Soorten metalen: eigenschappen, toepassingen en gebruiksmogelijkheden

Soorten metalen: een gids voor eigenschappen, toepassingen en industrieel gebruik.

Kennis van de beschikbare metaalsoorten is de eerste stap naar een verstandige materiaalkeuze bij elk las-, bewerkings- of engineeringproject. Van koolstofstalen palen die wolkenkrabbers ondersteunen tot biocompatibele titaniumplaten: metalen vormen de basis van de moderne wereld, vaak zonder dat we het beseffen. Hier volgt een eenvoudige uitleg van de verschillende metaalsoorten, een vergelijking van meetbare eigenschappen en een tabel die elk metaal koppelt aan zijn ideale toepassing.

Wat is metaal? Definitie en atoomstructuur

Een metaal is per definitie een chemisch element dat gemakkelijk ioniseert en positieve ionen (kationen) vormt, en dat metaalbindingen aangaat tussen deze positieve ionen. Deze chemische bindingen creëren een 'zee' van vrij bewegende elektronen die constant in beweging zijn door de gehele kristalstructuur. Dit verklaart de eigenschappen die we bij alle metalen zien: hoge elektrische en thermische geleidbaarheid, vervormbaarheid, buigzaamheid en een glans na polijsten.

Het is die deling van elektronen die ervoor zorgt dat een koperdraad stroom kan geleiden en een stalen balk kan buigen en breken. De gedelokaliseerde elektronen in metalen zorgen ervoor dat de ene atoomlaag over de andere kan schuiven onder spanning zonder dat de bindingen breken, zoals wel het geval is bij keramiek of glas, die breken in plaats van buigen. Deze gedelokaliseerde elektronen geven metalen hun ductiele karakter wanneer ze tot dunne draden worden getrokken of tot platen worden gehamerd, oftewel hun vervormbaarheid.

Als je ooit met een kantbank tegen het metaal hebt gewerkt om metaal buigen Je hebt metaalverbindingen in de praktijk vast wel eens gezien.

Over het algemeen wordt het periodiek systeem voornamelijk gedomineerd door metalen in het midden links van het periodiek systeem. De d-blok overgangsmetalen zoals ijzer, koper, nikkel, titanium en chroom zijn de belangrijkste elementen in de industriële productie. De alkalimetalen zoals lithium en natrium, en de aardalkalimetalen zoals magnesium en calcium bevinden zich helemaal links, maar ze zijn zo reactief dat geen van hen in hun natuurlijke vorm geschikt is voor structurele toepassingen. In totaal kunnen 94 van de ongeveer 118 bekende elementen als metaal worden aangemerkt.

Twee van die 94 metaalelementen zijn vloeibaar bij een gemiddelde kamertemperatuur: kwik en gallium.

De vloeibare toestand bij kamertemperatuur is vrij ongebruikelijk in het periodiek systeem, in een groep toestanden die over het algemeen gekenmerkt worden door de sterkte van het element in vaste toestand.

Voor praktische technische toepassingen worden metalen onderverdeeld in drie grote groepen:

• Les métaux ferreux – Ferronickel, Argent ferreux… Contiennent du fer. (bijvoorbeeld: acier, fonte, fer…)
• Metalli non ferrosi – nessun il contenuto di ferro (alluminium, rame, titanio, zink)
• Legeringen – De samengestelde mengsels van twee of meer elementen, waarvan ten minste één metaalachtig is (messing, brons, Inconel).

Stel dat elk onderdeel van de onderstaande lijst een groep metalen introduceert die afzonderlijk diepgaand wordt bestudeerd, vervolgens de meetbare eigenschappen van elk metaal vergelijkt en aantoont voor welke toepassingen elke groep metalen daadwerkelijk geschikt is.

Belangrijke eigenschappen van metalen die de industriële selectie bepalen

Bij de keuze van een metaal voor een project draait het nooit om één getal. Een fabrikant houdt rekening met de sterkte-gewichtsverhouding, bekijkt de geleidbaarheidsspecificaties, beoordeelt de corrosie-eigenschappen in de daadwerkelijke gebruiksomgeving en houdt vervolgens rekening met het budget en de bewerkbaarheid. Zes veelgebruikte technische metalen worden hieronder in een tabel weergegeven, waarbij de belangrijkste parameters worden belicht.

