog spuitgieten in structuurschuim. In dit schuim wordt de vorm gemaakt,
daarna wordt de matrijs gedeeltelijk gevuld. Wanneer het gesmolten kunststof gaat stollen zet deze
uit en wordt de matrijs gevuld. Dit zorgt voor een lichtgewicht product.
Blazen
Bij dit proces worden holle producten gemaakt, doordat deze tegen een tweedelige matrijs worden
geblazen. Met dit proces worden ook flessen gemaakt. Het is een zeer snel proces, en alleen toe te
passen op thermoplastische polymeren.
Kalanderen
Wordt gebruikt voor het maken van een plaat of folie. Het materiaal wordt door een serie
verwarmde rollers geleid, waardoor het per rol aanzienlijk in dikte af neemt. De afstand tussen de
laatste twee rollers van dit proces bepalen de dikte van het product.
Rotatiegieten
Dit proces wordt vooral toegepast voor het maken van grote holle producten. Denk hierbij aan
brandstof- of watertanks. Het proces gaat als volgt; de hoeveelheid materiaal wordt in de matrijs (in
de vorm van korrels) geladen. De geladen matrijs wordt in een machine geplaatst, die de matrijs over
twee assen kan laten roteren. Tijdens het roteren wordt de matrijs verwarmd. Dit proces is in
vergelijking met spuitgieten zeer goedkoop. Echter is de cyclustijd zeer hoog, deze methode wordt
niet toegepast voor massaproductie (<1000 stuks)
7
Verspreiden niet toegestaan | Gedownload door Jason Mejia ([email protected])
lOMoARcPSD
Samenvatting MTT2
Bart Nieuwenhuis
Vastefasevormen
Een plaat of dergelijke oervorm wordt verwarmd tot het punt waar het materiaal zacht wordt.
Vervolgens wordt de plaat in de trekmatrijs getrokken. Het trekken wordt makkelijker gemaakt door
middel van smeermiddel. Met deze methode worden eenvoudige vormen gemaakt.
Warmvormen
Met deze methode kunnen polymeer platen of folies in een matrijs worden getrokken. De plaat
wordt aan de rand van de matrijs ingeklemd en verhit tot het materiaal zacht wordt. Vervolgens
wordt er in het matrijs een vacuüm gemaakt waardoor de plaat in het matrijs wordt getrokken. Dit
proces is ideaal voor kleinschalige productie.
Vrijvormfabricage
Dit wordt ook wel stereolithografie genoemd. Met behulp van een computergestuurde laser wordt
vloeibare hars gepolymeriseerd. De laser volgt een vorm op een bepaalde verticale hoogte. Zo wordt
er laag voor laag een driedemensionale vorm gemaakt. Dit is mogelijk door de laser op een andere
verticale hoogte te zetten.
Een variatie op dit proces is de laser samen te laten smelten met poeder. Op een plaat wordt een
dunne laag poeder aangebracht, hier wordt dan de vorm op gemaakt. Vervolgens wordt op de
onstane vorm een nieuwe laag poeder aangebracht. Dit proces herhaalt zich tot het gewenste
product is gemaakt. Het voordeel van dit proces is dat er geen dure apperatuur nodig is.
Wat ook op dit proces lijkt is 3D printen van polymeren.
Extrusie
Bij dit proces wordt een gesmolten polymeer door een matrijs heen geduwd.
Er kan op deze manier een continue eindproduct gevormd worden. Dit
proces wordt gebruikt voor het produceren van allerlei
constructieonderdelen. Denk hieribj aan goten, staven, hoekstukken.
H6.2 – Fabricageprocessen voor thermohardende polymeren
Thermohardende polymeren worden aangeleverd in de vorm van vloeibare harsen, vaste deeltjes,
poeders of kralen. Voor het maken van crosslinks of harding is het vaak nodig om twee componenten
bij elkaar te brengen. Na het toevoegen van een van de twee componenten begint het materiaal uit
te harden en loopt de viscociteit op. Het uithardingsproces kan worden vertraagd door het mengsel
te koelen.
Het maken van korrels
Voorbeeld: fenolverbindingen worden gemaakt door fenolhars, formaldehyde en een alkanine
katalysator in een vat te laten reageren op een geregelde tempratuur. De reactie gaat door tot de
viscociteit van het materiaal toeneemt. Op dat moment wordt het overtollige water (wat ontstaat
door de reactie) door middel van een vacuüm afgevoerd, zodat de viskeuze hars overblijft. Dit wordt
ook wel Stadium-A-hars genoemd. Deze hars wordt gekoeld tot er een vast materiaal ontstaat en
gepoederd. In de gepoederde toestand kunnen er additieven worden toegevoegd.
Wanneer het polymeer bijna onoplosbaar in het oplosmiddel is, maar toch door middel van warmte
en druk smelt, dan wordt de reactie gestopt. Nu is er Stadium-B-hars ontstaan. Dit wordt weer
fijngemalen tot korrels.
8
Verspreiden niet toegestaan | Gedownload door Jason Mejia ([email protected])
lOMoARcPSD
Samenvatting MTT2
Bart Nieuwenhuis
Om uit deze korrels weer een vorm te maken wordt het verwarmd en vervolgens geconsolideerd in
een matrijs door (bijvoorbeeld) spuitgieten. De viscociteit stijgt langzaam als een vloeibare hars
uithardt bij bij een geregelde tempratuur.
Wanneer thermohardende polymeren gevormd zijn kunnen ze niet meer worden gesmolten.
Hierdoor wordt het schoonmaken van de machine zeer moeilijk. Om deze reden wordt vaak simpele
apparatuur gebruikt. Het is dus heel belangrijk dat er na een spuitgiet- of extrusieproces goed wordt
schoongemaakt zodat er geen materiaal achter blijft. Onderdelen van deze machines zijn prijzig
(<€20.000).
Persen
Een afgemeten en verwarmde hoeveelheid materiaal wordt in een matrijs geplaatst. Vervolgens
wordt de matrijs gesloten en wordt er druk op de matrijs gezet, net zo lang tot de holte in de matrijs
is gevuld en uitgehard.
