Aluminium-gietlegeringen

Aluminium-gietlegeringen zijn het veelzijdigst van alle gangbare gietlegeringen en bezitten in het algemeen de hoogste gietbaarheidswaarden. Aluminium-gietwerk wordt routinematig geproduceerd via spuitgieten, gieten in permanente matrijzen, gieten in groen zand en in droog zand, verloren-wasgieten. Aluminium-gietlegeringen worden ook makkelijk gegoten met vacuüm, lage-druk, centrifugaal en vormgerelateerde processen zoals verloren-schuim.

A.J. Schornagel

Karakteristieken van aluminium-gietlegeringen

Als gietmateriaal onderscheiden de aluminium-gietlegeringen zich door:
 

• goede vloeibaarheid voor het vullen van dunne secties
• laag smeltpunt ten opzichte van die van vele andere metalen
• snelle warmteoverdracht van het gesmolten metaal naar de vorm, met als gevolg een korte gietcyclus
• waterstof is het enige gas met aanzienlijke oplosbaarheid in aluminium en zijn legeringen en waterstofoplosbaarheid in aluminium kan makkelijk worden beheerst door middel van de verwerkingsmethoden
• veel aluminiumlegeringen zijn betrekkelijk vrij van de neiging tot warmscheuren
• chemische stabiliteit
• goede oppervlaktetoestand in gegoten vorm met glanzende oppervlakken en weinig of geen vlekken

Invloed van diverse legeringselementen

Antimoon

Bij concentratieniveaus van 0,05% of hoger verfijnt antimoon in ondereutectische samenstellingen de eutectische aluminum-silicium faze naar lamellaire vorm. De effectiviteit van antimoon bij het veranderen van de eutectische structuur hangt af van de afwezigheid van fosfor en van een voldoend snelle stolling. Antimoon reageert ook met natrium en/of strontium en vormt daarbij grove intermetallische verbindingen die een nadelig effect hebben op de gietbaarheid en op de eutectische structuur.  Hoewel antimoon is geklassificeerd als een zwaar metaal met mogelijk giftige implicaties, zijn er geen aanwijzingen dat het als toevoeging aan aluminium gevaar voor de gezondheid oplevert, dit geldt met name bij de 0,08 tot 0,15% niveaus waarin antimoon wordt toegevoegd aan aluminiumlegeringen.


Beryllium

Beryllium dat wordt toegevoegd in hoeveelheden van slechts enkele ppm is al effectief in het reduceren van oxidatieverliezen en daarmee samenhangende insluitsels in magnesium houdende samenstellingen. Onderzoek heeft aangetoond dat proportioneel stijgende berylliumconcentraties nodig zijn voor het onderdrukken van oxidatie als het magnesiumgehalte stijgt. Bij hogere concentraties (>0,04%) beïnvloedt beryllium de vorm en samenstelling van ijzerhoudende intermetallische verbindingen, en verbetert daarbij in hoge mate de sterkte en taaiheid. Beryllium verdringt magnesium uit het Al-Fe-Si complex waardoor het volledig gebruikt kan worden voor hardingsdoeleinden. Berylliumhoudende verbindingen behoren tot de groep van bekende kankerverwekkers die specifieke voorzorgsmaatregelen bij het smelten, verwerken van de smelt, verwerking en ontdoen van slak en het lassen van deze legeringen.


Bismut

Bismut verbetert de verspaanbaarheid van aluminium-gietlegeringen bij concentraties van meer dan 0,01%.


Borium

Borium vormt met andere metalen boriden, zoals Al2B en TiB2. Titaniumboride levert stabiele kiemplaatsen voor wisselwerking met actieve korrelverfijners zoals TiAl3 in gesmolten aluminium. Metallische boriden bekorten de standtijd van verspaningsgereedschap en in de vorm van grove deeltjes zijn het ongewenste insluitsels met schadelijke invloed op de mechanische eigenschappen en de taaiheid. Bij hoge boriumconcentraties dragen boriden bij tot schuimvorming in de oven, samenklonteren van deeltjes en een verhoogd risico van insluitsels in de gietstukken.


Cadmium

Cadmium in concentraties van meer dan 0,1% verbetert de verspaanbaarheid. Er dienen voorzorgen te worden getroffen met het oog op vervluchtiging van dit element bij 767°C, met het oog op zijn schadelijke invloed op de gezondheid.


