Geschiedenis & begrippen
Een korte geschiedenis van metaal
De geschiedenis van de metallurgie begint niet bij de ijzertijd. Lang daarvoor had de mens al geleerd om bepaalde metalen te bewerken, met name koper. Aanvankelijk werd koper in zijn natuurlijke, metallische vorm gebruikt. Dankzij een steeds betere beheersing van vuur en metallurgische technieken werd het geleidelijk ook uit ertsen gewonnen en verder verwerkt.
De bronstijd
De bronstijd vormt een belangrijke stap in deze ontwikkeling. Brons is een legering die voornamelijk uit koper en tin bestaat. Het is harder en doorgaans beter geschikt voor de vervaardiging van gereedschappen en wapens dan zuiver koper, en maakte nieuwe productietechnieken mogelijk.
In Europa en het Nabije Oosten loopt de bronstijd ongeveer van het derde millennium tot het begin van het eerste millennium vóór onze jaartelling. Deze datering moet echter met de nodige voorzichtigheid worden benaderd: niet alle regio’s ter wereld maakten op hetzelfde moment dezelfde technologische ontwikkelingen door.
Sommige samenlevingen beheersten de koper- of bronsmetallurgie al, terwijl andere nog hoofdzakelijk stenen gereedschappen gebruikten.
De metallurgie had ook belangrijke economische en sociale gevolgen. Koperafzettingen en vooral tinafzettingen lagen niet noodzakelijk dicht bij de plaatsen waar voorwerpen werden gemaakt. De ontginning ervan vereiste daarom netwerken die winning, transport, handel en verwerking met elkaar verbonden.
Metaal veranderde dus niet alleen het gereedschap: het droeg ook bij aan de uitwisseling tussen bevolkingsgroepen en de specialisatie van ambachten.
De ijzertijd
De ijzertijd begon geleidelijk toen verschillende beschavingen leerden om ijzer doeltreffend te produceren en te bewerken.
Deze ontwikkeling vormde een aanzienlijke technische uitdaging. Zuiver ijzer heeft een smelttemperatuur van ongeveer 1 538 °C, tegenover ongeveer 1 085 °C voor koper. De eerste ijzerbewerkers lieten het ijzer doorgaans niet volledig smelten: ze gebruikten processen waarbij het erts werd gereduceerd en het verkregen metaal vervolgens door smeden werd bewerkt.
De ijzertijd begon dus niet overal ter wereld op hetzelfde moment. Dat hing onder meer af van de beschikbare grondstoffen, de uitwisseling tussen bevolkingsgroepen en de beheersing van ovens en metallurgische processen.
Na verloop van tijd leidde de beheersing van ijzer en zijn koolstofgehalte tot de ontwikkeling van een materiaal dat vandaag een centrale plaats inneemt in de bouw: staal.
Van ijzer naar staal
In tegenstelling tot ijzer is staal geen zuiver metaal, maar een familie van legeringen op basis van ijzer en koolstof.
Het koolstofgehalte van staal ligt doorgaans tussen ongeveer 0,02 en 2 massaprocent. Hoewel dit aandeel erg klein lijkt, heeft het een grote invloed op de eigenschappen van het materiaal.
Een hoger koolstofgehalte maakt staal in het algemeen harder en sterker, maar vermindert doorgaans ook de ductiliteit en kan het lassen moeilijker maken.
Om specifieke eigenschappen te verkrijgen, kunnen andere elementen worden toegevoegd: chroom, nikkel, mangaan, molybdeen, silicium en vanadium, naast vele andere.
Daarom bestaat er vandaag een zeer grote verscheidenheid aan staalsoorten. Sommige zijn ontworpen om gemakkelijk te worden gevormd en gelast, andere om grote mechanische belastingen te dragen of bestand te zijn tegen slijtage, hoge temperaturen of corrosie.
Staal voor een metaalconstructie wordt dus niet uitsluitend op basis van zijn sterkte gekozen. Er moet rekening worden gehouden met een geheel van fysische en mechanische eigenschappen die bij het beoogde gebruik passen.
