Blog Frans Vos - Een elementair besef

“Wat was jouw lievelingsvak op school?” is een vraag die stokkende gesprekken wel eens een nieuwe dynamiek kan geven. “Allé jong!”, “meen je dat nu?” of “da’s om te lachen, of wa?” zijn steevast de kreten die weergalmen als je op de ‘wat was’ vraag antwoordt met “wiskunde, en ook wel fysica”. Ongeloof staat op de meeste gelaatstrekken te lezen. “Fysica tot daaraantoe, maar wiskunde?” Tsja, …. Dat was nu eenmaal wat ik in het middelbaar het liefst studeerde.


Door: © Frans Vos, zaakvoerder Materials Consult bv

Als dezelfde vraag zou betrekking hebben op mijn hogere studies, wordt het een wat ander verhaal. Het is immers niet voor niets dat ik de kant van de ‘toegepaste’ wetenschappen ben ingeslagen. Wiskunde in het middelbaar was heel tof; fysica en chemie evenzo. Maar wat doe je daar nu nuttig mee voor de maatschappij? Het is een vraag waar ook vandaag nog al te veel middelbare scholieren mee kampen als ze bepaalde vakken moeten studeren. Dus bij deze herhaal ik graag nog eens mijn oproep aan zij die leerplannen en aanverwanten ontwikkelen om wiskunde, fysica, chemie, biologie - of hoe al die vakken tegenwoordig ook mogen noemen - onmiddellijk in te oefenen met concrete voorbeelden uit de praktijk. Eénmaal de basiskennis is verworven, kan dat zelfs met kruisbestuiving tussen de vakken zijn. Ik geef alvast een concreet voorbeeld: De basisprincipes van natte corrosie kunnen eenvoudig worden uitgelegd op basis van de chemie (chemische reacties, redox systemen) en de fysica (elektrische potentieelverschillen en stroom). Als je ook graag wat toegepaste wiskunde erbij betrekt, kan het berekenen van massaverlies per tijdseenheid op basis van de elektrische stroom als voorbeeld dienen. Als volgende stap kan dan bijvoorbeeld over de rol van verzuring bij het optreden van corrosieprocessen worden gesproken, enz. 


Menigeen hoor ik nu al roepen dat ‘corrosie’ het antwoord is als het over mijn lievelingsvak tijdens mijn hogere studies gaat. Niet dus, al beschouw ik het wel als een belangrijk typevoorbeeld van waar het tijdens mijn lievelingsvak allemaal om draaide. Is het dan ‘materiaalkunde’?  Dat was wat mij betreft geen afzonderlijk vak, maar een verrijkend geheel van diverse vakken met vele onderlinge verbanden. Dat ik de materiaalkunde tijdens mijn studies zo boeiend vond en professioneel nog dagelijks vind, had voor een groot deel met al die verbanden te maken. Verbanden zien en begrijpen, interpreteren en kanaliseren, filteren en beheersen. Het is net dat dat mijn lievelingsvak me heeft geleerd. ‘Systeemtheorie’ was de welluidende titel. Al was het vak voornamelijk geënt op de elektromechanica, de basisfilosofieën die ons door prof. Van Brussel werden bijgebracht, zijn zonder meer vertaalbaar naar andere ingenieursdisciplines zoals de materiaalkunde, zelfs naar vele andere vakgebieden zoals het juridische, diplomatie, communicatie enz. ‘Theorie’ klinkt voor menigeen echter al bij voorbaat afschrikwekkend – dus niet zo’n aantrekkelijk woord in communicatie - maar met een kleine woordvariatie probeer ik de ideeën achter mijn lievelingsvak wel ter harte te nemen en verder uit te dragen. ‘Systeemdenken’ is het paswoord naar een beter begrip van vele technische, klimatologische, sociale en andere maatschappelijke uitdagingen.

Eén element, meerdere invloeden
Zo start in de metaalkunde het verkrijgen van een goede duurzaamheid bij het besef dat de omgevingscondities waaraan het metaal wordt blootgesteld een grote invloed hebben op onder andere het corrosie- en slijtagerisico, maar ook bij het besef dat de chemische samenstelling van het metaal op zich die risico’s mee beïnvloedt. De toevoeging van chroom (Cr) aan staallegeringen in functie van een verhoogde corrosieweerstand geldt als typevoorbeeld ter zake.


