Andere non-ferrometaallegeringen
Hoewel materiaalkunde meestal verwijst naar staal en legeringen van aluminium en koper, zijn veel belangrijke technische toepassingen gebaseerd op meer gespecialiseerde non-ferrometaallegeringen. Deze legeringen maken het mogelijk om wrijvingsverbindingen met gecontroleerde slijtage te ontwerpen, strakke en duurzame soldeerverbindingen te creëren, veiligheidselementen te ontwerpen die werken door smelten, en een hoge corrosiebestendigheid of een uitzonderlijk gunstige sterkte-gewichtsverhouding te bereiken.
Deze studie bespreekt zes groepen materialen: lagerlegeringen, soldeerlegeringen, laag smeltende legeringen, zink en zijn legeringen, titanium en zijn legeringen, en edelmetaallegeringen. De tabel laat zien hoe de keuze van samenstelling en microstructuur zich vertaalt in specifieke operationele vereisten: van smering en “inlopen” tot chemische bestendigheid en behoud van eigenschappen bij hoge temperaturen.
Dit artikel is gebaseerd op het leerboek “Metaloznawstwo” van professor Stanisław Rudnik. De volgende inhoud is slechts een algemeen overzicht van het onderwerp. Voor diegenen die geïnteresseerd zijn in het onderwerp, raden we ten zeerste aan om zich verder te verdiepen in de literatuur.
Lagerlegeringen
Lagerlegeringen worden gebruikt voor de vervaardiging van lagerschalen in glijlagers, waar het oppervlak van de lagerschaal rechtstreeks in contact staat met de as. Het materiaal van de lagerschaal moet daarom een lage wrijvingscoëfficiënt garanderen, slijtage aan beide wrijvingsoppervlakken verminderen en tegelijkertijd bestand zijn tegen hoge druk. Het is erg belangrijk dat de lagerschaal minder hard is dan de as, zodat eventuele schade optreedt in het element dat gemakkelijker te vervangen is, en niet op de as. Ook de schuifweerstand is belangrijk: de lagerbus moet voldoende plastisch zijn om zich aan te passen aan de micro-onregelmatigheden van de as, maar mag tegelijkertijd niet te zacht zijn, zodat deze bij bedrijfstemperatuur niet aan het oppervlak van de as blijft kleven.
In de praktijk worden deze eisen aangevuld met technologische en operationele eigenschappen: de legering moet gemakkelijk smeltbaar zijn (om het gieten van lagerschalen te vergemakkelijken), maar het smeltpunt mag niet te laag zijn, zodat de lagerschaal niet zachter wordt wanneer deze tijdens het gebruik wordt verwarmd. Andere belangrijke factoren zijn een goede hechting van de legering aan het materiaal van de lagerkom, voldoende thermische geleidbaarheid (wrijvingswarmteafvoer), corrosiebestendigheid en zo laag mogelijke kosten.
De beste eigenschappen worden verkregen door een legering met een structuur waarin harde insluitsels van de juiste grootte en hoeveelheid gelijkmatig zijn verdeeld in een relatief zachte en ductiele matrix. De zachte matrix vergemakkelijkt de aanpassing aan de vorm van de lagerpen zonder intense slijtage, terwijl de harde componenten de neiging van de matrix om te hechten verminderen en de vorming van capillaire openingen bevorderen waarin een dunne laag smeerolie kan blijven. Het wrijvingsknooppunt werkt dan stabieler en de smeringsomstandigheden zijn gemakkelijker te “handhaven”, zelfs tijdens tijdelijke overbelastingen.
Het goedkoopste lagermateriaal is vaak grijs perlitisch gietijzer. Het is bestand tegen hoge oppervlaktedruk, maar vanwege de relatief hoge slijtage is het niet geschikt voor motoren met hoge snelheden. De aanwezigheid van grafiet heeft een gunstig effect: gemalen grafiet gemengd met vet vormt een dunne laag op het oppervlak die slijtage vermindert. In toepassingen die betere parameters vereisen, worden echter meestal zachte, gemakkelijk smeltbare legeringen op basis van tin of lood gebruikt.
