Onderzoekers van de TU Delft schrijven dat in hun publicatie Preferential Nucleation during Polymorphic Transformations in Scientific Reports (Nature). Door verhitting van ijzer kan het materiaal van structuur veranderen. Dat is een van de manieren om verschillende vormen van staal te krijgen, met verschillende eigenschappen.
Dit proces is vergelijkbaar met de vorming van ijsbloemen: vanuit een kiempunt verandert de ene ijzerkristalstructuur in de andere, en dat proces breidt zich vanuit zo’n kiempunt verder uit.
"Als metalen simpeler kunnen worden gemaakt, dan kunnen de basismaterialen ook simpel worden gehouden"
Dergelijke kiemvorming in materialen heeft de meeste invloed op de uiteindelijke eigenschappen, maar is nog het minst begrepen in de metaalkunde. Over hoe en waar die kiemvorming precies start bijvoorbeeld, is volgens de TU Delft nog weinig bekend.
Live in beeld
De onderzoekers brachten dit kiemingsproces ‘live’ in beeld door in de European Synchrotron Radiation Facility in Grenoble een staalmonster in een speciaal gemaakt oventje te verhitten tot 1.000 graden Celsius, en het veranderingsproces te volgen met behulp van röntgenstraling.
Ze brachten zo in kaart welke plekken, met welke eigenschappen, de meest waarschijnlijke startpunten waren voor het kiemproces van de overgang van ferriet naar austeniet.
Legeringen
De tot nog toe meest gebruikte manier om de eigenschappen van staal te veranderen, is door elementen toe te voegen die invloed hebben op de structuur en daardoor de eigenschappen van de resulterende staalsoort: legeringen. Legeringen kunnen bestaan uit meer dan tien verschillende soorten elementen, wat niet alleen de productie ingewikkeld en vaak kostbaar maakt, maar ook de recycling.
Microstructuur
Inzicht in het kiemvormingsproces biedt hier mogelijk uitkomst. Als dit gestuurd kan worden, is het in theorie mogelijk microstructuren te laten ontstaan die het materiaal de gewenste macroscopische eigenschappen geven, zonder toevoeging van andere (zeldzame) elementen, stellen de onderzoekers.
“Staal moet sterk zijn, maar ook goed vervormbaar, bijvoorbeeld om componenten in de auto-industrie lichter te kunnen maken. Ook in de productie van zogenaamde elektrische stalen voor de kern van transformatoren ben je op zoek naar specifieke eigenschappen", zegt de Delftse materiaalkundige Erik Offerman.
“Wil je in dat proces het gebruik van legeringselementen terugdringen, dan staat het kiemvormingsproces centraal. We hebben nu plekken gevonden waar een ijzerkristal bij voorkeur kiemt.”
Simpele basismaterialen
Als metalen simpeler kunnen worden gemaakt, dus minder met minder legeringen, en meer met de microstructuur, dan kunnen de basismaterialen ook simpel worden gehouden.
Offerman: “Dat maakt productie goedkoper, maar je kunt de materialen ook makkelijker opnieuw gebruiken bij recyclen. Je zou meer met de structuur moeten spelen in plaats van te legeren. Een volgende stap is om kritische legeringselementen te vervangen en het aantal verschillende legeringselementen en de concentratie ervan te verlagen door de microstructuur te optimaliseren.”
Bron: Technische Universiteit Delft | Foto: public domain
schrijf je in voor de nieuwsbrief
Wil jij iedere ochtend rond 7 uur het laatste nieuws over duurzaamheid ontvangen? Dat kan!
Schrijf je nu in