(bron: istock)


Binnen de roestvast stalen staat de AISI 304 familie (304, 304L, 304Ti, 304H, …) er dan weer voor bekend geen molybdeen (Mo) te bevatten, terwijl de roestvast stalen uit de AISI 316 familie (316, 316L, 316Ti, 316H, …) wel 2 à 3 gew. % Mo in zich dragen. Deze beperkte toevoeging van Mo maakt een groot verschil wat betreft de weerstand tegen put- en spleetcorrosie. Voor roestvast stalen uit de AISI 316 familie is deze weerstand substantieel hoger dan bij de AISI 304 familie. Voortbordurend in de corrosiewereld zijn de ‘gestabiliseerde roestvast stalen’, waaraan titanium (Ti) en/of niobium (Nb) wordt toegevoegd, dan weer minder gevoelig aan ‘sensitisatie voor intergranulaire corrosie’. Een gelijkaardig effect kan ook worden bekomen door het gehalte aan koolstof (C) te verlagen, wat dan resulteert in de zogenaamde L-versies van de roestvast stalen (AISI 304L, AISI 316L, …); de ‘L’ staat daarbij voor ‘Low carbon’. Het effect van dat lagere C-gehalte bij L-versies of de toevoeging van Ti en/of Nb bij de gestabiliseerde soorten beperkt zich echter niet enkel tot het risico op intergranulaire corrosie, maar ook op vele andere eigenschappen. Zo is het C-gehalte onder andere mee bepalend voor de lasbaarheid van een metaal. Hoe lager het C-gehalte hoe beter voor de lasbaarheid, al mag binnen het systeemdenken nooit uit het oog worden verloren dat de lasbaarheid door meer dan enkel het koolstofgehalte wordt bepaald.



Indien aanwezig heeft ook het Mo zijn rol ter zake, net zoals mangaan (Mn), nikkel (Ni), koper (Cu), vanadium (V), chroom (Cr) en soms nog enkele andere chemische elementen. Een verlaagd koolstofgehalte brengt op metallurgisch vlak echter ook een verlaging van de sterkte met zich mee, wat dan eventueel kan worden gecompenseerd door een kleine fractie stikstof (N) toe te voegen (de ‘LN’ roestvast staal types). Die toevoeging van wat N is in vele gevallen niet alleen gunstig om extra sterkte in te bouwen, maar brengt tegelijk ook een verhoging van de putcorrosieweerstand met zich mee, een effect waarop niet alleen de ‘LN-types’, maar ook de moderne duplex roestvast stalen volop inzetten. Met die N-toevoeging is het echter ook uitkijken geblazen; iets te veel N en een sterke verbrossing is uw deel. En zo kan ik hier nog vele epistels schrijven over welke elementen welke invloed hebben op welke eigenschappen van roestvaste en andere staalsoorten. Waar in voorgaande al de corrosieweerstand, lasbaarheid en mechanische eigenschappen de revue passeerden, zou ik ook nog kunnen aanhalen dat – en ik beperk mij tot de hiervoor aangehaalde elementen - de gehaltes aan Cr en V mee de temperatuurbestendigheid van het staal beïnvloeden. Ik zou ook nog kunnen vermelden dat de gehaltes aan C, N en Cr mee de oppervlaktehardheid bepalen. En een volgende keer dat ‘legeringen’ tot het centrale thema van een ALURVS-magazine wordt gedoopt, kan ik ook nog over de invloed van de chemische elementen in aluminiumlegeringen verhalen. Filibusteren is echter niet aan mij besteed. Het moge ondertussen duidelijk zijn dat elk element verschillende eigenschappen van het metaal beïnvloedt, zowel van het metaal op zich, als van hoe het metaal zich in zijn omgeving gedraagt.



(bron: istock)



Net zoals het begrijpen en beheersen van corrosie en slijtage is de keuze van de metaalsamenstelling dus evenzeer gedreven door ‘systeemdenken’. Ook dat besef op zich is elementair om de eigenschappen en het gedrag van metalen te begrijpen.

Gecombineerd elementair besef
Maar helaas, met het besef dat elk element afzonderlijk meerdere eigenschappen en gedragingen beïnvloedt, is de kous niet af. De verschillende elementen kunnen elkaars nobele effecten versterken of helaas ook verminderen, afhankelijk van hoe de elementen onderling in interactie treden.

(bron: istock)


Een klassieker onder de klassieken is daarbij de vorming van carbiden. Koolstof dat zich ‘in de vaste oplossing’ bevindt (vergelijk het gerust met een beperkte hoeveelheid keukenzout die in water ontbindt, waarbij de samenstellende ionen natrium en chloor onzichtbaar ‘in de wateroplossing’ gaan vertoeven) gaat zich daarbij chemisch aan een ander element binden, waardoor het koolstofgehalte in de vaste oplossing verlaagt en zich tegelijk nieuwe deeltjes, de carbiden in het metaal vormen. De vorming van carbiden kan een gunstig netto-effect hebben op bijvoorbeeld de sterkte. Zo zijn de hiervoor aangehaalde ‘gestabiliseerde roestvast stalen’ binnen eenzelfde familie veelal sterker dan het basistype (dus zonder toevoeging van Ti en/of Nb) omwille van de vorming van Ti- en/of Nb-carbiden. Anderzijds kan de vorming van carbiden ook ongunstig zijn. Zo kan de vorming van een overmaat aan chroomcarbiden in roestvast stalen leiden tot de al eerder aangehaalde ‘sensitisatie voor intergranulaire corrosie’. Dit risico is bijvoorbeeld aanwezig bij het lassen van diverse roestvast staalsoorten, waar in bepaalde omstandigheden een overmatige chroomcarbidevorming kan leiden tot zogenaamd ‘lasbederf’, zijnde intergranulaire corrosie in een bandvormig gebied in de hitte-beïnvloede zone (HBZ) van de las.



