Materiaaltechniek (1): staal

Materialen zoals staal, lichtmetaal of carbon zijn veelgebruikt in de motorfiets-bouw. En geliefde borrelpraat voor motorrijders. In een korte serie artikelen gaat MotoPlus dieper in op de materiaal-materie, met in dit eerste deel aandacht voor staal. Staal is het materiaal waaruit grofweg de helft van het gewicht van een gemiddelde motorfiets bestaat. De motorfiets is – enigszins blasfemisch uitgedrukt – een mandje vol met ijzerwaren. Tijdens het rijden versmelt deze ijzerhoop echter tot een prachtige eenheid met zijn bestuurder en verschaft hem of haar het onvergelijkbare genoegen zoals alleen de mooiste hobby ter wereld dat kan. En menig motorrijder betrapt zichzelf er wel eens op, met een dromerige blik over de metalen delen van zijn machine te aaien als ware het de vacht van een kostbaar wedstrijdpaard. Dat het lastig is om voor staal een substituut te vinden toont het volgende voorbeeld. Een stalen krukas van een moderne motorfiets roteert in zijn gemiddelde leven meer dan tien miljoen maal. Vervaardigd uit een duidelijk zwakker lichtmetaal zoals aluminium, dan zou de krukas – bij een identiek ontwerp – al snel het hoofd moeten buigen, in de meest letterlijke zin van het woord. Ander voorbeeld: wentellagers, zoals kogel-, kegel-, ton- of naaldlagers. Deze op een klein oppervlak zeer zwaar belaste onderdelen dienen enerzijds een soepele en lichte loop te verzorgen en tegelijkertijd zo lang mogelijk mee te gaan. Met gehard staal geen probleem! Een paar gram besparen door toepassing van lichtmetaal heeft hier geen zin, want een dergelijk lager zou binnen de kortste keren verkruimelen. Kortom: voor motorfietsconstructeurs is staal in de regel de eerste keuze op grond van haar specifieke eigenschappen, met name wat betreft elasticiteit, sterkte en hardheid. Het sluit daarmee in vele gevallen andere – lichtere – metalen uit. Maar wat is staal nu precies? Bij de productie worden de grondstoffen, ofte wel ijzererts of recycle ijzer, gesmolten. Omdat dit ijzer nog veel koolstof bevat wordt het oxi-staal proces toegepast, wat inhoudt dat zuurstof met een druk van tien bar door het vloeibare ijzerbad heen geblazen. Aangezien koolstof agressiever reageert dan ijzer, zal de koolstof zich binden aan de zuurstof en als CO of CO2 gas ontsnappen uit het smeltbad. Des te hoger het koolstofgehalte, des te harder het staal wordt. Maar het wordt dan ook brosser. Dit brouwsel wordt staal genoemd als het niet meer dan twee procent koolstof bevat en het geschikt is voor warmvervorming, dus smeedbaar is. In de gieterij ontstaan naar gelang van de uiteindelijke toepassing, volgens zeer precieze recepten, zogeheten halffabrikaten. Dit zijn onbehandelde, maar soms wel voorgesmede partijen staal welke voor de vervaardiging (door bijvoorbeeld draaien, frezen, honen, schaven, slijpen en/of polijsten) van een eindproduct zoals een krukas bedoeld zijn. Naar gelang het inzetgebied van het staal kan een grotere hardheid nodig zijn (bijvoorbeeld voor de looplagen van wentellagers) of kan juist een grotere ductiliteit gewenst zijn. Letterlijk betekent dit “pletbaarheid”, maar bij staal wordt hier de vervormbaarheid mee bedoeld. Deze is juist van groot belang bij onder andere framebouw. Deze eigenschappen kunnen worden geoptimaliseerd door zowel warmtebehandelingen als legeren (het toevoegen van andere materialen aan het staal). Staalsoorten welke voor de motorfietsproductie hoofdzakelijk worden ingezet bevatten naast ijzer metallische legeringcomponenten als chroom, nikkel, of molybdeen. Niet-metallische stoffen zijn koolstof, stikstof, fosfor, zavel en silicium. Door het legeren verkrijgt het staal specifieke eigenschappen als dieptrekbaarheid (van belang voor de productie van spatborden of tanks) of een goede lasbaarheid (frame, montagebeugels). Moderne ontwikkelingen in staalproductie richten zich erop om de treksterkte en ductiliteit zo groot als mogelijk te maken en om daarbij het soortelijk gewicht zo laag te krijgen. Nu is dit wel een natuurkundige spagaat… Helaas heeft normaal staal een forse onhebbelijkheid: het roest. Het element ijzer (Fe) reageert met zuurstof, wat men oxideren noemt. Deze oxidatie leidt tot een volumetoename, wat zich uit als een bruine roestlaag. Uiteindelijk zal deze roestlaag spontaan eraf vallen. Niet-roestende staalsoorten bestaan niet, maar RVS (roestvast