Een korte geschiedenis van het lassen
Het verbinden van metalen is bijna even oud als de metallurgie zelf. Lang vóór de komst van elektriciteit ontdekten smeden dat ze een duurzame verbinding konden maken door twee stukken voldoende te verhitten en vervolgens samen te hameren: dit is vuurlassen, waarbij de stukken niet volledig worden gesmolten.
Het moderne lassen ontwikkelt zich vooral vanaf de negentiende eeuw, dankzij de beheersing van elektriciteit en de elektrische boog. Die boog concentreert veel energie op een klein oppervlak en bereikt snel de temperaturen die nodig zijn om staal te smelten. In de vaktaal verwijst lassen naar de bewerking en de las naar de verkregen verbinding.
In de twintigste eeuw worden de belangrijkste processen ontwikkeld die vandaag nog worden gebruikt: lassen met beklede elektrode, TIG en vervolgens MIG/MAG. Mechanisering en robotisering breiden daarna hun toepassingsmogelijkheden uit.
Wat gebeurt er tijdens het lassen?
Bij de smeltlasprocessen die vaak voor staal worden gebruikt, worden de oppervlakken van de stukken plaatselijk verhit tot ze smelten. Zo ontstaat een smeltbad, waaraan toevoegmateriaal kan worden toegevoegd. Andere processen, zoals vuurlassen en wrijvingslassen, verbinden materialen in de vaste toestand.
Terwijl de warmtebron verder beweegt, koelt het metaal erachter af en stolt het tot een lasrups.
Het verschijnsel is sterk plaatselijk: een klein gebied wordt snel van omgevingstemperatuur tot smelten verhit, terwijl het aangrenzende metaal opwarmt zonder te smelten. Het niet-gesmolten deel waarvan de structuur en eigenschappen door deze thermische cyclus veranderen, heet de warmte-beïnvloede zone (WBZ).
De elektrische boog en plasma
Bij MIG/MAG, TIG en lassen met beklede elektrode komt de warmte hoofdzakelijk van een elektrische boog tussen een elektrode en het werkstuk.
Onder invloed van het elektrische veld en de temperatuur wordt het gas ertussen geïoniseerd: elektronen komen los van atomen. Dit mengsel van geladen en neutrale deeltjes laat stroom door en wordt plasma genoemd.
De stroom houdt in de boog temperaturen van enkele duizenden graden in stand. Die liggen boven de temperaturen die nodig zijn om staal te smelten en die afhankelijk zijn van de samenstelling ervan.
Plasma komt ook voor in sterren, waaronder de zon: het is de meest voorkomende toestand van zichtbare materie in het heelal.
Waarom moet de las worden beschermd?
Staal laten smelten brengt een uitdaging met zich mee: bij hoge temperaturen reageert het metaal bijzonder gemakkelijk met zijn omgeving.
Lucht bevat ongeveer 21% zuurstof en een grote hoeveelheid stikstof. Hun wisselwerking met het smeltbad kan oxidatie, porositeit, insluitingen of andere veranderingen veroorzaken die de eigenschappen van de las kunnen aantasten.
Het metaal moet dus worden verhit terwijl het smeltbad tegen de atmosfeer wordt beschermd. Dat is onder meer de taak van beschermgassen bij MIG/MAG en TIG. Bij lassen met beklede elektrode produceert de bekleding beschermende gassen en een slaklaag die het neergesmolten metaal bedekt.
De gaskeuze onderscheidt MIG, met een inert gas, van MAG, met een actief gas. Beide gebruiken een draadelektrode die afsmelt en het smeltbad aanvult. TIG gebruikt een niet-afsmeltende wolfraamelektrode; eventueel toevoegmateriaal wordt apart toegevoegd. Deze processen worden toegelicht in de begrippenlijst.