De beste groep lagerlegeringen zijn tin-antimoon-koperlegeringen, bekend als babbitt. Koper en antimoon verhogen de sterkte van deze legeringen met een lichte vermindering van de plasticiteit, dus het is cruciaal om hier een evenwicht in te vinden. Voor het veel voorkomende kopergehalte van 3-6% wordt de hoogste sterkte bereikt bij ongeveer 9-10% Sb, en samenstellingen die niet hoger zijn dan 10-12% Sb en 6-7% Cu worden als bijzonder gunstig beschouwd. Tot deze groep behoren onder andere SnSb8Cu3 en SnSb11Cu6. De matrix is een oplossing van antimoon en koper in tin – zacht en ductiel, hoewel harder dan puur tin – en tegen deze achtergrond bevinden zich kubische kristallen van de SnSb-verbinding en Cu6Sn5-kristallen in de vorm van sterren en naalden. De harde fasen fungeren als “dragers” van de belasting en stabiliseren de wrijvingsomstandigheden, maar babbitts zijn duur, dus worden ze voornamelijk gebruikt in lagers die onder hoge belastingen en snelheden werken.
Een goedkoper alternatief zijn tin-lood-antimoonlegeringen, waarin een deel van het tin is vervangen door lood. De zachte matrix in deze legeringen is een drievoudig eutecticum met een hoog loodgehalte, en de structuur bevat nog steeds kubische SnSb-kristallen. In de praktijk wordt vaak koper toegevoegd om segregatie als gevolg van verschillen in de dichtheid van de componenten te verminderen; het koper vormt dan harde naaldvormige Cu2Sb-verbindingen. Een voorbeeld is de PbSn16Sb16Cu2-legering, die goedkoper is dan babbitt, maar meestal onder minder veeleisende omstandigheden (lagere belastingen en snelheden) wordt gebruikt.
De derde groep bestaat uit loodlegeringen met alkalimetalen zoals calcium, barium of strontium. Deze elementen vormen harde verbindingen met lood (bijv. Pb3Ca, Pb3Ba) verdeeld in een zachte matrix van bijna zuiver lood; soms wordt ook een kleine hoeveelheid natrium toegevoegd om de hardheid te verhogen. Het voordeel is een lage kostprijs en een goede kwaliteit, wat het brede gebruik ervan bevordert, vooral in spoorwegen. De beperkingen zijn onder meer een lage weerstand tegen atmosferische corrosie en het uitbranden van legeringselementen tijdens het hersmelten. In lagers die onder bijzonder zware omstandigheden (hoge druk en hoge snelheden) werken, worden ook tinbrons of loodbrons gebruikt.
Soldeerlegeringen
Solderen is het proces waarbij metalen worden verbonden met behulp van een extra metaal – soldeer – dat wordt gesmolten, vloeit en de voegopening opvult. Het smeltpunt van het soldeer moet lager zijn dan het smeltpunt van de te verbinden metalen, zodat deze niet smelten. Een goede soldeerlegering moet de gesoldeerde oppervlakken goed bevochtigen, in beperkte mate oplossen in de te verbinden metalen, goed vloeien in gesmolten toestand en het stollingsbereik mag niet te groot zijn, omdat dit het moeilijk maakt om een homogene, dichte verbinding te verkrijgen.
Op basis van het smeltpunt onderscheidt men zacht soldeer (tot 450 °C) en hard soldeer (boven 450 °C). Zacht soldeer heeft een lage hardheid en een lage treksterkte (ongeveer 50-70 MPa), maar is wel ductiel, waardoor het een goede dichtheid biedt, hoewel het meestal niet is ontworpen om zware belastingen te dragen. De meest voorkomende zijn tin-loodsoldeer, waarbij een belangrijk referentiepunt de eutectische samenstelling van 61,9% Sn en een smeltpunt van 183 °C is.
