Blog Ko Buijs - Intermetallische verbindingen versus precipitaten

Men zou zich kunnen afvragen wat het verschil is tussen een intermetallische verbinding en een precipitaat. Deze fasen hebben gemeen dat zij uit meerdere metaalatomen bestaan maar de onderlinge verschillen zij sterk qua kristalstructuur en het ontstaan ervan.


Door Ko Buijs - Innomet Consultancy BV


Ook de uiteindelijke invloed op de eigenschappen van de legering waarin zij zijn ontstaan blijken behoorlijk verschillend. Een intermetallische verbinding is niet altijd gewenst, terwijl precipitaten wel bewust worden gecreëerd m.b.v. een speciale warmtebehandeling die ook wel ‘aging’ wordt genoemd. Daarom zullen we deze beide fasen wat nader gaan bekijken. Een intermetallische verbinding betreft een chemische verbinding tussen twee of meerdere metaalatomen. Deze atomen zijn covalent met elkaar verbonden en dat betekent dat atomen hun elektronen met elkaar delen om samen een sterke chemische binding te vormen. Voorbeelden van intermetallische verbindingen zijn aluminium en koper in aluminiumlegeringen alsmede verbindingen tussen magnesium en silicium. Deze meestal gewenste verbindingen worden qua chemische formule geschreven als respectievelijk Al₂Cu en Mg₂Si. Een voorbeeld van een ongewenste intermetallische verbinding tussen ijzer en chroom (FeCr) is de zogenaamde sigmafase die ontstaan kan in roestvast staal. Deze fase zal het gevolg zijn bij een langdurige verhitting tussen 450 en 850°C. Naast dat het materiaal brosser is geworden, waardoor eerder breuk kan ontstaan, wordt ook nog eens chroom onttrokken aan de matrix wat zeer ondermijnend zal zijn voor de corrosiebestendigheid. Soms ontstaan er ook dergelijke verbindingen tussen een metaal en een niet-metaal en een voorbeeld hiervan is cementiet (Fe₃C) in koolstofstaal wat tot een zeer hoge hardheid leidt. In sommige toepassingen is dat juist ook weer zeer gewenst. Dat is bijvoorbeeld ook het geval bij titaniumaluminiden (TiAl/Ti₃Al). Deze intermetallische verbindingen zorgen er juist voor dat de sterkte op peil blijft bij het gebruik van titaan in zwaar belaste delen en temperaturen. 


Een intermetallische verbinding ontstaat spontaan vanuit de structuur als daar thermodynamisch een reden voor is. Dit feit kan zelfs al plaatsvinden als het metaal gesmolten is. Maar met precipitaten ligt dat anders want, zoals hierboven al is gesteld, worden deze bindingen bewust gecreëerd door een speciale warmtebehandeling. Deze behandeling wordt ook wel kunstmatig verouderen genoemd. Zie ook het blog: Aluminium met verhoogde mechanische eigenschappen. Door dit verouderen ontstaan uitscheidingen die precipitaten worden genoemd. Het zeer fijn dispers verspreide deeltjes die tijdens een bepaalde warmtebehandeling ontstaan. Men spreekt ook wel van precipitatieharding omdat deze precipitaten een grote positieve invloed hebben op de mechanische eigenschappen van de legering. Het vormingsmechanisme hiervan berust op de teruglopende oplosbaarheid van bepaalde elementen tijdens het afkoelen van een legering. De ontstane uitscheidingen verstoren het rooster en verstevigen daardoor het metaal. Het resultaat van de precipitatieharding is dat de bewegingen van de dislocaties worden gehinderd waardoor ze a.h.w. vastlopen in de atoomrooster. De rekgrens, treksterkte en hardheid van een dergelijke legering nemen dan aanzienlijk toe. Dat is dan ook de reden dat men lichter kan construeren dankzij deze verbeterde mechanische waarden. Goede voorbeelden hiervan zijn het zogenaamd duraluminium en roestvast staaltype 17-4PH die beschreven worden in bovengenoemde blog. De PH in deze benaming staat voor precipitatie harding.

Afbeelding - De schematisch voorgestelde vorming van een precipitaat dat de atoomlagen dusdanig verstoort waardoor er een zogenaamde verankering in de structuur ontstaat (afbeelding Isaac’s Science blog).

Samenvattend kan gesteld worden dat een intermetallische verbinding een chemische binding is tussen atomen met een geordende structuur terwijl precipitaten ontstaan door het afscheiden van atomen die vrijkomen door een teruglopende oplosbaarheid in de structuur van het basismateriaal. Eerstgenoemde verbindingen ontstaan tijdens de smeltzone of gedurende de stolling terwijl precipitaten ontstaan door een specifieke warmtebehandeling die ook wel ‘age-hardening’ wordt genoemd. Intermetallische verbindingen kunnen qua grootte variëren van klein tot relatief groot terwijl precipitaten kleine deeltjes zijn die fijn dispers verdeeld zijn over de matrix. Intermetallische verbindingen zijn soms ongewenst en soms gewenst als bijvoorbeeld de hardheid of slijtvastheid moet toenemen. Wel dient men dan op te passen voor spontane breukvorming. Bij precipitaten gaan de mechanische waarden substantieel omhoog dankzij het blokkeren van dislocaties. M.a.w. precipitaten verankeren daardoor inwendig het metaal waardoor er fantastische eigenschappen van de betreffende legering ontstaan.