Grotere Vragen Bespreek het basisprincipe van elektrochemische corrosie. Hoe kan je de corrosiesnelheid meten? Bij elektrochemische corrosie zijn er 2 soorten elementen: aan de anode wordt een element geoxideerd terwijl aan de kathode het andere element gereduceerd wordt. Het geheel vormt een redoxreactie. De tendens wordt het best herkend in de standaard potentialen (wet van Nernst), dit is het potentiaal gemeten t.o.v. een waterstofelektrode bij 25 C en een H + concentratie van 1 mol/liter (ph=0) waarbij een platinum elektrode in de oplossing is gedompeld. Sommige metalen geven liever elektronen af dan H2 (negatieve potentiaal) en andere nemen er sneller op (positieve potentiaal, reductors). Echter is het metaal niet zuiver genoeg in het milieu en heeft men daarom praktijkreeksen opgesteld die iets zeggen over contact tussen metalen. Corrosie wordt sterk beïnvloed door: - de materiaaleigenschappen (chemische samenstelling, korrelgrenzen, inwendige spanningen ), - de redoxpotenialen en - de omgeving (zuur of basische, temperatuur, druk ). Om deze corrosie tegen te gaan doen we aan passivatie van het oppervlak (anodische bescherming), bekleden van het metaal, bijlegeren en conditionering van de omgeving. De corrosiesnelheid wordt weergegeven door de stroomdichtheid te bekijken als gevolg van het potentiaal. Tussen de elektroden ontstaat namelijk een potentiaal wegens de aanwezigheid van de ionen en de elektronen waardoor ladingtransport plaatsvindt. Er zal een uitwisselingsstroom ontstaan. Bespreek 3 methoden om de vloeigrens van metaallegeringen te verhogen. De vloeigrens (of rekgrens) geeft aan tot hoever een metaal kan uitgerokken worden vooraleer het plastisch gaat ververvormen. Metaallegeringen die bros zijn hebben bijgevolg ook een lage vloeigrens in tegenstelling tot de hoge vloeigrens van ductiele materialen. Het verhogen van de vloeigrens is in feite het ductieler maken van het materiaal. Dit kan door: 1) Nikkel toe te voegen: de taaiheid (vervormbaarheid) verhoogt. 2) Het metaal ontlaten of temperen: dit is het metaal een lange tijd op een bepaalde temperatuur houden. 3) Het metaal uitgloeien: hierdoor worden inwendige spanning opgeheven (spanningsarmgloeien), verfijnt de korrelgroote (normaalgloeien) of kan het metaal zachter worden (zachtgloeien). 1
Bespreek de structuur en de eigenschappen van glas. Glas is een veelzijdig product. Het is een amorfe, niet-kristallijne stof (gesmolten materiaal dat vast geworden is) dat boven de Tg (glasovergangstemperatuur) een onderkoelde vloeistof is met beweeglijke wanorde. Onder Tg is glas een vaste stof met vaste wanorde. De meeste glazen bestaan voornamelijk uit SiO2 (silica), maar er zijn ook andere verbindingen die glasvorming kennen (zelfs metallische glazen). Het SiO2 zit in glas als een willekeurige stapeling van (Si04) 4- tetraëders, in een open structuur verbonden met Si-O-Si bruggen. Indien men andere (metaal-)oxiden toevoegt kan men het smeltpunt van glas verlagen. De vreemde kationen zullen een plaats tussen de tetraëders opzoeken. De belangrijkste eigenschappen van glas zijn: - Bros en hard, lage treksterkte. - Drukspanningen in de buitenlaag door snel afkoelen. Als men dit tempert leidt dit tot voorgespannen glas, dat sterk is maar als het breekt in vele stukjes uit elkaar valt. - Corrosievastheid is zeer goed, doch kan er aantasting zijn door aanwezigheid van sterke zuren of basen. - Lage