Tin-loodsoldeer valt onder de norm PN-76/M-69400 en individuele soldeersoorten worden gemarkeerd met de letters LC en een getal dat overeenkomt met het gemiddelde tin-gehalte in procenten. Varianten met toevoeging van antimoon hebben de letter “A” aan het einde van de aanduiding, bijvoorbeeld LC30A bevat ongeveer 30% Sn, 68% Pb en 2% Sb. Het soldeer LC60 (60% Sn en 40% Pb) heeft een samenstelling die dicht bij eutectisch ligt, waardoor het het gemakkelijkst smelt en een zeer smal stollingsbereik heeft van ongeveer 7 °C. Naarmate het loodgehalte toeneemt, neemt het stollingsbereik toe; in een legering met 20% Sn en 80% Pb kan dit meer dan 100 °C bedragen, wat de vorming van poriën bevordert en de dichtheid en sterkte van de verbinding aantast. Bij kamertemperatuur nemen de hardheid en sterkte van Sn-Pb-legeringen toe met het tin-gehalte, en de hoogste waarden worden meestal verkregen door legeringen met 50-80% Sn; aan de andere kant zijn legeringen met een zeer laag tin-gehalte (5-10%) goedkoper, maar hebben ze slechtere eigenschappen.
Hard soldeer werkt bij veel hogere smelttemperaturen (van ongeveer 400 °C tot 2000 °C) en wordt gebruikt wanneer een hoge sterkte van de verbinding vereist is. De sterkte van verbindingen die met harde soldeer zijn gemaakt, kan ongeveer 200-700 MPa bedragen. In de praktijk zijn er drie hoofdgroepen: soldeer op basis van koper, soldeer op basis van zilver en speciaal soldeer. Koper heeft goede soldeereigenschappen en wordt gebruikt om staal, gietijzer en koperlegeringen te verbinden, maar vanwege het hoge smeltpunt moet er worden gesoldeerd bij temperaturen van 1100-1200 °C, wat het energieverbruik verhoogt en de eigenschappen van de gesoldeerde componenten kan aantasten als gevolg van structurele veranderingen tijdens het verwarmen. Om deze reden worden naast zuiver koper ook zijn legeringen op grote schaal gebruikt. Zilverlegeringen (onder meer gedekt door PN-80/M-69411) zijn van groot belang in de elektrotechniek, en de belangrijkste zijn Ag-Cu-Zn-legeringen met goede mechanische eigenschappen en corrosiebestendigheid, waardoor het mogelijk is om staal, koperlegeringen, edelmetalen en gesinterde carbiden met elkaar te verbinden. Speciale soldeerlegeringen zijn onder andere soldeerlegeringen op basis van goud en platina (bijvoorbeeld voor sieraden en tandheelkunde), soldeerlegeringen op basis van aluminium (voor het verbinden van lichte legeringen) en soldeerlegeringen op basis van magnesium (voor het verbinden van magnesiumlegeringen).
Laagsmeltende legeringen
Laagsmeltende legeringen (gemakkelijk te smelten) zijn legeringen met een smeltpunt dat lager is dan dat van tin, d.w.z. onder 232 °C. Ze bestaan uit metalen met een laag smeltpunt, voornamelijk lood, tin en bismut, en in kleinere hoeveelheden cadmium, antimoon, zink, indium en andere additieven. De samenstelling wordt zo gekozen dat er eutectische legeringen met een zo laag mogelijk smeltpunt worden gevormd, waardoor het smeltpunt van de legering nauwkeurig kan worden “ingesteld”.
Een goed voorbeeld van het effect van een meercomponentensysteem is het Sn-Pb-Cd-Bi-In-systeem, waarin de eutectische legering een smeltpunt van ongeveer 47 °C kan hebben. In de praktijk zijn de in ons land gebruikte laagsmeltende legeringen opgenomen in de norm PN-71/H-87203. Een van de laagste smeltpunten (ongeveer 70 °C) van de legeringen die in deze norm worden vermeld, is dat van de BiPb25Sn12Cd12-legering, bekend als Wood’s legering, met een samenstelling van 25% Pb, 12% Sn, 12% Cd en 51% Bi.
De toepassingen vloeien rechtstreeks voort uit de functie: laagsmeltende legeringen worden gebruikt voor smeltzekeringen en veiligheidsinzetstukken, onderdelen van brand- en alarmsystemen, in precisiegietwerk, maar ook in medische apparatuur en de orthopedische industrie, waar lage procestemperaturen vaak cruciaal zijn voor de veiligheid en precisie.
