Materiaalschaarste stimuleert de weg naar alternatieven

In Deel 1 van de serie ‘Metaalkunde, een sterk vakgebied’ zijn de in’s en out’s van Metaalkunde behandeld. Daarnaast werd Hans Christ voorgesteld als metaalkundige en als vakdocent Metaalkunde. In Deel 2, ‘Opleidingen, een absolute must!’, kwam de noodzaak van kennisvergaring en metaalkunde gerelateerde opleidingen naar voren, waaronder de cursus Corrosie en Corrosie Beheersing. Deel 3 van deze vierdelige serie belicht het fenomeen ‘Materiaalschaarste’. Doe onderzoek naar een lean ontwerp en ga efficiënt met geschikte ,maar ook voldoende beschikbare materialen om. Zo stimuleert materiaalschaarste de weg naar alternatieven.

Door Myriam Borghuis
 

Metaalkunde, een sterk vakgebied - Deel 3

Onderwerpen in deze vierdelige serie:
1) Metaalkunde / Hans Christ;
2) Opleidingen;
3) Materiaalschaarste;
4) Materiaalkeuze.
Deze serie is geschreven, in samenwerking met BSc Hans Christ, metaalkundige.

Materiaalschaarste is een relatief begrip en gerelateerd aan de huidige stand der technologie, economie en politiek.
Wie herinnert zich nog de Club van Rome? Een particulier initiatief uit 1968 van Europese wetenschappers, dat toen al ageerde tegen de economische groei, energie- en materiaalverbruik. In 1972 publiceerde zij een rapport met een prognose van het grondstof- en voedselverbruik in de wereld voor de daarop volgende jaren en oprakende grondstofvoorraden.
Of de oliecrisis van begin 1974? Hoog vermogende en veel brandstof verbruikende auto’s gingen in de ban en kijk nu anno 2015; de sportwagenindustrie floreert als nooit tevoren.
Hiermee wordt absoluut niet gesteld dat we energie en grondstoffen kunnen blijven gebruiken, zoveel als we maar willen, geenszins dat. Maar een zekere relativering en gezond verstand kunnen geen kwaad. Zoeken naar alternatieven en vindingrijkheid stimuleert de economie positief en is goed voor het milieu.

De mening van Hans Christ ten aanzien van schaarste en duurzaamheid, waaronder hergebruik en recirculatie van materialen is duidelijk: ‘Hier is veel over te zeggen. Met dat vraagstuk heb ik mij destijds veel beziggehouden bij M2i ( redactie: http://www.m2i.nl/ ); duurzaamheid, het hergebruik en de recirculatie van materialen en daarnaast de schaarste van materialen. Dat kan zijn: economische schaarsheid, fysiek dan wel gecreëerd, of uitputting van reserves, omschakeling van productieprocessen of economische belangen. De lobby van materiaalproducenten speelt hier ook een rol, denk aan staal- en aluminiumproducenten. Kies je voor staal of aluminium? Of voor een kunststof of een combinatie? Schaarsheid van materialen is ook aan evolutie onderhevig.’
Enkele voorbeelden uit de geschiedenis met betrekking tot metaalschaarste:

• Aluminium
Aluminium is een prachtig voorbeeld, van zeer schaars en kostbaar tot een niet meer weg te denken metaal in onze huidige maatschappij.
In 1825 lukte het Hans-Christian Oersted om een onzuivere vorm aluminium te maken, achttien jaar later lukte het Friedrich Wohler om een aluminium ingot te maken. Pas in 1854 ontwikkelde Saint-Claire Deville een meer efficiëntere methode, maar aluminium bleef zeer schaars en duur.
Christ: ‘De hoogste gasten van Keizer Napoleon III aten niet van zilveren borden en servies, maar deze waren van aluminium gemaakt! Aluminium was toen voorbestemd voor juwelen en luxe artikelen voor de zeer welgestelden.’
Door de opkomst van andere raffinagemethoden aan het eind van de negentiende eeuw en het ruim beschikbaar komen van elektriciteit en daarmee een veel lagere kostprijs, veroverde aluminium de wereld met een veelvoud van toepassingen en producten.’ Die raffinagetechnieken worden heden ten dagen nog gebruikt. Bovendien is aluminium het minst schaars van alle metalen en goed recyclebaar. Het kan dus verkeren door technische ontwikkelingen.’
(Zie het figuur uit een rapport van HCSS Scarcity of Minerals)
Het element Fe zou in deze context op ongeveer 60 jaar komen.


Bron: HCSS, Scarcity of Minerals

Statische reserves
Jaren productie tot aan uitputting
als de wereld consumptie toeneemt tot 50% van de United States.


• Kobalt / Kobaltlegeringen
In de jaren ‘60 was het bijzonder moeilijk om aan kobalt en kobaltlegeringen te komen, doordat dit door de USA als strategisch materiaal was aangeduid vanwege toepassingen in onder andere militaire gevechtsvliegtuigen. Gevolg?

Christ: ‘Het antwoord van de industrie was het ontwikkelen van kobaltloze legeringen met nagenoeg dezelfde eigenschappen voor voornamelijk hoge temperatuur toepassingen. Enkele van deze kobaltloze legeringen zijn: Haynes Alloy 230 en Haynes Alloy 214. In de jaren ‘80 veranderde dit weer, wat prompt een nieuwe generatie legeringen met kobalt opleverde, bijvoorbeeld Haynes Alloy 160 en Haynes Alloy 556. Schaarste kan door verschillende invloeden optreden, maar geeft ook altijd weer kansen of met een mooie Engelse marketingterm: opportunities.’

