Metaal_slides.pdf

# Introductie tot metaalbewerking en historische context Dit onderwerp introduceert de basale concepten rond metalen, hun oorsprong, het proces van raffinage, en de historische evolutie van metaalbewerking door de eeuwen heen. ### 1.1 De oorsprong van metalen: ertsen en raffinage * Metalen komen in de natuur doorgaans niet in hun pure, elementaire vorm voor [6](#page=6). * In plaats daarvan vinden we metalen terug in de vorm van ertsen [6](#page=6). * Ertsen zijn verbindingen, vaak metaaloxides, waarbij metalen gebonden zijn aan andere elementen zoals zuurstof [6](#page=6). * Om deze metalen bruikbaar te maken, moeten de grondstoffen worden verfijnd [6](#page=6). * Het verfijningsproces, ook wel reductie genoemd, omvat het scheiden van het metaal van de onzuiverheden in het erts [6](#page=6). * Dit gebeurt doorgaans door het toevoegen van een chemische stof, zoals koolstof, en het toepassen van hitte [6](#page=6). * De mechanische eigenschappen van een metaal worden sterk beïnvloed door de aanwezigheid van "onzuiverheden" [6](#page=6). * Metalen hebben de neiging te oxideren of corroderen, waarbij ze terugkeren naar hun oorspronkelijke toestand zoals die in het erts werd aangetroffen [6](#page=6). * Edelmetalen, zoals goud, zilver en platina, kunnen wel in hun pure vorm voorkomen in de natuur [6](#page=6). > **Tip:** Begrijpen dat metaalbewerking begint met het winnen en zuiveren van metalen uit ertsen is cruciaal voor het waarderen van de technologische vooruitgang. ### 1.2 Historische evolutie van metaalbewerking De geschiedenis van de mensheid is onlosmakelijk verbonden met de ontwikkeling van metaalbewerking, met duidelijke tijdperken die vernoemd zijn naar de dominante metalen. #### 1.2.1 De Bronzen en IJzeren Tijdperken * De Bronstijd markeert een significante periode waarin mensen leerden koper te smelten en te combineren met tin om brons te creëren. Brons was harder en duurzamer dan de tot dan toe gebruikte materialen zoals steen en koper [3](#page=3). * Na de Bronstijd volgde de IJzertijd, waarin ijzer werd ontdekt en bewerkt. IJzererts was over het algemeen overvloediger en goedkoper dan koper- en tinertsen, waardoor ijzer toegankelijker werd voor een groter deel van de bevolking. De technieken voor het bewerken van ijzer waren echter complexer en vereisten hogere temperaturen [3](#page=3). > **Example:** Een beroemd voorbeeld van vroeg metaalwerk is de dolk van Toetanchamon, die meer dan 4.000 jaar oud is en aantoont hoe ver gevorderd metaalbewerking in die tijd al was [2](#page=2). #### 1.2.2 De Industriële Revolutie * De Industriële Revolutie, die begon in de 18e eeuw, bracht revolutionaire veranderingen teweeg in de metaalproductie en -bewerking [4](#page=4). * Nieuwe technieken voor het produceren van ijzer en staal op grote schaal, zoals het gebruik van cokes in plaats van houtskool en de ontwikkeling van de puddling processen, maakten grote hoeveelheden metaal beschikbaar voor industriële toepassingen [4](#page=4). * De massaproductie van metalen vormde de basis voor de ontwikkeling van machines, infrastructuur (zoals spoorwegen en bruggen) en nieuwe fabricagemethoden [4](#page=4). * Dit tijdperk transformeerde de samenleving van een agrarische naar een industriële economie, grotendeels dankzij de vooruitgang in metaalbewerking en -toepassingen [4](#page=4). > **Tip:** Denk bij de Industriële Revolutie aan de overgang van handwerk naar machinale productie, waarbij metaal de fundamentele bouwsteen was voor de nieuwe machines. --- # Productie en raffinage van ijzer en staal Dit onderwerp behandelt de metallurgische processen die betrokken zijn bij de productie van ijzer en staal, vanaf de verwerking van ertsen tot aan de verschillende raffinagetechnieken die nodig zijn om staal van specifieke kwaliteit te verkrijgen. ### 2.1 Verwerking van ijzererts IJzererts wordt verwerkt om het bruikbaar te maken voor de productie van ijzer en staal. Deze verwerking omvat verschillende stappen, waaronder het kuisen en breken of sinteren van het erts om de deeltjesgrootte te egaliseren. Pelleteren wordt toegepast om poederdeeltjes te vormen, gevolgd door sortering om ijzerhoudende materialen te scheiden van niet-ijzerhoudende materialen. Roosteren is eveneens een onderdeel van de voorbereiding van het erts [7](#page=7). ### 2.2 De hoogoven De hoogoven is een essentieel onderdeel in het proces van ijzerproductie. Het