koudscheuren bij hoge sterkte aluminium te voorkomen
Goed gecontroleerde gietcondities en homogeen gesmolten materiaal vormen twee belangrijke uitgangspunten om koudscheuren bij hoge sterkte aluminium te voorkomen.
Tot die conclusie komt de van oorsprong uit Iran afkomstige Mehdi Lalpoor, die promoveerde aan de TU Delft.
"Sinds de productie van grote aluminium gietblokken in de jaren 40 van de vorige eeuw, is het grootste probleem in de aluminiumindustrie het scheuren van continu gegoten (DC) gietblokken, ook wel koudscheuren genoemd", zo begint Lalpoor. "Vooral de hoge sterkte aluminiumlegeringen van de 2xxx en de 7xxx series zijn gevoelig voor koudscheuren."
Volgens Lalpoor is de reden waarom dit probleem blijft voortbestaan, de aard en de manier waarop het wordt benaderd. "Aan de ene kant is koudscheuren een onvoorspelbaar fenomeen dat niet voorkomt bij elke giettest. Aan de andere kant is het meeste onderzoek naar dit probleem, door de hoge productievraag, beperkt tot casestudies in plaats van diepgaand onderzoek. Tijdens dit onderzoek hebben we het verschijnsel koudscheuren gedetailleerd onderzocht met als doel een criterium te kunnen formuleren, dat koudscheuren tijdens DC-gieten kan voorspellen."
Fig 1 Een foto die hoge sterkte aluminium laat zien. De 'plak' mislukte spontaan na het gieten door koudscheuren. De 500 kg zware hoeveelheid brak in stukken die enkele meters verderop neervielen. (Bron 1)
Omdat de echte mechanische eigenschappen van de legering AA7050 in gegoten toestand nauwelijks bestudeerd waren, begon Lalpoor met het onderzoeken van de mechanische eigenschappen van deze legering in gegoten toestand. De resultaten van de trekproeven bij temperaturen beneden de solidus (de grenslijn tussen vaste stof en vloeistof) en bij verschillende reksnelheden, die overeenkomen met DC-gietcondities, lieten zien dat de legering zijn taaiheid verloor tijdens het koelen. Beneden de 300 °C veranderde de legering ook in een extreem bros materiaal. Een andere eigenschap van het materiaal beneden de 300 °C was dat het gedrag grotendeels onafhankelijk werd van de reksnelheid.
Dit kon zelfs bij een lage reksnelheid, zoals optreedt tijdens DC-gieten, leiden tot brosse breuken.
De experimentele resultaten beneden de 300 °C vertoonden een grote spreiding, zoals bij keramische materialen, en dit probleem kon verslechteren door eventuele bestaande defecten. Lalpoor: "Het vergelijken van de mechanische eigenschappen en de constitutieve parameters van deze legering en die van gehomogeniseerde spanningsvrije trekstaven liet zien hoe bros het gegoten materiaal was bij temperaturen beneden de 300 °C. Tevens werd, voor de eerste keer, de breuktaaiheid (KIc) van de legering daadwerkelijk gemeten in gegoten toestand bij kamertemperatuur, 100 °C en 200 °C. Hieruit bleek dat in de giettoestand de KIc beduidend lager was dan in de gehomogeniseerde of de spanningsarme toestand en dat de waarden ver beneden de KIc lagen van de verouderde legering.
De KIc-waarden verkregen uit de experimenten werden later gebruikt om de kritische scheurgrootte te berekenen."
Breukvlakonderzoek
Uit breukvlakonderzoek aan de gegoten trekstaven bleek dat korrelgrenzen en holtes tussen dendrieten (een boom-achtige structuur die zich bij stolling vormt), plekken waar niet in evenwicht zijnde eutectische fasen en brosse intermetallische verbindingen zich vormen, de voornaamste plekken waren voor breukinitiatie tijdens en na het stollen van het materiaal. Boven de solidus konden scheuren ontstaan door warmscheuren, waarbij de vloeibare fase op de grenzen van de dendrieten bezwijkt onder de aanwezige lokale spanning.
