Materialenleer: Ferro en Non-ferrometalen

Industriële Wetenschappen
2de graad
Technische Systemen
Materialenleer: Ferro en Non-ferrometalen
Naam:
Klas:
Schooljaar:
Leerkracht: Bram Vervoort
Technische Systemen
[Materialenleer: Ferro en Non-ferrometalen ]
Inhoud
1
2
Werkstofnummer (ISO - EN 10027 deel 2) .................................................................... 4
1.1.1
Voor ferromaterialen:........................................................................................ 4
1.1.2
Voor non-ferromaterialen:................................................................................. 4
Ferro metalen ................................................................................................................. 5
2.1
Staal 1.xxxx.xx ........................................................................................................ 5
2.2
Mechanische aanduiding (ISO - EN 10027 deel 1) ................................................. 6
2.3
Chemische aanduiding (ISO - EN 10027 deel 1) .................................................... 7
2.3.1
Laaggelegeerd staal. ........................................................................................ 7
2.3.2
Hooggelegeerd staal. ....................................................................................... 8
2.4
Staalsoorten ............................................................................................................ 9
2.4.1
Constructiestaal: O - 0,3% C ............................................................................ 9
2.4.2
Machinestaal: 0,3 - 0,6% C .............................................................................. 9
2.4.3
Gereedschapsstaal: 0,6 - 1,5 %C ....................................................................10
2.5
Gietstaal .................................................................................................................11
2.5.1
Ongelegeerd gietstaal .....................................................................................11
2.5.2
Gelegeerd gietstaal .........................................................................................11
2.6
Gietijzer 0.xxxx.xx ..................................................................................................13
2.6.1
2.7
3
Gietmethoden.........................................................................................................14
2.7.1
Coquillegieten .................................................................................................14
2.7.2
Centrifugaal gieten ..........................................................................................14
2.7.3
Spuitgieten ......................................................................................................14
2.7.4
Precisiegieten..................................................................................................14
Non-ferrometalen ..........................................................................................................15
3.1
Soorten ..................................................................................................................15
3.2
Aanduiding (DIN 1700) ...........................................................................................15
3.3
Koper 2.0000.xx - 2.1999.xx ..................................................................................16
3.3.1
Messing...........................................................................................................17
3.3.2
Brons ..............................................................................................................18
3.4
Zink 2.2000.xx - 2.2999.xx ....................................................................................20
3.5
Lood 2.3000.xx - 2.3499.xx ....................................................................................21
3.5.1
Lood-tinlegeringen (Sn-Pb) .............................................................................21
3.5.2
Witmetaal (Sn-Pb) ...........................................................................................21
3.6
Tin 2.3500.xx - 2.3999.xx .......................................................................................22
3.6.1
3.7
2
Gietijzersoorten ...............................................................................................13
Lood-tinlegeringen (Pb + Sn) ..........................................................................23
Aluminium 3.0000.xx - 3.4999.xx............................................................................24
3.7.1
Silumin (G Al-Si 12) .........................................................................................25
3.7.2
Duraluminium (K Al-Cu 4,5 Mg 2,5) .................................................................25
Bram Vervoort
[Materialenleer: Ferro en Non-ferrometalen ]
3.8
4
Technische Systemen
Verklaring eigenschappen ......................................................................................27
3.8.1
Fysische eigenschappen .................................................................................27
3.8.2
Chemische eigenschappen .............................................................................28
3.8.3
Mechanische eigenschappen ..........................................................................28
Vragen ..........................................................................................................................30
Bram Vervoort
3
Technische Systemen
[Materialenleer: Ferro en Non-ferrometalen ]
1 Werkstofnummer
(ISO - EN 10027 deel 2)
Voor een eenduidigheid van benaming en samenstelling van materialen zijn er
werkstofnummers in het leven geroepen. De nummering van de materialen is vast gelegd in
in de ISO – EN 10027 (deel 2) norm.
De aanduiding is als volgt: X.XXXX.XX
Het eerste cijfer slaat op het grondstof hoofdgroepnummer.