primaire doel van de hoogoven is de reductie van ijzererts, wat inhoudt dat zuurstof (O) uit het ijzeroxide moet worden verwijderd. De belangrijkste ingangsproducten voor de hoogoven zijn ijzererts, cokes (steenkool die hittebehandeling heeft ondergaan en als brandstof dient), en hete lucht die tot boven de 1000°C wordt verwarmd [8](#page=8). De processus in de hoogoven leidt tot de volgende uitgangsproducten: gesmolten ruwijzer, slak en kooldioxide ($CO_2$) [9](#page=9). ### 2.3 Ruwijzer Ruwijzer dat uit de hoogoven komt, is niet direct bruikbaar als constructiemateriaal omdat het zeer bros en stijf is. Het bevat een hoog koolstofgehalte, typisch tussen de 4 en 5 procent. Bovendien bevat ruwijzer te veel ingemengde stoffen zoals silicium, fosfor en mangaan, die moeten worden verwijderd [10](#page=10). Het koolstofgehalte heeft een significante invloed op de eigenschappen van ijzer en staal. Een hogere hoeveelheid koolstof leidt tot een hogere treksterkte en hardheid, maar vermindert de taaiheid, rek, smeedbaarheid, verspaanbaarheid, smelttemperatuur en lasbaarheid. Hierdoor is ruwijzer hard maar bros en moeilijk te verwerken. Zuiver ijzer daarentegen bevat slechts 0,005% koolstof en is zwak en ductiel. Staal wordt gedefinieerd als ijzer met een koolstofgehalte tussen 0,06% en 2%. Koolstofgehaltes boven de 2% resulteren in gietijzer [11](#page=11). ### 2.4 Raffinageprocessen Om ruwijzer om te zetten naar staal, zijn verschillende raffinageprocessen nodig. Raffinage omvat het opnieuw toevoegen van zuurstof (oxidatie) om het koolstofgehalte te verlagen en onzuiverheden te verwijderen. Tijdens dit proces wordt het ruwijzer vaak vermengd met staalschroot [12](#page=12) [13](#page=13). Er zijn drie belangrijke raffinageprocessen: 1. **Open haardoven:** Hierbij wordt een mengsel van brandstof en lucht boven het gesmolten metaal geblazen [13](#page=13). 2. **Elektro-oven proces:** Het bad wordt op temperatuur gehouden door middel van elektrische bogen [13](#page=13). 3. **Oxystaal proces:** Pure zuurstof wordt in het gesmolten metaal geblazen [13](#page=13). #### 2.4.1 Zuiverheid van staal Naast het koolstofgehalte, is ook de afwezigheid van insluitsels cruciaal voor de kwaliteit van staal. Deze insluitsels kunnen oxiden (zoals aluminiumoxide), sulfiden en silicaten zijn. Ze kunnen worden verwijderd door middel van vacuüm omsmelten of chemische reacties [14](#page=14). ### 2.5 Verwerking tot ingots Zodra het staal kwalitatief in orde is, wordt het verder verwerkt tot eindproducten. Een veelvoorkomende tussenstap is de vorming van blokken, bekend als ingots, die dienen voor tijdelijke opslag [15](#page=15). Tijdens het stollen van ingots kunnen krimpholtes en chemische segregatie optreden. Segregatie verwijst naar ongelijke chemische samenstellingen binnen de ingot, terwijl krimpholtes luchtbellen zijn die ontstaan door het krimpen van het materiaal, wat leidt tot porositeit. Een specifiek type defect is de slinkholte, een put aan de bovenkant van de matrijs door ongelijkmatig stollen [16](#page=16). Oplossingen voor deze problemen omvatten het mechanisch verwijderen van slinkholtes en het toevoegen van elementen zoals aluminium (Al) en silicium (Si) om segregatie te beperken. Staal waarbij deze effecten worden geminimaliseerd, wordt gekalmeerd staal genoemd [16](#page=16). ### 2.6 Continugieten Een alternatieve en efficiëntere methode voor het vormen van staal is continugieten. Dit proces vindt plaats in watergekoelde gietvormen, wat leidt tot minder materiaalverliezen. Continugieten resulteert in een homogene gietstructuur, waarbij porositeit van gekalmeerd staal gelijkmatig verdeeld is. Het gesneden materiaal wordt met een hete straal verwerkt, wat resulteert in minder nabewerking door te walsen [17](#page=17). --- # Metaalstructuur, legeringen en stolling Dit deel van het document verkent de kristallijne structuur van metalen, de vorming van dendrieten en korrels, en theoretische modellen voor legeringen, waarbij het stollingstraject van zowel zuivere metalen als legeringen wordt behandeld [18](#page=18) [19](#page=19) [20](#page=20) [21](#page=21) [22](#page=22) [23](#page=23) [24](#page=24) [25](#page=25) [26](#page=26) [27](#page=27) [28](#page=28) [29](#page=29) [30](#page=30). ### 3.1 Metaalstructuur Metalen zijn kristallijn, wat betekent dat hun atomen zijn gerangschikt in een regelmatig geordende structuur. Deze geordende rangschikking