Korrelverfijning bij gietwerk
Een aantal factoren definieren de metallurgische structuur van aluminium gietstukken. Van primair belang zijn de dendrietcelafmetingen of afstanden tussen de dendrietarmen, de vorm en verdeling van microstructuurfasen en tenslotte de korrelgrootte. Gieters kunnen de fijnheid van de dendrietstructuur sturen met behulp van stollingssnelheid.
A.J.Schornagel
Inleiding
MIcrostructuuruiterlijkheden zoals de grootte en verdeling van de primaire en intermetallische fasen zijn heel wat ingewikkelder. De beheersing van de chemische samenstelling en dan vooral die van de concentraties aan verontreinigende elementen, beheersing van de verhoudingender elementenconcentraties op basis van het chemisch evenwicht van de intermetallische fasen, en beheersing van de stollingscondities om gelijkmatige grootte en verdeling te verzekeren van intermetallische verbindingen, leiden allen tot dit zelfde doel. Effectieve korrelverfijning is eveneens van grote invloed hierop. Het gebruik van diverse middelen waaronder korrelverfijners om eutectische en boveneutectische structuren in aluminium-silicium-legeringen te beïnvloeden, vormt ook een voorbeeld van de wijze waarop microen macrostructuur kan worden geoptimaliseerd.
Afstand tussen dendrietarmen
Bij alle commerciële processen vindt stolling plaats via de vorming van dendrieten in de smelt. De cellen in de dendrietstructuur komen overeen met de afmetingen die de armen van de primaire dendrieten van elkaar scheiden en ze worden gecontroleerd voor een gegeven samenstelling uitsluitend beheerst door de stollingssnelheid. Via microstructuuronderzoek is het mogelijk om de mate vast te stellen waarin een gegeven gebied van een gietstuk is gestold aan de hand van referentiegegevens die zijn verkregen met behulp van in een richting gestolde monsters, die stollingssnelheden weergeven die voorkomen bij verscheidene gietprocessen. Afbeelding 1 illustreert de verbetering van de mechanische eigenschappen die zijn te behalen door verandering van de dendrietvorming met behulp van variëren van de stollingssnelheid. Stollingssnelheid is op nog wel meer van invloed dan alleen de dendrietcelgrootte, maar de dendrietcelgrootte is wel van groot belang.
Afbeelding 1 Trekeigenschappen als functie van de dendrietcelgrootte voor vier charges in gips gegoten platen A356-T62.
Korrelstructuur
Voor aluminium gietwerk wordt doorgaans een fijne, gelijkmatig in alle richtingen georiënteerde korrelstructuur gewenst. Type en afmetingen van de gevormde korrels worden bepaald door de legeringssamenstelling, stollingssnelheid en toevoeging van korrelverfijners, welke laatsten intermetallische-fasedeeltjes bevatten die plaats bieden voor heterogene korrelvorming.
Korrelverfijningseffecten
Een fijnere korrelgrootte bevordert de gietkwaliteit, door krimp, warmscheuring en waterstofporeusheid tot een minimum te beperken. De voordelen van effectieve korrelverfijning zijn:
- verbeterde navoedingskarakteristieken;
- verbeterde scheurweerstand; verbeterde mechanische eigenschappen;
- verhoogde drukdichtheid;
- verbeterde respons op warmtebehandeling;
- verbeterd uiterlijk volgend op chemische, elektrochemische en mechanische nabehandeling.
Onder normale stollingscondities die het totaal aan commerciële gietprocessen overbruggen, vertonen aluminiumlegeringen zonder korrelverfijners grove stengelvormige en/of grove in alle richtingen gelijkmatig georiënteerde structuren. De grove stengelvormige korrelstructuur (afbeelding 2a) is minder bestand tegen scheuring gedurende stolling en verder afkoelen na stolling dan een korrelverfijnde versie van dezelfde legering, zoals is te zien op afbeelding 2b. Dit komt doordat de verlaagde weerstand tegen trekkrachten bij verhoogde temperatuur kan worden verwacht als gevolg van de verhoogde gevoeligheid voor korrelgrensvorming in grofkorrelige structuren.
Afbeelding 2 Al-7Si-gietstukken die de invloed laten zien van korrelverfijning. (a) Zonder korrelverfijning. (b) Met korrelverfijning.
Een fijne korrelstructuur beperkt ook de invloed op de gietbaarheid en eigenschappen die gepaard gaan met de grootte en verdeling van normaal aanwezige intermetallische verbindingen. Grote, onoplosbare intermetallische deeltjes die aanwezig zijn of ontstaan in het temperatuursgebied tussen liquidus en solidus beperken de na voeding. Een fijnere korrelgrootte bevordert de vorming van fijnere en gelijkmatiger verdeelde intermetallische deeltjes, hetgeen gepaard gaat met verbeterde na voeding. Aangezien de meeste van deze wat brossere fasen zich later in het stollingsproces uitscheiden, beïnvloedt hun preferente uitscheiding op de korrelgrenzen in aanzienlijke mate de scheurvastheid en mechanische eigenschappen in geval van grofkorrelige structuren. Door de mate van korrelgrenseffecten te beperken door middel van korrelverfijning neemt de gevoeligheid voor warmscheuring van sommige legeringen, zoals die uit de 2xx- en 5xx-reeksen, aanzienlijk af.
