Go to top

Precipitatiehardende legeringen

Het overheersende doel bij het ontwerpen van aluminiumlegeringen is het verhogen van de sterkte, hardheid en weerstand tegen slijtage, kruip en vermoeiing. De mate waarin dit zal lukken hangt af van het feit of de legering wel of niet warmtebehandelbaar is. Bij warmtebehandelbare legeringen kunnen deze eigenschappen worden verkregen door precipitatie (uitscheiding) van bepaalde structuurbestanddelen, zodat er ook wel wordt gesproken over precipitatiehardende legeringen.

J.R. Heeling
 

Precipitatiehardende legeringen
 

Dit zijn legeringen die elementen bevatten waarvan de oplosbaarheid afneemt bij dalende temperatuur, en wel in die mate dat er bij kamertemperatuur concentraties aanwezig kunnen zijn die de oplosbaarheidsgrens verre overschrijden. Dit feit alleen maakt nog niet dat een legering in staat is tot precipitatieharding tijdens warmtebehandeling. De sterkte van de meeste binaire legeringen die alleen magnesium, silicium, zink, chroom of mangaan bevatten, vertonen weinig verandering na een warmtebehandeling, ongeacht of het legeringselement volledig in oplossing is, gedeeltelijk is geprecipiteerd of voor een aanzienlijk deel is geprecipiteerd.

Warmtebehandeling voor precipitatieharding


Deze behandeling omvat een oplosgloeibehandeling bij hoge temperatuur om de oplosbaarheid te maximaliseren, gevolgd door snelle koeling of afschrikken tot een lage temperatuur om een vaste oplossing te krijgen die sterk is oververzadigd met zowel opgeloste atomen als lege roosterplaatsen. Oplosgloeibehandelingen zijn zodanig van opzet dat vooral het in oplossing gaan van die legeringselementen wordt gemaximaliseerd die later precipiteren tijdens verouderingsbehandelingen. Ze zijn het effectiefst in de buurt van de solidus of eutectische temperatuur, waar maximum oplosbaarheid heerst en diffusie snel verloopt. Het begin van smelten van lage-temperatuur eutectica en korrelgrenzen. Dit smelten resulteert in afschrikscheuren en verlies aan taaiheid. De minimum temperatuur moet boven de stollingslijn liggen, omdat anders de gewenste eigenschappen, die worden ontleend aan het verouderen, niet worden gerealiseerd. Het optimale warmtebehandelingstraject is vrij smal, met een veiligheidsmarge van soms niet meer dan ±5K.
De hoge sterkte wordt veroorzaakt door de fijn verdeelde precipitaten die tijdens verouderen zijn ontstaan. Deze veroudering kan zowel kunstmatig als natuurlijk zijn. Deze finale stap moet niet alleen beneden de evenwichts-stollingstemperatuur plaatsvinden, maar ook beneden een metastabiele mengzone die ook wel wordt aangeduid als de Guinier-Preston (G-P) zone. Oververzadiging aan vrije roosterplaatsen maakt dat diffusie en dus zonevorming veel sneller plaatsvindt dan mag worden verwacht aan de hand van evenwichts-diffusiecoëfficiënten. Bij het precipitatieproces ontstaan er eerst groepen van legeringsatomen, die op hun beurt aanleiding geven tot de vorming van niet-evenwichtprecipitaten. De uiteindelijke structuur bestaat uit evenwichtsprecipitaten, die niet bijdragen tot de verouderingsharding (precipitatieharding).

Afbeelding 1. Natuurlijke-verouderingscurven voor drie oplosgegloeide aluminium kneedlegeringen.


Natuurlijk verouderen


Natuurlijk verouderen is het spontaan vormen van een G-P zone structuur tijdens blootstellen aan kamertemperatuur. Opgeloste atomen klonteren afhankelijk van het legeringssysteem, of samen of precipiteren op bepaalde roostervlakken. Hierbij worden G-P zones gevormd die beter bestand zijn tegen bewegingen van dislaocaties door het rooster en dus sterker zijn. Afbeelding 1 toont de verandering in de treksterkte en rekgrens als functie van de tijd bij kamertemperatuur drie commerciële warmtebehandelbare kneedlegeringen. De toename van de sterkte verschilt sterk voor de drie legeringen evenals de snelheid waarmee deze toename plaatsvindt, hetgeen van groot praktisch belang is. Omdat 7075 en overeenkomstige legeringen nooit volledig stabiel worden onder deze condities, worden ze zelden in de natuurlijk verouderde toestand gebruikt. Legering 2024 daarentegen wordt in deze toestand juist veel gebruikt.
Van de binaire legeringen vertoont aluminium-koper natuurlijke veroudering nadat het een oplosgloeibehandeling heeft ondergaan en is afgeschrikt. De mate waarin de sterkte en hardheid toeneemt wordt groter met de tijd en het kopergehalte van de legering, van ongeveer 3% tot de limiet van de oplosbaarheid in vaste toestand (5,6%). Natuurlijke-verouderingscurven voor langzaam afgeschrikte, hoogzuivere Al-Cu legeringen met 1 tot 4,5% Cu zijn te zien op afbeelding 2. Snelheid en mate van de toename van sterkte en hardheid kan worden verhoogd door de legering langer op hogere temperatuur te laten verblijven (een bruikbaar interval is 120 tot 230°C). Deze behandeling wordt precipitatieharding of kunstmatig veroudering genoemd.

Bij het Al-Cu systeem beginnen legeringen, met iets meer dan 1% Cu, die wederom langzaam zijn afgeschrikt, al te harden na ongeveer 20 dagen op een temperatuur van 150°C (zie afbeelding 3). De legeringen van dit systeem, die minder dan 3% Cu bevatten, vertonen weinig tot geen natuurlijke harding na langzaam afschrikken, wat slechts weinig spanningen introduceert.