Spuitgieten
Principe werkt hetzelfde als bij thermoplastische materialen. Het is de bedoeling om het polymeer in
de matrijs aan te brengen wanneer de viscociteit het laagst is. Wanneer het materiaal in de matrijs is
wordt deze verwarmd tot er crosslinks ontstaan. Daarna wordt het materiaal uit de matrijs gestoten.
Het is mogelijk om gemaakte onderdelen buiten de productielijn te verwarmen in ovens, zodat deze
verder kan uitharden. Dit wordt naharden genoemd.
Schuimen
Vaak gaat het om thermohardende materialen met een harde huid met een hoge dichtheid en een
kern van hoge porositeit. Deze gas vorming ontstaat door de chemische reactie tussen bijvoorbeeld
twee harsen. Er kan ook voor worden gekozen om de machines aan te passen zodat er bij het
spuitgieten een gasvormig medium mee wordt gespoten die zorgt voor de hoge porositeit in de kern.
Reaction Injection Molding (RIM)
De reactiebestanddelen worden onder hoge druk in een mengkamer gepompt en stromen daarna
naar de matrijs bij atmosferische druk. De chemicaliën zetten uit in de matrijs, waardoor het volledig
gevuld wordt. Tijdens dit proces ontstaat vaak veel warmte, die het proces versneld.
Transferpersen
Materiaal wordt in een cilinder geplaatst, verwarmd, en in de mal gespoten. Dit gaat door middel van
grote druk. Het is een gemodificeerde variant van persen.
Sinteren
Bij deze techniek worden losse korrels of poeder samen gevoegd (samenvloeien) door middel van
druk en warmte. Een laag korrels of poeders wordt aangebracht in een matrijs, vervolgens uitgehard
door middel van een hoge druk en bepaalde tempratuur.
Vulkaniseren
Het toepassen van warmte en druk tot dat er cross-links ontstaan.
9
Verspreiden niet toegestaan | Gedownload door Jason Mejia ([email protected])
lOMoARcPSD
Samenvatting MTT2
Bart Nieuwenhuis
H6.3 – Polymeercomposieten
Een composiet is een materiaal dat is samengesteld uit twee of meer verschillende materialen en
eigenschappen heeft die beter zijn dan de eigenschappen van de samenstellende materialen
afzonderlijk. In polymeren worden versterkingen toegevoegd (glas, grafiet, aramide etc.), de
combinatie van een polymeer en een versterking maakt een composiet.
Een matrix + versterking is dus een composiet (matrix is een thermoharder of thermoplast).
Matrixmaterialen
Het materiaal dat als bindmiddel wordt gebruikt, waarin twee of meer extracomponenten worden
verwerkt.
Er zijn twee belangrijke soorten matrixmaterialen voor composieten: thermoplastisch en
thermohardend.
Bevochtigen
Een techniek die uitgevonden is om een materiaal te voorzien van een gesloten deklaag van
thermoplastisch materiaal.
Bij zeer simpele vormen kan deze thermoplastische laag worden aangebracht in de matrijs. Door
middel van warmte wordt deze deklaag goed om de vorm heen gebracht.
Bij lastigere producten wordt de vorm ondergedompeld in een ‘bad’ van gesmolten polymeer, echter
brengt dit wel wat problemen met zich mee:




Lastig om over de vorm een laag aan te brengen van gelijke dikte
Hoge tempraturen om de viscociteit van het polymeer (het dekmateriaal) op redelijk niveau
te krijgen. Sommige materialen hebben een goed niveau op tempraturen van 343o C
Deze hoge tempraturen brengen weer andere problemen met zich mee:
Oxidatie van het gesmolten polymeer
Emissie van gevaarlijke dampen
Een andere techniek voor het aanbrengen van een coating is door middel van oplosmiddelen. De
vorm wordt door een bad gehaald van een polymeer in oplosmiddel, wanneer deze droogt verdampt
het oplos middel en blijft alleen het polymeer over.
Thermohardende harsen
De matrix van thermohardende polymeren wordt meestal gemaakt uit vloeistoffen met een lage
viscociteit. In dit materiaal worden, wanneer aangebracht, door middel van energie crosslinks
gemaakt. Deze energie kan in de vorm van warmte of UV-straling. Ook is het mogelijk om gebruik te
maken van een katalysator.
Naast het versterken door middel van polymeren is het ook mogelijk om metaal aan te brengen in de
vorm. Vaak in de vorm van een honinggraadstructuur. In de vorm van draden wordt minder vaak
toegepast.
H6.4 – Fabricagetechnieken voor composieten
Contactgieten of handlamineren
Matrijs of gietvorm wordt bekleed met een laag hars. Daarna wordt een laag glasversterking
aangebracht, deze wordt weer grondig verzadigd met hars. Dit proces kan herhaald worden tot een
bepaalde dikte
10
Verspreiden niet toegestaan | Gedownload door Jason Mejia ([email protected])
lOMoARcPSD
Samenvatting MTT2
Bart Nieuwenhuis
Filamentwikkelen
Speciale machine die glasvezeldraad wikkelt rond de vorm. Er kan in het wikkelpatroon gevariërd
worden voor verschillende sterkte-eigenschappen. Wanneer het product is gewikkeld wordt het
verzadigd met een hars.
Persen
Vergelijkbaar met voorgaande beschreven processen, echter zijn er speciale technieken nodig om
glasversterking in de harsen te brengen. Er wordt gebruikt gemaakt van een katalysator, daarna heeft
het materiaal een bepaalde pot life (door gebruik van remmers kan de lengte van de pot life worden
verlengd).
Continue pultrusie
Proces voor het maken van glasversterkte producten die kunnen worden gecreëerd door met hars
geïmpregneerde glasvezels door een gietvorm te trekken. Op deze manier worden pijpen, goten en
andere vormen gemaakt.