Zink en zijn legeringen
Zink is een blauwwit metaal met een soortelijk gewicht van ongeveer 70 kN/m³. Het heeft een laag smeltpunt (419,4 °C) en kookpunt (907 °C). De treksterkte is matig (Rm ca. 150 MPa) met een hoge rek (A10 ca. 50%), maar bij kamertemperatuur is zink broos. Pas wanneer het wordt verwarmd tot boven 100-150 °C wordt het kneedbaar en kan het worden gewalst tot dunne platen en getrokken tot draad.
Zink is bestand tegen droge atmosferen, maar in aanwezigheid van waterdamp en kooldioxide raakt het bedekt met een witte laag alkalisch zinkcarbonaat, die als beschermlaag fungeert en verdere corrosie beperkt. Zink lost op in verdunde zuren en basen. Het belangrijkste industriële gebruik van zink is de bescherming van staal: zinkcoatings (verzinken) zijn gunstig omdat zink, zelfs bij lokale lekken, als een beschermende anode fungeert. Omdat het een lager elektrochemisch potentieel heeft dan ijzer, lost zink op en wordt het staal zo tegen corrosie beschermd.
Zink wordt ook gebruikt als materiaal voor halffabricaten (bijvoorbeeld in de bouw) en is een belangrijk bestanddeel van veel andere metaallegeringen. Er zijn enkele legeringen waarin zink het hoofdbestanddeel is, waarvan de belangrijkste zinklegeringen met aluminium, koper en magnesium zijn, bekend als znale. Ze worden onderverdeeld in gietlegeringen en smeedlegeringen. Naast zink bevatten ze meestal tot 30% Al, tot 6% Cu en kleine hoeveelheden Mg; de verschillen tussen de varianten vloeien voort uit het beoogde gebruik en de productietechnologie.
Smeedlegeringen bereiken een hogere sterkte (ongeveer 280-320 MPa) met een betere plasticiteit (A5 ongeveer 5%). Gietlegeringen hebben een sterkte van 150-300 MPa, maar een zeer lage plasticiteit (A5 ongeveer 1%), wat typisch is voor gietstukken, met name drukgietstukken. Ondanks hun beperkte plasticiteit worden gegoten zinklegeringen veel gebruikt in de machine-industrie (carrosserieën, frames, afdekkingen), de automobielindustrie (carburateurs, hendels, deurklinken) en de elektrotechnische industrie (behuizingen van apparaten). Plastic bewerkbare legeringen kunnen duurdere koperlegeringen vervangen wanneer zuinigheid en eenvoudigere technologie belangrijk zijn.
Titanium en zijn legeringen
Titanium is een van de meest voorkomende elementen in de aardkorst, maar de industriële productie op grotere schaal is pas sinds 1948 ontwikkeld. Het is een zilverwit metaal, dat lijkt op roestvrij staal, met een laag soortelijk gewicht van ongeveer 44,1 kN/m³, wat bijna de helft is van dat van ijzer. Daarom is de verhouding tussen sterkte en dichtheid bijzonder gunstig, wat zich vertaalt in toepassingen waarbij elke kilogram telt.
Titanium komt voor in twee allotrope vormen: Tiα (stabiel bij lage temperaturen, compact hexagonaal rooster) en Tiβ (stabiel bij hogere temperaturen, ruimtelijk gecentreerd regelmatig rooster). De allotrope overgangstemperatuur is 882 °C. Dit materiaal wordt gekenmerkt door een zeer hoge corrosiebestendigheid, vergelijkbaar met die van austenitisch chroom-nikkelstaal. Bij temperaturen tot ongeveer 500 °C wordt titanium praktisch niet beïnvloed door lucht; alleen bij hogere temperaturen vormt zich een dunne, goed hechtende laag oxiden en nitriden op het oppervlak, die het metaal beschermt tegen de effecten van zuurstof en stikstof, zolang de temperatuur niet hoger is dan ongeveer 560 °C. Boven dit bereik neemt de chemische activiteit van titanium aanzienlijk toe.
