TeqNow

Beheer publicaties

Aluminium: verfijningsmiddelen, lassen, legeringsaanduidingen, non-ferro gietlegeringen

  • 29 september 2016

Korrelverfijningsmiddelen

Bij tal van metalen en legeringen wordt er een zo fijn en gelijkmatig mogelijke korrel geëist, omdat daardoor de sterkte wordt verhoogd Als gevolg van de fijnkorreligheid nemen de mechanische eigenschappen, waaronder de sterkte en hardheid, toe. Dit wordt bereikt door middel van korrelverfijning. Er worden aan een metaalsmelt alvorens te gieten geringe hoeveelheden stoffen toegevoegd, die tijdens het kristalliseren optreden als kiemvormers. Deze kiemvormers bezitten een hoger smeltpunt dan de te gieten metaalsmelt en stollen pas bij afkoeling. Ze moeten van een roostertype (atoomafstand en binding) zijn, dat zoveel mogelijk overeenkomt met dat van het gestolde basismetaal. Deze kiemen vormen evenzovele plaatsen in de smelt waarop zich heel makkelijk kristallen kunnen ontkiemen en uitgroeien. En omdat het er zoveel zijn zullen ze elkaar bij het verder uitgroeien al gauw in de weg gaan zitten, zodat de kristallen niet te groot kunnen worden. Kenmerkende korrelverfijners zijn titaan voor aluminium en zwavel voor aluminiumlegeringen.

Lassen van aluminium

Aluminium en zijn legeringen kunnen worden gelast met behulp van druk- en smeltlassen. De volgende zaken dienen hierbij in acht te worden genomen:

  • De hoge warmtegeleiding vereist voor het lassen grotere warmtetoevoer dan bij het lassen van staal.
  • De hoge warmtegeleiding zorgt ook voor een bredere warmtebeïnvloede zone. In deze zone daalt de sterkte van koudverstevigde en koudgeharde legeringen tot aan die van de zachtgegloeide toestand.
  • Als gevolg van de hoge lineaire warmteuitzetting ontstaan er bij het lassen sterke vormveranderingen die aanleiding geven tot deformatie.
  • De pas bij hoge temperatuur (2035°C) smeltende oxidehuid aan het oppervlak bemoeilijkt het samenvloeien van het gesmolten metaal. Met behulp van vloeimiddelen of door de reinigende werking van de lasboog kan de oxidehuid worden verwijderd. Door gebruik te maken van beschermgas kan het opnieuw vormen van de oxidehuid onder invloed van zuurstof uit de omgeving, worden verhinderd.
  • Bij de beginnende vervloeiing van het metaal vertonen zich geen gloeiverkleuringen.
  • Bij gelegeerd aluminium kunnen zich verdere beperkingen van de lasbaarheid voordoen omdat bepaalde legeringsbestanddelen of legeringsfasen onder invloed van de laswarmte ongewenste veranderingen kunnen ondergaan en sterkteverlies of lasscheuren kunnen veroorzaken (dit geldt in het bijzonder voor de elementen Cu en Pb).

Legeringsaanduiding volgens AA

De Aluminium Association (AA) heeft een aanduidingssysteem ontworpen voor de aluminium kneedlegeringen waarbij gebruik wordt gemaakt van cijferreeksen, dat ook is overgenomen in de EN-normen. Het werkt als volgt.
Er wordt onderscheid gemaakt tussen zeven verschillende hoofdgroepen, die elk met een cijfer worden aangeduid, waarbij elk cijfer betrekking heeft op het toegevoegde hoofdlegeringselement.
Dit werkt als volgt:

Reeks Hoofdlegeringselement
1xxx Aluminium ≥ 99,00%
2xxx Koper
3xxx Mangaan
4xxx Silicium
5xxx Magnesium
6xxx Magnesium + silicium
7xxx Zink

De voornaamste effecten van de hoofdlegeringselementen zijn de volgende:

Koper (Cu) 2xxx

De aluminium-koperlegeringen bevatten tussen 2 en 10% koper, met kleinere toevoegingen van andere elementen. Het koper geeft een aanzienlijke stijging van de sterkte en maakt de legering geschikt voor uitscheidingsharding. Toevoeging van koper aan aluminium verlaagt echter de taaiheid en de corrosieweerstand. De gevoeligheidvoor stollingsscheuring van aluminium-koperlegeringen is groter geworden,waardoor het lastig is om deze legeringente lassen. Deze legeringsgroepbevat enkele van de sterkstewarmtebehandelbare aluminiumlegeringen.De gangbaarste toepassingenvoor de 2xxx-reeks worden gevondenin de luchtvaartindustrie, militaire voertuigenen raketvleugels.

Mangaan (Mn) 3xxx

Toevoeging van mangaan aan aluminium verhoogt de sterkte enigszins als gevolg van oplosharding (inname van aluminiumatoomplaatsen door niet geheel passende mangaanatomen, waardoor het kristalrooster wat wordt verwrongen) en maakt de legering geschikt voor uitscheidingsharding zonder dat dit gepaard gaat met al te sterke achteruitgang van de taaiheid en corrosieweerstand. Deze legeringen bezitten middelmatige sterkte, zijn niet-warmtebehandelbaar, verliezen hun sterkte bij hoge temperaturen en ze worden zelden gebruikt voor grote constructies. De gangbaarste toepassingen zijn kookgerei, verwarmingsradiatoren, indampers van airconditioninginstallaties, warmtewisselaars en bijbehorend leidingwerk.

Silicium (Si) 4xxx

Toevoeging van silicium aan aluminium verlaagt de smelttemperatuur en verbetert de vloeibaarheid. Alleen silicium in aluminium levert niet-warmtebehandelbare legeringen. In combinatie met magnesium ontstaan er uitscheidingshardende legeringen. Als gevolg daarvan bestaan er wel en niet warmtebehandelbare legringen binnen deze groep. Toevoeging van silicium dient meestal voor de fabricage van gietwerk. De voornaamste toepassingen van deze legeringen zijn lasdraad voor fusielassen en voor het hardsolderen van aluminium.

Magnesium (Mg) 5xxx

Toevoeging van magnesium aan aluminium verhoogt de sterkte als gevolg van oplosharding en verbetert het vermogen van deformatieharding. Deze legeringen zijn de sterkste niet-warmtebehandelbare aluminiumlegeringen en worden derhalve intensief gebruikt voor constructiedoeleinden. De legeringen uit de 5xxx-reeks worden voornamelijk vervaardigd in de vorm van dikke en dunne plaat en slechts af en toe in de vorm van extrusieprofielen. De reden hiervoor is dat ze snel deformatieharding vertonen en dus moeilijk en duur zijn te extruderen. Sommige toepassingen van de legeringen uit de 5xxx-reeks worden gevonden in carrosserieën van vrachtauto’s en treinen, gebouwen, pantservoertuigen, schepen, chemicalëntankers, drukvaten en cryogene tanks.

Magnesium en silicium (Mg2Si) 6xxx

Toevoeging van magnesium en silicium aan aluminium levert de verbinding magnesiumsilicide (Mg2Si). De vorming van deze verbinding maken de 6xxx-reeks warmtebehandelbaar. De legeringen uit de 6xxx-reeks zijn makkelijk en economisch te extruderen en worden daarom heel vaak aangetroffen in tal van extrusieprofielen. Deze legeringen vormen een belangrijk aanvullend systeem voor de 5xxx-legeringen. De legeringen uit de 5xxx-reeks worden gebruikt voor de fabricage van plaat en die uit de 6xxx-reeks worden vaak aan de plaat verbonden in de vorm van een of andere geëxtrudeerde vorm. Enkele van de gangbare toepassingen
voor de 6xxx-reeks legeringen zijn leuningen, aandrijfassen, onderdelen van automobielcarrosserieën,
fietsframes, buisvormig tuinmeubilair, steigermateriaal, verstijvingsprofielen, boten en vele andere constructies.