warmtegeleiding in vergelijking met metalen. - Goede elektrische isolator. Geef de verschillende RVS naar kristalstructuur met belangrijkste eigenschappen. Men spreekt van roestvast staal vanaf een gewichtspercentage van 10% chroom. Er zijn 5 soorten RVS: - Ferrietisch RVS heeft een zeer laag %C om de vorming van carbiden te voorkomen. Het is bros, slecht lasbaar en kerfgevoelig. Daarentegen is het zeer goed bestand tegen spanningscorrosie en is het magnetisch. Men mag het niet gebruiken boven de 340 C. - Martensietisch RVS heeft tot 1,2%C. Het is zeer goed hardbaar waardoor het heel sterk kan gemaakt worden, eventueel na ontlaten. In Cl-omgeving is het zeer corrosiebestendig. - Het meest gebruikte RVS (mes, lepel, ) is het austenietisch RVS. Het is een metastabiel KVG (kubisch vlakken gecenterd) staal (niet magnetisch) dat moet afgeschrikt worden vanaf hoge temperatuur. Het is koudvervormbaar en wordt vaak bijgelegeerd met Mo, Ti - Precipitatiehardend RVS bestaat uit 3 types. Het martensietische, semi-autstenitische en het austenitische RVS. - Als laatste is er nog het duplex RVS. Dat bestaat uit ferriet en austeniet door bijlegering van zowel ferrietstabilisatoren (Cr, Si ) als austenietstabilisatoren (Ni, Co ). Het ferriet voorkomt scheurvorming bij hoge temperaturen. Het is veel sterker dan het éénfazige RVS. 2
In welke vormen kan koolstof voorkomen als constructiemateriaal? Geef ook toepassingen. Men vindt 3 vormen in de natuur: amorf koolstof, grafiet (zacht) en diamant (uiterst hard). Het heeft verscheidene toepassingen: - Koolstofvezel. - Warmtewisselaars (in de chemische industrie en ook in de micro-elektronica). - Daimond Like Coatings (inert tegen corrosie) in harde schijven en scheermesjes. - Gesinterde carbiden in een composietstructuur met metaal als matrix. Beschrijf de productie van kopererts tot zuiver koper. Koper wordt uit ertsen gehaald en tot een uiterst zuivere vorm gebracht in 6 stappen: - Concentratie van het erts door flotatie en andere scheidingstechnieken. - Roosten: vluchtige stoffen worden verwijderd in een oven zonder het koper te smelten. - Erts wordt gesmolten in gecontroleerde atmosfeer (verwijdering van enkele onzuiverheden zoals Fe) tot matte met ongeveer 30% Cu. - Lucht of zuurstof wordt door het gesmolten koper-sulfide mengsel geblazen. De sulfiden worden geoxideerd waardoor metallisch koper wordt gevormd: blister koper (98-99% zuiver). - Elektrolyse van koper: anodes van blister koper. Cu slaat neer op kathode (Cu). 99,9% zuiver. - Kathoden worden nu gesmolten tot draadstaven of knuppels: ETP-koper. (Elecrolytic Tough Pitch): elektrolytisch zuurstofhoudend koper. Beschrijf de productie van aluminiumerts tot zuiver aluminium. Aluminiumerts Al2O3 (bauxiet) wordt gereduceerd tot aluminium door elektrolyse in kryoliet Na3AlF3 (een gesmolten zout). Het kryoliet zorgt ervoor dat het smeltpunt van bauxiet verlaagt zodat men het in gesmolten toestand kan bekomen. Het aluminium slaat neer aan de koolstofkathode in vloeibare toestand (Tbad > 953 C en Tsmelt = 659 C). De anode bestaat ook uit koolstof. kathode anode 3