De mechanische eigenschappen van titanium zijn sterk afhankelijk van de zuiverheid ervan. Zeer zuiver titanium is uiterst buigzaam en heeft parameters die vergelijkbaar zijn met die van zuiver ijzer: Rm ca. 250-300 MPa, R0,2 ca. 100-150 MPa, A10 ca. 50% en Z ca. 70%. Additieven verhogen de sterkte ten koste van de plasticiteit. Daarom worden in de technische praktijk de zuiverheid en de legeringsklasse gekozen op basis van de vereisten. Vanwege hun corrosiebestendigheid en hoge sterkte-dichtheidsverhouding worden titanium en zijn legeringen gebruikt in voertuigen, vliegtuigen, scheepsbouw en chemische apparatuur, hoewel hun hoge prijs een belemmering blijft.
In titaniumlegeringen op basis van beide allotropische variëteiten zijn er vaste oplossingen van α en β. Aangezien de β-fase stabiel is bij hoge temperaturen en de α-fase bij lage temperaturen, wordt warmtebehandeling op basis van faseovergangen mogelijk. Het mechanisme van de β→α-transformatie is afhankelijk van de temperatuur: bij hogere temperaturen is het diffusief en leidt het tot een korrelige structuur, terwijl bij aanzienlijke onderkoeling – vanwege de lage mobiliteit van atomen – een niet-diffusieve martensitische transformatie kan optreden, wat resulteert in een naaldachtige (martensitische) structuur die vaak α’ wordt genoemd.
Titaniumlegeringen die in de praktijk worden gebruikt, worden onderverdeeld in eenfasige α-, eenfasige β– en tweefasige α+β-legeringen. α-legeringen omvatten onder andere titaniumlegeringen met aluminium, het enige additief dat de α-fase stabiliseert; aluminium verhoogt de sterkte en heeft vanwege zijn lage dichtheid een positief effect op het soortelijk gewicht van de legering. β-legeringen komen relatief minder vaak voor, terwijl de belangrijkste tweefasige α+β-legeringen zijn, die additieven bevatten die de β-fase stabiliseren, zoals vanadium, molybdeen, tin, ijzer, chroom of magnesium. Ze zijn meestal sterker dan eenfasige legeringen, gemakkelijk plastisch te bewerken en gevoelig voor warmtebehandeling; de typische Rm ligt rond 900-1200 MPa en in het temperatuurbereik tot 500 °C is hun sterkte per eenheidsdichtheid soms gunstiger dan die van staal.
Hoewel martensitische transformatie de mogelijkheid van klassieke verharding suggereert, wordt deze in de praktijk niet vaak gebruikt omdat het effect op de mechanische eigenschappen soms verwaarloosbaar is. Voor α+β tweefasige legeringen omvat warmtebehandeling doorgaans oververzadiging en veroudering: oververzadiging omvat verhitting tot een temperatuur waarbij de β-fase stabiel is, gevolgd door snelle afkoeling om deze structuur te behouden. Tijdens veroudering ontleedt de β-fase gedeeltelijk tot een α+β-mengsel, waardoor de sterkte en plasticiteit kunnen worden gevormd.
Edelmetaallegeringen
Edelmetalen zijn onder andere goud, zilver en platina, en hun legeringen. Ze onderscheiden zich door hun zeer hoge weerstand tegen corrosie in atmosferische omstandigheden, in water en in talrijke chemische omgevingen. Tegelijkertijd hebben deze metalen een relatief lage sterkte met zeer goede plastische eigenschappen, waardoor ze in toepassingen die worden blootgesteld aan slijtage en vervorming (bijv. sieraden, tandheelkundige elementen) meestal worden gebruikt in de vorm van legeringen in plaats van als technisch zuivere metalen.
De mechanische gegevens van zuivere metalen laten deze specificiteit zien: goud heeft een Rm van ongeveer 130 MPa, een vloeigrens van ongeveer 50 MPa en een hardheid van ongeveer 20 HB met een reductie van ongeveer 95% en een rek van ongeveer 55%. Zilver heeft een Rm van ongeveer 160 MPa en een hardheid van ongeveer 25 HB, met een zeer hoge plasticiteit (Z ongeveer 95%, A10 ongeveer 60%). Platina bereikt een Rm van ongeveer 150 MPa en een hardheid van ongeveer 50 HB, eveneens met een hoge plasticiteit (Z ongeveer 90%, A10 ongeveer 50%).