van atomen in een kristalrooster vormt kristallen, die op hun beurt korrels vormen. Kenmerken van kristallijne structuren zijn symmetrische vormen met platte grensvlakken, isotrope fysische eigenschappen (tenzij er sprake is van koude bewerkingen) en een vast smeltpunt. Bekende roosterstructuren zijn onder andere het kubus- en het hexagonaal rooster [20](#page=20) [21](#page=21) [23](#page=23). > **Tip:** Begrijpen dat metalen uit geordende kristalstructuren bestaan, is de basis voor het verklaren van hun mechanische en fysische eigenschappen. #### 3.1.1 Vorming van kristallen en korrels Kristallen in metalen ontstaan vanuit kristalkiemen. Tijdens het stollingproces groeien deze kiemen uit tot grotere structuren, vaak in de vorm van dendrieten, wat vertakte kristallen zijn. De uiteindelijke microstructuur van een metaal bestaat uit een aggregaat van deze kristallen, de zogenaamde korrels, gescheiden door korrelgrenzen [21](#page=21) [22](#page=22). ### 3.2 Legeringen Legeringen zijn mengsels van metalen, waarbij de atomen van de verschillende componenten zich tot elkaar verhouden in een kristalrooster [24](#page=24). #### 3.2.1 Soorten legeringen en mengkristallen Het gedrag van legeringen bij stolling hangt af van de oplosbaarheid van de componenten in vaste toestand. Er zijn drie hoofdgevalen te onderscheiden [26](#page=26): 1. **Volledig in elkaar oplosbaar in vaste toestand:** In dit geval lossen de metalen elkaar volledig op in zowel vloeibare als vaste toestand, wat resulteert in één type kristalstructuur bij elke mengverhouding. Een voorbeeld hiervan is een goud-zilver legering. Deze legeringen kennen een smelt- en stollingstraject in plaats van een vast smeltpunt [27](#page=27). 2. **Niet in elkaar oplosbaar in vaste toestand:** De metalen vormen afzonderlijke kristallen in de gestolde toestand. Bij een specifieke mengverhouding, het eutecticum, kan de legering echter wel een vast smeltpunt hebben. Het stollingstraject kent hierbij een haltepunt [28](#page=28). 3. **Gedeeltelijk in elkaar oplosbaar in vaste toestand:** Bij kleine mengverhoudingen ontstaat een stabiele $\alpha$-fase of $\beta$-fase. Bij grotere mengverhoudingen ontstaat een meerderheid van de $\alpha$-fase of $\beta$-fase, aangevuld met een eutectische structuur aan de korrelgrenzen. Ook hier is er sprake van een eutecticum met één smeltpunt [29](#page=29). > **Tip:** Het concept van oplosbaarheid in vaste toestand is cruciaal voor het voorspellen van de microstructuur en eigenschappen van legeringen. #### 3.2.2 Theoretisch model voor legeringen Theoretische modellen beschrijven hoe legeringen zich gedragen wanneer metalen met elkaar mengen. In vloeibare toestand lossen metalen A en B vaak goed op, maar tijdens het afkoelen en stollen kunnen ze zich weer scheiden, afhankelijk van hun onderlinge oplosbaarheid in vaste toestand. Dit leidt tot de vorming van verschillende types kristallen of mengsels van kristallen [24](#page=24). ### 3.3 Stollingstrajecten Het stollingstraject beschrijft de temperatuurveranderingen en faseovergangen die een metaal of legering ondergaat tijdens het stollen [25](#page=25) [26](#page=26). #### 3.3.1 Stolling van zuivere metalen Zuivere metalen hebben een scherp, vast smelt- en stollingspunt. Tijdens het stollen is er een periode waarin de temperatuur niet of minder snel daalt; dit wordt het haltepunt genoemd. Zodra het metaal volledig gestold is, koelt het weer sneller af [25](#page=25). #### 3.3.2 Stolling van legeringen Legeringen daarentegen ondergaan een stollingstraject, wat betekent dat ze niet één vast smeltpunt hebben, maar een temperatuurbereik waarin ze van vloeibaar naar vast gaan. Het stollingstraject wordt beïnvloed door de mate van oplosbaarheid van de componenten in vaste toestand, zoals hierboven beschreven onder sectie 3.2.1 [26](#page=26). > **Example:** Een legering van lood en tin die volledig in elkaar oplosbaar is, zal langzaam stollen over een temperatuurbereik, waarbij de samenstelling van de vaste fase verandert naarmate de temperatuur daalt. Een eutectisch mengsel van lood en tin stollt daarentegen bij één vaste temperatuur. Het stollingstraject van staal wordt specifiek behandeld, wat aangeeft dat dit een belangrijk toepassingsgebied is van deze principes [30](#page=30). --- # Soorten staal en hun eigenschappen Dit hoofdstuk behandelt de classificatie van staal, waarbij onderscheid wordt gemaakt tussen