Spuiten van afgekorte vezels
Werkt hetzelfde als handlamineren, echter is dit proces veel sneller. De twee componenten worden
gemengd en vervolgens op de vorm gespoten. Het opspuiten gaat met behulp van een pistool.
Hars-transferpersen
Een manier om sneller contact te maken en het eindproduct te verbeteren, door twee afgewerkte
oppervlakken beschikbaar te hebben in plaats van één. Vereist: nauwkeurig passende matrijs. In de
open onderste matrijs wordt een laag glasversterking aangebracht met gewenste vorm en dikte.
Daarna wordt de matrijs gesloten en vacuüm getrokken. Vervolgens wordt vanaf onderaf een
gekatalyseerde hars in de matrijs gespoten. Als matrijs vol is moet men het onderdeel laten harden.
Vacuümplaatomvormen
Wordt gebruikt om plaatvormmaterialen om te vormen tot complexe vormen. Het materiaal wordt
over een vorm heen getrokken door het trekken van vacuüm in de matrijs.
Met bijna elke techniek die wordt gebruikt voor het omvormen van thermoplasten en
thermoharders, kunnen ook composieten worden bewerkt.
H6.5 – Toepassing van polymeercomposieten
Qua composieten zijn er veel thermohardende materiaal en slechts enkele thermoplastische.
Thermohardende lamineerharsen en versterkingen zijn waarschijnlijk de belangrijkste producten in
de thermohardende categorie.
Prijzen van de basismaterialen zijn zeer laag, gewoonlijk €1/kg. Echter zijn er wel enkele
basismaterialen die zeer prijzig zijn. De toe te voegen vezels zijn vaak prijziger, dit loopt van €15/kg
op tot €300/kg.
Ongeveer 50% van alle polymeercomposieten wordt gebruikt in de bouwindustrie en
transportfactor. Andere grote afnemers zijn de zeevaart, elektronica toepassingen, millitaire
toepassingen en de recreatie sector. In deze sectoren worden steeds vaker onderdelen vervangen
door versterkte kunststoffen.
11
Verspreiden niet toegestaan | Gedownload door Jason Mejia ([email protected])
lOMoARcPSD
Samenvatting MTT2
Bart Nieuwenhuis
H6.6 – Specificeren van de verwerkingsmethoden
Het kiezen van de juist verwerkingsmethode is lastig, er zijn namelijk zeer veel mogelijkheden voor
het maken bepaalde producten. In principe komt het neer op veel ervaring.
Hieronder staan enkele overwegingen voor processelectie die gelden voor alle kunststoffen:
1. Versterkingen van afgekorte vezels en korrels verminderen de spuitgietmogelijkheden.
2. Continue versterking vereist het gebruik van processen voor thermohardende en
composietmaterialen.
3. Gevormde oppervlakken hebben andere eigenschappen dan bulkmassa’s.
4. Gevormde oppervlakken kunnen uiterlijke problemen hebben; hechtingsnaden, porositeit,
fiber bloom enzovoort).
5. Gevormde oppervlakken nemen de oppervlaktextuur van de matrijs over (inclusief defecten)
6. Het fabricageproces kan van invloed zijn op de eigenschappen. Als de eigenschappen zeer
belangrijk zijn, moet het fabricageproces grondig gespecificeerd worden.
7. Vormbare harsen vereisen voor het gebruik vaak een voorbehandeling zoals drogen. Deze
eisen verhogen de kosten en er moet rekening mee gehouden worden.
8. Gebruik voor het vormingsproces zo mogelijk altijd algemeen gebruikelijke of gepubliceerde
normen.
9. Houd rekening met de mogelijkheid tot hergebruik van het procesafval en met de eventuele
afvalverwijdering.
H6.7 – Hergebruik van kunststoffen
Een grote bron van zorg bij het gebruik van kunststoffen voor verpakkingen en wegwerpartikelen is
dat de storting van deze materialen op afvalverwijderingsplaatsen honderden jaren lang kn invloed is
op het milieu.
Er zijn twee redenen voor het tegenvallende hergebruik van kunststoffen:
1. Sommige kunststoffen zijn thermohardend en kunnen niet worden hergebruikt (ze kunnen
niet opnieuw worden gesmolten).
2. Er zijn duizenden soort thermoplastische materialen en bij het omsmelten mogen deze niet
worden vermengd.
Er zijn nog veel andere factoren die van invloed zijn op het mogelijke hergebruik.
12
Verspreiden niet toegestaan | Gedownload door Jason Mejia (jayson00[email protected])
lOMoARcPSD
Samenvatting MTT2
Bart Nieuwenhuis
Hoofdstuk 9 – Staalproducten
Staalsoorten zijn per definitie een legering van ijzer en koolstof, waarbij het gehalte aan koolstof aan
bepaalde grenzen verbonden is.
H9.1 – Bereiden ijzererts
De grondstof van staal zijn in de natuur voorkomende ijzeroxiden. Zuiver ijzer komt niet voor in de
natuur, maar in de vorm van ijzererts, de belangrijste zijn: Fe3O4 (hematiet) en Fe3O3 (magnetiet).
Het ijzererts is een ijzeroxideverbinding en kan geen metallisch ijzer vormen voordat de zuurstof is
verwijderd. Dit wordt gedaan in een hoogoven, daar vinden de volgende reacties plaats:
1.
2.
3.
4.
C (cokes) + O2 (lucht)
CO2 + C
Fe2O3 (erts) + 3 C (cokes)
Fe2O3 (erts) + 3 CO
→ CO2 (kooldioxide)
→ 2 CO (koolmonoxide)
→ 2 Fe + 3 CO2
→ 2 Fe + 3 CO2
Het metallisch ijzer wordt aan de onderkant van de oven afgetapt. De slak die zich boven in de oven
ophoopt, wordt ook afgetapt.
Bovenstaande reactie kan ook worden gedaan met behulp van ijzererst, zuurstof en koolstof. Op
deze manier wordt er staal geproduceerd.