Zink (Zn) 7xxx

Toevoeging van zink aan aluminium (samen met nog enkele andere elementen, voornamelijk magnesium en koper) levert warmtebehandelbare aluminiumlegeringen van de hoogste sterkte. Het zink verhoogt de sterkte aanzienlijk en maakt uitscheidingsharding mogelijk. Sommige van deze legeringen kunnen gevoelig zijn voor scheurvormende spanningscorrosie en worden om die reden normaliter niet gelast. Andere legeringen binnen deze reeks worden wel vaak gelast met uitstekende resultaten. Toepassingen van de legeringen uit de 7xxxreeks worden aangetroffen in de vliegtuigindustrie, pantservoertuigen en fietsframes.

Andere legeringselementen:

IJzer (Fe)

IJzer is de meest gevonden verontreiniging in aluminium en wordt met opzet toegevoegd aan enkele zuivere (1xxx-reeks) legeringen om de sterkte wat op te voeren.

Chroom (Cr)

Chroom wordt aan aluminium toegevoegd ter beheersing van de kristalstructuur, om korrelgroei te verhinderen in Al-Mg-legeringen en om rekristallisatie te verhinderen in Al-Mg-Zn-legeringen tijdens warmtebehandeling. Chroom verlaagt ook de gevoeligheid voor scheurvormende spanningscorrosie en verbetert de sterkte.

Nikkel (Ni)

Nikkel wordt toegevoegd aan Al-Cuen aan Al-Si-legeringen ter verhoging van de hardheid en sterkte bij verhoogde temperatuur en ter verlaging van de thermische uitzettingscoëfficiënt.

Titaan (Ti)

Titaan wordt hoofdzakelijk aan aluminium toegevoegd als korrelverfijner. Het korrelverfijnend effect van Ti wordt versterkt als er ook borium aanwezig is in de smelt of als het aan het primaire aluminium wordt toegevoegd in de vorm van TiB2. Titaan is een normale toevoeging aan aluminium lasdraad, omdat het de lasstructuur verfijnt en helpt om lasscheuring tegen te gaan.

Lithium (Li)

De toevoeging van Li aan aluminium kan de sterkte en de elasticiteitsmodulus aanzienlijk verhogen, uitscheidingsharding mogelijk maken en de dichtheid doen afnemen.

Lood (Pb) en bismut (Bi)

Lood en bismut worden aan aluminium toegevoegd om mee te helpen bij de spaanvorming en verbetering van de verspaanbaarheid. Deze automatenlegeringen zijn vaak niet lasbaar omdat lood en bismut laagsmeltende bestanddelen vormen en aanleiding kunnen geven tot slechte mechanische eigenschappen en hoge scheurgevoeligheid tijdens stollen.

Non-ferrogietlegeringen

Non-ferrogietlegeringen worden op industrieel niveau in aanzienlijke hoeveelheden toegepast. Aluminium overheerst hier. Meer dan de helft van alle aluminium gietwerk komt terecht in de carrosseriebouw, verder worden er aanzienlijke hoeveelheden van gebruikt in de machinebouw, de elektrotechniek en voor fijnmechanische en optische apparaten. Overige toepassingsgebieden zoals bijvoorbeeld bij vezelversterkt gietwerk, worden voortdurend ontsloten. Bij aluminium-gietlegeringen komen met name de volgende typen voor: G-AlSi; G-AlSiMg; GAlMg; G-AlCuTi; G-AlZnMg en daarnaast nog een aantal speciale typen. De G-AlSi-legeringen zijn het best te gieten, zijn veelzijdig toepasbaar en zijn bijzonder geschikt voor gecompliceerde, dunwandige of drukdichte gietstukken. Deze legeringen bezitten middelmatige sterkte en rek en een goede weerstand tegen de inwerking van diverse chemicaliën. De legering G-AlSi12 beschikt na een bijzondere warmtebehandeling over verhoogde rek en vermoeiingssterkte.