ongelegeerd en gelegeerd staal, en de invloed van specifieke legeringselementen op de eigenschappen en toepassingen van staal wordt uiteengezet [31](#page=31). ### 4.1 Ongelegeerd staal Ongelegeerd staal is primair een legering van ijzer en koolstof. De eigenschappen van dit staal worden sterk beïnvloed door de koolstofverhouding. Een hogere koolstofconcentratie leidt tot een hogere treksterkte en hardheid, terwijl het de taaiheid, rek, smeedbaarheid, verspaanbaarheid, smelttemperatuur en lasbaarheid verlaagt. Naast koolstof kunnen ook andere elementen zoals silicium en mangaan aanwezig zijn, maar zwavel en fosfor worden als ongewenste elementen beschouwd omdat ze de treksterkte en lasbaarheid verminderen. De grenswaarden van deze elementen worden vastgelegd; zodra deze worden overschreden, spreekt men van gelegeerd staal [31](#page=31) [32](#page=32) [33](#page=33). Ongelegeerd staal kan worden onderverdeeld in verschillende groepen [34](#page=34): 1. **Staal voor algemeen gebruik**: Dit staal wordt toegepast zonder hoge eisen, heeft een minimaal koolstofgehalte, en ondergaat geen warmtebehandelingen. Het kenmerkt zich door minimale treksterkte en hardheid [34](#page=34). 2. **Kwaliteitstaal**: Dit staal moet voldoen aan kwalitatieve eisen voor specifieke toepassingen, zoals goede elektrische, magnetische, mechanische, scheikundige en technologische eigenschappen. Het is koud vervormbaar, lasbaar, smeedbaar en verspaanbaar [34](#page=34). 3. **Speciaalstaal**: Dit staal wordt bereid voor één specifieke gebruikstoepassing en staat bekend om goede kerfslagwaardes, elektrische/magnetische eigenschappen, en afwezigheid van vervuilingen. Voorbeelden zijn gereedschapsstaal, veredelstaal, carboneerstaal, nitreerstaal en automatenstaal [34](#page=34). ### 4.2 Gelegeerd staal De eigenschappen van staal kunnen worden veranderd door thermische behandelingen of door het te verrijken met legeringselementen, zoals nikkel en chroom, wat bijvoorbeeld leidt tot roestvast staal (RVS). Gelegeerd staal is staal dat is gelegeerd met metalen en/of niet-metalen. Er wordt onderscheid gemaakt tussen laag gelegeerde staalsoorten (maximaal 5% legeringselementen) en hoog gelegeerde staalsoorten (minimaal 5% legeringselementen) [35](#page=35). #### 4.2.1 Invloed van legeringselementen Verschillende legeringselementen geven staal specifieke eigenschappen en toepassingen [36](#page=36). * **Wolfraam (W)**: Wordt toegepast in staal voor snijgereedschap en zorgt voor warmtebestendigheid [36](#page=36). * **Chroom (Cr)**: Verhoogt de hardheid van staal. In RVS is het belangrijk voor corrosiebestendigheid en in combinatie met andere legeringen [36](#page=36). * **Vanadium (V)**: Verbetert de elasticiteit en snijeigenschappen van staal [36](#page=36). * **Molybdeen (Mo)**: Maakt staal bestand tegen putcorrosie [43](#page=43). * **Zwavel (S)**: Kan de verspaanbaarheid verbeteren, wat resulteert in korte spanen. Het kan echter ook de treksterkte en lasbaarheid verminderen in ongelegeerd staal [32](#page=32) [45](#page=45). * **Titanium (Ti)**: Verbetert de lasbaarheid van RVS [43](#page=43). * **Lood (Pb)**: Wordt, samen met zwavel, gebruikt in automatenstaal voor een goede verspanende werkbaarheid en korte spanen [45](#page=45). #### 4.2.2 Laag gelegeerd staal Laag gelegeerd staal wordt gekenmerkt door eigenschappen zoals een hoge rekgrens, goede lasbaarheid, en weerstand tegen extreem lage temperaturen en atmosferische corrosie. Een typische toepassing hiervan zijn autopanelen [37](#page=37). #### 4.2.3 Mangaanstaal Mangaanstaal bevat 1 tot 15% mangaan. De eigenschappen omvatten een hogere treksterkte en hoge slijtvastheid, maar het is moeilijker verspaanbaar. Toepassingen zijn onder andere assen, bouten, moeren, spoorwissels, rails en baggerbakken [38](#page=38). #### 4.2.4 Chroomstaal Chroomstaal bevat 1 tot 30% chroom. De eigenschappen zijn hardheid, sterkte en taaiheid. Met meer dan 11% chroom wordt het staal corrosievast en bestand tegen hoge temperaturen. Toepassingen variëren afhankelijk van het chroomgehalte [39](#page=39): * 1-8%: Stempels, kogels, lagers [39](#page=39). * 6-12%: Messen (corrosievast), rollen voor rollagers (slijtvast) [39](#page=39). * 10-18%: Schoepen voor stoomturbines, onderdelen in de chemische, zuivel- en voedingsindustrie (zuurbestendig vanaf hier) [39](#page=39). * 20-30%: Onderdelen van gasturbines, bestand tegen zeer hoge temperaturen (tot 2000°C) [39](#page=39). #### 4.2.5 Nikkelstaal Nikkelstaal bevat 2 tot 50% nikkel. Het is hard, sterk, taai, corrosievast, zelfs bij zeer lage temperaturen, en heeft een lage uitzettingscoëfficiënt. Toepassingen zijn divers [40](#page=40): * 2-5%: Nokken, nokkenassen, tandwielen, kleppen voor verbrandingsmotoren, drijfstangen, ketelplaat [40](#page=40). * 8-10%: Apparatuur voor opslag en transport van vloeibare gassen [40](#page=40). * 25%: Schoepen voor stoomturbines en andere onderdelen die bestand moeten zijn tegen hoge temperaturen en oxidatie [40](#page=40). * 36% (Invarstaal): Onderdelen voor meetinstrumenten, standaardlengtematen, stalen bruggen in motorzuigers om vervorming bij hoge temperaturen te voorkomen [40](#page=40). * 50%: Kernen van elektromotoren en transformatoren vanwege de hoge magnetische veldsterkte [40](#page=40). #### 4.2.6 Chroom-nikkelstaal Chroom-nikkelstaal bevat typisch 12 tot 26% chroom en 1 tot 20% nikkel. Het is zuur- en corrosievast, en hittebestendig. Toepassingen zijn onder andere medische instrumenten, kleppen voor verbrandingsmotoren, schoepen voor stoomturbines, matrijzen voor kunststofvormen, en onderdelen voor de chemische en voedingsmiddelenindustrie. Specifieke samenstellingen zoals Cr: 18-20% en Ni: 8-10% worden veel gebruikt in de voedingsmiddelenindustrie en voor onderdelen van verbrandingsmotoren zoals krukassen en nokkenassen [41](#page=41) [42](#page=42). ### 4.3 Roestvast staal (RVS) Roestvast staal omvat chroomstaal (11-30% chroom) en chroom-nikkelstaal (17-20% chroom en 6-17% nikkel). Aanvullende legeringselementen kunnen worden toegevoegd: molybdeen voor bestendigheid tegen putcorrosie, zwavel voor betere verspaanbaarheid, en titanium voor betere lasbaarheid [43](#page=43). ### 4.4 Verenstaal Verenstaal wordt gekenmerkt door legeringselementen zoals chroom en vanadium, chroom en silicium, mangaan en silicium, of chroom en nikkel (wat resulteert in roestvast verenstaal). De belangrijkste eigenschappen zijn een hoge treksterkte en hoge veerkracht. Typische toepassingen zijn blad-, schroef- en spiraalveren voor auto's, vrachtwagens en locomotieven [44](#page=44). ### 4.5 Automatenstaal Automatenstaal bevat legeringselementen zoals lood en zwavel. Dit leidt tot een goede verspanende werkbaarheid en de vorming van korte spanen. Het wordt voornamelijk toegepast in draaiwerk en voor assen [45](#page=45). ### 4.6 Gietijzer - Gietstaal Gietijzer en gietstaal met minimaal 2,5% koolstof worden direct na productie in een gietvorm gegoten. Ze kenmerken zich door een goede verspanende werkbaarheid en de productie van korte spanen [46](#page=46). --- # Warmtebehandeling en oppervlakteverharding van staal Dit hoofdstuk behandelt diverse warmtebehandelingen die toegepast worden op staal om de mechanische eigenschappen te verbeteren, alsook methoden om enkel het oppervlak van staal te verharden. ### 5.1 Warmtebehandelingen Warmtebehandelingen maken gebruik van gecontroleerde verhitting en afkoeling om de microstructuur van staal te veranderen, wat resulteert in gewijzigde materiaaleigenschappen. Het ijzer-koolstofdiagram is hierbij een belangrijk referentiepunt, maar dit diagram is enkel geldig bij voldoende trage afkoelsnelheden die evenwichtscondities benaderen. Snelle afkoeling kan leiden tot de vorming van nieuwe structuren [48](#page=48). #### 5.1.1 Harden Harden is een warmtebehandeling die gericht is op het verkrijgen van een hoge hardheid door de vorming van martensiet, wat effectief de austenietfase "invriest" [48](#page=48). * **Vereisten:** Een koolstofgehalte van 0,3 tot 0,6% is vereist voor effectief harden [49](#page=49). * **Proces:** * Opwarmen tot een temperatuur tussen 700°C en 1000°C, wat zich uit in een gele kleur [49](#page=49). * Snel afkoelen, typisch in water of olie [49](#page=49). * **Resultaat:** De hardingsdiepte varieert doorgaans van 4 tot 8 mm. Het verkregen materiaal is zeer hard, maar ook bros. Na het harden is het vaak noodzakelijk om het materiaal te ontlaten [49](#page=49). #### 5.1.2 Ontlaten (temperen) Ontlaten is een warmtebehandeling die direct na het harden wordt uitgevoerd om de brosheid te verminderen en de taaiheid te verhogen [50](#page=50). * **Proces:** Het materiaal wordt gedurende 1 tot 3 uur op een temperatuur tussen 200°C en 350°C gehouden [50](#page=50). * **Doelen:** * Het wegvloeien van interne spanningen in het metaal [50](#page=50). * Het