Opgeloste Examenvragen 2009-

Grotere Vragen
Bespreek het basisprincipe van elektrochemische corrosie. Hoe kan je de corrosiesnelheid
meten?
Bij elektrochemische corrosie zijn er 2 soorten elementen: aan de anode wordt een element
geoxideerd terwijl aan de kathode het andere element gereduceerd wordt. Het geheel vormt een
redoxreactie. De tendens wordt het best herkend in de standaard potentialen (Nernst), dit is het
potentiaal gemeten t.o.v. een waterstofelektrode bij 25°C en een H+ concentratie van 1 mol/liter
(pH=0) waarbij een platinum elektrode in de oplossing is gedompeld. Sommige metalen geven liever
elektronen af dan H2 (neg pot) en andere nemen er sneller op (pos pot, reductors). Echter is het
metaal niet zuiver genoeg in het milieu en heeft men daarom praktijkreeksen opgesteld die iets
zeggen over contact tussen metalen.
Corrosie wordt sterk beïnvloed door de materiaaleigenschappen (chemische samenstelling,
korrelgrenzen, inwendige spanningen, …), de redoxpotenialen en de omgeving (zuur of basische,
temperatuur, druk, …)
Om deze corrosie tegen te gaan doen we aan anodische bescherming, bekleden van het metaal,
bijlegeren en conditionering van de omgeving.
De corrosiesnelheid wordt weergegeven door de stroomdichtheid te bekijken als gevolg van het
potentiaal. Vermits tussen de elektroden een potentiaal ontstaat wegens de aanwezigheid van de
ionen en de elektronen waardoor ladingtransport plaatsvindt. Er zal een “uitwisselingsstroom”
ontstaan.
Bespreek 3 methoden om de vloeigrens van metaallegeringen te verhogen.
De vloeigrens ofwel rekgrens geeft aan tot hoever een metaal kan uitgerokken worden vooraleer het
plastisch gaat ververvormen. Metaallegeringen die bros zijn hebben bijgevolg ook een lage vloeigrens
in tegenstaande tot de hoge vloeigrens van de ductiele materialen.
Het verhogen van de vloeigrens is in feite het ductieler maken van het materiaal.
Een eerste methode is het toevoegen van Nikkel, dat de taaiheid (vervormbaarheid) verhoogd.
Een tweede is het ontlaten of temperen van het metaal, dit is het metaal een lange tijd op een
bepaalde temperatuur houden.
Een laatste is het uitgloeien van metaal, hierdoor worden inwendige spanning opgeheven
(spanningsarmgloeien), verfijnt de korrelgroote (normaalgloeien) of kan het metaal zachter worden
(zachtgloeien).
Bespreek de structuur en de eigenschappen van glas.
Glas is een veelzijdig product. Het is een amorfe, niet-kristallijne stof (gesmolten materiaal dat vast
geworden is) dat boven de Tg (glastransitie temperatuur) een onderkoelde vloeistof is met
beweeglijke wanorde. Onder deze temperatuur is glas een vaste stof met vast wanorde.
De meeste glazen bestaan voornamelijk uit SiO2 maar er zijn ook andere verbindingen die
glasvorming kennen (zelfs metallische glazen). Het SiO2 zit in glas als een willekeurige stapeling van
(Si04)4- tetraëders, in een open structuur verbonden met Si-O-Si bruggen. Indien men andere
(metaal-)oxiden toevoegt kan men het smeltpunt van glas verlagen. De vreemde kationen zullen een
plaats tussen de tetraëders opzoeken.
De belangrijkste eigenschappen van glas zijn:
- Bros en hard, lage treksterkte.
- Drukspanningen in de buitenlaag door snel afkoelen. Als men dit tempert leidt dit tot
voorgespannen glas, dat sterk is maar als het breekt in vele stukjes uit elkaar valt.
- Corrosievastheid is zeer goed, doch kan er aantasting zijn door aanwezigheid van sterke
zuren of basen.
- Lage warmtegeleiding in vergelijking met metalen.
- Goede elektrische isolator.
Geef de verschillende RVS naar kristalstructuur met belangrijkste eigenschappen.
Men spreekt van roestvrij staal vanaf een gewichtspercentage van 10% chroom. Er zijn 5 soorten
RVS:
- Ferrietisch RVS heeft een zeer laag %C om de vorming van carbiden te voorkomen. Het is
bros, slecht lasbaar en kerfgevoelig. Daarentegen is het zeer goed tegen spanningscorrosie
en is het magnetisch. Men mag het wel niet gebruiken boven de 340°C.