Bespreek TTT en CTT voor Fe en C. Schets het ook voor 0,3%C. Het TTT-diagram (Temperature-Time-Transformation) geeft de temperatuur op de verticale as en de transformatietijd op de horizontale as. Hieruit kan men afleiden hoelang men een materiaal op een bepaalde temperatuur moet houden om een bepaalde structuur te verkrijgen. Ook ziet men de stabiele fasen, als je martensiet niet boven de 250 C brengt zal het martensiet blijven (voor welbepaalde samenstelling). Het CTT-diagram (Continuous-Cooling-Transformation) geeft ook de temperatuur op de verticale as en de transformatietijd op de horizontale. Hieruit kan men afleiden hoe snel men moet koelen om een bepaalde structuur te bekomen. Wil men martensiet bekomen, dan mag het austeniet niet omvormen tot iets anders, hiervoor moet men snel genoeg afkoelen (afschrikken). Bespreek de gereedschapsstalen. De belangrijkste eigenschappen van gereedschapsstalen zijn hun zeer goede hardbaarheid en hardingsdiepte. Zij hebben een hoge slijtvastheid en zijn hitte bestendig. Ook hebben ze een goede vermoeiingssterkte. Door deze eigenschappen zijn ze moeilijk bewerkbaar, niet lasbaar en duur. Gereedschapsstalen worden als volgt onderverdeeld: - Koudwerkend: waterhardend (W), oliehardend (O), luchthardend (A) en hoog gelegeerd (D). - Schokvast (S). - Warmwerkend: chroomsoorten, wolframsoorten en molybdeensoorten. - Snelstaal: molybdeen (M) en wolfram (T). - Matrijzenstaal (P). - Voor speciale toepassingen (L). 4
Bespreek 5 verschillende versterkingsmethoden of -oorzaken bij polymeren. - Lineaire polymeren: lange, dunne, afzonderlijke ketens die met elkaar verstrengeld zijn. De bindingskrachten zijn vanderwaalskrachten, waterstofbindingen en interactie tussen polaire groepen. Er is een grotere trek- en druksterkte. - Vertakte polymeren: veel sterker vervlochten polymeerketens waardoor er een grotere stijfheid is. De vertakkingen worden bevorderd door speciale katalysatoren en bijzondere procestechnieken. - Cross-linking: chemische bruggen tussen de polymeren. Hierdoor verkrijgt men een zeer sterk en stijf polymeer. De cross-links ontstaan tijdens de polymerisatiereactie. - Ketenversteviging: ketenstijfheid door substitutie met omvangrijke moleculaire groepen (bv: benzeenring in polystyreen). - Kristalliniteit: de ruimtelijke verdeling in het polymeer is niet helemaal willekeurig meer. Hierdoor verhoogt het smeltpunt, neemt de chemische oplosbaarheid af en het heeft een gunstig effect op meerdere mechanische eigenschappen. - Toevoegmaterialen: door vulstoffen toe te voegen zal de sterkte en de maatvastheid verhogen. Bijzondere versterkingsmaterialen zijn vezels zoals glasvezel en textielweefsels. - Mengpolymeren: o Mengpolymeren: homogeen, 1 fazig. Componenten op moleculaire schaal mengbaar. Identiteit verloren. Vb: PVC + acrylpolymeer. o Polymeermengsels: heterogeen, meerfazig. Componenten niet mengbaar. Ze behouden iets van hun oorspronkelijke eigenschappen zoals Tg. Verschillende microstructuren. - Interpenetrerende netwerken: bestaan uit 2 groepen, de semi-ipn en totale-ipn materialen. Het 1 e polymeer noemt men het netwerk, dit is gewoonlijk een thermoharder. Het 2 e polymeer (de matrix) is een lineair polymeer (= semi-ipn) of een cross-linked netwerk (= totale-ipn). Hoe verkrijgt men ruwijzer uit ijzererts? - Ijzererts (Fe2O3). C + O2 CO2 - Cokes (C) zorgen voor warmte en reducerend gas. CO2 + C 2 CO (in overmaat gebruiken) Fe2O3 + 3 C 2 Fe + 3 CO - Lucht (O2) voor verbranding van de cokes. Fe2O3 + 3 CO 2 Fe + 3 CO2 - Kalk als vloei- en zuiveringsmiddel. Bijvoorbeeld silicaten uit ganggesteente binden tot dun-vloeibare slak. - Resultaat: ruwijzer (Fe). 5
