Go to top

Aluminium-matrix composieten (deel 1)


Metaal-matrix composieten (MMC’s) vormen een materiaalklasse op zich. Ze zijn geschikt voor gebruik bij hogere temperaturen dan hun basismetaal tegenhangers. Door bepaalde aanpassingen kunnen hun sterkte, stijfheid, warmtegeleidbaarheid, slijtvastheid, kruipsterkte of maatvastheid worden verbeterd.

A.J. Schornagel

In tegenstelling tot composieten met hars, zijn MMC’s onbrandbaar, gassen niet uit onder vacuum en lijden minimaal onder aantasting door organische vloeistoffen zoals brandstoffen en oplosmiddelen. Het principe van inbouwen van een hoogwaardige tweede fase in een conventioneel technisch materiaal om te komen tot een combinatie met eigenschappen die niet zijn te bereiken met elk afzonderlijk is bekend. In een MMC is de continue fase of matrix een monolitische legering en de versterking bestaat uit toevoegingen van hoogwaardig koolstof, metaal of keramiek. De combinatie van een licht gewicht, goede corrosieweerstand en bruikbare mechanische eigenschappen maken aluminium en zijn legeringen zeer geschikt als basismetaal voor MMC’s. Het smeltpunt van aluminium is hoog genoeg om te kunnen voldoen aan veel toepassingen, en toch ook weer laag genoeg om het verwerken van composieten redelijk makkelijk te maken.
 




Versterkingen
 

Continue of discontinue versterkingen kunnen tot wel 70% van het volume van een composiet uitmaken. Continue vezelvormige versterkingen voor aluminium omvatten grafiet, siliciumcarbide (SiC), borium en aluminiumoxide (Al2O3). Discontinue versterkingen bestaan voornamelijk uit SiC in de vorm van whiskers, deeltjes SiC en Al2O3 en kort gehakte Al2O3 of grafietvezels. Er wordt vandaag de dag veel gebruik gemaakt van discontinue versterkingen, omdat MMC’s met dergelijke versterkingen makkelijker te fabriceren zijn tegen lagere productiekosten en met betrekkelijk gelijkmatige eigenschappen. Sic en Al2O3 zijn de meest gebruikte versterkingen in discontinu versterkte aluminium composieten. De microstructuur van verscheidene Al-MM’C’s is te zien op afbeelding 1.

 

Vezels en draden
 

Vezels en draden hebben extreme lengte/diameter verhoudingen. Ze worden gebruikt als continue versterking in producten zoals dunne plaat en buizen. De resulterende MMC heeft hoge anisotrope eigenschappen. Soms is deze sterke anisotropie ongewenst, dan wordt de MMC opgebouwd uit afzonderlijke lagen met verschillende vezeloriëntaties, bijvoorbeeld 0°/90°/10° of

Afbeelding 1 Dwarsdoorsnede van kenmerkende vezelversterkte MMC’s. (a) Continue vezelversterkte. Cirkels zijn dwarsdoorsneden van vezels, die zijn ingebed in een aluminiummatrix. (b) Discontinue koolstof/aluminium composiet, die is versterkt met gesneden koolstofvezels (40 vol%) in een matrix bestaande uit de aluminiumlegering 2014. (c) Een matrix bestaande uit de aluminiumlegering 6061, versterkt met 40 vol% SiC deeltjes. (d) Met whiskers (20 vol% SiC) versterkte aluminium MMC. (e) Aluminium MMC die 60 vol% Al2O3 bevat en die is vervaardigd door drukloze metaalinfiltratie. (f) Vervaardigd als (e) maar nu met 81 vol% SiC.
0°/45°/90°/135°/0°. Ondanks de verkregen buitengewone hebben deze vezelversterkte composieten als nadeel de hoge prijs van de vezels alsmede het feit dat ze niet kunnen worden bewerkt met tal van traditionele bewerkingsmachines. Gesneden vezels met lage lengte/diameter verhoudingen en willekeurige oriëntatie worden gebruikt als matrijs voor sommige MMC-gietprocessen. Hoewel de eigenschappen sterker isotroop zijn en de prijs lager is, wordt het gebruik ervan beperkt door hun secundaire fabricage-opties.


