Metalen, de ruggengraat van de Nederlandse materialenwereld

Metalen, de ruggengraat van de Nederlandse materialenwereld Prof. Dr. R. Boom Technische Universiteit Delft Materials innovation institute M2i Symposium Metal Valley Netherlands Drunen, 21 oktober 2011

Inhoud      

Wat is een metaal? Metaal mengen: legeren Metaal productie Metaal hergebruik Metaal concurrentie Samenwerking in metalen

Inhoud      


Groot Woordenboek der Nederlandse Taal Veertiende herziene uitgave, Utrecht/Antwerpen, 2005 metaal, alg. Naam voor een groep van elementen die in het algemeen gekenmerkt wordt door eigenaardige glans, ondoorzichtigheid en het vermogen om warmte en elektriciteit te geleiden: ijzer, lood, kwik en natrium zijn metalen; edele metalen, die niet in salpeterzuur oplossen en aan de lucht niet oxyderen, n.l. goud, en de platinametalen; onedele metalen, die in alle minerale zuren oplossen en meestal ook bij gewone temperatuur aan de lucht oxyderen, zoals tin, ijzer, lood, enz.; halfedele metalen, die niet oplossen in zoutzuur, maar wel in salpeterzuur, en niet (aan de lucht) oxyderen: zilver, kwik, koper; zware metalen, waarvan het s.g. groter is dan 5; lichte metalen, waarvan het s.g. kleiner is dan 5; …………….

Atoomconfiguratie van ijzer

Protonen Neutronen Valentieelektronen

Metaal eigenschappen Metalen delen de valentie elektronen met elkaar Deze “vrije elektronen” bepalen • elektrische geleiding • warmtegeleiding • ondoorzichtigheid • metaalspiegeling

Het periodiek systeem der elementen

Metaal Metallisch in verbinding

Niet-metaal

De zeven metalen uit de Oudheid Goud

Koper

Venus

Zon

Zilver

Lood

Saturnus

Maan

Jupiter

Mercurius

Tin

Mars

IJzer

Kwik

 Andere metalen kwamen pas in de 20ste eeuw in zwang

Inhoud      


Metalen mengen: legeren • Metalen zijn sociale elementen • Maar ook conservatief: ze behouden hun energie… • Hoe liberaal zijn metalen eigenlijk? • Hoe zit het met de samenwerking tussen verschillende metalen, oftewel met het legeringsgedrag?

Het periodiek systeem der elementen H2O water

Metaal Metallisch in verbinding

Niet-metaal

Metalen mengen: legeren • Scheikundige weten zich geen raad • Metallurgen ontwikkelden vuistregels met atoomgrootte en plaats in Periodiek Systeem • Natuurkundigen aan de Universiteit van Amsterdam ontwikkelden een empirisch model • Legeren moet wel met de vrije elektronen te maken hebben!

Legeren van metalen B B B B B B B B B

A A A A

+

A A A A

A A A A

A A A A

A A

B

A

B A

B

A

B A

A

Zuiver atoomblokje houdt eigenschappen in legering Grensvoorwaarden leiden tot aanpassing in legering

Energie-effecten bij legeren Chemische potentiaal of elektronegativiteit * voor elektronen gelijk maken door overdracht van elektronen Dit brengt energievoordeel Ladingdichtheid n WS aan grenzen van A met B nivelleren Dit is een energienadeel Oerformule van het Miedema model: H = - P’ (* )2 +Q ( n WS)2 waarbij H de legeringswarmte is en P’ en Q positieve empirische constanten zijn

Macroscopisch atoommodel Resultaten: • Excellente kwalitatieve legeringsgedrag voorspelling • Accurate beschrijving warmte-effecten bij legeren, oppervlakteverschijnselen en amorf gedrag in legeringen

Positieve kritieken 1980 Hewlett Packard Europhysics Prize 1981 Hume Rothery Gold Medal 1989 Boek ‘Cohesion in Metals’

Inhoud      


Wereld metaalproductie Eenheden van 1000 ton

IJzer en staal Aluminium Koper Zink Lood Nikkel Magnesium Titaan

2001 839 900 20 551 14 300 9 233 6 495 805 415 120

2010 1 413 596 26 707 16 580 12 860 9 455 1 400 708 100

toename 68 % 30 % 16 % 39 % 46 % 74 % 71 % -17 %

Zolang de mensheid goud kent: 166 600 ton (www.gold.org)

Metaalproductie in Nederland IJzer en staal

Tata Steel Nedstaal

IJmuiden Alblasserdam

Aluminium

Aldel Zalco Nedal Sapa

Delfzijl Vlissingen Harderwijk Drunen

Zink

Nyrstar

Budel

Lood

Uzimet

Rijswijk

Koper

LDM

Drunen

Welschen

Westbroek

Doorvoer

3 miljoen ton staalschroot 700 000 ton non-ferro schroot

Elke markt stelt haar eigen eisen… Bouw • Duurzaamheid, levensduur • Architectonische mogelijkheden • Beperkt onderhoud • Gedrag bij brand

Rail • Duurzaamheid • Levensduur versus belasting • Wrijvingscoefficient

• • •

Verpakkingen Beschermen, conserveren Uitnodigen tot aankoop Duurzaamheid

Automotive • Onberispelijk oppervlak • Deukweerstand • Gedrag bij botsing • Duurzaamheid

De eigenschappen van een legering Chemische samenstelling

Procesinstellingen

Microstructuur ferriet

Eigenschappen

De instrumenten van de metaalkundige … zijn de fasen van het productieproces Staal maken