Toevoeging van slechts enkele tienden van procenten Mg maakt de G-Al-Si-legeringen hardbaar, waardoor ze wezenlijk hogere sterktewaarden krijgen, dit geldt in het bijzonder voor de 0,2 rekgrens die nagenoeg wordt verdubbeld. De legering G-AlSiMg5Mg neemt met betrekking tot de gietbaarheid en gedrag in zeewater, verspaanbaarheid en polijstbaarheid een middenpositie in temidden van de Al-AlSiMg-legeringen en wordt onder andere gebruikt in de voedingsmiddelenindustrie en voor brandblusarmaturen. De G-AlMg-legeringen die worden gekenmerkt door hun hoge weerstand tegen zeewater en zilte lucht, stellen hoge eisen aan smelt- en giettechniek. De moeilijk gietbare legeringen met meer dan 7% Mg bereiken na een bepaalde warmtebehandeling in zand- en coquillevormen een bijzonder hoge breukrek. Dergelijke legeringen worden op grote schaal gebruikt voor machines voor de vleesverwerkende industrie tot aan op stoten belast beslag in de scheepsbouw. G-AlCuTi-legeringen verkrijgen door harding hoge sterkte bij voldoende rek. Van zulke legeringen worden mechanisch zwaar belaste onderdelen, met name door stoten en vermoeiing, gemaakt voor de luchtvaart- en automobielindustrie. G-AlZnMg-legeringen worden gekenmerkt door hun vermogen tot warmen koudharden zonder dat hiervoor een bijzondere oplosgloeiing in de giettoestand of in de gelaste toestand nodig is. Voor tal van bijzondere toepassingen worden speciale legeringen ontwikkeld, zoals bijvoorbeeld de eutektische en boveneutektische AlSi-legeringen, waaraan Cu, Mg en Ni is toegevoegd voor de fabricage van zuigers, zwaar belaste glijlagers en cilinderkoppen en die worden gekenmerkt door hun hardheid bij verhoogde temperatuur, hoge slijtvastheid en lage thermische uitzetting.


Afbeelding 2. Proefopstelling met gietspiraal: bovenstuk.


Afbeelding 3. Proefopstelling gietbaarheid.

De bepaling van het vloeivermogen kan ook worden gebruikt voor de beoordeling van de werking van smeltbehandelingen, voor zover die van invloed zijn op het vloeivermogen, zoals bijvoorbeeld de werkzaamheid van een reinigingsbehandeling van de aluminiumsmelt. Omdat van niet-metallische verontreiniging vrije smelten een beter vloeivermogen bezitten, is er sprake van een indirecte kwalitatieve uitspraak mogelijk over oxidegehalte. Bij de uitvoering van de proef moet de giettemperatuur altijd zeer nauwkeurig worden gemeten, omdat deze op grond van de daarmee gegeven warmteïnhoud van grote invloed is op de bij de proef bereikbare spiraallengte.

Guinier-Preston-zones

De Guinier-Preston-zones (GPZ) zijn de voor de harding van aluminium-koperlegeringen (met circa 2% tot 4%
Cu) verantwoordelijke tussenstappen van de uitscheiding. De GPZ kenmerken zich ten opzichte van de stabiele X (CuAl2) -fase door een wezenlijk lagere grensvlakenergie, hetgeen op volledige of gedeeltelijke coherentie is terug te voeren terwijl de X-fase volledig incoherent in de aluminiummatrix voorkomt.
In binaire Al-Cu-legeringen ontstaan er GPZ van de 1e en 2e soort (GP I en GP II) alsmede de metastabiele X’-fase en tenslotte de X-fase een opeenvolgende reeks vormen van fasen met toenemende thermodynamische stabiliteit, dat wil zeggen afnemende oplosbaarheid van Cu in Al. De oplosbaarheidsverschillen maken het ontstaan van de opvolgende fase in de reeks mogelijk door het in oplossing gaan en weer uitscheiden van de voorafgaande fase. De reden voor het feit dat de minder stabiele fase zich ook in de tijdsvolgorde voor de stabielere fase kan vormen, ligt besloten in de remming van de kiemvorming van de stabielere fase.