Korte Vragen Bespreek PTFE. PTFE = polytetrafluoretheen = Teflon. Thermoplast, vrij duur, niet erg sterk (kruip minder voor constructie), goed bestand tegen chemicaliën en oplosmiddelen (veruit best), kan tegen hoge temperaturen, moeilijkere verwerking. Toep: anti-aanbaklaag in pannen. Geef de structuur van PE, PVC, PTFE, Styreen. PE PTFE PVC Styreen Schrijf voluit de naam van: LDPE, HDPE, PTFE, PET, PS, PVC, PMMA, PC, PEEK, UHMWPE. LDPE Low Density Polyetheen HDPE High Density Polyetheen PTFE Polytetrafluoretheen PET Polyetheentereftalaat PS Polystyreen PVC Polyvinylchloride PMMA Polymethylmethacrylaat PC Polycarbonaat PEEK Polyetheretherketon UHMWPE Ultra High Molecular Weight Polyetheen Bespreek B-harsen. Polymerisatie van thermoharders bestaat uit verschillende stadia. B-harsen zijn harsen in stadium B, het overgangsstadium. Het mengsel wordt warm gekneed en de cross-linking start, maar wordt tijdig onderbroken. Rubberachtig, kleverig polymeer. Bespreek vulkanisatie. Vulkanisatie wordt bij polymeren toegepast. Door toevoeging van zuurstof en zwavel (of seleen) kunnen er verbindingen tussen verschillende monomeren gemaakt worden zodat de sterkte verhoogt. 6
Wat is additiepolymerisatie? Additiepolymeren zijn opgebouwd uit onverzadigde monomeren. De dubbele binding gaat open en reageert met de dubbele binding van het volgend molecuul. De moleculen worden geheel aan elkaar gekoppeld, als kralen aan een ketting. De schakels in het polymeer hebben dezelfde chemische samenstelling als de monomeermolecule. Bespreek condensatiepolymerisatie. Condensatiepolymeren ontstaan uit monomeren met aan beide uiteinden een functionele groep zoals -COOH, -NH2 en -OH. In vele gevallen wordt een klein molecuul als water, methanol of koolstofdioxide afgesplitst. Vb: alcohol + zuur ester + water. De schakels in het polymeer hebben een andere chemische samenstelling dan de uitgangsmaterialen. Bespreek glasovergang bij polymeren. Tg staat voor glasovergangstemperatuur (= glaspunt). Dit is de temperatuur waarbij een polymeer verweekt. - Bij T<Tg: Het polymeer is een vaste glasachtige stof. - Bij T>Tg: Het polymeer is een amorfe, rubberachtige vloeistof. De ketens kunnen over elkaar glijden. Bespreek een dalton. Een dalton is een atomaire massa-eenheid. Omdat atoommassaʼs zeer klein zijn in vergelijking met de SI-eenheid kilogram, is hiervoor een speciale eenheid gedefinieerd: 1 dalton = 1 gram/mol. Definieer het moleculair gewicht van een polymeer en geef de eenheid. In tegenstelling tot kleine moleculen zijn polymeren een mengsel van moleculen met verschillende lengten en dus gewichten. Men kan dus maar een gemiddeld gewicht van een molecule bepalen. De eenheid hiervan is Dalton. 1 Dalton = 1 gram/mol Bespreek interpenetrerende netwerken. Dit is een verstevigingsmethode bij polymeren. Men zorgt dat een 2 e polymeer (de matrix) zich verstrengeld binnen het 1 e polymeer (het netwerk). Men heeft semi-ipns, deze hebben een lineair polymeer als matrix en de totale-ipns, deze hebben een cross-linked netwerk. Ze vertonen superieure eigenschappen vergeleken met hun afzonderlijke componenten. Bespreek de essentie van keramische materialen. Keramieken zijn anorganische, niet-metallische materialen. Vroeger waren zij gebaseerd op natuurlijke grondstoffen zonder een specifieke samenstelling. Nu worden zijn vervaardigd uit zuivere grondstoffen. Keramieken verkrijgt men door de materialen te verwerken in een sinterproces op hoge temperatuur. De meeste keramieken worden gemaakt voor een welbepaalde toepassing. Bespreek gekalmeerd staal. Staal dat sterk gedesoxydeerd is, meestal door chemische toevoegingen zoals Al en Si aan de smelt. Hierdoor verloopt de stolling rustiger en gaat men segregatie en slinkholten tegen. 7
