Blog Ko Buijs: De oppervlaktespanning
Elke vloeistof heeft een bepaalde oppervlaktespanning die ervoor zorgt dat de vloeistof in meer of mindere mate aan het oppervlak samentrekt. Een ander woord hiervoor is de oppervlaktecontractie. Goede voorbeelden hiervan zijn een druppel kwik en een druppel water op een glasplaat; het kwik zal een bolletje vormen en het water krijgt de vorm van een paddenstoel omdat kwik een hoge oppervlaktespanning heeft en water een lage. Kwik zal hierdoor het glas niet bevochtigen en het water wel.
Door Ko Buijs - Innomet Consultancy BV
Dankzij de oppervlaktespanning van water kan een watervlo op het water lopen zonder er doorheen te zakken. Indien men enig zeep toevoegt aan dit water dan zal de oppervlaktespanning sterk afnemen waardoor het beestje wel door het oppervlak zal zakken en zal verdrinken. Wil de glazenwasser goed werk afleveren dan voegt hij ook wat zeep toe aan het waswater want dat voorkomt strepen op het glaswerk. Dat heeft allemaal van doen met de oppervlaktespanning van het medium. Daarom worden er ook aan schoonmaakmiddelen veelal zogenaamde tensiden toegevoegd die ervoor zorgen dat het reinigingsmiddel diep in poriën door kan dringen om daar het vuil op te lossen.
Zo heeft vloeibaar metaal ook een oppervlaktespanning en dat kan vooral de smeltmeester ervaren als hij zijn gietvormen gaat vullen. Om het vormvullend vermogen te laten toenemen zal hij zo nodig additieven aan de smelt toevoegen die de oppervlaktespanning doen verlagen. Het effect daarvan controleert de smeltmeester door enig vloeibaar metaal in een warme spiraalvormige vorm te gieten. Hoe verder het materiaal naar binnen kruipt hoe lager de oppervlaktespanning is. Zo kan men van te voren bepalen of dunwandige delen van de gietholte inderdaad voldoende vol zullen lopen met vloeibaar metaal. Dit zal dan mede moeten leiden tot een zo’n goed mogelijk eindproduct.
Deze wetmatigheid van de uiteindelijke oppervlaktespanning gaat ook op voor gesmolten lasmetaal. Deze eigenschap van het smeltbad tijdens het lassen krijgt steeds meer aandacht nu de materialen door digitale smelt- en raffinagetechnieken een steeds hogere zuiverheid krijgen. Door het steeds zuiverder worden van metalen en metaallegeringen is de oppervlaktespanning behoorlijk gaan stijgen met alle gevolgen van dien. Het grootste nadeel hiervan is dat de gesmolten metaaldruppels tijdens het lassen door de oppervlaktecontractie samen gaan trekken waardoor het gesmolten metaal moeilijk of zelfs niet in de ‘rootside’ van de lasnaad kan komen.
Elementen die de oppervlaktespanning van roestvast staal doen verlagen zijn vooral zwavel en koolstof. Vooral zwavel heeft hierop een extra sterke invloed. In austenitisch roestvast staal mag volgens de norm maximaal 0,03% zwavel aanwezig zijn maar tegenwoordig is dit gehalte slechts 0,003% en dat betekent dus tien keer zo laag. Zwavel in roestvast staal is een zeer ongewenst element i.v.m. de uiteindelijke corrosiebestendigheid en dat is de reden dat dit gehalte steeds verder naar beneden is gebracht. Er zijn al gevallen waarbij dit gehalte slechts 0,001% bedraagt en dat juicht de metaalkundige bijzonder toe maar de lasser ervaart dit als een groot nadeel.
Er zijn enige lasproeven gedaan met twee AISI 316L buizen die een zwavelgehalte hebben van 0,025% en 0.002%. Na het orbitale lassen bleek de buis met een zwavelgehalte van 0,025% geen enkel probleem op te leveren met de doorlassing doch de andere buis was niet goed doorgelast. Dat is op zich onacceptabel omdat dergelijke ‘kerven’ een grotere kans geven op corrosie en/of breuk. Bovendien kunnen zich in dergelijke kerven allerlei ongewenste stoffen nestelen wat zeker ontoelaatbaar is in de farmaceutische en de voedingssector. Er zijn speciale lasfluxen ontwikkeld die de doorlassing bevorderen door de lastoorts in te snoeren waardoor die meer geconcentreerd wordt. Ook worden nog wel eens materialen selectief uitgekozen op grond van hun chemische samenstelling die men op de certificaten aantreft om zo bewust materialen te kiezen die een wat hoger zwavelgehalte bezitten.