Dit artikel gaat over de verschillen en overeenkomsten tussen staal, ijzer en metaal. Deze materialen worden onder andere genoemd in de werktuigbouwkunde. Het is belangrijk om de eigenschappen van deze materialen te kennen omdat ze daardoor effectief kunnen worden toegepast in bijvoorbeeld een constructies, machines en voertuigen. Elk materiaal heeft eigenschappen die het uniek maken. De eigenschappen waar vooral op wordt gelet zijn de sterkte, de taaiheid, de bewerkbaarheid en de smeedbaarheid van een materiaal. Deze eigenschappen zijn unieke kenmerken voor materialen en bepalen of een materiaal wel of niet geschikt is voor een bepaalde toepassing. Hieronder worden de materialen ijzer, staal en metaal uitgelegd.
Wat is IJzer?
IJzer is een metaalsoort en wordt als element aangeduid met Fe dit staat voor Ferro. IJzer valt onder de metalen net zoals bijvoorbeeld koper, goud, zilver en tin metalen zijn. IJzer wordt gewonnen uit erts. Deze ijzererts kwam vroeger veel voor in Duitsland, Zweden, Engeland, Noord-Amerika en Rusland. Ook tegenwoordig wordt in die landen nog veel ijzererts gewonnen. Wanneer uit ijzererts de verontreiniging zoals kalksteen, leem, zand en mergel zijn verwijdert ontstaat ruwijzer. Dit ruwijzer is afkomstig uit hoogovens en bevat 3 tot 4,5 procent koolstof. Dit hoge koolstofpercentage zorgt er voor dat het ruwijzer nog heel bros is en daardoor geen goede mechanische eigenschappen heeft om het in constructies te verwerken. Daarnaast bevat ruwijzer ook andere elementen zoals zwavel, fosfor en silicium. Om de mechanische eigenschappen van ruwijzer te verbeteren moet het koolstofpercentage omlaag worden gebracht. Wanneer het koolstofpercentage tussen de 0,1 en 1,7 procent is worden de eigenschappen van het materiaal aanzienlijk verbeterd en ontstaat staal.
Wat is staal?
Staal is ijzer met een toevoeging van 0,1 tot 1,7 procent koolstof. Het is daardoor een legering tussen IJzer (Fe) en koolstof (C). Staal kan ook andere elementen bevatten maar het hoofdbestandsdeel blijft ijzer. De reden waarom soms andere elementen worden toe gevoegd heeft te maken met het toepassingsgebied van het materiaal. Doormiddel van legeringen kan de kwaliteit van staal worden beïnvloed. Ook thermische behandelingen kunnen er voor zorgen dat de eigenschappen van staal worden beïnvloed. Doormiddel van thermisch ‘harden’ kan de slijtvastheid en daarmee de hardheid van een legering worden verbeterd. Dit is een proces waarbij staal (of ander metaal of legering) eerst wordt verhit en vervolgens wordt afgekoeld (temperen). Doormiddel van deze behandelingen kunnen de mechanische eigenschappen van staal worden aangepast aan de eisen die aan het product, dat er mee vervaardigd moet worden, zijn gesteld. De eigenschappen die staal heeft zijn goed op het gebied van sterkte, taaiheid en smeedbaarheid.
Wat is metaal?
Metaal is een verzamelnaam voor elementen die overeenkomsten met elkaar hebben. Zo geleiden metalen en legeringen die gemaakt zijn van metaal, elektrische stroom uitstekend. Metalen worden ingedeeld in twee groepen: de ferrometalen en de non-ferrometalen. De naam van deze indeling maakt duidelijk dat ferrometalen als belangrijk bestandsdeel ferro hebben oftewel ijzer (Fe) . Non-ferrometalen hebben ijzer niet als bestandsdeel. In een nonferro legering kan wel ijzer worden toegevoerd. Alleen wanneer het percentage ijzer lager is dan 50 procent blijft men van een nonferro legering spreken. Wanneer we metalen onderverdelen in deze twee groepen ontstaat het onderstaande overzicht.
Ferrometalen hoofdbestandsdeel ijzer
IJzer en legeringen die bestaan uit minimaal 50% ijzer. Daarnaast zijn deze magnetisch. Bijvoorbeeld:
- Gietijzer
- Kobalt
- Nikkel
- Staal (bijvoorbeeld constructiestaal en gereedschapstaal)
Nonferrometalen bevatten geen of nauwelijks ijzer
Non-ferrometalen bestaan uit minder dan 50% ijzer. Daarnaast zijn deze metalen niet magnetisch. Deze groep bevat in feite alle metalen die niet onder de ferrometalen vallen. Hieronder worden een aantal voorbeelden gegeven:
- Koper
- Chroom
- Zink
- Tin
- Aluminium
- Magnesium
- Titaan
- Goud
- Zilver
Toepassing van metalen
Hierboven werd duidelijk dat ijzer het hoofdbestandsdeel is van staal. De toevoeging van 0,1 tot 1,7 procent koolstof aan ijzer zorgt er voor dat de kwaliteit wordt verbeterd en er staal ontstaat. De toepassing van staal is breed. Hieronder volgen een aantal voorbeelden van vervoersmiddelen, producten en constructies waarin staal kan worden gebruikt:
- Spoorlijnen
- Bruggen
- Loodsen
- Auto’s
- Vrachtschepen
- Kranen
- Boorplatformen
Deze opsomming kan enorm worden uitgebreid. Bijna overal wordt staal gebruikt. Ook nonferro metalen worden toegepast in verschillende constructies. Hierbij moet goed gekeken worden naar de eigenschappen van het materiaal. Vaak worden er legeringen gemaakt om tot een optimale mix te komen van eigenschappen. Brons is een voorbeeld van een legering tussen koper en tin. Door deze combinatie kan brons worden gegoten. Brons gieten wordt al heel lang gedaan, nog voor het gebruik van ijzer zijn intrede deed in de menselijke beschaving.
Aluminium is een materiaal wat in verhouding tot staal weinig weegt. Daardoor is het geschikt voor constructies die niet te veel mogen wegen zoals bijvoorbeeld vliegtuigen. Ook voor de bouw van jachten wordt aluminium gebruikt. Het winnen van aluminium uit Bauxiet kost echter zeer veel energie waardoor de aluminiumproductie kostbaar en milieubelastend is. Zo heeft elke metaalsoort zijn toepassingsgebied. Kennis van metalen en hun eigenschappen vormt daardoor een belangrijk onderdeel van de werktuigbouwkunde.