Legering: definitie, eigenschappen en toepassingen van metaalmengsels
Ontdek wat een legering is, de unieke eigenschappen van metaalmengsels en hun praktische toepassingen — van bouw en transport tot elektronica. Leer productieproces en verschil met zuivere metalen.
Een legering is een uniform mengsel van twee of meer stoffen. Meestal bestaat een legering uit twee of meer chemische elementen, waarvan ten minste één een metaal is. Een legering heeft vaak andere en verbeterde eigenschappen dan de zuivere metalen waaruit zij is samengesteld, waardoor ze voor veel toepassingen nuttiger zijn.
Samenstelling en typen legeringen
Legeringen kunnen op verschillende manieren worden ingedeeld:
- Substitutionele legeringen: één metaal vervangt atomen van een ander metaal in het kristalrooster (bv. koper-zink legeringen).
- Interstitiale legeringen: kleine atomen (zoals koolstof) passen in de tussenruimten van het metaalrooster (bv. staal: ijzer met koolstof).
- Metalen oplossingen vs. intermetallische verbindingen: sommige legeringen vormen homogene oplossingen; andere geven specifieke verbindingen met eigen kristalstructuren en eigenschappen.
- Amorfe legeringen (metaalglazen): zeer snel afgekoelde legeringen zonder langafstand-orde, met unieke mechanische en magnetische eigenschappen.
Productie en verwerking
De meeste legeringen ontstaan door de betrokken metalen te smelten en te mengen terwijl ze vloeibaar zijn, zodat er een oplossing ontstaat; daarna laat men het mengsel afkoelen en stollen. Andere productiemethoden zijn onder meer:
- Gieten en persen
- Warm- en koudwalsen, smeden en extruderen
- Poedermetallurgie (sinteren van metaalkorrels)
- Opdraadvorming en elektrochemische afzetting (voor dunne lagen)
- Additive manufacturing (3D-printen van metalen legeringen)
Microstructuur en warmtebehandeling
De eigenschappen van een legering hangen sterk af van de microstructuur: korrelgrootte, fasen, en precipitates. Door warmtebehandelingen zoals gloeien, hartingsbehandelingen en temperen kan men hardheid, taaiheid en rekbaarheid van een legering sturen. Fasediagrammen geven inzicht in smelt- en stolingsgedrag (bv. eutectische en peritectische reacties) en helpen bij het ontwerpen van legeringssamenstellingen en verwerkingsroutes.
Belangrijke eigenschappen
Legeringen worden ontworpen om bepaalde eigenschappen te verbeteren. Veelvoorkomende doelstellingen zijn:
- Hogere trek- en druksterkte
- Betere corrosiebestendigheid (bv. roestvrij staal)
- Verbeterde slijtvastheid
- Hogere of lagere elektrische en thermische geleidbaarheid, afhankelijk van toepassing
- Lagere of hogere smelttemperatuur voor betere verwerkbaarheid
- Specifieke magnetische of biocompatibele eigenschappen
Veelvoorkomende legeringen en hun toepassingen
- Staal (Fe–C): basis voor constructies, voertuigen en machines; door toevoeging van legeringselementen ontstaan roestvast staal (Cr, Ni), gereedschapsstaal (V, Mo) enz.
- Koperlegeringen:
- Messing (Cu–Zn): decoratie, fittingen, muziekinstrumenten
- Brons (Cu–Sn): munten, kunst, lagerbrons
- Aluminiumlegeringen (Al–Si, Al–Cu, Al–Mg): lichtgewicht toepassingen zoals vliegtuig- en auto-onderdelen
- Titaniumlegeringen (bv. Ti–6Al–4V): hoge sterkte/gewichtsverhouding en corrosiebestendig; gebruikt in luchtvaart en medische implantaten
- Nickel superlegeringen: bestand tegen hoge temperaturen en kruip; belangrijk in turbinebladen van vliegtuigmotoren en energiecentrales
Voordelen en nadelen
- Voordelen: eigenschappen kunnen naar wens aangepast worden, betere mechanische eigenschappen, betere corrosieweerstand, soms economischer dan zuiver metaal.
- Nadelen: sommige legeringen zijn moeilijk te bewerken of lassen, kunnen duurder zijn (bv. Ti- en Ni-legeringen), en sommige bevatten toxische of schaarse elementen.
Milieu, veiligheid en recycling
Veel metaallegeringen zijn goed recyclebaar; smelten en hergebruik besparen energie en grondstoffen. Tegelijk vragen productie en verwerking aandacht voor emissies, afval en blootstelling aan stof of dampen. Het vermijden van schadelijke toevoegingen en het ontwerpen voor recycling zijn belangrijke aandachtspunten in moderne materiaalontwikkeling.
Samenvatting
Een legering is een doelbewust samengesteld metaalmengsel dat eigenschappen verkrijgt die de individuele componenten niet of minder hebben. Door samenstelling, microstructuur en verwerking te beheersen, ontstaan materialen met een breed scala aan technische en esthetische toepassingen — van bruggen en vliegtuigmotoren tot sieraden en elektronische componenten.
Astrolabium van messing legering (koper en zink).