verminderen van de hardheid (hoewel nog steeds hoog) en het significant verhogen van de taaiheid [50](#page=50). * Het verkrijgen van een specifieke, gewenste hardheid [50](#page=50). * **Beïnvloedende factoren:** De uiteindelijke hardheid is afhankelijk van zowel de ontlatingstemperatuur als de ontlatingsduur [50](#page=50). * **Extra stappen:** Soms wordt na ontlaten de oxidelaag verwijderd, waarna opnieuw wordt verhit en afgeschrikt in water of olie [50](#page=50). #### 5.1.3 Spanningsvrij gloeien Deze warmtebehandeling wordt toegepast om interne spanningen die ontstaan zijn na bewerkingen of door andere thermische behandelingen te elimineren [51](#page=51). * **Proces:** Langzame opwarming tot ongeveer 600°C gedurende 1 tot 3 uur, gevolgd door een langzame afkoeling [51](#page=51). * **Doel:** Het wegvloeien van spanningen in het metaal, wat essentieel is om maatstabiel te blijven tijdens verdere thermische behandelingen zoals harden of carboneren [51](#page=51). #### 5.1.4 Normaalgloeien Normaalgloeien wordt gebruikt om de korrelstructuur van staal te verfijnen, met name na processen zoals smeden of persen die grote kristallen hebben veroorzaakt [52](#page=52). * **Proces:** Verhitten tot circa 720°C, gevolgd door afkoeling in rustige lucht [52](#page=52). * **Toepassing:** Vooral relevant voor staalsoorten met een koolstofgehalte groter dan 0,5% [52](#page=52). * **Resultaat:** Dit leidt tot een toename van de taaiheid, kerfslagwaarde en rek van het materiaal [52](#page=52). #### 5.1.5 Zachtgloeien Zachtgloeien is bedoeld om staal fijnkorrelig te maken en beter verspaanbaar te maken, met name voor staalsoorten met een hoog koolstofgehalte [53](#page=53). * **Proces:** Verhitten tot circa 740°C [53](#page=53). * **Toepassing:** Specifiek voor staalsoorten met meer dan 0,8% koolstof, zoals gereedschapsstalen [53](#page=53). * **Resultaat:** Maakt het metaal gemakkelijker te bewerken door de fijnkorrelige structuur [53](#page=53). #### 5.1.6 Veredelen Veredelen is een combinatie van harden en ontlaten om de sterkte en taaiheid van staal te verbeteren, waardoor het beter bestand wordt tegen stootbelasting [54](#page=54). * **Proces:** Eerst wordt het staal gehard, waarna het wordt ontlaten bij temperaturen tussen 500°C en 600°C [54](#page=54). * **Toepassing:** Geschikt voor componenten die hoge impact moeten weerstaan, zoals stempels voor dieptrekken [54](#page=54). ### 5.2 Oppervlakteverharding Oppervlakteverhardingstechnieken hebben als doel om enkel het buitenoppervlak van het staal te verharden, terwijl de kern zacht blijft. Dit is wenselijk voor slijtvaste onderdelen die flexibiliteit in de kern nodig hebben [55](#page=55). #### 5.2.1 Cementeren (carboneren) Cementeren is een proces waarbij koolstof in het oppervlak van staal wordt gebracht om dit te verharden [55](#page=55). * **Proces:** * Verhitten tot 850°C tot 1000°C in een koolstofrijk milieu, wat kan gebeuren via poeder, gas of een zoutbad [55](#page=55). * Afkoelen in water of olie [55](#page=55). * **Resultaat:** Creëert een zeer harde buitenste laag met een dikte van 0,1 tot 2 mm, afhankelijk van de duur van de behandeling [55](#page=55). #### 5.2.2 Nitreren Nitreren is een oppervlaktebehandeling die stikstof in het staaloppervlak brengt om een harde en slijtvaste laag te vormen [55](#page=55). * **Proces:** Inbrengen van stikstof bij temperaturen van 500°C tot 550°C gedurende een lange periode van 50 tot 120 uur [55](#page=55). * **Voordelen:** Kenmerkt zich door weinig vervorming, vormt geen oxidelaag en vereist geen nabewerking na de behandeling, wat het een zeer nauwkeurige methode maakt, ook voor reeds op maat gemaakte onderdelen [55](#page=55). * **Resultaat:** Vormt een harde en dunne slijtvaste laag, typisch toegepast op componenten zoals krukassen [55](#page=55). #### 5.2.3 Vlamharden Vlamharden is een methode waarbij het oppervlak van het staal met een brander wordt verhit, gevolgd door een snelle afkoeling [56](#page=56). * **Proces:** Oppervlakteverhitting met een brander, direct gevolgd door snelle afkoeling [56](#page=56). * **Beïnvloedende factoren:** De effectiviteit van vlamharden is afhankelijk van de temperatuur, de dikte van het materiaal en de snelheid waarmee de brander over het oppervlak beweegt [56](#page=56). #### 5.2.4 Inductieharden Inductieharden maakt gebruik van elektrische stromen en magnetische velden om het oppervlak van het