0
1
2
3
4-8
49
ijzer, gietijzer en ferrolegeringen
Staal
Zware non-ferrometalen
Lichte non-ferrometalen
Niet-metalen
Vrij voor intern gebruik
De 2de tot de 5de positie geeft meer informatie over de soortnummers, subgroepen en/of
chemische samenstelling.
Het 6de cijfer (1ste aanvullende cijfer) is een cijfer dat het productieprocédé beschrijft,
(opgelet, deze cijfers en behandelingen zijn verschillend t.o.v. staal. )
het 7de cijfer (2de aanvullende cijfer) handelt over aanvullende behandelingen.
1.1.1
Voor ferromaterialen:
1.1.2
Voor non-ferromaterialen:
4
Bram Vervoort
[Materialenleer: Ferro en Non-ferrometalen ]
Technische Systemen
2 Ferro metalen
2.1 Staal
1.xxxx.xx
Naast de werkstofnr, worden metalen ook aangeduid door hun mechanische of chemische
eigenschappen volgens ISO en EN 10027 deel1.
Voor ongelegeerde staalsoorten zal men eerder opteren voor de mechanische en
fysische aanduiding.
Voor gelegeerde staalsoorten is de aanduiding gebaseerd op de chemische
samenstelling
Een staalsoort behoort tot de ongelegeerde wanneer bepaalde grenswaarden van
mogelijke legeringselementen niet overschreden worden.
Zuiver ijzer komt in de techniek als
constructiemateriaal niet voor. IJzer is
namelijk erg zacht, niet sterk en het roest
zeer snel. Staal is over het algemeen hard,
ijzersterk en - afhankelijk van de legering roestbestendiger.
Wanneer van de groep (1) of (2) tegelijkertijd 2,
3 of 4 elementen voorkomen dan moet voor de
grenswaarde 70% voor deze elementen
genomen worden.
Bram Vervoort
Grenswaarden voor de indeling bij
ongelegeerde of gelegeerde staalsoorten
Grensw.
Chemische elementen
Al
Aluminium
0.10
B
Borium
0.0008
Bi
Bismuth
0.10
Co Kobalt
0.10
Cr
Chroom (1)
0.30
Cu Koper (1)
0.40
La
Lanthaniden (afz.bep.)
0.05
Mn Mangaan
1.65
Mo Molybdeen (1)
0.08
Nb Niobium (2)
0.06
Ni
Nikkel (1)
0.30
Pb Lood
0.40
Se
Selenium
0.10
Si
Silicium
0.50
Te
Tellurium
0.10
Ti
Titanium (2)
0.05
V
Vanadium (2)
0.10
W
Wolfram
0.10
Ze
Zyrconium (2)
0.05
Overige (met uitz. C, F, S, N). 0.05
5
[Materialenleer: Ferro en Non-ferrometalen ]
Technische Systemen
2.4 Staalsoorten
De indeling van staalsoorten naar gebruiksdoel kunnen we geen normalisatie noemen. Wel
kunnen we de genormaliseerde staalsoorten in deze indeling een plaats geven. De indeling
naar gebruiksdoel is een oppervlakkige, algemeen gebruikte groepsindeling waarbij in de
naamgeving het gebruiksdoel centraal staat. Zo zijn in de praktijk benamingen ontstaan als:
constructiestaal, gereedschapsstaal, automatenstaal, enz.
Voor ongelegeerd staal betekent dit dat de indeling voornamelijk geschiedt op grond van het
enige belangrijke legeringselement dat ongelegeerd staal heeft: het koolstofgehalte. De
eigenschappen sterkte, hardheid en rek zijn afhankelijk van dit koolstofgehalte. Op grond
hiervan komen we in de praktijk vaak tot de volgende indeling:
- constructiestaal: 0 - 0,3% C;
- machinestaal: 0,3 -O,6% C;
- gereedschapsstaal: 0,6 - 1,5% C.
2.4.1 Constructiestaal: O - 0,3% C
Van constructiestaal zien we toepassingen in de vorm van hekken, bruggen, bureaus,
dakspanten, kranen, enz.