Treksterkte is de mate waarin een metaal spanning kan weerstaan ​​voordat het scheurt. In deze categorie is titanium met 950 MPa de sterkste, en daarom zijn luchtvaartingenieurs wereldwijd de belangrijkste gebruikers van titanium voor landingsgestellen en turbinebladen. Zink staat aan de andere kant van de schaal en kan slechts 37 MPa weerstaan. Dit metaal wordt daarom gebruikt voor coatings en gegoten behuizingen, maar niet voor constructiewerk.

De elektrische geleidbaarheid wordt gemeten als een percentage van de IACS (International Annealed Copper Standard). 100% staat gelijk aan zuiver koper. Aluminium heeft een IACS-waarde van 43%, wat zeker niet de beste elektrische geleider is, maar wel licht genoeg om goede kabels voor hoogspanningsmasten te maken, met een gewicht per volume-eenheid dat een derde lager ligt dan dat van koper. Titanium staat helemaal onderaan met slechts 3%, waardoor het ongeschikt is voor bedrading, maar uitermate geschikt als materiaal voor implantaten in het lichaam en hoofd, waar elektrische geleidbaarheid alleen maar schadelijk zou zijn.

Corrosiebestendigheid is afhankelijk van het vermogen van het metaal om een ​​beschermende oxidelaag te vormen. Het vermogen van aluminium om van nature een metaalwerende siliciumoxidelaag (AlO) te vormen is opmerkelijk; het is zelfs niet zo eenvoudig om zo'n dikke en beschermende laag te creëren. Roestvast staal vereist minimaal 10.5% chroom in het basismetaal, zodat een chroomoxidelaag kan groeien. Groen, zacht koolstofstaal, dat slechts een spoor van het element bevat dat roestvast staal zo corrosiebestendig maakt, corrodeert snel in vochtige en zoute omgevingen, tenzij het geverfd, gegalvaniseerd of op een andere manier beschermd is.

Welke soorten metalen zijn magnetisch?

Magneten trekken verschillende metalen op drie verschillende manieren aan. Ferromagnetische materialen trekken magneten extreem goed aan en zijn de enige metalen die zelf permanente magneten kunnen worden. Dit zijn de enige metalen waarmee magnetische spankoppen werkstukken kunnen vasthouden tijdens de bewerking. Diamagnetische materialen, zoals goud en koper, stoten een magnetisch veld effectief af; je zou laboratoriumapparatuur nodig hebben om dit te kunnen vaststellen. Van paramagnetische materialen zoals aluminium of titanium wordt gezegd dat ze een zeer zwakke magnetische aantrekkingskracht vertonen die praktisch onmogelijk met het blote oog te voelen is. In de industrie geldt de vuistregel: als een metaal aan een magneet blijft plakken, dan bevat het ijzer, nikkel of kobalt.

“Alle metalen zijn een compromis. Hoge sterkte, laag gewicht, corrosiebestendigheid en een lage prijs zijn zelden in één legering te combineren. De uitdaging voor de werktuigbouwkundige is om te bepalen welke twee of drie eigenschappen het belangrijkst zijn voor de klant en genoegen te nemen met de rest.”
— Principe uit de materiaalkunde, geparafraseerd uit de richtlijnen van ASM International

Ferrometalen: staal, gietijzer en legeringen op ijzerbasis

Meer dan 90 procent van de metalen in de wereld is ferro, oftewel heeft een ijzerbasis. In 2024 werd er ruim 632 miljoen ton ruw staal geproduceerd, een duizelingwekkende hoeveelheid die alle andere metalen samen overtreft. Daar is een goede reden voor. IJzer is er in overvloed, de infrastructuur bestaat om erts om te zetten in metaal, en de fysische eigenschappen van staal kunnen op een schaal van enorm tot nihil worden aangepast door toevoegingen zoals koolstof en legeringselementen.