Gieten

Warmwalsen Chemische samenstelling

Microstructuur

Reinheid

Verzinken Koelen

Koudwalsen

& Gloeien

Fase

Microstructuur, textuur

Microstructuur

Oppervlak, corrosie

Inhoud      


Gebruik materialen door de mens • • • • • • • •

Steen Hout Keramiek Papier Textiel Glas Metaal Plastics

Oermens

Hedendaagse mens

Hergebruik materialen door de mens Materiaal Steen Hout Keramiek Papier Textiel Glas Metaal Plastics

Hergebruik Steen Hout/papier Keramiek Papier Textiel/papier Glas Metaal Plastics

Eindgebruik Puin Brandstof Puin Brandstof Brandstof Puin Metaal of erts Brandstof

Eiffel toren in de recycling? Eiffel toren is van gietijzer (1889) omsmelten

legeren

vormgeven

gloeien

Nieuw ontwerp in staal anno 2011 gebruik makend van nieuwste staalsoorten en verbindingstechnieken

Metaal zeer goed herbruikbaar • Metalen worden na recycling opgewaardeerd in tegenstelling tot alle andere materiaal klassen • Metal Valley is goed initiatief om deze metaal eigenschap te benutten!

Metal Valley in het periodiek systeem

Metalen in Metal Valley legeringenNiet-metaal Metaal Metallisch in verbinding

Energiebesparing door recycling Metaal Magnesium Aluminium Nikkel Koper Zink Staal Lood

Energie (GJ/t) primair uit erts sec. uit schroot 372 253 150 116 68 33 28

besparing (%)

10 13 16 19 19 14 10

Bronnen: J.J. Moore, Int. Met. Reviews, 1978 P. Hayes, Process Selection in Extractive Metallurgy, 1985

97 95 89 97 49 58 18

Inhoud      


Metaal concurrentie • Metalen zijn niet (meer) erg populair

Vroeger een kinderbadje….

Bedreiging metaal positie Bedreiging kunststoffen (en keramiek) blijkt minder sterk dan verwacht • Voordelen: plastisch, eenvoudig vorm te geven, niet roestend, leverbaar in vele kleuren • Nadelen: instabiel op lange termijn, weinig duurzaam in gebruik • Gevolg: in bepaalde toepassingen dominant, in andere niet doorgedrongen • Sterke strijd binnen metalen: bedreiging staal hegemonie eind twintigste eeuw

De aanval van de lichte brigade • Nadelen ijzer/staal: zwaar en niet roestvast • Aluminium is aanmerkelijk lichter  Opkomst vliegtuigindustrie stimuleert aluminium productie  Aluminium dominant in vliegtuigindustrie, concurrent in bouw, verpakkingen, transport • Magnesium nog weer lichter dan aluminium

Van de aarde naar de maan Jules Verne, 1865 “Gebruik een ander materiaal dan ijzer.” “Koper?”, opperde Morgan. “Nee, dat zou veel te zwaar worden, ik weet iets veel beters.” “Wat dan?” vroeg de majoor. “Aluminium”, antwoordde Barbican.

Het aluminium tijdperk?

Het keizerrijk slaat terug ULSAB: UltraLight Steel AutoBody • 100% staal • 25% lichter dan traditioneel ontwerp • Hogesterktestaal • Tailored blanks • 34 partners • Porsche engineering

Moderne staalsoorten in de auto

Metalen zijn de ruggengraat van de materialen wereld • Er is geen materiaal of het is metaal, bevat metaal, of is gemaakt en/of vervoerd met behulp van metaal!

Metaal schaarste alarmerend • Tekort aan strategische metalen • Cruciaal voor moderne maatschappij • Zeldzame Aardmetalen voor communicatie • Lithium voor batterijen

Mijnbouw op de zeebodem

Inhoud      


Staal samenwerking basis Europese Unie 1952 • Europese Gemeenschap van Kolen en Staal (EGKS) 2002 • Opheffing EGKS • 1,4 miljard Euro op de bank • Oprichting Research Fund for Coal and Steel (RFCS)

Metaal samenwerking Nederland • Netherlands Institute for Metals Research • Top Technology Institute (TTI) • Industrie, academia, overheid • Idee van Hans Wijers Selectie • Bijdrage aan Nederlandse economie • Wetenschappelijk top niveau (KNAW) • 1997-2007

Metaal samenwerking Nederland • • • • • •

Nieuw initiatief Economische Zaken Programma aanpak Materials to innovate industry 2008 NIMR transformeert in M2i Public private partnership Alle materialen in onderzoek, metalen vormen de ruggengraat

Materials innovation institute M2i • Wereld klasse instituut voor fundamenteel en toegepast onderzoek op het gebied van structurele and functionele materialen • Dat op hoog niveau nauw samenwerkt met universitaire en industriële partners • Dat nieuwe materialen ontwikkelt voor economische groei van de industrie en voor het scheppen van een duurzame samenleving

Industriële partners

• Delft University of Technology • Eindhoven University of Technology • University of Twente • University of Groningen • RWTH Aachen University • Radboud University Nijmegen • FOM Rijnhuizen Nieuwegein • FOM Corporate Utrecht • Utrecht University • Cambridge University • Oxford University • Leuven University • Max Planck Düsseldorf • EPFL (Lausanne) • Sheffield University • Chalmers University • Leiden University

Metal Valley • • • • • •

Regionaal initiatief Public private partnership Overheid, onderwijs, industrie M2i kan hierbij helpen Recycling filosofie Metal Valley wordt een succes!

Metalen, de ruggengraat van de Nederlandse materialenwereld

Recommend Documents