Kenmerkend is het lage koolstofgehalte. Daardoor is het staal zacht, goed (koud en warm)
vervormbaar, goed lasbaar (het wordt niet hard en bros door het snelle afkoelen na het
lassen) en het heeft een grote rek. Het is niet zo goed bewerkbaar met snijdend
gereedschap omdat het erg taai is, waardoor de krul niet mooi gevormd wordt en er een ruw
oppervlak ontstaat. Men zegt dan: 'Het materiaal stroopt'.
Tot deze categorie behoren dus bij uitstek de constructiestaalsoorten Fe 310 tot en met Fe
510. De getallen geven de minimaal gegarandeerde treksterkte aan.
Voor hoogwaardige constructies kan gekozen worden voor staal van hogere kwaliteit of staal
met grotere ongevoeligheid voor brosse breuk b.v.: Fe 430 D of Fe 490 2.
2.4.2 Machinestaal: 0,3 - 0,6% C
Dit is staal waaruit de meeste machineonderdelen gemaakt zijn (assen, tandwielen, spieën,
koppelingen, enzovoorts).
Deze soorten zijn op grond van het hogere koolstofgehalte sterker en harder dan
constructiestaal en goed bewerkbaar met snijdend gereedschap (mooi opperv\ak).Ze zijn
minder vervormbaar, hebben dus een lagere rek en zijn niet goed lasbaar (bij de las treden
hardingsverschijnselen op). Meestal is machinestaal zwak gelegeerd.
Machinestaal kan gehard en veredeld worden.
Enkele soorten die tot deze groep behoren, zijn Fe 490, Fe 590 en Fe 690 en C 35, C 45 en
C 60, alsook 42 CrMo 4 en 34 CrNiMo 6. De genoemde soorten hebben we nu ook al
aangeduid volgens de Euronorm.
De getallen 490, 590 en 690 geven ook hier de minimale treksterkte aan.
C 35, C 45 en C 60 zijn soorten die geleverd worden op basis van hun
samenstelling te weten een koolstofgehalte van respectievelijk 0,35, 0,45 en
0,60 %.
42 CrMo 4 en 34 CrNiMo 6 zijn zwak gelegeerde soorten die ook geleverd
worden op basis van hun samenstelling.
Bram Vervoort
9
[Materialenleer: Ferro en Non-ferrometalen ]
Technische Systemen
3 Non-ferrometalen
3.1 Soorten
we kunnen de non-ferrometalen indelen in drie groepen
de zware non-ferrometalen: dichtheid > 5 kg/dm³
⇒ lood, koper, nikkel, tin, zink
de lichte non-ferrometalen: dichtheid > 5 kg/dm³
⇒ titaan, aluminium, magnesium
(werkstofnr begint met 3)
(werkstofnr begint met 2)
de edelmetalen: Een edelmetaal is een metaal dat niet of weinig kan worden aangetast
door oxidatie.
⇒ goud, zilver, platina
3.2 Aanduiding
(DIN 1700)
Voor alle non-ferrometalen, verloopt de aanduiding als volgt:
1) Letters vertellen iets over de toepassing waarvoor het materiaal kan gebruikt worden.
2) Na een streepje volgt de samenstelling van het materiaal. Elk element van het
materiaal wordt hier benoemd, gevolgd door een getal dat in procenten de
hoeveelheid weergeeft.
3) Het derde deel geeft meer informatie over de behandeling, trekspanning en
oppervlaktetoestand.
Enkele voorbeelden van notatie:
Bram Vervoort
15
Technische Systemen
3.3 Koper
[Materialenleer: Ferro en Non-ferrometalen ]
2.0000.xx - 2.1999.xx
Koper komt voor in zuivere (gedegen) toestand en in
kopererts.
Vindplaatsen zijn Canada, Chili, USA en Afrika.