Door de drie-assige spanningstoestand beneden de solidus konden de brosse intermetallische verbindingen gemakkelijk breken en scheuren vormen met een kritische grootte. Lalpoor: "Onafhankelijk van het mechanisme dat de breuk veroorzaakte, vormden de scheuren zich vooral langs de korrelgrenzen en interdendritische holtes die voornamelijk bedekt werden door intermetallische verbindingen. Dit resulteerde in brosse interkristallijne scheurvorming. Onze in-situ trekproeven op kamer- en hogere temperaturen bewezen dit. De scheurvorming van de echte koudgescheurde DC gietblokken lieten echter kenmerken zien van zowel brosse interkristallijne scheurvorming als transkristallijne breuk van individuele dendrieten. Dit laatste werd gezien nabij het externe oppervlak van het gietblok en zal nog verder onderzocht moeten worden."
Voor een beter begrip van het thermisch gedrag van de legering en het vaststellen van de belangrijkste parameters voor de simulaties, werd een aantal van de thermische eigenschappen van het materiaal experimenteel bepaald. Lalpoor: "Het begin van de thermische contractie in het vloeibaar-vast gebied werd bepaald door middel van lineaire stolling-contractietesten. Het thermische contractiegedrag van de legering werd tevens bestudeerd door middel van dilatometrie en de lineaire stolling-contractieopstelling. Het thermische contractiegedrag van het materiaal in de giettoestand in de dilatometer en de lineaire stolling-contractieopstelling kwamen niet geheel overeen met de voorspellingen van de thermodynamische database JMat-Pro (een thermodynamische database). Uit de resultaten van de dilatometertest bleek dat er een sterke toename was in de thermische uitzettingscoëfficiënt bij ongeveer 200 °C, wat toegeschreven kon worden aan de uitscheiding van precipitaten (een fase die wordt gevormd tijdens of na het stollen) tijdens het afkoelen na afloop van de stolling. Differentiële scanning-calorimetrietesten lieten zien dat dit gebeurde bij zowel verhitting als afkoeling."
Fig 2 De oppervlaktescheuren op de bodem van het '7475 DC-gietstuk' (Bron 2)
Computersimulaties
Om het thermomechanische gedrag van de legering te bestuderen werden computersimulaties uitgevoerd voor ronde gietpalen met het programma ALSIM5. De simulatieresultaten lieten zien dat in een gietblok met een diameter van 200 mm, dat met 1 mm/s gegoten werd, de stationaire condities werden bereikt na ongeveer 200 s. Vanaf dit moment kon de spanningsanalyse uitgevoerd worden.
De contourplots (simulatieresultaten) van de componenten van de spanningstensor lieten zien, dat er voornamelijk trekspanningen aanwezig zijn in het centrum van het gietblok die overgaan in drukspanningen naar het oppervlak van het gietblok toe. Een andere kritische plek was de plek waar het water in contact komt met het oppervlak van het gietblok, de water impingement zone (WIZ), waar een sterke trekspanning in de omtreksrichting heerste. Om de plastische deformatie te beoordelen, werden de contourplots van zowel de effectieve spanning als de verstevigingparameter gebruikt. In vergelijking tot het centrum van het gietblok, brachten hogere spanningen aan het oppervlak relatief hogere verstevigingparameters teweeg. De viscoplastische krachten in het centrum van het gietblok werden voornamelijk veroorzaakt door kruip bij verhoogde temperaturen.
Om de kans op het ontstaan van scheuren in het gietblok te bepalen, werden de hoofdcomponenten van de spanningstensor gebruikt. (σ₃₃ < σ₂₂ < σ₁₁). Dit bleken allemaal trekspanningen te zijn in het centrum, terwijl deze overgingen in drukspanningen aan het oppervlak. De aanwezigheid van drie positieve hoofdspanningen in het centrum resulteerde in een lage effectieve spanning en als gevolg daarvan een lage plastische vervorming (versteviging). Hoewel de effectieve spanning laag was in het centrum, bleek de gemiddelde spanning het hoogste te zijn in dat gebied. Lalpoor: "Dit verhoogde de kans op plastische vormverhindering en brosse breuk. De maximale waarden van σ₁₁ werden na 76 s in de WIZ bereikt en na 200 s in het centrum. Onze berekeningen van de kritische scheurgrootte lieten zien dat deze gebieden in het gietblok het meest gevoelig voor scheurvorming waren. Tijdens het gieten nam σ₁₁ toe en bereikte zijn maximum aan het oppervlak en nam daarna af. Dit werd voornamelijk veroorzaakt door veranderingen in het type spanning van trek naar druk aan het oppervlak op het moment dat het gietblok de impingement zone verliet. Op het moment dat σ₁₁ maximaal was aan het oppervlak, kon een aantal scheuren zich vormen en verspreiden. Desondanks kwam het in kleine ronde gietpalen door de aanwezige hoge drukspanningen zelden voor dat scheuren zich vanuit het oppervlak vormden.
