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 ([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])