Koolstofstaal

Koolstofstaal wordt geclassificeerd op basis van het koolstofpercentage:

• Laag koolstofgehalte / zacht staal (<0.25% C) – Lasbaar, vervormbaar en bewerkbaar. AISI 1018 is de standaardkwaliteit voor algemeen gebruik in beugels, bevestigingsmaterialen en constructieonderdelen. Treksterkte circa 440 MPa.
• Middelmatig koolstofgehalte (0.25-0.60% C) – Sterker, harder, gebruikt voor auto-assen, tandwielen en spoorrails. AISI 1045 heeft een typische treksterkte van ongeveer 585 MPa.
• Hoog koolstofgehalte (0.60-2.0% C) – Zeer hard, gebruikt voor snijgereedschap, veren en draad. Door warmtebehandeling kan een extreem hoge hardheid worden bereikt, maar dit materiaal heeft een zeer broze microstructuur en is zeer slecht lasbaar.

Roestvast staal

Roestvrij staal moet minimaal 10.5% chroom bevatten om roestvrij te mogen worden genoemd. Het chroom vormt een onzichtbare oxidelaag op het oppervlak, waardoor het staal uitzonderlijk goed bestand is tegen corrosie. Drie soorten worden het meest gebruikt in de industrie:

• 304 (18% Cr / 8% Ni) – Het meest gebruikte roestvrij staal ter wereld. Geschikt voor de voedingsmiddelenindustrie, keukenspoelbakken, architectonische afwerking en tanks voor chemische processen. Niet-magnetisch in gegloeide toestand.
• 316 (16% Cr / 10% Ni / 2% Mo) – De toevoeging van molybdeen zorgt voor een uitstekende weerstand tegen chloridecorrosie. Gespecificeerd voor scheepsonderdelen, farmaceutische apparatuur en kustarchitectuur. Kost ongeveer 20-30% meer dan 304.
• 430 (17% Cr, geen nikkel) – Een ferritische kwaliteit die magnetisch is, goedkoper dan 304, geschikt voor decoratieve panelen, afwerking van apparaten en uitlaatsystemen van auto's.

Voor projecten die betrekking hebben op lasersnijden van roestvrij staalZowel 317 als 316 vertonen een strak snijprofiel bij lasersnijden met een fiberlaser bij het juiste vermogen en de juiste gasinstellingen, maar 316 vereist iets meer vermogen vanwege het hogere molybdeengehalte.

Gelegeerd staal

Gelegeerd staal maakt gebruik van combinaties van chroom, molybdeen, vanadium, nikkel, enz. om functionele eigenschappen te verkrijgen:

• 4140-staal (Cr-Mo) biedt uitstekende taaiheid en vermoeiingsweerstand, waardoor het veelvuldig wordt gebruikt in boorkragen, assen en bevestigingsmiddelen die aan hoge spanningen worden blootgesteld in de olie- en gasindustrie.
• 4340-kwaliteit (Ni-Cr-Mo) is een legering van luchtvaartkwaliteit met een zeer hoge sterkte op grote diepte, die wordt gebruikt in landingsgestellen, aandrijfmechanismen en zwaar gereedschap.

Gietijzer

• Grijs gietijzer (3-4% C) is extreem bros, maar absorbeert en dempt trillingen zeer goed. Dit maakt het het ideale basismateriaal voor werktuigmachines en motorblokken; grafietvlokken in de microstructuur zetten trillingsenergie om in warmte.
• Nodulair gietijzer bevat grafiet in de vorm van bolvormige knobbeltjes in plaats van schilfers, waardoor de slagvastheid en vervormbaarheid aanzienlijk verbeterd worden. Het wordt gebruikt voor buisfittingen, krukassen en zware tandwielen.
• Wit gietijzer is zeer hard en slijtvast. Het werd vroeger gebruikt voor het maken van slijtvaste voeringen voor kogelmolens en slurrypompen.

Gloeiend heet smeedijzer – een historisch belangrijk materiaal voor hekken, hekwerken en kettingen – heeft plaatsgemaakt voor het goedkopere en beter bewerkbare zachtstaal. Moderne "smeedijzeren" producten zijn meestal gemaakt van zachtstaal dat in de vorm van smeedijzer is gegoten.

Welke soorten metaal roesten?

