Structuur van aluminium gietlegeringen

Een aantal factoren bepalen de metallurgische structuur van aluminium gietwerk. Van primair belang zijn de afstanden tussen de dendrieten, vorm en verdeling van microstructuurfazen en korrelgrootte. Gieters kunnen de fijnheid van de dendrietstructuur sturen aan de hand van de stollingssnelheid. Microstructuur kenmerken zoals de grootte en verdeling van de primaire en intermetallische fazen zijn aanzienlijk complexer. De beheersing van de chemische samenstelling en dan met name die van de onzuiverheden niveaus, en van de stollingscondities om te komen tot een gelijkmatige grootte en verdeling van de intermetallische fazen zijn even zovele middelen om dit doel te bereiken. Effectieve korrelverfijning is een ander krachtig middel.

A.J. Schornagel

Afstand tussen dendrieten
 

Bij alle commerciële processen vindt stolling plaats via vorming van dendrieten in het vloeibare metaal. Met behulp van microstructuur onderzoek is het mogelijk om de snelheid waarmee een bepaald gebied in het gietstuk is gestold aan de hand van referentie gegevens die zijn verkregen met monsters die met verschillende snelheden in een richting zijn gestold. Afbeelding 1 toont de verbetering van de mechanische eigenschappen die kunnen worden behaald door wijziging van de dendrietvorming via de stollingssnelheid.
Bij hoogwaardig gietwerk wordt aandacht besteed aan het bepalen van stollingssnelheden die optimale mechanische eigenschappen opleveren.

Korrelstructuur
 

Voor aluminium gietwerk is in het algemeen en fijne korrelstructuur zonder voorkeursrichtingen gewenst. Type en afmetingen van de gevormde korrels worden bepaald door de samenstelling van de legering, door de stolsnelheid en door toevoeging van korrelverfijners die kernen verschaffen waarop de stolling kan beginnen.
 

Afbeelding 1. Treksterkte eigenschappen als functie van de afmetingen van de dendrietcel voor vier charges van de aluminium gietlegering A356-T62 in gips gegoten platen.
 

Invloed van korrelverfijning
 

Een fijnere korrel verbetert de gietkwaliteit doordat de krimp, warmscheuring en waterstofporositeit tot een minimum beperkt. Voordelen van effectieve korrelverfijning zijn:
 

• verbeterde voedingskarakteristieken;
• hogere scheursterkte;
• verbeterde mechanische eigenschappen;
• hogere drukdichtheid;
• beter respons op warmtebehandeling;
• verbeterd uiterlijk na chemische. elektrochemische en mechanische nabehandeling.

Onder normale stollingscondities vertonen legeringen die zijn gegoten zonder gebruik van korrelverfijners grove kolomvormige en/of grove equiaxiale structuren. De grove kolomvormige structuur (afbeelding2 a) is minder bestand tegen scheuring tijdens stolling en verdere afkoeling dan fijnkorrelige structuren in de dezelfde legering (afbeelding 2b).  Een fijnkorrelige structuur beperkt ook de effecten op gietbaarheid en eigenschappen die samenhangen met de afmetingen en verdeling van normaal voorkomende intermetallische verbindingen. Grote, onoplosbare intermetallische deeltjes die aanwezig zijn of ontstaan in het temperatuursbereik tussen liquidus en solidus reduceren de voeding. Een fijnere korrelgrootte bevordert de vorming van fijnere, gelijkmatiger verdeelde intermetallische deeltjes met corresponderende verbetering van de voedingskarakteristieken. Omdat het merendeel van deze brossere fazen pas laat in het stolproces worden uitgescheiden, beïnvloed hun preferente vorming op de korrelgrenzen de scheuringsweerstand en mechanische eigenschappen van grof-korrelige structuren. Door de lengte van de korrelgrenzen te beperken door middel van korrelverfijning, neemt de neiging tot warmscheuring van sommige legeringen zoals die uit de 2xx en 5xx reeksen aanzienlijk af. Porositeit, indien aanwezig, bezit kleinere afmetingen in fijnkorrelig materiaal. De grootte van krimpholtes tussen dendrieten wordt rechtstreeks beïnvloed door de korrelgrootte. De fijnere verdeling van oplosbare intermetallische verbindingen in korrel-verfijnd gietwerk resulteert in snellere en vollediger respons op warmtebehandeling. Na warmtebehandeling van zulk metaal zijn consistentere mechanische eigenschappen te verwachten. Grote korrels benadrukken dikwijls de verschillen die berusten op de willekeurige verdeling van de korreloriëntaties, hetgeen resulteert in een sinaasappelschil-achtig uiterlijk na chemische nabehandeling, anodiseren of verspanen. Scheuring wordt ook wat geprononceerder bij het verspanen van zachte, grofkorrelige samenstellingen.