Kunstmatig verouderen


Bij deze behandeling vindt blootstelling plaats aan verhoogde temperaturen, waarbij zicht metastabiele precipitaten vormen. Deze precipitaten zijn coherent met de matrix en dragen dus bij aan de precipitatieharding. Bij verdere verhoging van de temperatuur groeien de precipitaten en gaan tenslotte over in evenwichtsprecipitaten die niet langer coherent zijn met de matrix. Deze laatstgenoemde veranderingen maken het materiaal zachter en als het nog verder wordt voortgezet ontstaat de zachtgegloeide toestand.
Afbeelding 4 toont de kunstmatig-verouderingscurven van de veelgebruikte Al-Mg-Si kneedlegering 6061. In alle gevallen heeft het metaal een oplosgloeibehandeling ondergaan die werd gevolgd door afschrikken net voor de start van de precipitatie-warmtebehandeling.

Afbeelding 2. Natuurlijke-verouderingscurven voor binaire Al-Cu legeringen afgeschrikt in water van 100°C.


Commerciële warmtebehandelbare legeringen


Deze legeringen zijn op enkele uitzonderingen na gebaseerd op ternaire of kwarternaire systemen.
De prominentste systemen zijn:
- Al-Cu-Mg, Al-Cu-Si en Al-Cu-Mg-Si, kneedlegeringen uit de 2xxx en gietlegerinegn uit de 2xx.x reeksen;
- Al-Mg-Si, kneedlegeringen uit de 6xxx reeks;
- Al-Si-Mg, Al-Si-Cu en Al-Si-Mg-Cu, gietlegeringen uit de 3xx.x reeks;
- Al-Zn-Mg en Al-Zn-Mg-Cu, kneedlegeringen uit de 7xxx en gietlegeringen uit de 7xx.x reeksen.
Bij elk van hen neemt de oplosbaarheid van de legeringselementen af met dalende temperatuur.
Deze meervoudige legeringstoevoegingen van beide hoofdlegeringselementen en nevenlegeringselementen zijn strikt functioneel en geven met behulp van verschillende warmtebehandelingen verschillende combinaties van eigenschappen, zowel fysisch als mechanisch als elektrochemisch. Sommige legeringen, met name die voor gietwerk, bevatten hoeveelheden silicium die ver boven de hoeveelheid die oplosbaar is, of nodig is voor alleen versteviging. Hier dienen ze hoofdzakelijk ter verbetering van de gietbaarheid en het wegblijven van scheuren. De overmaat silicium dient echter ook ter verhoging van de slijtvastheid, net als andere bestanddelen op basis van mangaan, nikkel en ijzer. Legeringen die de elementen zilver, lithium en germanium bevatten zijn eveneens in staat om door middel van warmtebehandeling hoge sterkte te verkrijgen en lithium geeft zowel een hogere elasticiteitsmodulus als lagere dichtheid hetgeen met name voor lucht- en ruimtevaart doeleinden zeer gunstig is.
Commercieel gebruik van legeringen die deze elementen bevatten is beperkt wegens de hoge kosten en de moeilijkheden die zich voordoen bij hun productie.

In het geval van legeringen die koper bevatten als hoofdlegeringselement en geen magnesium, kan de versteviging door middel van precipitatie sterk worden verhoogd door toevoeging van fracties van een procent tin, cadmium of indium, of combinaties van deze elementen. Dit soort legeringen wordt op commerciële basis geproduceerd, zij het in kleine volumes en in het geval van cadmium dienen extra voorzorgsmaatregelen te worden genomen wegens de giftigheid van dit element.



Afbeelding 3. Precipitatiehardingscurven voor binaire Al-Cu legeringen afgeschrikt in water van 100°C.
 

Invloed op de fysische en elektrochemische eigenschappen


Precipitatie is niet alleen van invloed op de mechanische eigenschappen van de genoemde legeringen, maar ook op de fysische eigenschappen (dichtheid, geleidbaarheid van warmte en elektriciteit) en de elektrochemische eigenschappen (oplospotentiaal). Op microstructuur schaal ontstaan er van punt-tot-punt veranderingen in de uniformiteit van de elektrochemische toestand die verantwoordelijk zijn voor veranderingen in de corrosieweerstand.
Metingen van veranderingen in fysische en elektrochemische eigenschappen spelen een belangrijke rol bij het beschrijven van precipitatie reacties en ze zijn bruikbaar bij het analyseren of diagnosticeren of warmtebehandelbare producten wel de juiste warmtebehandeling hebben ondergaan. Hoewel ze indicatief zijn voor de sterkteniveaus van producten, kan er niet op worden vertrouwd bij het vaststellen of er wordt voldaan aan gespecificeerde grenswaarden van de mechanische eigenschappen. Omdat elementen in vaste oplossing altijd nadeliger zijn voor de elektrische geleidbaarheid dan wanneer deze zelfde elementen aanwezig zijn in combinatie met andere elementen in de vorm van intermetallische verbindingen, worden er warmtebehandelingen gegeven aan ingots die bedoeld zijn voor de fabricage van elektrisch geleidende onderdelen. Deze warmtebehandelingen zijn bedoeld om zoveel mogelijk opgeloste onzuiverheden te laten precipiteren.Het gaat hier voornamelijk om ijzer en hoewel de geprecipiteerde hoeveelheid slechts enkele honderden van een procent bedraagt, is het effect op de elektrische geleidbaarheid van het onderdeel dat van zo’n ingot wordt gemaakt desondanks aanzienlijk.

 

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