Wat zijn de fysische eigenschappen van metalen?

Metalen zijn scheikundige elementen die in het periodiek systeem der elementen zijn ondergebracht in de volgende categorieën: alkalimetalen,  aardalkalimetalen, overgangsmetalen en hoofdgroepmetalen. De indeling van metalen in de verschillende categorieën of groepen is gebaseerd op de fysische en chemische eigenschappen van de elementen. Het periodiek systeem der elementen wordt ook wel de tabel van Mendelejev genoemd omdat hij gezien wordt als de grondlegger van het periodiek systeem. In dit systeem staan alle elementen die bekend zijn. De elementen staan op volgorde van atoomnummer en elementen uit dezelfde periode staan naast elkaar. Elementen uit dezelfde groep staan boven elkaar. Hierdoor ontstaat een duidelijk overzicht voor mensen die een beeld willen krijgen van de eigenschappen van elementen.

Fysische eigenschappen van metalen
Met fysische eigenschappen van een element bedoelt men de eigenschappen die de natuurwetten volgen. Deze eigenschappen worden beïnvloed door de omgeving waarin het element zich bevind. Voorbeelden van omgevingsfactoren die invloed hebben op een element zijn de temperatuur en de vochtigheid. Elk element heeft fysische eigenschappen. Sommige fysische eigenschappen van elementen hebben overeenstemming met elkaar. Metalen hebben de volgende fysische eigenschappen die kenmerkend zijn:

  • Metalen hebben een hoge taaiheid.
  • Metalen zijn pletbaar.
  • Metalen hebben meestal een glimmend uiterlijk.
  • Metalen hebben met meestal een hoog smeltpunt. De meeste metalen zijn vaste stoffen bij standaardtemperatuur en standaarddruk bij kamertemperatuur. Het metaal kwik vormt hierop een uitzondering.
  • Metalen zijn goede geleiders van warmte.
  • Metalen zijn goede geleiders van elektriciteit.

De bovengenoemde eigenschappen gelden in het algemeen voor metalen. De fysische eigenschappen van metalen zijn onderling echter ook verschillend. Sommige metalen zijn zeer corrosiebestendig zoals goud en platina terwijl andere metalen zoals ijzer (ferro) zullen gaan roesten als ze niet tegen zuurstof beschermd worden. Daarnaast kunnen ijzer, nikkel  en een aantal andere metalen magnetisch worden gemaakt. Het smeltpunt van metalen en de mechanische sterkte van metalen is ook verschillend. Al deze eigenschappen zorgen er voor dat een bepaald soort metaal juist wel of juist niet geschikt is voor een bepaalde toepassing. De metallurgie is gericht op het onderzoeken en beschrijven van de eigenschappen van metalen. Mensen die in dit vakgebied werken noemt men metallurgen. De informatie van een metallurg over een metaal of metaallegering kan worden gebruikt door een engineer of constructeur bij sterkteberekeningen voor een bepaalde constructie of machine.

Wat is insnoering en wanneer ontstaat insnoering?

Insnoering is een situatie die kan ontstaan bij het vervormen van elastisch materiaal. Elastisch materiaal kan plastisch deformeren. Insnoering ontstaat wanneer elastisch materiaal zover wordt opgerekt dat het bijna breekt. In feite is insnoering het moment dat vlak voor de breuk ontstaat. Insnoering kan daardoor alleen ontstaan bij materiaal dat opgerekt kan worden. Bros materiaal kan niet insnoeren.

Hoe ontstaat insnoering?
Een taai materiaal kan men oprekken door een bepaalde kracht op het materiaal uit te oefenen. Hierdoor wordt het materiaal vervormt. Het materiaal zal eerst elastisch vervormen, dit houdt in dat het materiaal oprekt. Als er meer kracht op het materiaal wordt uitgeoefend dan zal het materiaal plastisch vervormen. Plastische vervorming ontstaat wanneer er meer kracht op het materiaal wordt uitgeoefend dan de vastgestelde treksterkte. Een plastische vervorming houdt in dat het materiaal blijvend van vorm is verandert en na het wegnemen van de kracht niet meer in de oorspronkelijke vorm zal terugkeren. Nadat de plastische vorming is ingetreden zal het materiaal gaan vloeien als de kracht op het materiaal aanwezig blijft. Vlak daarvoor vindt de insnoering plaats.

Insnoering ontstaat wanneer de vloeigrens zijn intrede doet.  De oppervlakte van het materiaal dat loodrecht ten opzichte van de kracht staat wordt kleiner. Vanaf dat moment wordt het materiaal dunner en is er minder kracht nodig om het materiaal nog verder op te rekken. Als de vloeigrens wordt overschreden zal het materiaal langer en dunner worden. Dit wordt ook wel vloeien genoemd. Als het vloeien niet wordt gestopt door het wegenemen van de belasting of kracht zal het materiaal ernstig verzwakken en uiteindelijk breken.

Insnoering en constructie
Een constructeur ontwerpt machines en constructies in de werktuigbouwkunde en metaaltechniek. Werknemers in deze functies hebben over het algemeen veel verstand van de eigenschappen van materialen. Deze informatie is van groot belang voor het ontwerpen van constructies, casco’s, frames en machines. Het materiaal waaruit deze objecten bestaan mag niet boven de vloeigrens belast worden omdat de gevolgen dan zeer ernstig kunnen zijn. Hoe hoger de vloeigrens van een metaal hoe taaier het materiaal is.