In het centrum van het gietblok echter blijft de situatie kritiek tijdens de gehele gietperiode, vooral na 200 s wanneer de σ₁₁ component zijn maximum bereikt. Warmscheuren gevormd boven de solidus konden mogelijk verder groeien en resulteren in het bezwijken van het gietblok. Insluitsels of andere gietdefecten van een kritische grootte hebben mogelijk het bezwijken van het gietblok bevorderd.
Een breuk in de vorm van een duimnagel, met een kritische grootte van 4,2 mm aan het oppervlak van het gietblok in de WIZ, kon mogelijk resulteren in het bezwijken van het gietblok. In het centrum van het gietblok en bij 200 °C wanneer σ₁₁ zijn maximum bereikte, was de kritische scheurgrootte 10,1 mm."
Fig 3 Foto's die de scheuren in de 200-mm 7475 'DC-gietstuk' laten zien. Aan de linker zijde een doorsnee van een 'gietstuk' met een koudescheur 'verspreid' samen met de 'stervormige directie'.
Aan de rechterzijde een ander aangezicht van een ander gietstuk opengescheurd, die twee delen van de breukoppervlak laten zien door een contrasterende kleur. (Bron 3) In beide gietstukken loopt het 'scheur peil' parallel aan de 'as' van het gietstuk.
Simulatietesten
Lalpoor heeft ook simulatietesten uitgevoerd om het thermomechanische gedrag van de gietpalen na het einde van het gieten te bestuderen. "Dit leerde ons dat de situatie niet merkbaar veranderde in het lagere centrale deel van het gietblok, waar de spanningen al de stationaire toestand bereikt hadden.
In de hogere gedeelten van het gietblok echter, veranderde de spanningstoestand en de spanningen die zich ontwikkelden konden mogelijk een maximum bereiken dat even hoog was als in het lagere deel van het gietblok. Onder zulke condities, wanneer het gehele gietblok op kamertemperatuur was, kon een schijfvormige breuk met een radius van 17,1 mm mogelijk de aanleiding zijn tot het bezwijken van het centrum van het gietblok. Deze waarde was hoger in vergelijking tot de 10,1 mm genoemd in de vorige alinea dankzij de vermindering in σ₁₁ na verdere afkoeling."
Het effect van gietvariabelen werd tevens bestudeerd om te controleren hoe de gietsnelheid, de diameter van het gietblok, de watertemperatuur, de stroomsnelheid van het water en de smelttemperatuur de uiteindelijke spanningstoestand en de kans op het mislukken van het gietblok beïnvloedde. Lalpoor: "Ons onderzoek toonde aan dat onder de bestudeerde parameters, de gietsnelheid en de diameter van het gietblok de meeste invloed hadden. Met het verhogen van de gietsnelheid of het vergroten van de diameter van het gietblok namen de spanningen toe in het centrum en in de WIZ, wat de kans op bezwijken vergrootte. De verhoogde gietsnelheid zorgde voor een toegenomen kans op bezwijken in het centrum van het gietblok door het vergroten van het gebied dat correspondeerde met de minimale kritische scheurgrootte. Echter, aan het oppervlak van het gietblok in de WIZ kromp het gebied dat correspondeerde met de minimale kritische grootte bij toenemende gietsnelheid dankzij de kortere tijd dat het gietblok in die zone doorbracht. De toegenomen diameter van het gietblok of de gietsnelheid verhoogde niet alleen de kans op bezwijken in het centrum, het maakte het gietblok ook meer vatbaar voor scheuren aan het oppervlak door een toename in σ₁₁. Daarnaast verhoogde de toename in de diameter van het gietblok of de gietsnelheid niet alleen de omvang van de maximale hoofdspanning, het veranderde ook de richting ervan. Bij hogere gietsnelheden en gietpalen met een grotere diameter, veranderde σ₁₁ van de radiale of de omtreksrichting naar de axiale richting van het gietblok, voornamelijk door de hogere temperatuurgradiënt in die richting. De consequentie van het draaien van de σ₁₁ -as was dat het breukvlak draaide van parallel naar loodrecht op de axiale richting van het gietblok.