 


Whiskers
 

Whiskers zijn monokristallijne stoffen met een hoge lengte/diameter verhouding die kan lopen van 50 tot 100. Hun geringe afmetingen maakt ze geschikt voor een verscheidenheid aan MMC-productiemethodes, hoewel poedermetallurgie (PM) de populairste is. Met whiskers versterkte MMC’s worden doorgaans gebruikt in de vorm van extrusiestukken, smeedstukken en gewalste dunne plaat. De eigenschappen van het gerede MMC-werkstuk lopen van isotroop tot licht anisotroop. De prijs is matig tot hoog en dat geldt ook voor de mechanische en fysische eigenschappen.
 


Deeltjes
 

Deeltjes vormen op tal van manieren de ondergrens van het versterkingsspectrum. Ze zijn betrekkelijk goedkoop en hun lage lengte/diameter verhouding (-1 tot 5) omvat alles van polykristallijne microbolletjes tot slijpgrit tot monokristallijne plaatjes. Eigenschappen van de resulterende MMC’s zijn isotroop en significant beter dan die van het onversterkte matrixmateriaal. Maar belangrijkst van al is het feit dat deze MMC’s met de meeste standaard metaalbewerkingsprocessen kunnen worden bewerkt.
 

Invloed van de versterking op de eigenschappen
 

In MMC’s hangen de mechanische eigenschappen af van de hoeveelheid, grootte, vorm en verdeling van de versterkingsfase alsmede van die van het matrixmateriaal en de aard van het grensvlak tussen beiden. Wil er sprake zijn van een composietmateriaal, dan moet de gedispergeerde fase (>1vol %) een dusdanige grootte hebben (>1?m) zodat deze fase een deel van de uitwendige belasting kan opnemen en niet alleen dient om de dislocatiebeweging te sturen, zoals dat in uitscheidingshardende legeringen het geval is. De vorm van de gedispergeerde fase is zo belangrijk bij het bepalen van zijn lastdragende vermogen dat composieten worden ingedeeld op basis hiervan: (a) composieten met versterking in de vorm van zowel continue als discontinue vezels en (b) composieten met versterking in de vorm van deeltjes of whiskers. De lengte/diameter verhouding kenmerkt meestal de vorm. Bij continue vezelcomposieten wordt de belasting rechtstreeks aangelegd aan zowel de matrix als de vezel. Bij discontinue vezelcomposieten of deeltjesversterkte composieten wordt de belasting via de matrix overgedragen op de gedispergeerde deeltjes. Mispassing van de spanning in de matrix en de dispersie aan hun grensvlakken resulteert in een schuifspanning aan de grensvlakken. Overdracht van de belasting naar de dispersie hangt af van de grootte van de schuifspanning. Als de schuifspanning die aan het grensvlak ontstaat de sterkte van het grensvlak overschrijdt, dan zal er aan dat grensvlak lossing optreden hetgeen kan resulteren in een scheur die zich kan voortplanten. Voor een gegeven belastingstoestand neemt het door de dispersie opgenomen deel ervan toe met toenemende lengte/diameter verhouding. De aanwezigheid van harde gedispergeerde deeltjes zal bijkomstige deformatieharding geven. In geval van zachte deeltjes met een afschuifmodulus die lager is dan die van het matrixmateriaal zal die niet bijster hoog zijn. Dus hebben composieten met zachte deeltjes zoals koolstof een lagere sterkte in vergelijking met die van de matrix, zie afbeelding 2. De sterkte van composieten die harde deeltjes bevatten neemt toe met het volumepercentage van de deeltjes in de composiet. De taaiheid van composieten die zowel harde als zachte deeltjes bevatten neemt in vergelijking met die van de matrixlegering af (afbeelding 3), waarschijnlijk als gevolg van het losraken van het grensvlak bij lage rek, zoals vaak wordt aangegeven door golfjes in trekrek diagrammen. De mechanische eigenschappen van discontinue vezelcomposieten komen overeen met die van met deeltjes- of whiskers versterkte composieten, behalve dat de sterkte van discontinue composieten toeneemt met toenemende lengte/diameter verhouding. In het geval van continue vezelcomposieten neemt de sterkte toe met de volumefractie van de vezels (afbeelding 4), zelfs voor zachte vezels zoals koolstof, omdat deze vezels sterk zijn. De breuksterkte van composieten met deeltjes is laag en daalt nog verder met toenemende fracties van een gedispergeerde fase als SiC (afbeelding 5).

