Metaal

Metaal wordt al eeuwenlang gebruikt en is één van de basismaterialen in ons heelal. Het is een groep elementen die veelvuldig wordt toegepast in allerlei vormen, samenstellingen en producten. Bekende metalen zijn goud, aluminium en ijzer en staal. Niet alle metalen zijn in zuivere vorm verkrijgbaar, er is dan sprake van een legering. Eén van de bekendste legeringen is staal, een combinatie van o.a. ijzer en koolstof.

Oorsprong van metaal

Het heelal bestaat uit een ontelbare hoeveelheid materie. Deze materie is opgebouwd uit elementen, een zuivere stof die niet langs chemische weg tot eenvoudige stof kan worden afgebroken. De elementen worden opgedeeld in twee groepen; organische- en anorganische stoffen. Metaal is een anorganische stof, die in de natuur zelden in zuivere vorm wordt gevonden. Metalen worden gedolven in de vorm van ertsen, die vervolgens worden omgezet in de zuivere metaalvorm.

In de scheikunde wordt het begrip metaalsoorten anders toegepast als in de industrie. Daarom een korte uitleg over het begrip metaal

Alle metalen zijn scheikundige elementen, deze staan allemaal vermeld in het periodiek systeem der elementen. Van de 90 stabiele elementen behoren er 65 tot de metalen.

De metalen worden opgedeeld in een aantal groepen: alkalimetalen, aardalkalimetalen, overgangsmetalen en hoofdgroepmetalen. Een belangrijke eigenschap van metalen is de lage elektro-negativiteit. De elektronen zijn niet sterk verbonden aan de kern en kunnen daardoor gemakkelijk reageren met andere stoffen.

  • Alkalimetalen
    (groep 1 periodiek systeem:) – deze metalen hebben een hoge reactiviteit en verbinden zich makkelijk aan andere elementen. In de natuur komt geen van deze elementen in zuivere vorm voor. Bijv. Natrium en Lithium.
  • Aardalkalimetalen
    (groepsnummer 2 periodiek systeem:) – deze metalen hebben een hoge reactiviteit, maar zijn stabieler als Alkalimetalen. Bijv. Magnesium en Calcium.
  • Overgangsmetalen
    (D-blok periodiek systeem) – in deze groep zitten alle elementen die gebruikt worden in de metaalbewerking: bijv. Titanium, Chroom, IJzer, Zink, Mangaan, Wolfraam, maar ook Zilver, Platina en Goud.
  • Hoofdgroepmetalen
    In deze groep zitten nog enkele metalen die niet in de voorgaande groepen vallen om meerdere scheikundige redenen. De bekendste zijn Aluminium, Tin en Lood.

Metalen worden al eeuwen toegepast voor allerlei activiteiten en gebruiksdoeleinden. Bekende metalen zijn: ijzer, koper, aluminium, nikkel, chroom, zink, tin, zilver, goud en platina. Daarnaast zijn er nog legeringen, dit is een chemische samenstelling van meerdere elementen. Eén van de meest bekende legeringen is staal; een samenstelling van hoofdzakelijk ijzer en koolstof.

Metaaltypen

Metaalsoorten komen in twee typen voor; zowel in zuivere vorm als een combinatie van verschillende elementen. Metaalsoorten met een zuivere vorm zijn; beryllium, titaan, koper, goud, zilver, platina, lood en kwik.

Het grootste deel van de metalen is echter alleen te realiseren wanneer een combinatie van verschillende elementen plaatsvindt. Er zijn drie soorten combinaties; legeringen, (een combinate van metaal en andere elementen) verbindingen (een stof waarbij de elementen moleculen vormen met een vaste chemische samenstelling) en mengsels (een fysische mix van twee of meer stoffen).

Een belangrijk element voor de vorming van metalen is ijzer. Hoewel dit in zuivere vorm een vrijwel onbruikbaar metaal is, worden de eigenschappen veel beter bij toepassing als legering. IJzer is van nature erg bros, maar wanneer hier bijv. koolstof aan wordt toegevoegd, samen met nog andere elementen ontstaat een sterk materiaal dat beter bekend staat als staal.

Technische materialen worden in twee groepen ingedeeld. Ferrometalen (materiaal met als hoofdbestanddeel ijzer) en non-ferrometalen (materiaal met een ander hoofdbestanddeel).

Ferrometalen

Ferrometalen zijn metalen met als hoofdbestandsdeel ijzer (scheikundig Fe). In deze categorie vallen ijzer, gietijzer en RVS

Staal

Staal is de meest gangbare ferro-metaal. Dit metaal bevat als hoofdbestandsdeel ijzer in combinatie met koolstof. Het koolstof gehalte is vaak niet meer dan 2%. Staal is een kneedproduct dat gevormd kan worden door middel van walsen of smeden. Indien staal wordt uitgevoerd met een koolstofpercentage van 0,2 tot 0,5 is het ook te gieten, dit heet dan gietstaal.