- Martensietisch RVS heeft tot 1,2%C. Het is zeer goed hardbaar waardoor het heel sterk kan
gemaakt worden, eventueel na ontlaten. In Cl-omgeving is het zeer corrosiebestendig.
- Het meest gebruikte RVS (mes, lepel, …) is het Austenietisch RVS. Het is een metastabiel kvg
staal (niet magnetisch) dat moet afgeschrikt worden vanaf hoge temperatuur. Het is
koudvervormbaar en wordt vaak bijgelegeerd met Mo, Ti, …
- Precipitatiehardend RVS bestaat uit 3 types. Het martensietische, semi-autstenitische en het
austenitische.
- Als laatste is er nog het duplex RVS. Dat bestaat uit ferriet en austeniet door bijlegering van
zowel ferrietstabilisatoren (Cr, Si, …) als austenietstabilisatoren (Ni, Co, …). Het ferriet
voorkomt scheurvorming bij hoge temperaturen. Het is veel sterker dan het mono-fazige
RVS.
In welke vormen kan koolstof voorkomen als constructiemateriaal? Geef ook
toepassingen.
Men vindt 3 vormen in de natuur: amorf koolstof, grafiet (zacht) en diamant (uiterst hard).
Het heeft verscheidene toepassingen:
- Koolstofvezel.
- Warmtewisselaars (in de chemische industrie en ook in de micro-elektronica).
- Daimond Like Coatings (inert tegen corrosie) in harde schijven en scheermesjes.
- Gesinterde carbiden in een composietstructuur met metaal als matrix.
Geef de productie van koper vanaf erts tot zuiver.
Koper wordt uit ertsen gehaald en tot een uiterst zuivere vorm gemaakt in 6 stappen:
- Concentratie van het erts door flotatie en andere scheidingstechnieken.
- Roosten: vluchtige stoffen worden verwijderd in een oven zonder het koper te smelten.
- Erts wordt gesmolten in gecontroleerde atmosfeer (verwijdering van enkele onzuiverheden
bv. Fe) tot “matte” met ongeveer 30% Cu.
- Lucht of zuurstof wordt door gesmolten Cu-sulfide mengsel geblazen. De sulfiden worden
geoxideerd waardoor metallisch koper wordt gevormd: “blister koper” (98-99% zuiver).
- Elektrolyse van koper: anodes van blister koper. Cu slaat neer op kathode (Cu). 99,9% zuiver.
- Kathoden worden nu gesmolten tot draadstaven of knuppels: “ETP-koper”. (Elecrolytic Tough
Pitch): elektrolytisch zuurstofhoudend koper.
Bespreek TTT en CTT voor Fe en C. Schets het ook voor 0,3% C.
Het TTT-diagram (Temperature-Time-Transformation) geeft de temperatuur op de verticale as en de
transformatietijd op de horizontale as. Hieruit kan men afleiden hoelang men een materiaal op een
bepaalde temperatuur moet houden op een bepaalde structuur te verkrijgen. Ook ziet men de
stabiele fasen, als je martensiet niet boven de 250°C brengt zal het martensiet blijven (voor
welbepaalde samenstelling).
Het CTT-diagram (Continuous-Cooling-Transformation) geeft ook de temperatuur op de verticale as
en de transformatietijd op de horizontale. Hieruit kan men afleiden hoe snel men moet koelen om
een bepaalde structuur te bekomen. Wil men martensiet bekomen mag het austeniet niet
omvormen tot een ander iets, hiervoor moet snel genoeg afkoelen (afschrikken).
Beschrijf de productie van aluminiumerts tot zuiver aluminium.
Aluminium-erts (bauxiet) wordt gereduceerd tot aluminium door elektrolyse in een smolten zout:
kryoliet (Na3AlF3) waarin het AL2O3 oplost. Het kryoliet zorgt ervoor dat het smeltpunt van het
bauxiet verlaagt zodat men het in gesmolten toestand kan krijgen. Het aluminium slaat neer aan de
koolstofkathode in vloeibare toestand (Tbad > 953°C en Tsmelt = 659°C). De anode bestaat ook uit
koolstof.
Bespreek de gereedschapstalen.