Om de in roestvast stalen niet te vermijden vorming van chroom-carbiden onder controle te houden, is het daarom van cruciaal belang om voor gelaste constructies te werken met die roestvaste staaltypes waarvoor de carbidevorming beperkter is (de gestabiliseerde of de L-soorten) en de lasparameters zodanig te bepalen en te controleren dat er bij lassen niet alsnog een overmatige chroomcarbidevorming in de HBZ kan optreden.   Een ander voorbeeld van het effect van carbidevorming is dan weer van toepassing als we het over de lasbaarheid hebben. Hierboven werd al aangehaald dat de lasbaarheid wordt beïnvloed door onder andere de gehaltes aan C, Cr, Ni, V, Mo, Mn en Cu, waarbij de indruk zou kunnen zijn ontstaan dat het daarbij enkel over individuele effecten van elk element op zich gaat. Dat is echter te kort door de bocht. Wat evenzeer bepalend is voor de lasbaarheid, is de mate van carbidevorming, waarbij onder andere Cr en V zich gemakkelijk aan C verbinden ter vorming van carbiden. Hierdoor verlaagt dan het C-gehalte in de vaste oplossing, wat op het eerste gezicht gunstig lijkt voor de lasbaarheid, maar dat standpunt is buiten de rol gerekend van de carbidevormers en de andere elementen zoals Ni, Mo, Mn, Cu en nog enkele andere gegadigden ter zake. Het totale effect op de lasbaarheid kan gunstig, maar evenzeer ongunstig zijn. Vandaar dat er bij de bepaling van de lasbaarheid niet alleen wordt gekeken naar het C-gehalte op zich, maar ook naar het zogenaamde ‘koolstofequivalent (CE = Carbon Equivalent)’. Het CE is het resultaat van een wiskundige berekening waarbij aan het gehalte (in gewichtsprocent) van de voormelde elementen – en soms ook silicium (Si) – een deelfactor wordt toegekend en vervolgens de som wordt gemaakt. Of voor zij die van formules houden:





is een veel gebruikte formule voor de berekening van het koolstofequivalent. Als het CE te hoog ligt (als de voormelde formule wordt gebruikt, geldt een maximum-richtwaarde van 0.4 à 0.45) dienen extra maatregelen te worden genomen om de lasbaarheid niet in het gedrang te brengen. Voorverwarmen is daarbij de meest gangbare oplossing, uiteraard volgens een vooraf bepaalde temperatuurcyclus. De mogelijke, bij vele staallegeringen onvermijdelijke en soms zelfs opzettelijke vorming van carbiden (met de daarmee gepaard gaande onttrekking van C uit de vaste oplossing) is slechts één van de vele voorbeelden van hoe de individuele elementen niet alleen afzonderlijk, maar ook in hun samenspel de uiteindelijke eigenschappen van het metaal op zich en diens gedrag in de omgeving gaan bepalen. Ook hier zou ik nog verder kunnen filibusteren over de vorming van nitriden, sulfide-insluitsels en intermetallieken (chemische verbindingen tussen metallische elementen), maar mijn punt is stilaan gemaakt (En bovendien moet ik ook nog wat onderworpen overhouden voor nog te schrijven non-fictie literatuur).
Dus ter conclusie…

Besef dat…
systeemdenken een noodzakelijk en continu gegeven is in de wereld van de metaalkunde en de materiaalkunde in het algemeen. Of het nu gaat over corrosie, slijtage, hoge temperatuur gedrag of het materiaal op zich, systeemdenken is de sleutel tot een gedegen duurzaamheid op alle vlakken. Hoe duurzamer, hoe langer het duurt alvorens onze materialen in het recyclagecircuit of - in het slechtste geval - bij het niet-verwerkt afval terecht komen.  En zou dit niet de uiteindelijke doelstelling moeten zijn: De creatie van materialen die in alle omstandigheden corrosie-, slijtage- en hittebestendig zijn, waarvan de intrinsieke mechanische, fysische en chemische eigenschappen permanent stabiel blijven (al moeten we voor onder andere vormgeheugenlegeringen dat idee wel met wat flexibiliteit interpreteren), die met andere woorden hun functie en functionaliteit te allen tijde behouden en waardoor we recyclage of erger kunnen vermijden?

Gun me mijn utopische droom!