H9.2 – Bereiden staal
Zuiver ijzer is zacht, ductiel en betrekkelijk zwak. Vanwege de lage sterkte wordt het zelden gebruikt
als technisch materiaal. De staalsoorten die commercieel van belang zijn, hebben minimaal een
koolstofgehalte van 0,06% en een maximaal koolstofgehalte van 2,0%. Wanneer er boven de 2,0%
wordt uitgegaan spreken we van gietijzer.
Ruw ijzer heeft een koolstofgehalte van 4 – 5%, de onzuiverheden moeten uit het materiaal worden
gehaald. Alle methode om deze onzuiverheden te verwijderen werken met behulp van oxidatie.
H9.3 – Raffineren staal
Staalraffinage is staalbereiding uit ruwijzer, schroot of erts.
In een staalfabriek vindt je minstens één hoogoven, een cokeinstallatie en diverse
staalraffinageprocessen (verschillende productielijnen).
Het oxystaalproces
Dit is een met hittebestendig materiaal bekleed vat dat kan kantelen om te gieten. Het vat wordt
geladen met schroot, ruwijzer-vloeimiddelen en heet metaal (of combinatie van genoemde delen).
Wanneer dit gesmolten is wordt er een zuurstoflans van boven neergelaten of van onder omhoog
gebracht, dit vermindert het gehalte koolstof, zwavel en fosfor.
Nadat het staal is gegoten wordt er in het overgebleven slak stikstof geblazen om een
hittebestendige coating van slak te maken.
Elektro-oven
In dit proces wordt de warmte geproduceerd door een elektrische boog die wordt getroken tussen
de smelt en de grafietelektroden. De oven wordt wederom geladen met schroot of massief ruwijzer,
vervolgens smelt de boog het ijzer. Dit soort ovens worden gebruikt in kleine fabrieken. Ze worden
tegenwoordig ook gebruikt voor de bereiding van legeringen en speciale staalsoorten
13
Verspreiden niet toegestaan | Gedownload door Jason Mejia ([email protected])
lOMoARcPSD
Samenvatting MTT2
Bart Nieuwenhuis
Speciale raffinageprocessen
Gelegeerd staal, roestvast staal, lagerstaal, gereedschapstaal en andere speciale staalsoorten worden
vaak onderworpen aan speciale raffinageprocessen, die bedoel zijn om de chemische samenstelling
te veranderen en/of onzuiverheden te verwijderen.
- Vacuümboogomsmelten (VAR = Vacuum Arc Remelting)
De meest gebruikte techniek. Staal uit oxystaal- of elektro-oven wordt tot cylindrische ingots
gegoten, hierop wordt een asstomp gelast, en vervolgens in een vacuüm opnieuw gesmolten.
Vervolgens wordt er een boog getrokken tussen de ingot en een watergekoelde matrijs, als het ware
wordt het een reusachtige laselektrode. Zeer effectief om insluitsels te verwijderen
- Vacuüminductriesmelten (VIM = Vacuum Induction Melting)
Nieuw proces wat wordt toegepast om massief schroot of vloeibare ladingen te smelten. Door
middel van inductiestromen met een hoge frequentie wordt het materiaal gesmolten. De gehele
smeltkroes bevindt zich in een vacuüm.
- Elektronenstraalraffinage
Gesmolten metaal wordt via een trechter (stortgoot) in een ingotmatrijs gegoten. Zowel trechter als
matrijs zijn vacuüm getrokken. Terwijl het metaal door de trechter loopt wordt het bestraalt met een
elektronenbundel, hierdoor verdampen de onzuiverheden en kunnen ze in de vorm van damp
worden verwijderd.
Gieten van ingots
Geraffineerd staal wordt met een continuegietmachine gegoten in ingotvormen. Bij het gieten moet
er rekening gehouden worden met segregatie en slinkholten. Segregatie is een variatie in de
chemische samenstelling van het materiaal. Oorzaak hiervan is dat materiaal wat zuiverder eerst
stolt. Een slinkholte is een holte in de bovenkant van het gegoten ingot die ontstaat doordat het
metaal krimpt wanneer het van vloeibare naar vaste toestand gaat.
Slinkholten kunnen worden voorkomen door een stuk van het ingot af te snijden
Segregatie kan worden beperkt door aan het staal elementen zoals aluminium en silicium toe te
voegen. Deze elementen verwijderen onopgeloste zuurstof.
Continuegieten
Staal wordt in gemolten vorm in een trechter gegoten, vervolgens stroom het in een watergekoelde
matrijs waar het lang genoeg in blijft om een massieve huid te vormen. Daarna kan het verder
worden bewerkt met behulp van verschillende rollers, om bepaalde profielen te kunnen produceren.
Het is mogelijk dat er bij het punt van verticaal naar horizontaal spanningen in het materiaal
ontstaan. Verder kunnen er problemen onstaan met insluitsels, prositeit, segregatie en korrelgrootte.
H9.4 – Omvormen staal
Staalfabrieken produceren verschillende soorten staalproducten. Ingots worden warmgewalst tot
grote vormproducten (naam afhankelijk van vorm: knuppels, bloemen of plakken). Enkele grote
smeedstukken worden vervaardigd uit ingots. De vormproducten verschillen van elkaar wat betreft
fabricagetolerantie, naamgeving, oppervlakafwerking, chemische samenstelling en hardheid
(wanneer koud walsen is toegepast)
Metaalkunde van gewalst staal
Een van de unieke eigenschappen van metalen is dat ze plastisch vervormen door het verschuiven
14
Verspreiden niet toegestaan | Gedownload door Jason Mejia ([email protected])
lOMoARcPSD
Samenvatting MTT2
Bart Nieuwenhuis
van atomen langs talrijke vlakken, wat slip genoemd wordt. Wanneer staal stolt worden er in het
driedemensionale vlak dendrieten gevormd, terwijl het materiaal nu nog deegachtig is. Wanneer de
stolling compleet is zijn de dendrieten kristallen geworden en de atomen in elk kristal hebben een
specifieke oriëntatie.