GP I-uitscheiding

De uitscheiding van GP I als eerste stap van de reeks bestaat uit het bij elkaar komen van Cu-atomen in de vorm van geïsoleerde mono-atomaire vlakken in het Al-rooster (afbeelding 4). Vanwege het lagere atoomvolume van Cu ten opzichte van Al maken de GP Izones een samentrekken van de omringende Al-vlakken mogelijk, dat wil zeggen er ontstaat plaatselijk een aanzienlijke roostervervorming.

GP II-uitscheiding

De uitscheiding van GPII (ook wel aangeduid met X’’) stelt een stapeling voor van roostervlakken met Cu-atomen en roostervlakken met Al-atomen. Ze liggen evenwijdig aan en zijn coherent met de koperlagen, terwijl in loodrechte richting bezien hun roosterlengte 5% korter is. De met de GPZ gepaard gaande roostervervorming is de oorzaak van de harding van de Al-Cu-legeringen. Voor hun vorming volstaan diffusieprocessen, die door het in beweging komen van de tijdens het afschrikken ingevroren vacatures (dit zijn open plaatsen in het kristalrooster) op gang kunnen komen.

Omdat hun concentratie orden van grootte hoger is dan eigenlijk noodzakelijk zou moeten zijn om te kunnen spreken van thermisch evenwicht, verloopt de vorming van GPZ zelfs bij lage temperatuur nog tamelijk snel en is er sprake van ‘koudharden’ (in het uiterste geval bij kamertemperatuur). De extreem korte diffusieafstanden in het nanometerbereik maken het aflopen van deze reactie mogelijk, nog voor de overschietende vacatures door herstel op de veel zeldzamere dislocaties respectievelijk korrelgrensvlakken zijn opgevuld en daarmee verdwenen. X’ en X vormen daartegen grovere uitscheidingen, vereisen derhalve grotere diffusielengtes en daarmee ook de medewerking van thermische evenwichts-vacatures, en er is sprake van ‘warmharding’.
De grovere deeltjesuitscheiding van X’ en X is, behalve de afbouw van de door GPI en GPII veroorzaakte coherentiespanningsvelden, oorzaak van het feit dat na lange verouderingsduur of door verhoging van de verouderingstemperatuur er sterkteverlies optreedt, ook wel oververoudering genoemd.


Afbeelding 4. Schematische weergave van het atoomrooster in een GPI zone (Cu-atomen in aluminium).

Kneedlegeringen

Deze legeringen verschillen van gietlegeringen in samenstelling. Gietlegeringen worden ontworpen met als belangrijke eigenschap goede gietbaarheid, dat wil zeggen goed vormvullend vermogen bij een zo gunstig mogelijke stollingsstructuur door middel van vermindering van de mogelijkheid tot het vormen van slinkholtes. Dit zijn allemaal eigenschappen waarmee bij kneedlegeringen geen rekening hoeft te worden gehouden. Bij kneedlegeringen komt het voor alles aan op goede vervormbaarheid en goede sterkte-eigenschappen, die onder bepaalde omstandigheden nog kunnen worden verbeterd door middel van warmtebehandelingen en die gewoonlijk ver boven die van gietlegeringen liggen. Kneedlegeringen kunnen worden verwerkt tot halffabrikaten of eindproducten met behulp van processen als walsen, smeden, persen enzovoort.