Roesten is een specifieke chemische reactie: het treedt op wanneer ijzer reageert met zuurstof en vocht, waardoor een laag roest (ijzeroxide, FeO) ontstaat die de zwakte en afbrokkeling van oud staal veroorzaakt. Alle ijzerhoudende metalen zijn kwetsbaar, omdat ijzer betekent dat er ten minste een bepaalde hoeveelheid ijzer in hun structuur aanwezig is. Zacht koolstofstaal roest het snelst door zoutnevel of een hoge luchtvochtigheid. Gelegeerd staal, zoals 4140, is er ook gevoelig voor, tenzij het gesmeerd, geverfd of op een andere manier beschermd is.

Bij roestvrij staal is chroomoxide de barrière tegen roestvorming, en de legering wordt eerder "bestendig" dan "roestvrij" genoemd. Met name roestvrij staal van kwaliteit 304 kan in chloridehoudende omgevingen (zeewater, dooizouten, pekeloplossingen) boven circa vijftig graden Celsius last krijgen van putcorrosie. Daarom schrijven specificaties voor maritieme toepassingen en chemische installaties voor dat 316 gebruikt moet worden, waarbij het molybdeengehalte van 2% deze aantasting voorkomt.

De meeste andere metalen die geen ijzer bevatten, zijn niet-magnetisch en roesten niet omdat ze geen ijzer bevatten. Ze vertonen echter wel hun eigen vormen van corrosie; aluminium produceert een wit poederachtig aluminiumoxide en koper vertoont het aantrekkelijke groene kopergroen dat op oude daken en beelden te zien is. Deze oxidelagen zijn bestand tegen verdere aantasting – in tegenstelling tot het schilferige ijzeroxide, dat juist vervelender wordt naarmate je het meer probeert tegen te gaan.

Non-ferrometalen: aluminium, koper, titanium en meer.

Non-ferrometalen bevatten geen ijzer, wat betekent dat ze niet op dezelfde manier oxideren, aangezien dat proces afhankelijk is van de aanwezigheid van ijzer. Ze zijn vaak niet-magnetisch en beter bestand tegen corrosie dan ferrometalen, geleidender, lichter – maar ook duurder en vereisen soms andere productiemethoden.

Aluminium

Aluminium komt het meest voor in de aardkorst, namelijk 8.2%, en is daarmee na zuurstof het metaal met de hoogste concentratie. Desondanks was het tot de ontdekking van de Hall-Heroult-technologie in 1886 duurder dan goud. Het is na staal het meest populaire metaal vanwege de lage dichtheid (2.70 g/cm³), corrosiebestendigheid en het gemakkelijke bewerkingsproces.

De 7075 aluminiumlegering is zeer sterk en licht van gewicht, met een treksterkte van 570 MPa, wat bijna gelijk is aan die van middelsterk koolstofstaal. Helaas is het materiaal zeer lasbestendig en duurder dan 6061.

Omdat aluminium bijna 90% van de golflengte van een CO2-laser reflecteert, laserlassen van aluminiumlegeringen vereist nauwkeurige controle van warmtereflectie en -geleiding.

Koper en koperlegeringen

Koper (C11000) heeft een IACS-waarde van 100% als maat voor de geleidbaarheid. Het wordt gebruikt als vaste referentie voor elektrische bedrading, stroomrails en warmtewisselaars. Het probleem is echter de geringe hardheid – met een treksterkte van slechts 220 MPa kan het geen structurele belastingen weerstaan.

• Messing was de eerste commercieel gebruikte legering van koper. Wanneer het gelegeerd wordt met het andere metaalelement (zink), is het aanzienlijk harder dan koper, van nature corrosiebestendig en gemakkelijk te bewerken. Het wordt gebruikt voor fittingen, blaasinstrumenten, decoratief beslag en munitiehulzen.
• Brons is een legering van koper en tin; het biedt een grotere sterkte en corrosiebestendigheid in een zoutwateromgeving dan messing; traditioneel gebruikt voor scheepsschroeven, lagers en scheepsbeslag.

Laserbewerking van koper – het is de spiegelende reflectie die de laserbewerking zo lastig maakt. Vanwege de hoge reflectie zijn fiberlasers met een golflengte van ongeveer 1,070 nm veel geschikter dan CO₂-lasers. Lees meer over Koper snijden met een laser.