Goud is bestand tegen de meeste zuren en basen, waardoor het onder andere wordt gebruikt voor chemisch en galvanisch vergulden, in laboratoriumapparatuur en in legeringen die worden gebruikt in de elektronica. Zilver is bijzonder goed bestand tegen sterke basen, maar is slecht oplosbaar in organische zuren; dankzij zijn zeer goede elektrische geleidbaarheid wordt het gebruikt in draden en elektrische componenten, evenals voor verzilveren. Platina is chemisch zeer bestendig, hoewel het oplost in kokend koningswater; in de chemische industrie wordt het zowel gebruikt vanwege zijn corrosiebestendigheid en katalytische eigenschappen als voor de vervaardiging van laboratoriumapparatuur (gaas, smeltkroezen, verdampers).
Goud en zilver worden voornamelijk gebruikt in sieraden en tandheelkunde als legeringen, omdat ze in zuivere vorm te zacht zijn. Koper en zilver zijn belangrijke toevoegingen in goudlegeringen. Het smelten van goud met zilver verhoogt de hardheid niet significant, terwijl de toevoeging van koper de hardheid merkbaar verhoogt, zij het ten koste van een zekere afname van de corrosiebestendigheid. Om deze reden worden vaak drievoudige Au-Ag-Cu-legeringen gebruikt, die kleur, hardheid en chemische bestendigheid in evenwicht brengen. In Polen komt de wettelijk vastgestelde goudfijnheid overeen met een Au-gehalte van 96%, 75% en 58,3%; historisch gezien kwam dit overeen met respectievelijk 23, 18 en 14 karaat (zuiver goud is 24 karaat). De legeringen met de derde fijnheid hebben de hoogste hardheid en slijtvastheid, maar ze hebben ook een duidelijk roodachtige kleur vanwege het hoge kopergehalte.
De belangrijkste componenten van zilverlegeringen zijn koper en zink, en de wettelijk vastgestelde zilverfijnheden zijn 94%, 87,5% en 80% Ag. De hoogste fijnheid wordt meestal niet gebruikt vanwege de te lage hardheid, terwijl de tweede en derde fijnheid worden gebruikt in artistieke producten, serviesgoed en accessoires. Vanuit technisch oogpunt is het ook belangrijk om zilverlegeringen te gebruiken als harde soldeer, waar ze goede mechanische eigenschappen en corrosiebestendigheid combineren met bevochtigbaarheid. Platina en zijn legeringen worden voornamelijk gebruikt in de industrie: Pt-Ir-legeringen met een hardheid van ongeveer 265 HB bij 40% iridium (gebruikt in elektrotechniek, elektrochemie, geneeskunde en sieraden) zijn van groot belang, terwijl platinalegeringen met rhodium worden gebruikt als katalysatoren en in de vorm van draden voor de vervaardiging van thermokoppels.
Andere non-ferrometaallegeringen – samenvatting
De besproken groepen legeringen laten zien dat het in de techniek vaak niet gaat om de “maximale” sterkte van een materiaal, maar om een reeks nauwkeurig geselecteerde eigenschappen. Lagerlegeringen zijn ontworpen voor wrijving, smering en inloopeigenschappen. Daarom is de structuur van harde insluitsels in een zachte matrix cruciaal. Soldeerlegeringen worden geselecteerd om de bevochtiging en stolling van de verbinding te regelen: zacht soldeer zorgt voor dichtheid, terwijl hard soldeer de constructie van zeer sterke verbindingen mogelijk maakt.
Laagsmeltende legeringen gebruiken hun lage smeltpunt als een functioneel kenmerk in veiligheidscomponenten en precisietechnologie. Zink en zijn legeringen dienen zowel als constructiemateriaal als voor de bescherming van staal tegen corrosie. Bovendien maken ze de goedkope productie van spuitgietstukken mogelijk. Titanium en zijn legeringen bieden een hoge corrosiebestendigheid en een uitstekende sterkte-dichtheidsverhouding, vooral in warmtebehandelde α+β-varianten. Aan de andere kant zijn edelmetalen en hun legeringen onvervangbaar wanneer chemische bestendigheid, geleidbaarheid of gecontroleerde hardheid bij behoud van hoge plasticiteit doorslaggevend zijn.
Hieronder vindt u een dwarsdoorsnedeoverzicht van non-ferrometalen en hun legeringen – eigenschappen en toepassingen (materiaal in het Engels).