staal) reageert enorm veel langzamer met zuurstof. Dit zijn edelstalen met een chroomaandeel van minstens 10,5% chroom. Zodra het chroom oxideert, zorgt deze oxidatie voor een ondoorlaatbare laag aan de oppervlakte en dus kan het daaronder liggende chroomstaal niet meer verder oxideren, omdat er geen zuurstof meer bij kan komen. Bij motorfietsen wordt edelstaal onder andere bij de uitlaat toegepast en vele motorrijders waarderen hun machine op met corrosiebestendige RVS-bouten. Dat dit soort bouten niet vanuit de fabriek gemonteerd worden, heeft te maken met de hoge kostprijs van dit soort staal. De legeringcomponenten worden gewonnen uit ertsen welke in de natuur niet veel voorkomen en dus moeilijk te vinden of te produceren zijn. Als kostengunstigere corrosiebescherming worden gevoelige staaldelen derhalve vaak verzinkt, gecadmeerd (wordt veelal bij Japanse machines toegepast, te herkennen aan zwartgroenige gloed) of gelakt. En de dealers bieden niet zonder reden een breed assortiment onderhoudsproducten die metaaldelen tegen roest beschermen of aanwezige roest verwijderen. Als we even kijken naar Duitsland, dan zien we dat daar vanwege de stevige auto-industrie jaarlijks ruim 40 miljoen ton staal wordt geproduceerd. Het merendeel daarvan is dus bestemd voor de productie van die auto’s. En 10.000 ton is bedoeld voor de productie van motorfietsen (met name BMW dus), om de zaak even in het juiste perspectief te zien. Onderzoekers, staalproducenten en de automotive-industrie werken nauw samen bij de ontwikkeling van nieuwe staalsoorten, maar bovengenoemde getallen maken duidelijk dat de motorfietsmarkt niet de allerdikste vinger in de pap heeft. Bovendien is er altijd een lange weg te gaan voordat de wetenschappelijke ontdekkingen hun intrede doen in de massaproductie, want nieuwe materialen betekent ook dat er ontwerpen moeten komen die de technische voordelen hiervan benutten. De nieuwe lichtere staalsoorten (zie interview) zullen vermoedelijk pas over enige jaren hun marktintrede doen. Onderzoek stuwt de ontwikkeling voort, dus investeren grote fabrikanten zoals Honda en BMW in eigen metallurgische laboratoria. Met name door ontwikkelingen op metallurgisch gebied kunnen steeds hogere toerentallen en vermogens bereikt worden. Denk hierbij aan lichtere materialen voor bijvoorbeeld een zuiger, zodat het drijfwerk van drijfstang en krukas minder zwaar belast wordt. Maar ook aan een materiaal met een hogere treksterkte voor de kleppen, zodat ook die de hogere toerentallen veilig overleven. Staal blijft op vele gebieden het meest populaire materiaal vanwege de lange levensduur onder zware omstandigheden. Suzuki vervulde eind 1984 met de introductie van de GSX-R750 een voortrekkersrol door de wereld kennis te laten maken met een van de eerste productiemotoren met een aluminium frame als basis. Toch gebruiken zelfs zij voor geliefde bestsellers als de Bandits nog steeds stalen frames. In de grafiek is te zien dat nog altijd het overgrote deel van de motorfietsen uitgerust is met een stalen frame. Sommige fabrikanten willen beslist niet afwijken van hun traditie om stalen frames te ontwerpen. Ducati vertrouwt sinds de mid-tachtiger jaren op het welbekende stalen vakwerkframe, dat ook te zien is op pagina 76. Dat frame wordt gefabriceerd bij framespecialist Verlicchi (zie ook: www.verlicchi.it) te Bologna. De doorsnede van de buizen varieert tussen de 18 en 28 millimeter, de wanddikte van de dunste buizen bedraagt slechts 1,5 millimeter. Een 999-frame weegt slechts 10,2 kilogram en daarmee is het gewicht concurrerend met de aluminium frames van andere sportmotoren. Qua stijfheid zetten Ducati frames de norm in motorland, zoals uit elke vergelijkingstest steeds weer blijkt. Het is echt een voorbeeld van slim ontwerpen met een bestaand materiaal. De truc die wordt toegepast, is dat in feite door de vele driehoeksverbindingen álle krachten worden ontbonden in zuiver trek- en duwenergie. En dat is nu net de sterke kant van staal. In de wetenschap worden deze ontlede krachten Cremona-diagrammen genoemd. Het Ducati-frame bestaat uit een laag-gelegeerd veredelbaar staal uit de legering 25CrMo4 (0,25% Koolstof, 1% Chroom en minder dan 1% molybdeen) en vanwege het arbeidsintensieve lasproces is het Ducati frame beslist niet goedkoop in productie. Voor Ducati is het vakwerkframe niet alleen een technisch succes, met vele behaalde wereldtitels en MotoGP zeges, maar meer nog een design element wat wezenlijk bijdraagt aan de karakteristieke uitstraling van deze Italiaanse machines. Voor vele klanten is het alleen om esthetische redenen al een belangrijk verkoopargument. Bij Ducati geldt beslist de leus: staal heeft stijl! STAAL IN DE MOTORFIETS Waar wordt staal toegepast? Aan de hand van de conventioneel opgebouwde Suzuki Bandit worden de stalen delen opgesomd. 