werkstuk te verhitten [56](#page=56). * **Proces:** Het werkstuk wordt geplaatst in een inductiespoel. Door middel van hoge frequenties (tot 500.000 Hz) wordt een elektrische stroom opgewekt die het oppervlak verhit [56](#page=56). * **Opmerking:** In tegenstelling tot andere oppervlakteverhardingen, kan bij inductieharden de kern ook (gedeeltelijk) mee gehard worden, afhankelijk van de instellingen [56](#page=56). --- # Non-ferro metalen en corrosie Deze sectie introduceert non-ferro metalen, met een focus op aluminium en zijn legeringen, hun eigenschappen, bewerkingsmethoden en toepassingen, gevolgd door een uitleg van corrosie en strategieën om het te bestrijden. ### 6.1 Non-ferro metalen Non-ferro metalen zijn metalen die geen ijzer bevatten [57](#page=57). #### 6.1.1 Legeringen van non-ferro metalen Verschillende non-ferro metalen worden gelegeerd om hun eigenschappen te verbeteren. Veelvoorkomende legeringen zijn: * Koper-nikkel [58](#page=58). * Koper-tin [58](#page=58). * Nikkel-messing [58](#page=58). #### 6.1.2 Aluminium Aluminium is een veelgebruikt non-ferro metaal met diverse toepassingen [59](#page=59). * **Afzetgebied in Europa:** * Transportsector: 25% [59](#page=59). * Bouwsector: 20% [59](#page=59). * Verpakkingsindustrie: 20% [59](#page=59). * Overige (engineering, huishoud, etc.): 35% [59](#page=59). * **Erts:** Bauxiet [59](#page=59). ##### 6.1.2.1 Aluminium legeringen en eigenschappen Aluminium wordt vaak gelegeerd met mangaan, magnesium of silicium om de mechanische bewerking, bestendigheid tegen zouten en gietbaarheid te verbeteren [60](#page=60). * **Vervormbaarheid:** Aluminium is goed vervormbaar, wat flexibiliteit in design biedt. Het kan worden gewalst, geëxtrudeerd, geperst, gesmeed en gegoten. Het kan zelfs worden vervormd tot extreem dunne diktes van 0,006 mm [61](#page=61). * **Duurzaamheid en corrosievastheid:** Het is duurzaam en corrosievast dankzij een goed hechtend oxidelaagje [61](#page=61). * **Anodiseren:** Dit is een elektrochemisch proces om een dikkere, hechtende oxidelaag te creëren, wat resulteert in een hard oppervlak [61](#page=61). * **Lage densiteit:** Dit zorgt voor gewichtsvermindering [61](#page=61). * **Verbinding:** Aluminium is gemakkelijk te verbinden door lassen, solderen, klinken en lijmen [62](#page=62). * **Recycleerbaarheid:** Het is volledig recycleerbaar [62](#page=62). * **Sterkte:** Aluminium is minder sterk dan staal. De elasticiteitsmodulus is 70000 N/mm² en de treksterkte varieert van 40 tot 50 N/mm². Dit kan worden gecompenseerd door meer materiaal te gebruiken en slimme profilering toe te passen [62](#page=62). * **Niet-toxisch:** Aluminiumfolie is niet-toxisch en wordt daarom gebruikt in de voedingsindustrie [62](#page=62). * **Niet-magnetisch:** [62](#page=62). * **Reflectievermogen:** Het heeft een hoog reflectievermogen, wat het geschikt maakt voor lampen [63](#page=63). * **Elektrische geleiding:** Het is een goede elektrische geleider. De soortelijke weerstand is tweemaal die van koper, maar vanwege het veel lagere gewicht wordt het gebruikt in hoogspanningskabels [63](#page=63). * **Warmtegeleiding:** Het is een goede warmtegeleider, wat het geschikt maakt voor kookgerei [63](#page=63). * **Bewerking:** Aluminium is goed te polijsten en goed te verspanen [63](#page=63). ##### 6.1.2.2 Toepassingen van aluminium * Aluminium extrusieprofielen [65](#page=65). #### 6.1.3 Koperlegeringen Koper is een van de meest gelegeerde metalen en staat bekend om zijn lange levensduur [66](#page=66). * **Messing:** Dit is een legering van koper en zink [66](#page=66). * Het is makkelijk te bewerken [66](#page=66). * Er zijn drie soorten messing: * Alfamessing (minder dan 40% zink): flexibel [66](#page=66). * Betamessing: harder en sterker [66](#page=66). * Wit messing (meer dan 45% zink): te bros [66](#page=66). * **Brons:** Dit is een legering van koper en tin (10 tot 30%). Het is makkelijk te gieten maar kan niet meer verspaand worden [67](#page=67). ### 6.2 Corrosie Corrosie is de chemische aantasting van het metaaloppervlak [69](#page=69). #### 6.2.1 Oorzaken van corrosie Corrosie wordt veroorzaakt door invloeden zoals: * Zouten [69](#page=69). * Zuren [69](#page=69). * Water [69](#page=69). * Zuurstof [69](#page=69). * Oxidatie [69](#page=69). * Dampen [69](#page=69). #### 6.2.2 Bestrijding van corrosie Corrosie kan op verschillende manieren worden bestreden: * **Weren van