Aanduidingssysteem
 

Vanwege hun betrekkelijk recente ontwikkeling staan de meeste MMC’s bekend onder hun handelsnaam. Omdat er meer aluminium MMC’s worden geproduceerd dan alle andere MMC’s bij elkaar, heeft de Aluminum Association (AA) een standaard aanduidingssysteem ontwikkeld voor MMC’s dat sedert dien is aanvaard door het American National Standards Institute. ANSI 35.5-1992 schrijft voor dat alle Al-MMC’s als volgt kunnen worden geïdentificeerd:

Matrix/Versterking/Volume/Vorm
 

Voorbeeld: 2124/SiC/25w is de aanduiding voor een AA-geregistreerde 2014 legering, die is versterkt met 25 volume% siliciumcarbide in de vorm van whiskers. Nog een voorbeeld: 6061/Al2O3/10p is een AA-geregistreerde 6061 legering, die is versterkt met 10 volume% aluminiumoxide in de vorm van deeltjes (p van particles) en als laatste: A356/C/5c is een AA-geregistreerde gietlegering met 5 volume% gesneden koolstofvezels (c van chopped).
 

Discontinue AL-MMC’S
 

Verwerkingsmethodes voor discontinue Al-MMC’s omvatten roergieten, persgieten, rheogieten, vloeibaar-metaalinfiltratie, opspuiten, poedermetallurgie (PM) en extrusie. Elk van deze processen zullen kort worden besproken. Discontinue Al/SiC-MMC’s zijn ontwikkeld door de lucht- en ruimtevaartindustrie voor huidplaten voor vliegtuigen, tussenverstijvers en rekken voor elektrische apparatuur. Deze composieten kunnen zodanig worden samengesteld dat ze vormvast zijn, dat wil zeggen bestand zijn tegen microkruip (zie afbeelding 6), hetgeen van belang is voor precisiespiegeloptica en inertiemeetinstrumenten. In de elektronische industrie zijn metalen zoals ijzernikkellegeringen, die nu worden gebruikt als behuizing en als warmteputten, kandidaten om te worden vervangen door Al/SiC. De composiet heeft een lagere dichtheid, betere warmtegeleidbaarheid (?160W/m.K) en kan zodanig worden geformuleerd dat hij een lage thermische uitzettingscoëfficiënt heeft (afbeelding 7). Gegoten discontinue Al/SiC-MMC’s worden ontwikkeld voor een aantal toepassingen in de automobielindustrie, sportbeoefening en recreatieve apparatuur. Zo worden bijvoorbeeld remrotoren gemaakt van Al-9,0Si-0,55Mg/SiC/20p-gietstukken die de lage dichtheid van aluminium combineren met de hoge stijfheid en slijtvastheid van keramiek. Ze wegen slechts de helft van die van gietijzeren systemen, geleiden de warmte drie keer efficiënter en ze reduceren tevens lawaai en trillingen. Eigenschappen van genoemde composiet en die van gietijzer staan ter vergelijking in tabel 1. Discontinue Al/Al2O3-MMC’s zijn gemaakt van korte vezels, deeltjes of samengeperste stapelvezels als versterking. Toevoeging van gesneden Al2O3-vezels aan geroerd aluminium slib wordt wel toegepast om een gietbare discontinue MMC te maken. Aluminium/Al2O3-MMC’s zijn geschikt voor bewegende delen van automotoren, zoals zuigers, zuigerstangen, zuigerpennen en diverse andere delen van de cilinderkop en kleppenaandrijving. De hoeveelheden siliciumcarbide of aluminiumoxide die deel uitmaken van MMC’s voor dit soort toepassingen liggen tussen 5 en 25%. Afbeelding 8 toont een kwalitatieve benadering van de prestaties van composieten als functie van de kosten voor diverse composiettypes die in de automobielindustrie worden toegepast. In het algemeen geldt dat de composieten met hoge prestaties worden versterkt met duurdere, continue vezels. Aan het andere uiteinde van het prijs/prestatie spectrum bevinden zich de deeltjesversterkte (giet)metaalcomposieten met daar tussenin de gemiddeldgeprijsde composieten, waaronder die welke zijn geproduceerd via infiltratie en PM-technieken. De goedkoopste composieten en derhalve degene die het interessantst zijn voor de automobielindustrie, zijn die welke worden geproduceerd via de weg van gesmolten metaal.

Nieuwsbrief

Schrijf u nu in voor onze nieuwsbrief en blijf op de hoogte van alle niet te missen ontwikkelingen in de Aluminium en Roestvast Staal branche.

Velden met een * zijn verplicht