Calcium

Calcium heeft een zwakke invloed op de samenstelling van het aluminium-silicium eutecticum. Het verhoogt de oplosbaarheid van waterstof en als er sporen van aanwezig zijn is het vaak verantwoordelijk voor gietporositeit. Calciumconcentraties van meer dan ongeveer 0,005% hebben een schadelijke invloed op de taaiheid van aluminium-magnesiumlegeringen.


Chroom

Toevoeging van chroom vindt gewoonlijk plaats in lage concentraties aan legeringen die verouderen bij kamertemperatuur en aan thermisch instabiele samenstellingen waarvan bekend is dat er kiemvorming en korrelgroei zal plaatsvinden. Chroom vormt meestal de verbinding CrAl7, die in zeer beperkte mate oplosbaar is en daarom bruikbaar is bij het onderdrukken van korrelgroeineigingen. Slak die ijzer, mangaan en chroom bevat komt soms voor bij spuitgietsamenstellingen, maar zelden bij legeringen voor gieten onder invloed van de zwaartekracht. Chroom verbetert de corrosieweerstand van bepaalde legeringen en verhoogt bij hogere concentraties de gevoeligheid voor afschrikken.


Fosfor

In de AlP3 vorm verfijnt fosfor de primaire siliciumfaze die ontstaat in boveneutectische Al-Si legeringen. Bij concentraties van enige ppm maakt fosfor de eutectische structuur in ondereutectische Al-Si legeringen grover. Fosfor vermindert de effectiviteit van de gangbare eutecticumwijzigers natrium en strontium.


IJzer

IJzer verbetert de weerstand tegen warmscheuring verlaagt de neiging tot kleven van de matrijs of soldeerneiging in geval van spuitgieten. Toename van het ijzergehalte gaat echter gepaard met aanzienlijk verminderde taaiheid. IJzer kan een veelheid aan verbindingen aangaan die onoplosbaar zijn in gesmolten aluminium. De meest voorkomende zijn FeAl3, FeMnAl6 en alfa-AlFeSi. Deze in essentie onoplosbare fazen zijn verantwoordelijk voor verbetering van de mechanische sterkte, speciaal bij hoge temperaturen. Naarmate de fractie van onoplosbare fazen toeneemt met toenemend ijzergehalte, worden gieteigenschappen zoals vloeibaarheid en navoeding nadelig beïnvloed. IJzer neemt deel in de vorming van bepaalde slakfazen samen met mangaan, chroom en andere elementen.


Koper

De eerste en meest gebruikte aluminiumlegeringen waren die met 4 tot 10% koper. Koper verbetert in hoge mate de sterkte en hardheid in de gegoten toestand en in de warmtebehandelde toestand. Legeringen die 4 tot 6% koper bevatten reageren sterk op warmtebehandeling. Koper verlaagt in het algemeen de weerstand tegen algemene corrosie maar verlaagt in bepaalde samenstellingen en materiaalcondities juist ook de gevoeligheid voor spanningscorrosie. Toevoeging van koper reduceert de weerstand tegen warmscheuring en vermindert de gietbaarheid.


Kwik

Samenstellingen die kwik bevatten zijn ontwikkeld als materiaal voor opofferingsanodes voor kathodische bescherming, met name in maritieme milieus. Het gebruik van deze optimaal elektronegatieve legeringen, die niet passiveren in zeewater, is sterk beperkt om milieuredenen.


Lood

Lood wordt vaak gebruikt in aluminium-gietlegeringen in concentraties van meer dan 0,1% ten behoeve van verbeterde verspaanbaarheid.


Magnesium

Magnesium vormt de basis voor sterkte en hardheid in warmtebehandelde Al-Si legeringen en wordt gewoonlijk gebruikt in complexere Al-Si legeringen die ook koper, nikkel en andere elementen bevatten voor hetzelfde doel. De hardende Mg2Si faze vertoont een bruikbare oplosbaarheidslimiet die ligt bij ongeveer 0,70% Mg, waarboven noch verdere sterktetoename optreedt noch zachter worden van de matrix. Gangbare samenstellingen met hoge mechanische sterkte in de Al-Si reeks bevatten magnesium in concentraties tussen 0,070 tot 0,40%. Binaire Al-Mg legeringen worden veel gebruikt voor toepassingen die een glanzend oppervlak en weerstand tegen corrosie vereisen, alsmede een gunstige combinatie van sterkte en taaiheid. Veel gebruikte samenstellingen zijn die met 4 tot 10% Mg en samenstellingen met meer dan 7% Mg kunnen een warmtebehandeling ondergaan.