Titanium

Ti-6AL-4V; de toonaangevende titaniumlegering: 950 MPa treksterkte bij 4.43 g/cm³, het meest representatieve voorbeeld van middelsterk staal, en 44% lichter. De wereld vertrouwt op titanium vanwege dit voordeel in de luchtvaart, de medische sector en de ultra-performance-motorsport.

Een kostenbeperking die niet door de marketing wordt aangepakt: de kosten per kilogram titanium liggen 25 tot 100 keer hoger (afhankelijk van de vorm en kwaliteit) dan die van roestvrij staal, in combinatie met een produceerbaarheidspercentage van slechts 22%. Dit maakt de fabricage van componenten van titanium financieel duur. Wanneer gewichtsbesparing of de mogelijkheid om de behuizing of het product routinematig te produceren het component voordelig maakt, is titanium gerechtvaardigd; in de rest van de gevallen zijn roestvrij staal of aluminium een ​​betere en goedkopere keuze.

Andere non-ferrometalen

• Zink wordt op een beperkt aantal gebieden toegepast; de meest voorkomende toepassing is galvaniseren, het aanbrengen van een zinklaag op staal of ijzer ter bescherming tegen corrosie. De op één na populairste toepassing is spuitgieten voor deurgrepen en auto-onderdelen.
• Nikkel komt voor in superlegeringen (Inconel, Hastelloy) die gebruikt worden in gasturbines en straalmotoren bij temperaturen boven de 700 graden Celsius; en kan ook gebruikt worden als coating bij galvaniseren en in batterijen.
• Tin wordt gebruikt in soldeerlegeringen voor elektronica, waarbij vertinning veelvuldig voorkomt in conservenblikken en bronzen constructies.
• Lood wordt gebruikt in ongeveer 80% van de wereldwijde batterijproductie, evenals in stralingsafscherming en voorschakelapparaten; de vraag hiernaar neemt echter af door wettelijke beperkingen op het gebied van toxiciteit.
• Edelmetalen (goud, zilver, platina) vonden hun toepassing in sieraden, elektronische circuits (gouden draadverbindingen), katalysatoren (palladium en platina) en als investeringsobject;

Metaallegeringen: Hoe de combinatie van elementen de prestaties verbetert

Een legering is een mengsel van een metaalelement met een of meer andere elementen, al dan niet metaalachtig. Het beoogde resultaat is het creëren van een reeks eigenschappen die niet te bereiken zouden zijn met de twee of meer bestanddelen afzonderlijk. Staal is een legering: ijzer en koolstof. Brons is een legering: koper en tin. De gehele commerciële beschaving van de moderne wereld is gebaseerd op de productie en verwerking van legeringen in plaats van zuivere metalen, omdat zuivere metalen over het algemeen niet voldoen aan de eisen op het gebied van sterkte, hardheid, corrosiebestendigheid of elasticiteitsmodulus die in de praktijk gelden.

Legeren werkt door 'verstoring op atomair niveau'. Ophopingen van vreemde atomen verstoren de regelmatige rangschikking van de kristalroosters, waardoor de diffusie van dislocaties – de imperfecties die ervoor zorgen dat metalen kunnen vervormen – wordt belemmerd. Anders worden beweeglijke dislocaties vrijgemaakt en veranderen flexibele metalen in stijve, hardere materialen.

Scenario: Een metaalbewerkingsbedrijf dat overstapt van zacht staal naar 316L roestvrij staal voor de verwerking van voedingsmiddelen, moet zijn lasdraad (316L vulmateriaal) vervangen, het beschermgas wijzigen naar argon plus 2% koolmonoxide en de snijsnelheid met ongeveer 30% verlagen. De keuze van de mineraallegering bepaalt elk volgend productieproces: gereedschap, opspaninrichting, lasinstellingen en slijp- of polijststappen. Materiaalkeuze is nooit een op zichzelf staand proces.

Naast de classificatie in ferro- en non-ferrometalen is het nuttig om metalen te groeperen in basismetalen (gemakkelijk oxiderend, zoals zink, ijzer, tin en aluminium), edelmetalen (bestand tegen oxidatie, zoals goud, platina en palladium) of op basis van hun volgorde in het periodiek systeem. Van deze groepen zijn overgangsmetalen (d-blok), aardalkalimetalen en lanthaniden afzonderlijk beschikbaar.

Hoe kies je het juiste metaal voor je project?