Enkele essentiële eigenschappen van staal
Mechanische sterkte
Het vermogen van een materiaal om belastingen te dragen zonder te breken. Een metalen onderdeel kan onder meer worden belast op trek, druk, buiging, afschuiving of torsie.
Elasticiteit
Het vermogen van het materiaal om zijn oorspronkelijke vorm terug te krijgen nadat een belasting is weggenomen. Zolang het materiaal binnen het elastische gebied blijft, is de vervorming omkeerbaar.
Vloeigrens
De spanning waarbij het materiaal blijvend begint te vervormen. Dit is een bijzonder belangrijke eigenschap bij de dimensionering van metaalconstructies.
Wist u dat? Een auto die vervormt, kan zijn inzittenden beter beschermen.
Een stevige auto werd lang geassocieerd met een carrosserie die nauwelijks vervormde. Toch betekent weinig vervorming na een botsing niet dat de inzittenden goed beschermd waren: een zeer abrupte stop kan hen aan een sterke vertraging blootstellen.
Moderne auto’s hebben vooraan en achteraan kreukelzones. Bij een botsing worden bepaalde onderdelen in die zones boven hun vloeigrens belast en vervormen ze blijvend. Deze plastische vervorming absorbeert een deel van de botsenergie en verlengt de tijd waarover het voertuig vertraagt. Samen met veiligheidsgordels en airbags helpt dit de krachten op de inzittenden te beperken.
Het principe bestaat erin vervormbare zones te combineren met een zeer sterke passagierscel. Het doel is dus niet om overal een lage vloeigrens toe te passen: de vorm en dikte van de onderdelen, de sterkte en de ductiliteit van het staal worden afgestemd op de functie van elke zone.
Ductiliteit
Het vermogen van een materiaal om plastisch te vervormen voordat het breekt. Ductiel staal kan sterk vervormen vóór de breuk, in tegenstelling tot een bros materiaal, dat bij relatief weinig vervorming kan breken.
Hardheid
Het vermogen van een materiaal om weerstand te bieden aan plaatselijke vervorming, indrukking of slijtage. Hardheid mag niet worden verward met mechanische sterkte of taaiheid.
Taaiheid
Het vermogen van een materiaal om energie te absorberen en te vervormen voordat het breekt. Het combineert als het ware sterkte met vervormingsvermogen en speelt een belangrijke rol wanneer een onderdeel aan schokken kan worden blootgesteld.
Lasbaarheid
De geschiktheid van een materiaal om door lassen te worden verbonden, met behoud van voldoende goede eigenschappen in het onderdeel en de laszone. Niet alle staalsoorten hebben dezelfde lasbaarheid.
Corrosiebestendigheid
Het vermogen van een materiaal om weerstand te bieden aan chemische of elektrochemische reacties met zijn omgeving. Koolstofstaal kan bijvoorbeeld worden beschermd door verven, poedercoaten of verzinken. Bepaalde roestvaste staalsoorten danken hun corrosiebestendigheid onder meer aan hun chroomgehalte.
Een korte begrippenlijst van de metallurgie
Legering
Een materiaal dat uit meerdere chemische elementen bestaat, waarvan er minstens één een metaal is. Staal is voornamelijk een legering van ijzer en koolstof, terwijl brons voornamelijk een legering van koper en tin is.
IJzer
Het chemische element met het symbool Fe. Het is het hoofdbestanddeel van staal.
Staal
Een familie van legeringen met ijzer als hoofdbestanddeel, een gecontroleerde hoeveelheid koolstof en eventueel andere legeringselementen.
Gietijzer
Een legering van ijzer en koolstof met een hoger koolstofgehalte dan staal. De eigenschappen en productiemethoden verschillen van die van de staalsoorten die doorgaans in metaalconstructies worden gebruikt.
Metallurgie
Het geheel van technieken en kennis voor de winning, productie, verwerking en studie van metalen en hun legeringen.
Smeden
Een proces waarbij een metaal, doorgaans in warme toestand, wordt vervormd door mechanische krachten uit te oefenen.
