Blog Ko Buijs: Koper-beryllium legeringen
Er zijn diverse koperlegeringen waarmee men bijna iedere dag in aanraking komt zoals bijvoorbeeld messing en brons. Dit zijn koperlegeringen die gelegeerd zijn met respectievelijk zink en tin. Wat minder bekende typen zijn bijvoorbeeld fosfor- en aluminiumbrons alsmede kopernikkel legeringen. Nog onbekender zijn de koperberyllium legeringen. Daarom worden in deze blog enkele van deze legeringen onder de aandacht gebracht. Om een beter begrip te krijgen over dat soort legeringen wordt eerst in het kort stilgestaan bij het metaal beryllium (Be).
(door Ko Buijs)
Beryllium is een bijzonder licht aardalkalimetaal dat een loodgrijze kleur heeft. Dit metaal heeft een laag soortelijk gewicht van slechts 1.86 kg/dm3 en dat is dus nog aanzienlijk lichter dan aluminium en titaan die een soortelijk gewicht hebben van respectievelijk 2,70 en 4,51 kg/dm3. Beryllium heeft echter als licht metaal een relatief hoog smeltpunt van 1280°C. Het metaal bezit een goed warmtegeleidingsvermogen, is niet magnetiseerbaar en het is vonkvrij alsmede slijtvast. Hoewel de vrij lage elektrische potentiaal van -1,70V aangeeft dat men hier van doen heeft met een reactief metaal, blijkt dat dit metaal bijzonder corrosiebestendig en oxidatievast is. Dat wordt veroorzaakt door een stabiele en zeer harde oxidehuid die zich aan de lucht vormt en die perfect aansluit op het matrixmateriaal. Daardoor passiveert het metaal zichzelf net zoals de andere reactieve metalen dat doen. Het kan daardoor zelfs blootgesteld worden aan geconcentreerd salpeterzuur. Mede dankzij het lage soortelijk gewicht blijkt dat er relatief weinig röntgenstraling wordt geabsorbeerd waardoor het metaal ook in apparatuur wordt gebruikt waar dergelijke straling in voorkomen.
Beryllium is echter ook een zeer toxisch metaal en dat betekent dat het met de nodige voorzichtigheid moet worden gebruikt. Doet men dat niet dan kan men op den duur ernstige longaandoeningen krijgen die veelal ongeneeslijk zijn. Ook is het metaal in pure vorm kankerverwekkend. Beryllium wordt gewonnen door de chemische omzetting van berylliumfluoride met magnesium waardoor magnesiumfluoride en beryllium ontstaat. Voor de fysieke eigenschappen wordt verwezen naar tabel 1. Maar deze blog gaat uiteindelijk niet over dit bijzondere metaal maar juist over koper waarin enige procenten beryllium is toegevoegd.
Tabel 1: fysische eigenschappen beryllium (bron: wetenschap.infonu.nl)
De reden dat men beryllium aan koper legeert, is primair bedoeld dat deze legeringen vonkvrij blijken te zijn. Daarom maakt men hiervan allerlei gereedschappen van die gebruikt worden in ruimtes waar explosie- en brandgevaar dreigt. Daarbij kan men denken aan bijvoorbeeld olieraffinaderijen, gaswinning, offshore modulen, vulstations voor brandstoftanks, explosiegevoelige chemische fabrieken, bedrijven waar vuurwerk wordt gemaakt, etc. Ook verbetert beryllium de mechanische eigenschappen van het koper en beschikken deze legeringen over een uitstekend warmte- en elektrisch geleidingsvermogen. Daarnaast bezitten deze legeringen goede vermoeiingseigenschappen. Daarom vindt het metaal ook zijn weg naar de lucht- en ruimtevaart, GPS-satellieten en in de defensiesector mede door het feit dat deze legeringen licht zijn en geen vonken afgeven. Andere toepassingen zijn de contactpunten van een puntlasmachine, vonkvrije zaagbladen, schakelaars, relais etc. Bovendien worden er ook bevestigingsmaterialen zoals bouten en moeren van gemaakt indien er voor bepaalde toepassingen behoefte aan is. In tabel 2 zijn twee koperberylliumlegeringen weergegeven die in de praktijk het meest toegepast worden.
Verstelbare steeksleutel van koperberyllium die vonkvrij is.
Tabel 2: chemische compositie van twee veel voorkomende koperberylliumlegeringen.
Met behulp van precipitatieharding c.q. speciale warmtebehandeling kunnen er hoge mechanische waarden worden bereikt. Dankzij de precipitatie van een fase die rijk is aan beryllium, dat zich vormt tijdens de afkoeling na de warmtebehandeling, versterkt men de structuur aanzienlijk. De rekgrens en treksterkte kunnen op deze wijze wel met een factor 3 tot 4 omhoog gebracht worden echter wel ten koste van de breukrek die ongeveer met dezelfde factor naar beneden gaat. Tijdens het precipitatieproces verankert men de glijvlakken van de atoomroosters dankzij deze uitscheidingen waardoor de mechanische waarden en de hardheid zo enorm omhoog gaan. Koperberylliumlegeringen bevatten veelal ook elementen zoals nikkel, kobalt, lood en soms ook magnesium of titaan. Deze elementen zullen ook een rol spelen bij het mechanisme van precipitatieharding omdat zij intermetallische verbindingen zullen vormen tijdens de warmtebehandeling. Een dergelijke warmtebehandeling duurt minimaal een uur bij een temperatuur die varieert tussen de 300 en 480°C.
Toch dient men er altijd op bedacht te zijn dat beryllium giftig is en dat kan leiden tot ernstige ziektes zoals eerder is gesteld. Daarom moet men altijd terughoudendheid betrachten om dergelijke koperberyllium legeringen toe te passen in afgesloten ruimtes zoals dat het geval is bij o.a. onderzeeboten.