1. Motor: primaire aandrijving, kleppen (speciale legering, nokkenassen en sleeptuimelaars (smeeddelen), nokkenasketting (gestanste plaatstalen delen en gehard stalen pennen), krukas en drijfstangen (geharde en ontlaten temperatuurbehandelde smeeddelen), versnellingsbak (gehard staal), hulpaggregaten zoals dynamo met onderdelen uit staal 2. Wielassen en lagers: staal 3. Remmen: zuigers (hardverchroomd), remschijven (zwaar gelegeerd staal) 4. Vering: veren (verenstaal), binnenpoot (hardverchroomd), zuigerstang (hardverchroomd) 5. Koplamp: verchroomd plaatstaal 6. Stuur: buis, verchroomd 7. Voetsteunen, zijstandaard: smeedstaal, gespoten 8. Tank: diepgetrokken plaatstaal, gespoten 9. Frame: buis, gespoten; achterbrug (rechthoekig staalprofiel, gespoten) 10. Plaatwerk: houders en montagebeugels uit staalprofiel en stansdelen, gespoten 11. Uitlaat: roestvast staat (RVS) 12. Eindoverbrenging: geharde plaatstalen stansdelen. 13. Balhoofd- en achterbrug lagers: gehard staal 14. Bouten en moeren: deels RVS, deels gecoat staal In deze grafiek zie je de verhouding (in procenten) tussen stalen frames en lichtmetalen frames door de jaren heen. Sinds de introductie van de eerste aluminium frames is het lichtgewicht-aandeel duidelijk groter geworden. Toch blijft het overgrote deel van staal. Stalen frames Aluminium frames INTERVIEW Professor Dr. Georg Frommeyer van het internationaal toonaangevende Max-Planck-Institut voor Materiaalkunde in Düsseldorf werkt aan de ontwikkeling van nieuw lichtgewichtstaal voor de voertuigindustrie. Wat zijn de belangrijkste eigenschappen van de nieuwe, in uw instituut ontwikkelde staallegeringen? De zogeheten TWIP- en TRIP-staalsoorten, waarvan de hoofdbestanddelen naast ijzer uit mangaan, aluminium en silicium bestaan, worden op de eerste plaats voor de voertuigindustrie ontwikkeld om een verhoogde torsiestijfheid en voertuigstabiliteit bij hoge snelheden te bereiken. Concreet betekent dit een lichter frame zonder dat de motorfiets gaat “fladderen”. Deze staalsoorten zijn sterk, bijzonder taai en elastisch. En daarmee ook zeer geschikt voor brug- en hoogbouw in gebieden waar aardbevingen voorkomen. De productie en verwerking van deze lichtgewichtstalen is weliswaar duurder dan conventioneel staal, maar de kosten liggen nog steeds lager dan die van lichtmetalen als aluminium. Waar zouden de lichtgewichtstalen bij een motorfiets toegepast kunnen worden? Ik zie een groot potentieel voor lichte en toch zeer sterke frames. Zowel buizenframes als frames uit profielen zijn mogelijk. Momenteel bereiken we qua soortelijk gewicht een ideaalwaarde van 6,6 kg/dm³, wat 15% lager is dan de tot nu toe bekende lichte staallegeringen. Bovendien hebben de nieuwe staalsoorten bijzonder goede strek- en dieptrek-eigenschappen, wat wil zeggen dat ze zich zeer goed in vorm laten brengen met behulp van stansen en plaatpersen. Zeer geschikt dus voor de productie van frames en plaatstalen delen als benzinetanks. Zij er al aanvragen vanuit de tweewielerbranche? Nee. Tot dusverre werken we hoofdzakelijk met de automobielindustrie samen, maar overal waar lichtgewicht van belang is, zijn onze stalen interessant. Aangezien ze in vergelijking met lichtmetalen wezenlijk eenvoudiger en goedkoper te recyclen zijn, voorzie ik een goede toekomst voor deze materialen. Zo ontstaat staal: uit het vloeibare ijzer wordt met lucht koolstof onttrokken, waardoor uiteindelijk staal ontstaat. Interessant voor de voertuigbranche: nieuwe lichtgewicht staalvarianten laten zich makkelijk vervormen en verwerken. Ze zullen echter pas over een aantal jaar op de markt worden gebracht. Rechts: dankzij het legeringcomponent mangaan wordt staal hard en vast. Belangrijk onderdeel van het motorblok: de krukas van gehard staal. Tot op de dag van vandaag is er geen enkel alternatief gevonden voor de beproefde grondstof. In vergelijking tot lichtmetalen als aluminium is staal makkelijk te lassen.