Je leest:

Precisie met staal

Precisie met staal

Auteur: | 1 januari 2008

Corus (het voormalige Hoogovens) wil minder staal gebruiken voor auto’s. Dat klinkt gek, voor een staalproducent. Het is echter de enige manier om de concurrentie met lichtgewichtmaterialen als kunststof en aluminium aan te kunnen. Corus heeft daarom samen met 32 andere staalbedrijven een lichtgewicht stalen auto ontworpen. De carrosserie van het model is 25 procent lichter dan andere auto’s in de middenklasse. Dat spaart staal, maar vooral ook benzine. Een lichte auto rijdt immers zuiniger.

De gewichtsvermindering werd bereikt door gecombineerd gebruik van een aantal technieken. Hogesterktestaal neemt daarbij een belangrijke plaats in. Hoe sterker het staal, hoe minder ervan nodig is. Deze staalsoorten worden gemaakt door aan ijzer andere stoffen toe te voegen, bijvoorbeeld fosfor of niobium. Het prototype bestaat voor 90 procent uit hogesterktestaal. Omdat het materiaal lastiger te vormen en te lassen is, vereist het een andere stijl van ontwerpen.

Een carosserie van lichtgewicht staal. Bron: CORUS / Product Applicatie Centrum

Staal in de pers

‘We hebben de laatste jaren veel kennis verzameld over het verwerken van staal,’ vertelt Nico Langerak. Hij werkt als onderzoeker op het productapplicatiecentrum van Corus. ‘Er ontbrak nog veel fundamenteel inzicht in wat er precies gebeurt in een metaalpers. Wanneer gaat het staal scheuren? Welke vormen kun je nog wel en welke niet niet meer persen? Het was vaak een kwestie van uitproberen.’ Het is een kostbare gok, die in zo’n geval moet worden gemaakt, zo vertelt Langerak. Het maken van een persvorm kost al gauw enkele miljoenen guldens.

Om beter te kunnen voorspellen hoe staal zich gedraagt in een pers, is het nodig om precies te weten hoe staal uitrekt als er aan getrokken wordt en terugveert als je het loslaat. Daarover was nog te weinig bekend. Natuurlijk geeft een eeuw van onderzoek met staalstroken en ijzeren staven enig idee, maar dat leert nog niet hoe een grote staalplaat verbuigt. Allerlei toevoegingen maken dat de treksterkte in één richting vaak niet hetzelfde is als die in een andere richting.

Corus werkt bijvoorbeeld aan een tweefasig materiaal, dat bijzonder sterk en tegelijk goed verwerkbaar is. Aan een zachte staalsoort worden harde kernen toegevoegd, die extra stevigheid geven. Dat soort toevoegingen maken het echter lastig om uit te rekenen hoe het metaal zich gedraagt tijdens de productie. Er spelen teveel verschillende factoren een rol.

Dikte op maat

Staalplaten zijn bovendien niet altijd overal even dik. Soms worden met opzet platen gemaakt die op enkele plaatsen dunner zijn of hier en daar een sterkere staalsoort bevatten. De metaalplaat is als een lappendeken in elkaar gelast om elk stuk aparte eigenschappen te geven. Die in elkaar gelaste plaat gaat vervolgens in zijn geheel in een metaalpers. Het voordeel van deze techniek is dat alleen materiaal wordt gebruikt op plaatsen waar het echt nodig is.

Het is ondoenlijk om in de praktijk uit te proberen hoe al deze materialen zich in een metaalpers gedragen. ‘Daarvoor is meestal geen tijd,’ aldus Langerak. ‘Een autofabrikant moet snel kunnen komen met een nieuw model om geen tijd te verliezen op de concurrent.’

Computermodel

Corus heeft samen met de Universiteit Twente een computermodel ontwikkeld om het gedrag van al deze staalsoorten te berekenen. Dat gebeurt door een grote staalplaat op te delen in kleine stukjes, waarvan het gedrag wel bekend is. ’Voor het modelleren van het krachtenspel tussen de stukjes staal hebben we veel fundamentele natuurkundige kennis gebruikt, bijvoorbeeld over de plasticiteit van materialen.