• Ferritisch en austenitisch RVS
Een ander voorbeeld is de verkrijgbaarheid van ferritische en austenitische soorten roestvast staal.
‘In een normale situatie zijn ferritische RVS-soorten goedkoper dan austenitische RVS-soorten vanwege het ontbreken van onder andere nikkel’, geeft Christ aan. ‘En beide zijn goed verkrijgbaar. Echter, in tijden dat de markt booming is voor RVS 304 en 316 e.d. draaien de fabrikanten overuren en kunnen ze het gemakkelijk verdienen met de austenitische RVS-soorten. De ferritische RVS worden niet meer ingepland of de prijs wordt fors verhoogd. Reden is het feit dat een ferritische RVS zich veel moeilijker laat verwerken dan een austenitische RVS-kwaliteit. Omgekeerd: bij een slechte afzetmarkt wordt weer ferritisch RVS geproduceerd tegen lagere prijzen dan austenitisch RVS.’

• Nikkel conjunctuurgevoelig
Nikkel is een typisch metaal dat zeer conjunctuurgevoelig is voor prijsfluctuaties. Christ: ‘Er zijn nogal wat invloeden, die de “schaarste” bepalen, o.a.:
- het aantal actieve mijnen;
- vraag naar RVS met nikkel;
- verkrijgbaarheid van scrap; en
- speculaties.
En ook dit biedt weer ruimte voor kansen, namelijk onderzoek en ontwikkeling naar nikkelarme RVS-soorten door substitutie van nikkel, onder andere door mangaan.’

• Neodymium
Een ander voorbeeld is het element neodymium (Nd). Het gebruik van neodymium heeft een enorme vlucht genomen, voornamelijk bij de productie van legeringen voor sterke permanente magneten. Deze laatste toepassing vind je onder andere terug in windturbines ofwel windmolens. Maar ook door het gebruik van elektronica, smartphones, elektrische auto’s of hybride auto’s enzovoort. Overal vind je permanente magneten in terug.
‘Ten aanzien van neodymium is er een kunstmatige schaarste en afhankelijkheid gecreëerd door China, op politieke en economische basis. Maar, zoals al eerder aangehaald: schaarste biedt ook weer kansen. Het antwoord hierop is wereldwijd research naar het ontwikkelen van permanente magneten zónder neodymium.’

Onderstaande afbeeldingen geven een inzicht in waar metaalertsen worden gewonnen en het risico versus
belangrijkheid voor onze economie.

Schaarste + hoge prijzen =ondergrens normering

Materiaalschaarste en stijgende prijzen hebben ook het effect van het doen toenemen van bezuinigingen en dit, gecombineerd met evoluerende techniek, kan ook weer leiden tot specifieke problemen.
‘Een mooi voorbeeld hiervan zijn weer de austenitische RVS-soorten, met name 304 en 316‘, geeft Christ als voorbeeld. ‘Beide bevatten nikkel en chroom en 316 tevens molybdeen. Kijk je naar de normering van deze RVS-soorten, dan zie je dat de chemische analyse in de norm altijd tussen een minimum en een maximum staat. Dat dit zo gegroeid is, had een reden; vroeger kon men niet heel nauwkeurig een smelt in de hand houden en de prijs van de elementen erin speelde een minder grote rol. Met de huidige technieken is het echter wel mogelijk heel precies te produceren en gaat men uit kostenoverweging op de ondergrenswaarde zitten van de elementen, waaruit een legering is opgebouwd. Met als gevolg dat de corrosiebestendigheid van het materiaal marginaal lager wordt, een en ander afhankelijk van milieu en toepassing.’Echter, in die gevallen waar het uiterste wordt gevraagd van de RVS-soorten kan nu wel mogelijk corrosie optreden, waar in het verleden in dezelfde toepassing geen problemen optraden!

Lean ontwerp

Resumerend zegt Christ: ‘Materiaalschaarste dwingt ons om creatief te zijn en te zoeken naar andere mogelijkheden. Niet alleen ten aanzien van andere materialen, maar het vraagt ons ook te kijken naar design en ontwerp, of een combinatie van grondstoffen, zoals kunststoffen en metalen, composieten enzovoort. Of naar andere producten. Er zijn legio mogelijkheden al naar gelang de toepassing en de functie. Materiaalschaarste is niet altijd te voorkomen, maar het is aan de ontwikkelaar, de materiaalkundige, de technicus en de leverancier hoe er mee om te gaan en keuzes te maken.’
Bedrijven, die innovatie hoog in het vandaal hebben staan en er ook actief mee bezig zijn, kijken ook vaak naar hun materiaalstromen en waar ze verbeteringen kunnen aanbrengen of beter kunnen anticiperen op marktvraag en -aanbod. Er wordt op dit moment ook veel onderzoek gedaan naar diepzee-mining. Daar liggen nog grote reserves en mogelijkheden, maar is ook een gevaar voor het milieu. ■
In Deel 4 van de serie ‘Materiaalkunde, een sterk vakgebied’ worden de keuzes binnen de beschikbaarheid en de achterliggende kennis op het gebied van prestaties en bescherming van materialen voor de verbetering van de operationele levensduur van constructies en installaties onder de loep genomen.

Hans Christ, directeur/eigenaar van Christ Special Alloys.
www.christspecialalloys.nl