Walsen
Een proces waarbij metaal tussen walsrollen wordt gevoerd om de vorm of dikte te veranderen. Veel profielen, platen en producten voor metaalconstructies worden door walsen vervaardigd.
Verzinken
Een proces dat staal tegen corrosie beschermt door een zinklaag aan te brengen.
Poedercoaten
Een afwerkingsproces waarbij doorgaans poederlak op een metalen onderdeel wordt aangebracht en vervolgens door verhitting wordt uitgehard. Het zorgt voor een duurzame afwerking en draagt bij aan de bescherming van het onderdeel.
Lassen en las
Lassen is de bewerking waarbij stukken blijvend worden verbonden door warmte, druk of een combinatie van beide, met of zonder toevoegmateriaal. De las is de verkregen verbinding.
Vuurlassen
Het verbinden van verhitte metalen stukken door druk, met name door hameren, zonder ze volledig te smelten. Dit is een van de oudste lasprocessen.
Elektrische boog
Een in stand gehouden elektrische ontlading door een geïoniseerd gas tussen twee geleiders. Bij booglassen levert die de warmte om het metaal te smelten.
Plasma
Een toestand van materie die bestaat uit een gedeeltelijk of volledig geïoniseerd gas met ionen en vrije elektronen. Het is de meest voorkomende toestand van zichtbare materie in het heelal, onder meer in de zon en andere sterren. Meer over plasma.
Elektrode
Een element dat stroom naar de boog geleidt. Bij MIG/MAG en MMA smelt de elektrode af; bij normaal TIG-lassen is ze niet-afsmeltend.
Toevoegmateriaal
Metaal dat tijdens het lassen aan de verbinding wordt toegevoegd, bijvoorbeeld als draad of staaf. De samenstelling wordt afgestemd op de werkstukken en de gewenste eigenschappen.
Smeltbad
Het volume vloeibaar metaal dat tijdens het lassen ontstaat uit de werkstukken en, indien gebruikt, het toevoegmateriaal.
Lasrups
Het spoor van gestold metaal dat na een lasgang achterblijft. Voor een verbinding kunnen meerdere lasgangen nodig zijn.
Warmte-beïnvloede zone (WBZ)
Het deel van het basismetaal dat niet gesmolten is, maar waarvan de structuur en eigenschappen door de laswarmte zijn veranderd.
Beschermgas
Gas dat het smeltbad afschermt van de omgevingslucht. Het kan inert zijn, zoals argon, of actief, zoals een mengsel van argon en koolstofdioxide (CO₂).
Slak
Een niet-metallische laag uit flux of elektrodebekleding die bij bepaalde processen het neergesmolten metaal beschermt. Ze wordt na afkoeling en waar nodig tussen lasgangen verwijderd.
MMA — lassen met beklede elektrode
Van het Engelse Manual Metal Arc. Handmatig booglassen met een afsmeltende elektrode waarvan de bekleding beschermgas en slak vormt. Ook bekend als SMAW of BMBE: booglassen met beklede elektrode.
MIG — Metal Inert Gas
Booglassen met een continu aangevoerde draadelektrode en een inert gas, doorgaans argon, helium of een mengsel ervan. Vaak toegepast op aluminium en andere non-ferrometalen.
MAG — Metal Active Gas
Hetzelfde principe van een continu aangevoerde draadelektrode als bij MIG, maar met een actief gas, bijvoorbeeld een argon–CO₂-mengsel. Veel gebruikt voor staal. MIG en MAG behoren tot de GMAW-familie.
TIG — Tungsten Inert Gas
Booglassen onder inert gas met een niet-afsmeltende wolfraamelektrode. Eventueel toevoegmateriaal wordt apart toegevoegd. Gewaardeerd om de nauwkeurige beheersing van de las; ook bekend als GTAW.
Meer over de processen: TWI — booglassen, MIG/MAG en de verschillen tussen MIG en TIG.