Wanneer een fabriek staal roodgloeiend wordt verhit en door een stel walsrollen of een ander
werktuig gaat, dan worden de dendritische korrels platgedrukt. Als het staal roodgloeiend is, dan
groeien de korrels na het platdrukken onmiddelijk weer aan, dit heet herkristallisatie. Wanneer het
staal koud wordt vervormd dan treedt er geen dynamische herkristallisatie op. De korrels worden
platgewalst en hoe meer dat gebeurt, hoe harder het staal wordt.
Op den duur wordt een punt bereikt waarbij het staal niet meer vervomd kan worden, wanneer dit
wel wordt geprobeerd breekt het staal.
Dit verschil is goed te zien bij warmwalsen en koudwalsen. Door middel van koudwalsen worden zeer
harde materialen gemaakt, zoals platen, buizen, kokers etcetera. Bij warmwalsen worden er grote
producten gemaakt zoals I-profielen, H-profielen etcetera.
H9.5 – Begrippen
- Koolstofstaal: Staalsoorten met koolstof als het belangrijkste hardingsmiddel. Alle andere
legeringselemeten zijn in kleine percentages aanwezig.
- Gelegeerd staal: Deze term kan verwijzen naar elke staalsoort die een aanzienlijk gehalte aan
andere elementen dan koolstof bevat, maar in het algemeen hebben gelegeerde staalsoorten een
gehalte aan toevoegingen van minder dan 5%.
- Aanduiding: Talrijke organisaties hebben een specificatiesysteem voor koolstof- en gelegeerde
staalsoorten. AISI, DIN en EN zijn hier voorbeelden van.
- Ongekalmeerd: Licht gedesoxydeerd staal dat bij het stollen een dikke buitenlaag op de ingot heeft
gekregen. Deze laag is arm aan onzuiverheden en van zeer goede kwaliteit. Doordat het opervlak zo
zuiver is kunnen deze staalsoorten zelfs na intensief bewerken een goede oppervlakteafwerking
behouden
- Gekalmeerd: Sterk gedesoxydeerd, meestal door chemische toevoegingen aan de smelt
- Gegloeid verzinkt: Verzinkt staal dat een warmtebehandeling heeft ondergaan. Het verven van
gewoon verzinkt staal levert zonder een goede voorbehandeling meestal moeilijkheden op. Een
warmtebehandeling van gegalvaniseerd staal geeft het een oxide laag waarop verf beter hecht
- Gegalvaniseerd: Staalproducten die van een zinklaag zijn voorzien. Het zink wordt aangebracht door
middel van vuurverzinken
- Dunne plaat: Gewalst staal met gewoonlijk een dikte tussen 0,25 – 6 mm en een breedte van 600
mm of meer
- Baar: Warm- of koudgewalste staven met een ronde, vierkante, hexagonale, of rechthoekige
doorsnede, en dunne vormproducten.
- Rol:Opgerold staal met een dikte van een dunne plaat of band
- Plat draad: Warm- of koudgewalst staaldraad met een rechthoekige doorsnede, vaak gemaakt door
koudwalsen van rondstaal
- Draad: Warm- of koudgetrokken opgerold rond draaad met verschillende diameters die gewoonlijk
-niet groter zijn dan 6 mm.
- Constructieprfielen:Warmgewalste I-balken, U-balken, hoekstukken, breedflensbalken en andere
constructieprofielen.
- Blik: Koudgewalst staal, gewoonlijk met een dikte van 0,1 – 0,4 mm. Het is kan vertind zijn
- Automatenstaal: Staal met voldoende hoeveelheid toevoegingen van zwavel, lood, selenium of
andere elementen zodat het gemakkelijk machinaal kan worden bewerkt dan onbehandelde soorten.
15
Verspreiden niet toegestaan | Gedownload door Jason Mejia ([email protected])
lOMoARcPSD
Samenvatting MTT2
Bart Nieuwenhuis
- Dieptrekstaal: Warm- of koudgewalst staal dat speciaal wordt geproduceerd of geselecteerd omdat
het voldoet aan de verlengingseisen voor dieptrekken
- Handelskwaliteit: Staalsoorten met het suffix M achter de aanduiding, niet bestemd voor
constructietoepassingen. Een materiaal van lage kwaliteit
- Commerciële kwaliteit: Staalsoorten die geproduceerd worden uit standaard ongekalmeerd,
gedekseld, continugegoten of halfrustig staal. Deze staalsoorten kunnen een aanzienlijke segregatie
en variatie in samenstelling hebben. De mechanische eigenschappen worden niet nauwkeurig
gegarandeerd.
- H-staal: Staalsoorten met het suffix H achter de aanduiding, gemaakt met de garantie dat het bij
een warmtebehandeling tot een bepaalde diepte kan harden.
- B-staal: Staalsoorten waaraan kleine hoeveelheden borium zijn toegevoegd om als hardingsmiddel
te dienen. Deze staalsoorten worden aangegeven met een B tussen de eerste twee en de laatste
twee cijfers van het viercijferige indentificatienummer (xx B xx).
- Beitsen: Het verwijderen van oxiden en aanslag op warmtegewalst staal met behulp van zuren.
- Hardingswalsen: Veel staalsoorten vertonen lelijke reklijnen na het trekken of omvormen.
Hardingswalsen is een eindbewerking voor gegloeid materiaal waarbij een geringe diktereductie
optreedt, maar ook de reklijnen verdwijnen. Dit proces wordt soms gebruikt om het oppervlak van
een staalproduct te verbeteren.
- Walsreductie: De diktevermindering bij het koudwalsen van dunne plaat en band
- E-staal: Staalsoorten met het voorvoegsel E op de viercijferige aanduiding worden gesmolten in een
elektro-oven.