Korrelverfijning
 

Alle aluminiumlegeringen kunnen stollen met een volledig equiaxiale, fijnkorrelige structuur door gebruik te maken van geschikte korrelverfijnende toevoegingen. De meest gebruikte korrelverfijners zijn titaniumlegeringen, borium, of een combinatie van borium en titanium. Aluminium-titanium verfijners bevatten gewoonlijk 3 tot 10% Ti. Dezelfde reeks titanium concentraties wordt gebruikt in Al-Ti-B verfijners met borium concentraties lopend van 0,2 tot 2,5% en titanium-borium verhoudingen lopend van ongeveer 5 tot 50. Om werkzaam te kunnen zijn moeten de verfijners op gecontroleerde wijze en in hanteerbare hoeveelheden aluminiden en boriden in de juiste vorm, grootte en verdeling worden toegevoegd om stollingskiemen te kunnen vormen. Verfijners worden geleverd als staf  of  als wafels, maar ook als zouten die reageren met gesmolten aluminium onder vorming van TiAl3 en TiB2. Ondanks het succesvolle gebruik van titanium als korrelverfijner, bleek borium alleen een effectievere werking te hebben in aluminium-silicium legeringen dan titanium. Afbeelding 3 vergelijkt de korrelgroottes in legering 356 die zijn verkregen met borium, titanium en een mengsel van borium en titanium. Afbeelding 4 toont de effectiviteit van Al-2,5Ti-2,5B op de gietlegeringen 356 en 319 in vergelijking met het gebruik van Al-5Ti-1B dat voorheen werd gebruikt. Het gebruik van hogere borium niveaus en lagere titanium niveaus hebben een duidelijk gunstiger invloed op gietlegeringen.


 

Afbeelding 2. Al-7Si ingots. (a) Zonder korrelverfijner. (b) Met korrelverfijner.
 

Korrelverfijningsmechanismen
 

De fundamenten van korrelverfijning zijn nog steeds niet ten volle doorgrond en er bestaat nog geen algemeen aanvaarde theorie die beschrijft wat er in laboratoria en in de praktijk voorvalt. Het is bekend dat TiAl3 een actieve faze is bij de kiemvorming van aluminiumkristallen, ogenschijnlijk wegens overeenkomsten in de kristallografische roosterafstanden.
 

Afbeelding 3. Vergelijking van de effectiviteit van verscheidene korrelverfijningslegeringen in aluminium gietlegering 356.

Korrelverfijning kan al worden verkregen bij veel lagere concentraties dan wordt voorspeld door het binaire Al-Ti peritecticum bij 0,15%.  Toevoeging van titanium in de vorm van een legering resulteert gewoonlijk in aanzienlijk fijnere en meer equiaxiale korrelstructuur. De effectieve werkingsduur na toevoeging van het verfijningsmiddel en de potentie van het middel worden beide versterkt door de aanwezigheid van TiB2. Bij proeven met sommige legeringen en dan met name de aluminium-siliciumlegeringen, blijken de aluminiumboriden en titaniumboride in afwezigheid van een overmaat titanium effectieve korrelverfijning te geven. De eis van een overmaat titanium ten opzichte van de evenwichtsverhouding titanium-borium in TiB2 wordt doorgaans geaccepteerd voor optimale korrelverfijningsresultaten en titanium of titanium-borium legeringen worden vrijwel uitsluitend gebruikt voor beheersing van de korrelgrootte. Boride versterkt de effectiviteit van de korrelverfijning en verlengt de tijd waarin het werkzaam is. Als boride aanwezig is in de vorm van grote, samengeklonterde deeltjes, neemt het het karakter aan van de ongewenste insluitsels met vooral schadelijke gevolgen bij verspanende bewerkingen. Samenklontering van deeltjes doet zich voor bij toevoegmiddelen van slechte kwaliteit, of bij het langdurig warm houden van de behandelde smelt onder rustige omstandigheden. Om die laatste reden is het essentieel dat warmhoudovens routinematig grondig worden schoongemaakt als er borium-houdende verfijningslegeringen zijn gebruikt. Korrelverfijners van het type 5Ti-1B en 5Ti-0,6B, die worden gekenmerkt door hun zuiverheid en fijne gelijkmatige verdeling van aluminide en boride fazen als ze aan de smelt worden toegevoegd tot een concentratie van 0,01 tot 0,03% Ti, zullen onder de meeste omstandigheden aanvaardbare korrelverfijning leveren.


 

Afbeelding 4. Effectiviteit van titanium-borium korrelverfijners in aluminium gietlegeringen 356 en 319.