Theorie
De combinatie van een zuiver metaal met een of meer andere metalen of niet-metalen maakt het vaak beter. Staal is bijvoorbeeld een legering van ijzer, maar het is sterker dan ijzer. Fysische eigenschappen zoals dichtheid, reactiviteit en elektrische en thermische (warmte)geleidbaarheid verschillen misschien niet veel van de elementen (stoffen) waaruit de legering bestaat. Maar eigenschappen als sterkte kunnen sterk verschillen.
De eerste legering die werd ontdekt was Brons. Brons wordt gemaakt van koper en tin. Brons werd heel lang geleden ontdekt in de prehistorie. Toen werd brons gebruikt voor het maken van gereedschap en wapens. Deze periode stond bekend als de Bronstijd. Maar later werden betere legeringen ontdekt die brons vervingen voor het maken van gereedschap en wapens. Nu wordt brons gebruikt voor het maken van ornamenten, beelden en klokken. Messing is een andere legering van koper en zink.
Het smeltpunt is de temperatuur waarbij een vaste stof overgaat in een vloeistof. De meeste legeringen hebben niet één smeltpunt. Zij hebben een smelttraject waarin de legering een mengsel is van vaste en vloeibare stadia. De temperatuur waarbij het smelten net begint, heet solidus en de temperatuur waarbij het smelten net klaar is, heet liquidus.
Termen met betrekking tot legeringen
De term legering betekent een mengsel van atomen waarin de belangrijkste stof of het hoofdbestanddeel een metaal is. Dit primaire metaal wordt de basis of matrix genoemd.
Als een legering slechts twee soorten atomen heeft, zoals koper-nikkellegering, dan wordt zo'n legering een binaire legering genoemd. Heeft een legering drie soorten atomen, zoals ijzer, nikkel en chroom, dan wordt het een ternaire legering genoemd. Een legering met vier soorten atomen wordt een quaternaire legering genoemd en een legering met vijf soorten atomen wordt een quinaire legering genoemd.
Uit dezelfde samenstellende materialen (stoffen waaruit de legering wordt gevormd) kunnen verschillende varianten of vormen van legeringen worden gemaakt. Deze verschillende vormen of variëteiten kunnen worden gevormd door verschillende hoeveelheden van de bestanddelen te gebruiken. Het geheel van mogelijke varianten van een legering wordt een systeem genoemd. Alle vormen van een legering met slechts twee bestanddelen worden een binair systeem genoemd. Alle vormen van een legering met drie bestanddelen noemen we een ternair systeem.
Enkele veel voorkomende legeringen
Er zijn enkele veel voorkomende legeringen:
- Messing bestaat uit 35% zink en 65% koper en wordt gebruikt voor muziekinstrumenten, juwelen, kranen en sierbeslag.
- Roestvrij staal bestaat hoofdzakelijk uit ijzer, plus meer dan 11% chroom en verschillende hoeveelheden nikkel en koolstof, en wordt gebruikt voor tafelgerei, kookgerei en chirurgisch gereedschap.
- Staal bestaat voor 99% uit ijzer en 1% uit koolstof en wordt gebruikt voor gereedschap, autocarrosserieën, machines, liggers en rails.
- Brons bestaat voornamelijk uit koper en wat tin en wordt gebruikt voor scheepsbeslag, schroeven en grillwerk.
- Alnico is een mengsel van aluminium, nikkel en kobalt, en wordt gebruikt om permanente magneten te maken.
Vragen en antwoorden
V: Wat is een legering?
A: Een legering is een uniform mengsel van twee of meer chemische elementen, waarvan minstens één een metaal is.
V: Waarom hebben legeringen andere eigenschappen dan de metalen waarvan ze gemaakt zijn?
A: Legeringen hebben andere eigenschappen omdat ze bestaan uit een mengsel van verschillende metalen en soms niet-metalen, die hun eigenschappen kunnen verbeteren of veranderen.
V: Hoe worden de meeste legeringen gemaakt?
A: De meeste legeringen worden gemaakt door de metalen te smelten, ze te mengen terwijl ze vloeibaar zijn om een oplossing te vormen, ze vervolgens te laten afkoelen en weer vast te laten worden.
V: Wat is het doel van het maken van legeringen?
A: Het doel van het maken van legeringen kan zijn om de eigenschappen van metalen te verbeteren of te veranderen, zoals hun sterkte, hardheid, duurzaamheid of weerstand tegen corrosie.
V: Kunnen legeringen ook niet-metalen bevatten?
A: Ja, legeringen kunnen naast metalen ook niet-metalen bevatten.
V: Worden alle legeringen gemaakt door metalen te smelten en met elkaar te mengen?
A: Ja, de meeste legeringen worden gemaakt door metalen te smelten en samen te mengen, hoewel er enkele uitzonderingen zijn, zoals bulkglas.
V: Hoe kunnen de eigenschappen van legeringen verschillen van de metalen waarvan ze gemaakt zijn?
A: De eigenschappen van legeringen kunnen verschillen van de metalen waarvan ze gemaakt zijn, omdat het mengen van twee of meer metalen samen hun kristalstructuur, elektronenopstelling of de grootte van hun atomen kan veranderen, wat leidt tot verschillende fysische, mechanische of chemische eigenschappen.
Zoek in de encyclopedie