Ook de wrijving tussen een staalplaat en de pers kan worden berekend als je op kleine schaal kijkt. Zo zie je hoe een staalplaat meegeeft als je er een vorm in perst. Het persen is een complex proces, waarbij bijvoorbeeld eerst aan een plaat getrokken wordt en een ogenblik later weer geduwd. Hoe het staal zich in de pers gedraagt, hangt bijvoorbeeld af van de verf die erop zit of van smeermiddelen die tussen de persen worden gespoten. Er zijn verschrikkelijk veel factoren die je kunt varieren. Met de computer gaat dat gemakkelijker dan bij een metaalpers in een fabriek.’

Praktijkonderzoek

Natuurlijk wordt ook in de praktijk bestudeerd hoe staalplaten vervormen. Alleen op die manier weet je zeker dat de computermodellen goed functioneren, aldus Langerak. ‘We gebruiken daarvoor de technologie van een landmeetkundig bedrijf, dat normaal luchtkartering maakt. In plaats van stippen op het fietspad en op wegen, zetten we nu stippen op een stuk staal. Dan kun je na het persen met een camera zien hoe alles vervormd is.’

Zwakke draagconstructie, metaalmoeheid, haarscheurtjes. Het zijn termen die vaak opduiken na ongelukken waarbij een metalen constructie het begeven heeft. Het lijkt misschien merkwaardig, maar onderzoekers weten nog steeds niet precies wanneer en hoe breuken en scheuren in metalen ontstaan. Ergens moet het gedrag van afzonderlijke atomen in de kristalstructuur van die materialen leiden tot gebeurtenissen die zo groot worden dat er met het oog zichtbare scheuren en breuken ontstaan.

Onderzoekers van de universiteiten in Delft en Groningen werken samen in een project waarbij ze hopen te ontdekken wat er precies gebeurt. Eén aanpak is dat ze kleine stukjes metaal maken met een heel goed bekende samenstelling en structuur. Daar gaan ze dan krachten op uitoefenen, terwijl ze er met microscopen naar kijken. Zo zien ze bijvoorbeeld dat een scheur niet op één plaats tegelijk ontstaat, maar dat er zich een zwerm van scheurtjes ontwikkelt. Die blijkt te bepalen hoe de uiteindelijke grotere scheur verder groeit.

Deze strip metaal wordt langzaam uit elkaar getrokken. Met een microscoop is te zien dat een scheur ontstaat uit een netwerk van kleinere scheurtjes. Bron: Cluster Technische Fysica, Rijksuniversiteit Groningen

Bron: Cluster Technische Fysica, Rijksuniversiteit Groningen

Bron: Cluster Technische Fysica, Rijksuniversiteit Groningen

Ook zien ze hoe de krachten het inwendige van het materiaal meer of minder vervormen. De volgende stap wordt om al dit soort waarnemingen te vertalen in een wiskundig model dat de waarnemingen goed beschrijft en dat voorspellingen kan doen. Dat moet dan via verdere experimenten tot meer inzicht leiden. Het uiteindelijke doel is te kunnen voorspellen wanneer, waar en hoe een metaal scheurt. Dan wordt het misschien ook mogelijk door de juiste bewerking van metalen scheuren te voorkomen.

Dit artikel is een publicatie van Stichting Fundamenteel Onderzoek der Materie (FOM).
© Stichting Fundamenteel Onderzoek der Materie (FOM), alle rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 01 januari 2008

Discussieer mee

0

Vragen, opmerkingen of bijdragen over dit artikel of het onderwerp? Neem deel aan de discussie.

NEMO Kennislink nieuwsbrief
Ontvang elke week onze nieuwsbrief met het laatste nieuws uit de wetenschap.