De belangrijkste eigenschappen van gereedschapsstalen zijn hun zeer goede hardbaarheid en
hardingsdiepte. Zij hebben een hoge slijtvastheid en zijn hitte bestendig. Ook hebben ze een goede
vermoeiingssterkte. Door deze eigenschappen zijn ze moeilijk bewerkbaar en niet lasbaar.
Gereedschapsstalen worden als volgt onderverdeeld:
- Koudwerkend: waterhardend (W), oliehardend (O), luchthardend (A) en hoog gelegeerd (D).
- Schokvast: S.
- Warmwerkend: chroomsoorten, wolframsoorten en molybdeensoorten.
- Snelstaal: molybdeen (M) en wolfram (T).
- Matrijzenstaal: P.
- Voor speciale toepassingen: L.
Op te merken is dat de gereedschapstalen door de goede eigenschappen dure staalsoorten zijn.
Bespreek 5 verschillende versterkingsmethoden of –oorzaken bij polymeren.
Er zijn verscheidene versterkingsmethoden / -oorzaken:
- Lineaire polymeren: lange, dunne, afzonderlijke ketens die met elkaar verstrengeld zijn. De
bindingskrachten zijn vanderwaalskrachten, waterstofbindingen en interactie tussen polaire
groepen. Er is een grotere trek- en druksterkte.
- Vertakte polymeren: veel sterker vervlochten polymeerketens waardoor er een grotere
stijfheid is. De vertakkingen worden bevorderd door speciale katalysatoren en bijzondere
procestechnieken.
- Cross-linking: zijn chemische bruggen tussen de polymeren. Hierdoor verkrijgt men een zeer
sterk en stijf polymeer. De cross-links ontstaan tijdens de polymerisatiereactie.
- Ketenversteviging: ketenstijfheid door substitutie met omvangrijke moleculaire groepen (bv:
polystyreen)
- Kristalliniteit: de ruimtelijke verdeling in het polymeer is niet helemaal willekeurig meer.
Hierdoor verhoogt het smeltpunt, neem de chemische oplosbaarheid af en het heeft een
gunstig effect op meerdere mechanische eigenschappen.
- Toevoegmaterialen: door vulstoffen toe te voegen zal de sterkte verhogen en de
maatvastheid. Bijzondere versterkingsmaterialen zijn vezels zoals glasvezel en
textielweefsels.
- Mengpolymeren: dit is volop in onderzoek. Het wordt een heterogeen meerfasig
polymeermengsel waarvan de sterkte toeneemt.
- Inter-penetrerende Netwerken: bestaat uit 2 groepen, de semi-IPN en IPN materialen. Het
verschil is dat de 2de polymeermatrix een lineair polymeer of een cross-linked netwerk is.
Korte Vragen (bespreek kort…)
Interpenetrerende Netwerken.
Dit is een verstevigingmethode bij polymeren. Men zorgt dat er een 2de polymeermatrix zich
verstrengeld binnen de hoofdmatrix. Men heeft semi-IPNs, deze hebben een lineair polymeer en de
(totale) IPN, deze hebben een cross-linked netwerk. Ze vertonen superieure eigenschappen
vergeleken met hun afzonderlijke componenten.
Welke fasen vindt je terug in Wit-Gietijzer.
Wit-Gietijzer bevat geen vrije grafiet, fijnkorrelig perliet en vrije cementiet.
B-harsen.
B-hars is een thermoplast dat gebruikt wordt om fenol van te maken.
HSLA.
HSLA-staal ofwel high strength low alloy steel is staal met een kleinere korrel en betere mechanische
eigenschappen. Wordt gebruikt in warmgevormde toestand en moet gehard worden door
oplossingsharding. Het is een constructiestaal, ook weleens architecturaal gebruikt.
Ontlaten staal.
Dit is Martensiet dat men verwarmt en op die temperatuur een lange tijd houdt. Met heeft laag
ontlaten (200 – 400°C) en hoog ontlaten/veredelen (400 – 600°C) staal. Hierdoor wordt het materiaal
minder bros, maar sterk en taai met weinig verlies aan hardheid. De structuur die gevormd wordt
tijdens het ontlaten is sorbiet.
Cermets en geef 1 voorbeeld.
Cermets zijn metaal-keramische composieten. Het metaal vormt de matrix met keramisch poeder erin.
Het wordt bijvoorbeeld gebruikt als gereedschapstaal (snijgereedschap) met als
voorbeeldsamenstelling TiC.