Dit resulteerde mogelijk in zogenoemde cup en cone breuken.
Hoge sterkte aluminium
Uiteindelijk werd het criterium voor koudscheuren gevalideerd met behulp van een nieuw ontwikkelde, hoge sterkte aluminiumlegering die zeer gevoelig is voor koudscheuren. "De simulatieresultaten werden ondersteund door experimentele DC-gietproeven", aldus Lalpoor. "Het gieten van een gietblok bij een hoge snelheid van 1,8 mm/s resulteerde tijdens de DC-gieting in het breken van het gietblok met een luide knal. Onderzoek naar het breukvlak liet zien dat een 7 mm lang insluitsel het bezwijken veroorzaakte. Deze scheurgrootte was in overeenstemming met de voorspelde scheurgrootte van 6-12 mm en de oriëntatie ervan bevestigde dat σ₁₁ in de axiale richting van het gietblok werkte."
Andere gietpalen werden onderzocht op mogelijke porositeit met behulp van ultrasonische defectoscopie, maar geen enkele porositeit van kritische grootte werd gedetecteerd. De enige aanwezige porositeiten waren krimpporositeiten met een maximale grootte van 100 µm, wat ver beneden de kritische scheurgrootte voor het bezwijken van een gietblok lag.
Wat het koudscheurfenomeen nogal onvoorspelbaar maakte, was de aanwezigheid van porositeiten met een kritische grootte, die tegelijkertijd loodrecht op de corresponderende maximale hoofdspanning georiënteerd waren. Lalpoor: "Tijdens onze metallografische observaties van een AA7050 DC-gegoten gietblok, vonden we warmscheuren die een paar millimeter groot waren, maar die niet leidden tot koudscheuren én het gietblok bleef intact. Waarschijnlijk leidde niet alleen de niet-kritische lengte maar ook de ongunstige oriëntatie van de scheuren niet tot het bezwijken van het gietblok. Onder zulke gecompliceerde omstandigheden en rekening houdend met de extreme brosheid van het materiaal, zouden de volgende aanbevelingen kunnen helpen bij de productie van defectvrije gietpalen: goed gecontroleerde gietcondities, homogeen gesmolten metaal zonder opname van deeltjes, de juiste keuze van het startblok zodat lokaal geen hoge spanningen geïnduceerd worden en voorzichtige behandeling van het gietblok na het gieten. Met behulp van resultaten verkregen uit computersimulaties dient voor elke legering de juiste gietsnelheid corresponderend met de diameter bepaald te worden. Wanneer de minimale scheurgrootte die voorspeld wordt door het model kleiner is dan de typische grootte van een insluitsel tijdens het gieten, moeten lagere gietsnelheden geselecteerd worden. "
Bron 1: O. Ludwig, J.-M. Drezet, B. Commet, B. Heinrich, in: C-A. Gandin en M. Bellet (Eds.), Modeling of Casting, Welding and Advanced Solidification Processes, MCWASP XI, TMS, Warrendale (PA), 2006, pp. 185-192.
Bron 2: M. Lalpoor, Studie van koudscheuren tijdens 'DC-casting' van hoge sterkte aluminium legeringen, promotie aan de TU Delft, Nederland 2010.
Bron 3: M. Lalpoor, D.G. Eskin, L. Katgerman, Metallurgical and Materials Transactions A 41 (2010) 2425-2434.
Mehdi Lalpoor