vocht:** Het verwijderen van de oorzaak van de reactie [70](#page=70). * **Voorkomen van elektrolytische werking:** Vermijden van contact tussen twee verschillende metalen [70](#page=70). * **Legeren:** Het toevoegen van andere elementen aan het metaal om de weerstand te verhogen [70](#page=70). * **Beïnvloeden van de aanrakingsvloeistof:** De omgeving van het metaal aanpassen [70](#page=70). * **Aanbrengen van een deklaag:** * Lakken [70](#page=70). * Spuiten [70](#page=70). * Platteren [70](#page=70). * Metaallagen [70](#page=70). * Dompelen [70](#page=70). * **Anodiseren/kathodiseren:** Elektrochemische beschermingsmethoden [70](#page=70). --- ## Veelgemaakte fouten om te vermijden - Bestudeer alle onderwerpen grondig voor examens - Let op formules en belangrijke definities - Oefen met de voorbeelden in elke sectie - Memoriseer niet zonder de onderliggende concepten te begrijpen

| Term | Definition | |------|------------| | Erts | Natuurlijk voorkomende gesteente of mineraal waaruit een metaal economisch winbaar is. Ertzen bevatten vaak metaaloxiden of sulfiden die verder verwerkt moeten worden. | | Raffinage | Het proces van het zuiveren van een ruw materiaal om onzuiverheden te verwijderen en een hoger percentage van het gewenste component te verkrijgen, zoals bij het verfijnen van metaalertsen. | | Hoogoven | Een industriële oven die wordt gebruikt voor het smelten van ertsen, voornamelijk ijzererts, met cokes en hete lucht om ruwijzer te produceren. Dit proces vindt plaats bij zeer hoge temperaturen. | | Ruwijzer | Het directe product van de hoogoven, dat nog een hoog koolstofgehalte (4-5%) en andere onzuiverheden bevat, waardoor het bros en niet direct geschikt als constructiemateriaal is. | | Legering | Een mengsel van twee of meer metalen, of een metaal met een of meer andere elementen, om eigenschappen te verbeteren zoals sterkte, hardheid of corrosiebestendigheid. Staal is een legering van ijzer en koolstof. | | Martensiet | Een zeer harde microscopische structuur in staal die ontstaat door snelle afkoeling (harden) van de austenietfase. Het wordt vaak omschreven als het "invriezen" van deze fase en resulteert in een bros materiaal. | | Ontlaten (temperen) | Een warmtebehandeling na het harden, waarbij het geharde metaal wordt opgewarmd tot een lagere temperatuur (200-350°C) om interne spanningen te verminderen en de taaiheid te verhogen, terwijl een deel van de hardheid behouden blijft. | | Gloeien | Een warmtebehandeling waarbij metaal wordt verwarmd tot een bepaalde temperatuur en vervolgens langzaam wordt afgekoeld om interne spanningen te verminderen, de rekbaarheid te verhogen of de kristalstructuur te verfijnen. | | Spanningsvrij gloeien | Een specifieke vorm van gloeien die wordt toegepast na bewerkingen om restspanningen in het metaal te verwijderen en maatstabiliteit te bevorderen, vooral belangrijk vóór verdere thermische behandelingen. | | Normaalgloeien | Een warmtebehandeling die wordt gebruikt om grote kristallen, ontstaan door smeden of persen, kleiner te maken en de taaiheid, kerfslagwaarde en rek te verhogen, vooral bij ijzer-koolstofdiagrammen met een koolstofgehalte boven 0,5%. | | Zachtgloeien | Een warmtebehandeling voor staalsoorten met een hoog koolstofgehalte (meer dan 0,8%), zoals gereedschapsstalen, met als doel het metaal fijnkorrelig te maken en de verspaanbaarheid te verbeteren. | | Oppervlakteharden | Een techniek waarbij alleen het buitenoppervlak van een metaaldeel wordt verhard, terwijl de kern zacht en taai blijft. Dit wordt bereikt door methoden zoals cementeren, nitreren, vlamharden en inductieharden. | | Non-ferro metaal | Een metaal dat geen ijzer bevat, zoals aluminium, koper, zink, nikkel en hun legeringen. Deze metalen hebben vaak andere eigenschappen dan ferro-metalen (ijzerhoudende metalen). | | Corrosie | Het langzame chemische of elektrochemische proces waarbij een metaal wordt aangetast en degradeert door reactie met zijn omgeving, zoals oxidatie, aantasting door zuren of zouten. | | Anodiseren | Een elektrochemisch proces dat wordt gebruikt om de natuurlijke oxidelaag op metalen, met name aluminium, te verdikken en te verharden. Dit verbetert de corrosiebestendigheid en slijtvastheid van het oppervlak. | | Eutecticum | Een specifieke mengverhouding in een legering die, ondanks de algemene regel dat legeringen een stollingstraject hebben, toch één enkel, vast smeltpunt bezit. |