H9.6 – Staalspecificaties
Bij het gebruik van staal in een technisch ontwerp kunnen er twee belangrijke regels worden
afgeleid, namelijk:
1. Weet welke producten verkrijgbaar zijn.
2. Specificeer de gewenste staalsoort nauwkeurig op een tekening en de aankoopspecificaties.
16
Verspreiden niet toegestaan | Gedownload door Jason Mejia ([email protected])
lOMoARcPSD
Samenvatting MTT2
Bart Nieuwenhuis
Hoofdstuk 10 – Warmtebehandeling van staal
Het is mogelijk om ijzer sterker en harder te maken door warmtebehandelingen door het te legeren
met koolstof. De mate van oplosbaarheid van koolstof in ijzer verandert met de tempratuur, van
deze eigenschap wordt gebruik gemaakt met afschrikharden.
H10.1 – Toestandsdiagrammen
Een fase is een homogene component van een metaallegering. Een fasetoestandsdiagram is een
grafiek die de toestand laat zien in een metaallegering die langzaam afkoelt uit gesmolten toestand.
Er bestaat een evenwichtstoestand wanneer er voldoende tijd is voor het optreden van alles wat wil
optreden.
Het is al bekend dat metalen kunnen worden versterkt door legeringen, die in het basismateriaal
worden gestopt. De legering kan zich oplossen in het materiaal of in vaste vorm. In vaste vorm zijn er
twee belangrijke soorten: interstitiële en substitutionele.
Wanneer een metaal geheel zuiver is, zijn er geen andere elementen aanwezig, wordt het eenfasig
genoemd. Wanneer er een legering wordt toegevoegd kan het dus interstitieël of substitutioneel in
het materiaal komen:


Interstitieël betekent dat de legering als het ware tussen de atomen gaat zitten van het
materiaal.
Substitutioneel betekent dat de legering een atoom van het materiaal geheel vervangt.
De fase overgang kan eigenlijk worden gezien als een punt waarin de verschillende onzuiverheden in
het metaal beginnen te smelten. Het metaal heeft ook niet één smeltpunt vanwege deze reden.
Echter zijn er wel materialen met één smeltpunt; die worden eutactische legeringen genoemd.
De fasediagrammen worden ingedeeld in drie verschillende soorten, namelijk:
1. Binaire legeringen; bestaat uit twee elementen
2. Ternaire legeringen; bestaat uit drie elementen
3. Quaternaire legeringen; bestaat uit vier elementen
Hoe worden fasediagrammen verkregen
Er zijn twee manieren om zulke diagrammen te maken. De eerste manier is door een materiaal van
zuiver A en bijvoorbeeld 1% B te maken. Vervolgens wordt deze langzaam afgekoeld tot bijvoorbeeld
100o C onder de smelttempratuur en daarna af te schrikken om de structuur die bij deze tempratuur
ontstaat, te handhaven. De structuur van het op dat moment gevormde vaste stof wordt
metallografisch en kristallografisch geanalyseerd, waarna de verkregen gegevens in een grafiek
worden gezet.
De twee manier gaat door middel van het berekenen uit thermodynamische relaties die bekend zijn
voor de inwendige vrije energie. Door voor verschillende mogelijke toestanden (vast, vloeibaar,
gemengd, ongemend, kristallijn, amorf...) de vrije energie te berekenen als functie van tempratuur
en samenstelling, kan de toestand worden vervonden met de laagste energie-inhoud.
De faserelatieberekeningen worden hefboomregelberekeningen gneomd, omdat ze identiek zijn aan
krachtenberekeningen aan de hand van een hefboom. Ze kunnen worden gebruikt voor alle
metaalsystemen en legeringen met verschillende aanwezige fasen.
Deze diagrammen worden gebruikt voor het voorspellen van de microstructuren die aanwezig zijn
door een gegeven legering onder evenwichtsomstandigheden. Ten slotten kunnen ze nog helpen met
het voorspellen van de stabiliteit op lange termijn.
17
Verspreiden niet toegestaan | Gedownload door Jason Mejia ([email protected])
lOMoARcPSD
Samenvatting MTT2
Bart Nieuwenhuis
H10.2 – De morfologische bouw van staal
Staal is gedefineerd als een legering van ijzer met koolstof (tussen de 0,06% en 2,00%). De koolstof
kan, wanneer in vaste oplossing, verkeren in de volgende stabiele fasen:



een kubisch ruimtelijk gecentreerde kristalstructuur (α-ferriet of δ-ferriet)
een kubisch gecentreerd vlak (γ-austeniet)
een in het ijzer aanwezige verbindingen in stoichiometrische vorm (cementiet)
De verhoudingen van bovenstaande structuren hebben invloed op de eigenschappen van de
staallegering. De microstructuur van koolstofstaalsoorten (bij kamertempratuur) bestaat gewoonlijk
uit een combinatie van deze fasen.
Staalsoorten met meer dan 0,77% koolstof worden ook wel bovenperlitisch genoemd, staalsoorten
met minder dan 0,77% koolstof worden onderperlitisch genoemd.
Wanneer een stuk materiaal wordt nagegloeid kan het worden gezien als een evenwichtsstructuur.
Wanneer staal wordt afgekoeld (met bijvoorbeeld 100o C per minuut) wil de matrixstructuur
terugkeren naar zijn evenwichtsstructuur. Echter is dat niet mogelijk door de ingevangen
koolstofatomen. Het uiteindelijke resultaat hiervan is een vervormde austeniet structuur; een
tetragonaal ruimtelijk gecentreerd rooster.
Fase
Ferriet
Austeniet
Cementiet
Kristalstructuur
KRG-ijzer met koolstof in vaste oplossing
KVG-ijzer met koolstof in vaste oplossing
Verbinding van ijzer en koolstof, Fe3C
Eigenschappen
Zacht, ductiel, magnetisch
Zacht, matig sterk, niet-magnetisch
Hard, bros
Staal is zo een bruikbaar metaal omdat het het vermogen heeft om zijn kristalstructuur te
veranderen van een zachte en machinaal bewerkbare toestand naar een zeer harde en sterke
toestand. De fasetoestandsdiagrammen worden gebruikt voor het vaststellen van de
hardingstempratuur en gegloeide microstructuren.