Constructeurs en engineers hebben veel kennis van de eigenschappen van metalen. Mochten ze echter meer informatie nodig hebben dan kunnen ze over het algemeen contact zoeken met een expert. Dit is meestal een metallurg. De metallurgie is gericht op het onderzoeken en beschrijven van de eigenschappen van metalen. Een metallurg weet daardoor de eigenschappen van metalen goed te benoemen zodat de constructeur hiermee rekening kan houden in zijn of haar ontwerpen.

Wat is elektrostaalproces en hoe verloopt het elektrostaalproces?

Voor de bereiding van staal kunnen verschillende methodes worden gebruikt. Aan het begin van de twintigste eeuw werd veel gebruik gemaakt van het Siemens-Martinproces voor de productie van staal. Halverwege deze eeuw werd het oxistaalproces proces / oxystaalproces populairder. Het oxistaalproces verloopt beduidend sneller dan het Siemens-Martinproces daardoor kan in een kleiner tijdsbestek meer staal worden geproduceerd. Tegenwoordig wordt ook een ander staalbereidingsproces toegepast. Dit is het elektrostaalproces. Doormiddel van het elektrostaalproces kan staal worden geproduceerd van een zeer hoogwaardige kwaliteit. Dit komt doordat de chemische reacties in het smeltbad goed geregeld kunnen worden.

Hoe verloopt het elektrostaalproces?
Voor het elektrostaalproces maakt men gebruik van een elektrovlamboogoven. Deze oven wordt ook wel elektro-oven genoemd. In het elektrostaalproces wordt schroot gerecycled tot staal. Aan het begin van het elektrostaalproces wordt schroot doormiddel van een soort stalen mand in de elektro-oven geladen. Deze stroken waar deze stalen mand uit bestaat zijn aan de onderkant aan elkaar verbonden met een touw. Zodra deze aaneengebonden mand boven de oven hangt en langzaam naar beneden wordt gebracht zorgt de hitte van de elektro-oven er voor dat het touw verbrand. Hierdoor gaan de stroken van de mand uitelkaar en valt het schroot door de zwaartekracht in de oven.

Het schroot moet worden gesmolten op een bepaalde temperatuur. Deze warmte wordt toegevoerd door gebruik te maken van elektrische lichtbogen. Deze lichtbogen ontstaan tussen die elektroden die in de oven naar beneden worden gebracht en de aanwezige lading. De elektroden zijn koolstaven en de lading bestaat uit het staalschroot dat in de oven is gebracht met de mand. De drie elektrodes worden gevoed met een driefasige wisselstroom.

De lading en de elektroden zorgen voor de lichtbogen en deze creëren vervolgens de benodigde hitte voor de oven zodat het schroot smelt. De chemische reacties die hierbij ontstaan kunnen goed worden geregeld. Het is zelfs mogelijk om verzinkt staal in elektro-ovens te recyclen. Dit zorgt er voor dat de kwaliteit van staal dat met het elektrostaalproces is gefabriceerd van hoge kwaliteit kan worden gemaakt. De slak wordt verwijdert en in een slakkenpan afgegoten. Vervolgens wordt het staal afgegoten in een gietpan. In totaal duurt de staalbereiding middels het elektrostaalproces twee tot vier uur. De overcapaciteit van de elektro-ovens verschilt. Gemiddeld is de capaciteit van deze ovens tussen de 100 en 300 ton staal.

Waarvoor wordt het elektrostaalproces gebruikt?
Het oxistaalproces wordt gebruikt voor de raffinage van ruwijzer. Dit is niet het geval bij het elektrostaalproces. Dit proces wordt gebruikt voor het maken van staal op basis van schroot. Het elektrostaalproces wordt gebruikt voor staalsoorten met een hoogwaardige legering. Daarnaast wordt het proces ook gebruikt voor het recyclen van ongelegeerd staal. Voor de fabricage van ongelegeerd staal wordt meestal gebruik gemaakt van grote elektro-ovens. Voor staal met speciale legeringen wordt meestal gebruik gemaakt van kleinere ovens maar dat hoeft niet. Staal van hoogwaardige legeringen wordt ook wel speciaalstaal genoemd. Metallurgen zijn technisch specialisten en hebben veel kennis van de eigenschappen van metalen. Hun vakgebied heet metallurgie. Metallurgen kunnen de eigenschappen van staalsoorten goed op elkaar afstemmen zodat de een legering met de gewenste kwaliteiten kan ontstaan. De metallurg maakt een duidelijke verhouding tussen de verschillende hoeveelheden van bepaalde metaalsoorten die samengevoegd moeten worden. Het elektrostaalproces kan worden gebruikt om de staallegering daadwerkelijk te vervaardigen. De kwaliteit van deze staallegeringen is hoog. Daar moet ook voor betaald worden. Het oxistaalproces wordt in de praktijk nog steeds veel gebruikt voor de productie van staal. Inmiddels neemt echter het elektrostaalproces twintig procent van de totale staalproductie voor zijn rekening.