Gietijzer

Gietijzer is een metaal bestaande uit ijzer, koolstof, silicium en andere elementen. Het koolstofpercentage ligt tussen de 2,5% en 4%. Voordeel van dit materiaal is dat het gemakkelijk is te gieten. Producten kunnen dan met behulp van een mal gecreëerd worden.

RVS

RVS bestaat uit een combinatie van ijzer, chroom en andere elementen die bestand zijn tegen corrosie. RVS heeft minimaal een chroom gehalte van 10,5%. RVS wordt gebruikt voor constructies die bestand moeten zijn tegen corrosie.

Lasersnijden snijrand staalStaal
Roestvast staalRVS of roestvast staal

Non-ferrometalen

Non-Ferrometalen zijn metalen waarin geen ijzer aanwezig is, of waarin ijzer niet het hoofdbestandsdeel is. In deze categorie vallen o.a. aluminium en koper, maar ook lood, zink, brons en messing.

Aluminium

Aluminium wordt zowel in zuivere vorm en als legering toegepast. Aluminium bestaat uit het gelijknamige element en wordt gewonnen uit aluminiumoxide. Aluminium heeft een lage dichtheid en is ideaal voor het realiseren van lichte constructies. Aluminium wordt ook toegepast als legering samen met silicium, kopen en magnesium.

Koper

Koper komt veel voor in zuivere vorm. Koper heeft uitstekende geleidingseigenschappen en wordt veel gebruikt voor elektriciteit- en warmtegeleiding. Ook koper wordt n legeringen gebruikt. Een combinatie van koper en tin geeft brons en een combinatie van koper en zink geeft messing.

Productie van metaal

Metalen worden zelden in zuivere vorm gevonden. De meeste metalen worden gedolven uit de natuur, dit wordt ook wel erts genoemd. Ertsen zijn metalen in een verontreinigde toestand, vaak is dit zuurstof. Enkele metalen kunnen in zuivere vorm gevonden worden. Dit zijn bijvoorbeeld: goud, zilver en koper.

Ertsen worden gedolven uit de natuur , vaak in mijnen. Na delving maakt het erts een flotatie- en een pelletiseerproces door. Hierdoor wordt ijzererst omgevormd naar knikkers met een hoog ijzergehalte. De knikkers worden verscheept naar hoogovens met een temperatuur van 2000°C en daar worden ze bovenin de hoogoven gestort. Door een chemisch proces ontstaat gesmolten ijzer onderin de hoogoven. Het metaal heeft dan nog geen vorm. Door middel van gieten en walsen wordt het metaal vormgegeven.

Structuur van metaal

Wanneer een metaal afkoelt vind de overgang van een vloeibare naar vaste fase plaats. Hierbij ontstaat een kristalrooster. Dit kristalrooster komt voor in verschillende structuren; kubisch ruimtelijk gecentreerd, kubisch vlakken gecentreerd en hexagonaal dicht gestapeld. Het rooster geeft aan hoe de onderlinge kristallen van elkaar zijn gepositioneerd, dit rooster is heel erg klein. Een kristalrooster is nooit volledig zuiver en zal na het stollen altijd fouten bevatten. Men spreekt over: puntfouten, lijnfouten, oppervlaktefouten of volume fouten.

Lijnfouten worden ook wel dislocaties genoemd en hebben sterke invloed op de sterkte van het staal. Veel dislocaties zorgen er namelijk voor dat de kristallen onderling niet meer kunnen bewegen. Dislocaties zijn te verwezenlijken door materiaal te rekken (bij het buigen van een paperclip zal het materiaal op de plaats van buiging harder worden). Daarnaast kan men ook gebruik van andere elementen maken, deze onderbreken het kristalroosters zodat deze niet kunnen bewegen, dit heet ook wel precipaatharding. Als laatste is het ook mogelijk het materiaal af te schrikken.

Warmtebehandeling van metaal

Door warmtebehandeling zijn de mechanische eigenschappen van metalen te beïnvloeden. Door het metaal te verwarmen kunnen de verschillende stoffen die aanwezig zijn in een legering naar vloeibare toestand gebracht worden. Als het metaal daarna weer afkoelt, is het kristalrooster opnieuw opgebouwd.

De structuur van het materiaal is te beïnvloeden door het reguleren van de afkoelsnelheid. Bij het langzaam afkoelen zijn de verschillende stoffen van de legering goed van elkaar gescheiden. Bij snel afkoelen (schrikken) worden de verschillende stoffen niet goed gescheiden. Daardoor ontstaat een andere structuur.

Tot slot zijn ook de aanwezige stoffen in het metaal te beïnvloeden. Door bijvoorbeeld het metaal te verwarmen en vervolgens in een oliebad te dompelen, neemt het metaal olie op. Hierdoor wordt het oppervlak van het metaal harder.