Fysische eigenschappen
dichtheid
ρ = 8920kg/m³
smeltpunt
Ts = 1083 °C
-8
Elektrische soortelijke weerstand
ρ = 1,6.10 Ωm
warmtegeleidingscoëfficiënt
λ = 401 W/mK
Mechanische eigenschappen
Treksterkte
Rm = 200 tot 300 N/mm²
Koper en zijn legeringsvormen zijn de oudst bekende
constructiematerialen. Ook nu nog vinden zij vele
toepassingen dankzij een aantal zeer bijzondere
eigenschappen
Raffinage van Koper
16
Bram Vervoort
[Materialenleer: Ferro en Non-ferrometalen ]
Technische Systemen
EIGENSCHAPPEN
Zeer goed elektrisch geleidingsvermogen
Zeer goed warmtegeleidingsvermogen
Zeer goede corrosievastheid
Door legeren goede gietbaarheid:
Koper vaak gelegeerd met tin, zink, nikkel,
aluminium
Vochtige lucht geeft aanleiding tot vorming van
koperoxyde (kopergroen). Dit is giftig.
TOEPASSING
stroomgeleiders voor elektrische apparatuur,
bovenleidingen van tram- en treinbanen en
bliksemafleiders
buizen voor gas- en verwarmingsinstallaties en
voor koelsystemen bij koel- en vrieskasten;
warmtegeleiders bij soldeerbouten en strijkijzers;
als deklaag op andere metalen; bijvoorbeeld
lasdraad, staal met een deklaag van koper;
kannen, borden, vazen en andere
siervoorwerpen.
De belangrijkste koperlegeringen zijn:
3.3.1 Messing
Messing is een legering van koper met zink . Messing heeft echter heel andere
eigenschappen dan de elementen (Cu en Zn). De bijnaam van messing is geelkoper.
Bij een toenemend percentage zink
Vergroot de treksterkte
Vergroot de hardheid
Verbeterd de gietbaarheid
Vermindert warmte- en elektrisch
geleidingsvermogen
Er bestaan verschillende soorten messing
3.3.1.1 Automatenmessing (K Cu-Zn 40 Pb 2)
Zeer geschikt voor verspanende bewerkingen op draai- en freesautomaten. Het
toevoegen van lood als legeringselement veroorzaakt het afbreken van de krulspaan,
waardoor bij automatenmessing hoge snijsnelheden mogelijk zijn.
Toepassingen: bouten, moeren, tandwielen, wormwielen.
Bram Vervoort
17
Technische Systemen
[Materialenleer: Ferro en Non-ferrometalen ]
3.3.1.2 Tombak en halftombak (CuZn 15, CuZn 13)
Deze messingsoorten zijn rekbaar en daarom bijzonder geschikt voor koude
vervormingen. Het komt voor als draad-, staaf-, plaat-, profiel- en buismateriaal.
Het vindt zijn toepassing door middel van buigen, trekken, drukken en forceren, zoals
voor muziekinstrumenten en metaalwaren.
3.3.2 Brons
Koper-tinlegeringen met minstens 4% tin worden aangeduid als brons. Bij toenemend
tingehalte wordt de treksterkte en hardheid groter, de gietbaarheid wordt beter, maar de
taaiheid neemt af
Er bestaan verschillende soorten brons:
3.3.2.1 Machinebrons (G Cu-Sn 10)
Goed bestand tegen stotende belasting.
Toepassingen: pompwaaiers, machine-onderdelen.
3.3.2.2 Zinkloodbrons (G Cu-Sn 5 Zn 5 Pb 5)
Een zeer sterk, te verspanen materiaal.
Toepassingen: algemene machinebouw, fittingen van olieen, benzineleidingen,
brandblusapparaten, kleine tandwielen en kleine pompen.
3.3.2.3 Loodbrons (G Cu-Sn 10 Pb 20)
Door de toevoeging van lood is het zeer geschikt als lagermateriaal.
Toepassingen: in glijlagers, als draagmetaal bij hoge vlaktedruk en bij vrij hoge
snelheid.
3.3.2.4 Kneedbrons (K Cu-Sn 6)
Toepassingen: veren en koppelingsplaten.
18
Bram Vervoort