Porositeit, indien aanwezig, heeft kleinere afmetingen in fijnkorrelig materiaal. De grootte van interdendritische krimpholtes wordt rechtstreeks beïnvloed door de korrelgrootte. De eerder genoemde invloed van structuurverfijning op de navoedingskarakteristieken beperkt de mogelijke vorming van grotere slinkholtes en als er waterstofporositeit aanwezig is, kunnen grotere holtes een sterkere schadelijke invloed uitoefenen dan bij fijnkorrelig gietwerk. De fijnere verdeling van oplosbare intermetallische verbindingen in fijnkorrelig gietwerk resulteert in snellere en volledigere respons op warmtebehandelingen. Na warmtebehandeling mogen er consistentere mechanische eigenschappen worden verwacht. Grote korrels kunnen verschillen in lichtweerkaatsing benadrukken op willekeurig georiënteerde kristallen, hetgeen resulteert in een sinaasappelschilachtig uiterlijk na een chemische behandeling, anodiseren of verspanen. Scheuring wordt ook geprononceerder bij het verspanen van zachte grofkorrelige werkstukken.
Korrelverfijning
Alle aluminiumlegeringen kunnen tot stolling worden gebracht, resulterend in een fijnkorrelige structuur met een volledige, in alle richtingen verdeelde korreloriëntatie door toevoeging van geschikte korrelverfijnende middelen. De wijdst verbreide korrelverfijners zijn primaire aluminiumlegeringen met titanium, borium of titanium plus borium. Aluminium-titanium-verfijners bevatten gewoonlijk 3 tot 10% Ti. Dezelfde titaniumhoeveelheden worden toegepast in Al-Ti-B-verfijners, die 0,2 tot 2,5% B bevatten en met titanium/borium-verhoudingen lopend van 5 tot 50. Hoewel korrelverfijners van dit type kunnen worden opgevat als conventionele primaire legeringen, verschillen ze toch van de primaire legeringen die alleen worden gebruikt voor legeringsdoeleinden. Om werkzaam te kunnen zijn, moeten korrelverfijners gecontroleerde, voorspelbare en werkzame hoeveelheden aluminiden en boriden in de juiste vorm, grootte en verdeling inbrengen, om korrelverfijning tot stand te brengen. Geknede verfijner in staafvorm, ontwikkeld voor continue behandeling van aluminium in primaire operaties, is verkrijgbaar in diverse lengtes voor de gieterij-industrie. Dezelfde korrelverfijnersamenstellingen zijn verkrijgbaar in wavelvorm. Naast de primaire korrelverfijnerlegeringen zijn er ook zouten leverbaar die reageren met gesmolten aluminium, waarbij combinaties van TuAl3 en TiB2 worden gevormd. Ondanks het succesvolle gebruik van titanium als korrelverfijner voor gietlegeringen, is aan het licht gekomen dan borium in zijn eentje een effectievere verfijner is dan titanium in geval van aluminium-siliciumlegeringen. Afbeelding 3 geeft een vergelijking van de korrelafmetingen die zijn verkregen met toevoegingen van borium, titanium en van een titanium-boriummengsel in geval van legering 356. Afbeelding 4 toont de effectiviteit aan van de primaire legeringen Al-2, 5Ti-2, 5B bij de gietlegeringen 356 en 319 in vergelijking met de voorheen gebruikte Al-5Ti 1B-legeringen. Blijkbaar kan het gebruik van hogere boriumniveaus en lagere titaniumniveaus voordeliger uitpakken bij gietlegeringen. Afbeelding 2 toont de korrelgrootte van gietlegering Al-7Si voor en na toevoeging van een korrelverfijner.