Bespreek cermets en geef een voorbeeld. Cermets zijn metaal-keramische composieten (carbiden in metaalmatrix) met de voordelen van beide materialen: - resistentie tegen hoge temperaturen (keramiek) en - de mogelijkheid tot plastische deformatie (metaal). Het wordt bijvoorbeeld gebruikt als gereedschapsstaal (snijgereedschap) met als voorbeeldsamenstelling TiC. Bespreek het ontlaten van staal. Ontlaten = temperen. Martensiet verwarmen en een lange tijd op die temperatuur houden. - Laag ontlaten (200-400 C) - Hoog ontlaten = veredelen (400-600 C) Hierdoor wordt het materiaal minder bros, maar sterk en taai met weinig verlies aan hardheid. De structuur die gevormd wordt tijdens het ontlaten is sorbiet. Bespreek HSLA. HSLA staal (= High Strength Low Alloy steel) heeft betere mechanische eigenschappen door de kleine korrel. Carbidevormers (Ti, Nb, V) belemmeren immers de korrelgroei. HSLA staal heeft een laag koolstofgehalte (<0,2%C). Het wordt gebruikt in warmgevormde toestand en moet gehard worden door oplossingsharding. Het is een constructiestaal dat goed lasbaar is. Bespreek galvanische corrosie. De oorzaak is het verschil in potentiaal van elk metaal afzonderlijk in de omgeving. Er treedt verandering op van het normale corrosiegedrag als gevolg van een elektrische stroom wanneer een metaal in elektrisch contact staat met een ander materiaal in een corrosieve omgeving (oplossing, lucht, gas). Men spreekt dan van een galvanisch koppel: de corrosie van één metaal wordt versneld door de aanwezigheid van het andere metaal. Welke fasen vindt je terug in grijs gietijzer? Grijs gietijzer kan worden beschouwd als perlitisch staal dat grafiet (grof of fijn) bevat. Perliet = ferriet (KRG) + cementiet (Fe3C) Welke fasen vind je terug in wit gietijzer? Wit gietijzer bevat geen vrije grafiet (snelle koeling verhindert de grafitisatie), wel fijnkorrelig perliet en vrije cementiet. Bespreek perliet. Perliet is een fase in staal. Het bestaat uit een lamellaire structuur met afwisselend ferriet en cementiet (Fe3C) waarbij ferriet de ondergrond of de samenhangende fase is. Bespreek nodulair gietijzer. De structuur lijkt op die van grijs gietijzer (ferriet, perliet en martensiet), doch bevat nodulair gietijzer kleine bolvormige grafietnodulen. Deze worden verkregen door - toevoegstoffen aan de legering toe te voegen (Ni, Mg) of - door inoculatie met entstoffen in de gietpan (Mg, Ce). 8
Rangschik volgens stijgende E-modulus en geef een grootte orde. Ti, Cu-Ni legering, Staal, PET, SiC. PET < Ti < Cu-Ni < Staal < SiC 2-2,7 GPa < 100 GPa < 130 GPa < 210 GPa < 450 GPa Wat is het carboneren van staal? Oppervlakteharden door C in het oppervlak te laten diffunderen. Wat is het passiveren van een metaal? Een gepassiveerd oppervlak is een oppervlak dat een beschermende laag heeft. Passivering zou vooral voorkomen bij metalen met een onvolledig bezette d-schil (Cr, Fe, Co, Ni, Mo, Ti). Zuurstofatomen verbinden zich met de oppervlaktelaag ter vorming van een zeer dunne film. Passivering kan aan de lucht gebeuren. Beschadiging van de laag kan versnelde corrosie veroorzaken. Hoe kan je een stalen ondergrondse buis beschermen