Fouten in de metaalkeuze zijn de meest voorkomende oorzaak van fabricagefouten en zijn doorgaans onherstelbaar – eenmaal gelast, kan de verbinding niet meer worden losgemaakt. Onderstaande matrix vergelijkt tien bekende metalen op basis van zes parameters op een schaal van 1 (slecht) tot 5 (uitstekend).

Toepassingsspecifieke keuzes

• Bij CNC-bewerking blijkt aluminium 6061 de beste keuze voor non-ferrometalen, terwijl zacht staal 1018 de beste optie lijkt voor ferrometalen. Qua bewerkbaarheid scoren deze materialen een 4+ op het gebied van gebruiksgemak.
• Lasersnijden is optimaal voor zacht staal – het is het gemakkelijkst te snijden en het meest laservriendelijke metaal. Het is vrij van oxiden en bestand tegen verbranding. Andere, minder geschikte metalen zijn roestvrij staal (waarvoor echter een krachtigere laser nodig is), aluminium (het beste te bewerken met een fiberlaser vanwege reflectie) en titanium (laserbewerking is voorbehouden aan dure, hoogwaardige onderdelen). Bekijk de lijst met materialen die een fiberlaser kan snijden voor meer keuzes.
• Voor corrosieve omgevingen wordt 316L roestvrij staal of titanium gebruikt, met een putcorrosie-index van 5 voor de beste bescherming tegen corrosie en oxidatie. Titanium is alleen geschikt als gewichtsbesparing 25 tot 100 keer de materiaalkosten waard is.
• Voor structurele en architectonische toepassingen, zowel in woon- als bedrijfsgebouwen, biedt koolstofstaal (1018 of A36) een sterkteclassificatie van 3 en een kostenclassificatie van 5.
• In elektronica- en computertoepassingen wordt koper gebruikt voor 100% IACS elektrische geleidbaarheid en aluminium (met een hogere dichtheid) voor lichtgewicht behuizingen en koelplaten.

Welk type metaal kan worden gebruikt bij lasersnijden?

Met de juiste apparatuur kunnen vrijwel alle metalen met een laser worden gesneden, maar er zullen wel verschillende machines nodig zijn. Voor het snijden van zeer reflecterende metalen zoals aluminium, messing of koper kunnen fiberlasers met een golflengte van 1070 nm worden gebruikt. Deze lasers hebben geen last van terugkaatsende ionen, omdat CO2-lasers een golflengte van 10600 nm hebben – deze ionen richten zich terug op de resonator en/of beschadigen deze.

Zacht staal is het meest lasersnijbare metaal ter wereld. Het levert een goede snijkwaliteit op met een hogere snelheid dan elk ander metaal en tegen lagere kosten. Roestvrij staal vereist 20-30% meer laservermogen dan zacht staal van dezelfde dikte om te snijden, en afdichting met titanium inert gas (meestal argon) is noodzakelijk.

Voor een directe vergelijking van vezellaser- en CO2-lasertechnologieën, zie de Vergelijking tussen fiberlaser en CO2-laser sectie. U bent wellicht ook geïnteresseerd in welke Materialen kunnen worden gemarkeerd met een fiberlaser. en hoe ze combineren met verschillende metaalsoorten, of bekijk onze lasermarkeermachine assortiment voor apparatuur die geschikt is voor de bewerking van componenten van staal, aluminium, koper en titanium.

Opmerking over recyclebaarheid: Op een paar metalen na kunnen alle metalen elementen oneindig vaak worden gerecycled met slechts minimale veranderingen in hun basiseigenschappen. Het recyclen van aluminium verbruikt slechts 5% van de energie die nodig is om het uit bauxieterts te produceren en is een van de meest energiezuinige processen die ooit zijn bedacht. Staal is qua gewicht het meest gerecyclede materiaal ter wereld.

Veelgestelde Vragen / FAQ

Welke 10 soorten metalen zijn er?

Hoeveel soorten metaal zijn er?

Waarin verschillen legeringen van zuivere metalen?

Welk metaal roest niet?

Welke soorten metalen kunnen worden gerecycled?

Welk type metaal kan worden gebruikt bij 3D-printen?

Zijn metalen over het algemeen kneedbaar en buigzaam?