Korrelverfijningsmechanisme
Ondanks al het onderzoek dat er is verricht en nog wordt verricht, bestaat er nog geen algemeen aanvaarde theorie die laboratoriumervaringen en industriële praktijk afdoende verklaart. Het is bekend dat TiAl3 een actieve fase vormt bij de kiemvorming van aluminiumkristallen. Klaarblijkelijk vanwege overeenkomsten in kristalroosterafmetingen. Kiemvorming kan optreden op TiAl3-substraten die niet zijn opgelost of die bij voldoende hoge titaniumconcentraties uitscheiden. Korrelverfijning kan worden verkregen bij veellagere temperatuur dan die welke worden voorspeld door het binaire Al-Ti-punt bij 0,15% Ti. Om deze reden zijn er tal van theorieën geformuleerd. Naar aanleiding van vrij recente bevindingen wordt wel gesuggereerd dat complexere boriden van het typeTi-Al-Been actieve rol spelen bij de korrelverfijning. Toevoeging van titanium in de vorm van primaire legeringen aan aluminium-gietlegeringen resulteert gewoonlijk in veel fijnere en sterker uniform verveelde korreloriëntaties. De periode gedurende welke de verfijner werkzaam is na toevoeging en de mate waarin, worden versterkt door de aanwezigheid van TiB2. Bij het uitproberen van een aantal samenstellingen, met name die uit de aluminium-siliciumfamilie, aluminiumboriden en titaniumboride in afwezigheid van overmaat aan titanium, blijken effectieve verfijning te geven. De eis van overmaat titanium ten opzichte van de evenwichtsverhouding met borium in de verbinding TiB2 wordt doorgaans aanvaard voor optimale korrelverfijningsresultaten. En titanium of een primaire legering met een hogere verhouding aan titanium-borium wordt vrijwel exclusief gebruikt voor korrelgrootte beheersing. De rol van boride bij het versterken en verlengen van het korrelverfijnend effect is nagegaan bij zowel giet- als kneedlegeringen. Daaruit kwam naar voren dat wanneer boride aanwezig is in de vorm van grote, samengeklonterde deeltjes, het het karakter aanneemt van ongewenste insluitseis met in het bijzonder een schadelijke invloed op de verspaanbaarheid. Samenklontering van deeltjes wordt vooral aangetroffen in primaire legering van slechte kwaliteit, maar het kan ook het gevolg zijn van lange, rustige warmhoudperiode. Om laatstgenoemde reden is het van belang dat warmhoudovens grondig worden gereinigd als er boriumhoudende primaire legeringen in zijn gebruikt.
Het doel bij elk geval waarbij primaire legeringen of korrelverfijners aan de smelt worden toegevoegd, is het doen vrijkomen van deeltjes die kunnen dienen als kiemen zodat er een gelijkmatige, fijne, in alle richtingen georiënteerde kristallen ontstaan. De keuze van een geschikte korrelverfijner, methodes voor het warmhouden en gieten van het werkstuk na toevoeging van de korrelverfijner worden gewoonlijk ontwikkeld door de gieterij na het beschouwen van de giet- en producteisen en na het afwegen van de karakteristieken van mogelijke commerciële leverbare korrelverfijners. Van korrelverfijners van het 5Ti-1B- en 5Ti-0,6B-type, die worden gekenmerkt door reinheid en fijne, gelijkmatige verdeling van aluminide- en boridefasen als ze aan de smelt worden toegevoegd bij 0,01 tot 0,03% Ti, mag worden verwacht dat ze onder de meeste condities een acceptabele korrelverfijning teweegbrengen.
Afbeelding 3 Vergelijking van de werkzaamheid van diverse primaire legeringen als korrelverfiiner in gietlegering 356.
Afbeelding 4 Werkzaamheid van titanium-borium-korrelverfijners in de gietlegeringen 356 en 319.
Korrelgroottebepaling
Er zijn uiteenlopende proeven ontwikkeld om gesmolten aluminium te bemonsteren met als doel het vaststellen van de effectiviteit van de korrelverfijning. Deze proeven maken gebruik van het principe van gecontroleerde stolling om te komen tot nauwkeurige, betekenisvolle en reproduceerbare bepaling van de korrelverfijning na polijsten en etsen. Voor een bruikbare standaardtest kan een droogzandvorm met vaste afmetingen worden gebruikt of monsters, zoals die welke worden gegoten voor mechanische proeven. De bepaling van de korrelgrootte is over het algemeen vergelijkend van aard. Thermoanalyse en elektrische geleidbaarheidsmetingen worden ontwikkeld ten behoeve van het niet-destructief bepalen van de korrelstructuur. Een andere eenvoudiger proef is de ringproef. Hierbij worden monsters gesmolten aluminium in een of meer ijzeren ringen (25 mm hoog en 75 mm in diameter) gegoten, die zijn geplaatst op een blok versmolten siliciumdioxide, waar ze kunnen stollen. Drie oppervlakken van elk proefmonster vertonen korrelstructuren zoals bij de meeste aluminium gietprocessen worden aangetroffen. De ring zelf zorgt voor een snelle afkoeling, zodat de zijkant van het proefmonster een structuur vertoont die overeenkomt met die van gieten in permanente vormen. De bovenkant die bloot staat aan de atmosfeer koelt langzaam af en daarom zal de korrelstructuur kenmerkend zijn voor die welke ontstaat bij zandgietwerk. Het bodemoppervlak van het proefstuk dat in aanraking is met het isolerende en gladde oppervlak van het siliciumdioxide, zal een structuur vertonen die overeenkomt met die welke wordt verkregen bij het direct in metalen vormen gieten. De proef kan worden gebruikt om de werking van verschillende korrelverfijners in verschillende hoeveelheden te vergelijken. De proef kan ook worden gebruikt als een procescontrole bij elke ovencharge of gedurende langere houdtijden als er vertraging bij het gieten optreedt. Omdat de werking van korrelverfijning teniet kan worden gedaan als gevolg van lange houdtijden, moet er extra korrelverfijner worden toegevoegd. En met deze eenvoudige proef kan de behoefte aan die extra toevoeging worden vastgesteld.