De meeste staal- en ijzersoorten kunnen worden gehard als hun koolstofgehalte voldoende is en als
ze worden onderworpen aan de juiste tempratuurcycli.
Staalsoorten die verschillende warmtebehandelingen hebben ondergaan, hebben verschillende
microstructuren en verschillende eigenschappen.
Staalsoorten met heel weinig legeringselementen kunnen alleen gehard worden door koud
omvormen of door te rekristalliseren naar kleinere kristallen (dit proces heeft normaliseren). Kan ook
worden gedaan door middel van poedermetallurgie.
H10.3 – Redenen voor warmtebehandeling
Het harden van staal kunnen worden ingedeeld in drie categoriën. Deze categoriën vormen de
basisredenen voor warmtebehandelingen van staal.
Harden
Staalsoorten met voldoende koolstof- en legeringsgehalte kunnen direct worden gehard. Ze worden
verwarmd tot de austenitiseertempratuur en relatief snel afgekoeld om hard martensiet te vormen.
Staal wordt gehard voor de meeste toepassingen waarbij het staal gebruikt moet worden als een
hulpmiddel om andere materialen te bewerken (boor, vormingswerktuig, zaagblad etc.). Het kan ook
worden toegepast wanneer er hoge sterktes vereist zijn (veren van een auto).
Ontharden
Staalproducten die worden gemaakt door middel van koudwalsen of koudtrekken, worden door
18
Verspreiden niet toegestaan | Gedownload door Jason Mejia ([email protected])
lOMoARcPSD
Samenvatting MTT2
Bart Nieuwenhuis
vervorming hard en bros (werkversteviging). Wanneer er in een fabriek een plak staal van 10mm
naar 1mm moeten worden gewalst kan het zijn dat het materiaal al bij 5mm te hard wordt. Om het
materiaal te ontharden (zachter te maken) wordt het gegloeid.
Dit gloeien is een proces waarbij de tempratuur van het staal langzaam wordt verhoogd tot net
onder het punt waarbij het verandert in austeniet. Het staal wordt enige tijd op deze tempratuur
gehouden om een evenwicht te garanderen, daarna wordt het weer langzaam afgekoeld.
Conditioneren
Geen standaardterm voor warmtebehandelingen, maar wordt in deze bespreking gebruikt om
warmtebehandelingen onder één noemer te brengen waarvan het doel zeer verschillend kan zijn,
maar die gemeenschappelijk hebben dat er tempratuurcycli worden gebruikt om de eigenschappen
van een staalsoort te veranderen. Enkele minder gebruikelijke processen:
- Verenstaalverouderen
Na loop van tijd raken veren afgewonden. Deze tijdafhankelijke beweging is een gevolg van
inelastisch gedrag, herstelbare rek. Als de hoek aan het eind van een gewonden veer verandert, kan
de veer onbruikbaar worden. Een eenvoudige conditioneringsbehandeling van 2 uur bij 315-370o C
verwijdert het inelastische gedrag.
- Normaliseren
Bij dit proces wordt het staal verwarmd tot het volledig austenitische structuur heeft, korte tijd op
deze tempratuur gehandhaaf en afgekoeld in lucht tot kamertempratuur. Wordt gewoonlijk
toegepast op gewalsde vormen.
- Stoombehandeling
Staal kan een diepzwart uiterlijk krijgen door het staal te ontlaten in stoom bij een tempratuurbereik
van 340 tot 650o C. De exacte tempratuur hangt af van de legering en het gewenste uiterlijk. De
zwarte kleur is het gevolg van gecontroleerde oxidatie van het staaloppervlak.
- Spanningsarmgloeien
Wordt niet verwarmd tot de kritische transformatietempratuur, zoals wel vereist is bij grofkorrelig
gloeien en normaliseren. Tempraturen liggen gewoonlijk tussen de 40 en 100o C onder de
transformatietempratuur. Dit proces verplaatst dislocaties en defecten onder invloed van waarmte
om inwendige spanningen weg te werken.
- Cryogene behandeling
Diepkoelen wordt soms toegepast om te garanderen dat er geen austeniet is overgebleven.
Diepkoelen na afschrikken in olie of lucht wordt soms toegepast om te garanderen dat de structuur
100% martensiet is.
19
Verspreiden niet toegestaan | Gedownload door Jason Mejia ([email protected])
lOMoARcPSD
Samenvatting MTT2
Bart Nieuwenhuis
De belangrijkste punten uit het boek zijn verder (samenvatting van boek zelf):










Elke hardbare staalsoort heeft afschrikeisen waaraan moet worden voldaan. IT-diagrammen
worden gebruikt voor het voorspellen van afschrikeisen.
Vlam- en inductieharden zijn alleen geschikt voor hardbare staalsoorten
Diffusieprocessen worden gewoonlijk alleen toegepast op staalsoorten met een
koolstofgehalte dat te laag is voor doorharden.
Sommige metallische coatings zoals gegalvaniseerd koper vormen een versperring voor de
diffusie van koolstof en stikstof. Ze worden gebruikt voor het afschrermen van gebieden die
zacht moet blijven. Er bestaan ook speciale verfsoorten die dezelfde functie vervullen.
Carboneren maakt staal niet hard. Na carboneren is afschrikken nodig om het staal te
harden.
Nitreren is het diffusiehardingsproces met de laagste temperatuur en afschrikken is niet
nodig.
In alle metalen treedt bij hoge temperaturen diffusie op als er een concentratiegradiënt
bestaat in het metaal of in de het metaal omringende atmosfeer.
Inductieharden is gewoonlijk het meest efficiënt bij kleine onderdelen.
Diffusiebehandelingen en selectief harden worden in he t meest gebruikt wanneer
doorharden het onderdeel te bros zou maken voor de beoogde toepassing.
Als oppervlak of afmetingen van een onderdeel van belang zijn, moeten alle
warmtebehandelingen boven 550o C in een beschermende atmosfeer worden uitgevoerd om
oxidatie te vermijden.