Welke fasen vindt je terug in Grijs-Gietijzer.
Grijs gietijzer bestaan uit een fase van grafiet (die grof of fijn kan zijn) en een lammelaire structuur
van grafiet en perliet of ferriet.
Gekalmeerd staal.
Men spreekt van gekalmeerd staal indien het staal voor het gegoten wordt volledig
gedesoxideerd is.
Een dalton.
1 dalton drukt een atomaire eenheid uit. 1 dalton = 1 gram / mol. Zie ook gewicht polymeren.
Vulkanisatie.
Vulkanisatie wordt bij polymeren toegepast. Door toevoeging van zuurstof en zwavel (of seleen)
kunnen er verbindingen tussen verschillende monomeren gemaakt worden zodat de sterkte verhoogd.
PTFE.
PTFE is een fluoroplastic. In het (ethyleen-)monomeer is elk waterstofatoom vervangen door een
fluoratoom. Het is een vrij duur plastic dan niet erg sterk is. Het heeft namelijk last van kruip. Doch is
het zeer goed bestand tegen chemicaliën en oplosmiddelen (veruit best), kan tegen hoge temperaturen
en heeft een lage wrijving. Terwijl het moeilijker te verwerken is, niet smelten en vloeibaar.
Glasovergang bij polymeren.
Tg staat voor glasovergangstemperatuur. Dit punt wordt ook wel eens het glaspunt genoemd, dit is de
temperatuur waarbij een polymeer verweekt. Bij T<Tg: polymeer is vast glasachtige stof.
Bij T>Tg: polymeer is amorf, een rubberachtige vloeistof. De ketens kunnen over elkaar glijden.
Condensatiepolymeriatie.
Condensatiepolymeren ontstaan uit monomeren met aan beide uiteinden een functionele groep (bv. –
COOH, -NH2, -OH). In vele gevallen wordt een klein molecuul als water, methanol of koolstofdioxide
afgesplitst.
Galvanische corrosie.
De oorzaak van galvanische corrosie is het verschil in potentiaal van elk metaal afzonderlijk in de
omgeving. Er treedt verandering op van het corrosiegedrag door het aanwezig zijn van contact met een
ander metaal in een corrosieve omgeving (oplossing, lucht, gas). Men spreekt dan van een galvanisch
koppel: de corrosie van één metaal wordt versneld door de aanwezigheid van het andere metaal.
Definieer het moleculair gewicht van een polymeer en geef de eenheid.
In tegenstelling tot kleine moleculen zijn polymeren een mengsel van moleculen met verschillende
lengten en dus gewichten. Men kan dus maar een gemiddeld gewicht van “een molecule” bepalen. De
eenheid hiervan is Dalton. 1Dalton = 1 gram/mol
Perliet.
Perliet is een fase in staal. Het bestaat uit een lamellaire structuur met afwisselend ferriet en cementiet
(Fe3C) waarbij ferriet de ondergrond of de samenhangende fase is.
De essentie van keramische materialen.
Keramieken zijn anorganische, niet-metallische materialen. Vroeger waren zij gebaseerd op
natuurlijke grondstoffen zonder een specifieke samenstelling. Nu worden zijn vervaardigd uit zuivere
grondstoffen. Keramieken verkrijgt men door de materialen te verwerken in een sinterproces op hoge
temperatuur. De meeste keramieken worden gemaakt voor een welbepaalde toepassing.
Nodulair gietijzer.
Dit is gietijzer dat kleine bolvormige grafietnodulen bevat. Deze worden verkregen door
toevoegstoffen aan de legering (Ni, Mg) of door inoculatie met “entstoffen” in de gietpan (Mg, Ce).
Rangschik volgens stijgende E-modulus en geef een orde grootte. Ti, Cu-Ni legering,
Staal, PET, SiC.
PET < Ti < Cu-Ni < Staal < SiC
2-2,7 < 100 < 130 < 210 < 450 allemaal in GPa.
Geef de structuur van PE, PVC, PTFE, Styreen.
Zie cursus.
Schrijf voluit de naam van: LDPE, HDPE, PTFE, PET, PS, PVC, PMMA, PC, PEEK,
UHMWPE.
LDPE:
HDPE:
PTFE: Polytetrafluorethyleen
PET: Polyethyleen Terephtlataat
PS:PolyStyreen
PVC:
PMMA:
PC: polycarbonaten
PEEK: polyetheretherketon