tegen corrosie? In deze situatie kan men te maken krijgen met galvanische corrosie. Men kan dan het staal beschermen met een opofferanode van een minder edel materiaal zoals magnesium (Mg). Deze anode wordt met een geïsoleerde geleider van koper (Cu) verbonden met de stalen buis die hier als kathode dient. Vandaar ook kathodische bescherming. Mg zal eerst corroderen en dus blijft het staal bewaard. Wat betekent de IACS-waarde? IACS = International Annealed Copper Standard Koper heeft een hoge elektrische geleidbaarheid: IACS = 100% Wat is het verschil tussen E-glas en S-glas? (zie composieten) E-glas en S-glas zijn soorten glasvezels. - E-glas o Borosilicaatglas, pyrex o Toepassing: elektrisch. - S-glas o Mg-, Al- en Si-oxiden o Hoge sterkte Wat is normaalgloeien? Gloeien tot het staal volledig in het austenietgebied zit. Verfijnen van de korrelgrootte. Doorgaans lucht gekoeld. Wat is zachtgloeien van staal? Gloeien tot net eutectoïdisch staal. De cementietlamellen zullen globulariseren (bolvormig worden). Dit maakt vervormen en bewerken van het staal gemakkelijker, vooral bij hoogkoolstofstaal. 9
Wat is martensiet en sorbiet? Bij het ontlaten (temperen) van gewone koolstofstaalsoorten diffunderen C-atomen uit het martensiet, zo ontstaan fijne ε-carbideprecipitaten in een ferriet matrix en bekomt men sorbiet. Dit is minder bros, maar sterk en taai met weinig verlies aan hardheid. Wat is het onderscheid tussen thermoplasten, thermoharders en elastomeren? Polymeren kunnen worden ingedeeld op basis van temperatuur-afhankelijk gedrag. - Thermoplasten verweken (plastisch) bij hoge temperatuur. Dit zijn lange, lineaire polymeren met een 2D-structuur. - Thermoharders verweken zo goed als niet of verharden zelfs bij hoge temperatuur. Ze bevatten veel cross-links en vormen zo een 3D-macromolecule (amorf). Het is niet opnieuw te smelten (het verkoolt bij hoge temperatuur) wat voor recyclageproblemen zorgt. - Elastomeren en rubbers zijn bij kamertemperatuur al verweekt. Ze bevatten enige cross-links en zijn een tussenvorm van thermoplasten en thermoharders. Hoe kan je staal harder maken, maar de kern ductiel houden? Niet 100% zeker van dit antwoord. Oppervlakteharden - Bepaalde elementen (C, N, B of Cr) in het oppervlak laten diffunderen (interstitieel of substitutioneel). Selectief harden - Hardbaar staal plaatselijk austenitiseren en afschrikken. (vb: vlamharden) Wat is duraluminium? Een legering van aluminium en koper (95,5% Al + 3% Cu). Licht maar sterk. Waarom beperkt men het percentage C in RVS? Om vorming van chroomcarbiden te vermijden (RVS bevat minstens 10% Cr). Chroomcarbiden zorgen voor scheuren en dan is het staal niet meer roestvast. Wat is de laatste thermische behandeling van een Cu-Be veer en bespreek. De laatste thermische behandeling is precipitatieharding: - Verhitten van de legering tot een bepaalde hoge temperatuur. - Afschrikken in een vloeistof. - Precipitatie bij een gematigde temperatuur. Waarom is zirconia zo moeilijk bruikbaar en wat kan men hieraan doen? Zirconia (ZrO2) vertoont een kristallijne overgang van monoclien naar tetragonaal. Hierbij treedt een volumeverandering op van 5% wat aanleiding kan geven tot grote inwendige spanningen en zelfs (micro-)scheuren. Daarom wordt zirconia gestabiliseerd met een ander oxide zoals MgO. 10
Geef de chemische backbone van siliconen en polydimethylsiloxaan. Siliconenmonomeer Polydimethylsiloxaan 11