Essentiële begrippen:




Bij afschrikharden van staal vinden er wisselwerkingen tussen de atomen plaats –
verplaatsing van opgeloste atomen en veranderingen in de kristalstructuur.
Het ijzer-koolstofdiagram is de bron van de tempratuurinformatie die nodig is voor de
warmtebehandeling van koolstofstaalsoorten.
Sommige staalsoorten kunnen direct worden gehard. Andere vereisen diffusieprocessen
om het oppervlak te harden (laag koolstofgehalte, <0,3%).
Het koolstofgehalte is de belangrijkste factor om te bepalen of het staal door afschrikken
kan worden gehard.
20
Verspreiden niet toegestaan | Gedownload door Jason Mejia ([email protected])
lOMoARcPSD
Samenvatting MTT2
Bart Nieuwenhuis
H10.5 – Diffusiebehandelingen
21
Verspreiden niet toegestaan | Gedownload door Jason Mejia ([email protected])
lOMoARcPSD
Samenvatting MTT2
Bart Nieuwenhuis
Hoofdstuk 19 – Oppervlaktebehandelingen
Per materiaal zijn er verschillende soorten oppervlakte behandelingen mogelijk.
Metalen:
- Diffusiebehandelingen
- Oplassen
- Conversecoatings
- Selectief harden
- Metaalspuiten
- Laserbehandeling
- Dunne films
- Organische coatings
Kunststoffen: - Plateren
- Laminaten
- Verven
- Droogsmeermiddelen
Keramiek:
- Slijtcoatings
- Hoogenergetisch behandelen
- Ionenimplantatie
- Verven
- Droogsmeermiddelen
- Plateren
Oppervlaktebewerkingen
Processen voor het verbeteren van een oppervlak zonder dat er een coating wordt aangebracht. Dit
wordt dus gedaan door materiaal van een oppervlak te verwijderen.
Reiningen
- Oplossen
- Afschuren
- Afbranden
- Afdampen
Vuil oplossen in organisch, waterig of een gas omgezet in een vloeistof
Zandstralen
Zelfreinigende ovens
Vormt damp, condenseert op oppervlak, neemt vuil terug mee in tank
Mechanische afwerking
Het opzettelijk wijzigen van de oppervlaktestructuur of de eigenschappen van een oppervlak door
middel van de mechanische werking van een of meerdere met het oppervlak in contact komende
stoffen. Er zijn meerdere methoden mogelijk:
- Deeltjes inslag
Processen die een oppervlak wijzigen door de mechanische werking van deeltjes die met kracht op
een oppervlak inslaan, nadat ze door de werking van een fluïdum naar het oppervlak zijn gestuurd
- Textureren met vastgelegde abrasieve deeltjes
Het oppervlak wordt gewijzigd door het in contact staan (krassen) van deeltjes
- Drielichamenabrasie
Processen die een oppervlak wijzigen door de werking van harde deeltjes die over een oppervlak
rollen en schuiven. De deeltjes die het oppervlak vervormen, worden op het te behandelen
oppervlak gebracht door een ander lichaam, meegevend of hard.
- Tuimelen
Gebruikelijke techniek voor productafwerking. Men plaatst de onderdelen in een roterende
trommen en laat deze met elkaar botsen, dit verwijdert bramen en rondt de randen af. Dit proces
kan nat of droog worden uitgevoerd.
Organische coatings
Verf en aanverwante organische stoffen die worden gebruikt om oppervlakken te beschermen. Er
zijn ook kleefstoffen die kunnen worden aangebracht als harde oplassingen; epoxysoort met een
vulling van harde deeltjes.
- Poedercoatings van thermoplastische materialen
- Droogsmeermiddelen
22
Verspreiden niet toegestaan | Gedownload door Jason Mejia ([email protected])
lOMoARcPSD
Samenvatting MTT2
Bart Nieuwenhuis
Galvaniseren
Een ion is een atoom dat niet langer elektronisch neutraal is.
Deze is niet zichtbaar, echter maakt deze wel deel uit van de
oplossing. Als metaal ionen met chemische of elektrochemische
methoden gereduceerd worden, keren ze terig in metallische
vorm
-> Bij galvaniseren, autokalytisch plateren en stroomloos
plateren worden opgeloste metaal-ionen omgezet die op het te
behandelen oppervlak neerslaan. Er vormt dus een laagje van
het materiaal op het te behandelen materiaal.
Twee elektroden die in een elektrolyt zijn ondergedompeld en zijn aangesloten op een
spanningsbron (gelijkspanning). Door potentiaalverschil tussen de elektroden, die in stand gehouden
wordt door de spanningsbron, gaan de elektroden die worden gevormd bij A naar B. Het materiaal
van A bekleed de kathode van B, hierdoor onstaat er dus een laag op kathode B, dit is de galvanische
laag (oranje in plaatje).
Een goede elektrolyt voldoet aan de volgende eisen
- Het te bekleden metaal moet oplossen in het elektrolyt
- De elektrolyt moet elektriciteit goed kunnen geleiden
- De elektrolyt mag geen verontreinigingen hebben (deze kan bij de afzetting terecht komen)
Er zijn slechts 30 metalen (van de in totaal 80 metalen) die galvanisch kunnen worden afgezet, echter
worden er maar 10 in totaal gebruikt: koper, chroom, goud, ijzer, zilver, tin, zink , nikkel, cadnium en
platina. Er zijn ook enkele legeringen die met deze methode kunnen worden afgezet.
Bij galvaniseren treedt er hoekaangroei op, dit is over het algemeen twee keer zo dik als elders op
het gegalvaniseerde voorwerp.
23
Verspreiden niet toegestaan | Gedownload door Jason Mejia ([email protected])
Download
Random flashcards
mij droom land

4 Cards Lisandro Kurasaki DLuffy

Rekenen

3 Cards Patricia van Oirschot

Test

2 Cards oauth2_google_0682e24b-4e3a-44be-9bca-59ad7a2e66a4

Create flashcards