Algemene effecten van het legeren van aluminium (deel 1)

Hoewel de overheersende reden voor legeren het verhogen is van de mechanische sterkte, is ook de invloed op andere karakteristieken van gelegeerd aluminium onmiskenbaar. Een aantal van deze invloeden zal hier worden behandeld.

A.J. Schornagel

Het merendeel van de fysische eigenschappen - dichtheid, smelttemperatuurtraject, warmte-inhoud, thermische uitzettingscoëfficiënt en geleidbaarheid van elektriciteit en warmte - veranderen door toevoeging van een of meer legeringselementen. De mate waarin deze verandering van eigenschappen plaatsvindt met elke verhoging zijn specifiek voor dat element en hangen af, vaak vrij drastisch, van het feit of er sprake is van de vorming van een vaste oplossing of van een tweede fase. In die gevallen waarin het element of elementen door middel van een warmtebehandeling hetzij weer in oplossing wordt gebracht, hetzij zich uitscheidt, kunnen enkele van deze eigenschappen, met name dichtheid en geleidbaarheid, sterk worden veranderd door een warmtebehandeling.
 

ELEKTROCHEMISCHE EIGENSCHAPPEN EN CORROSIEWEERSTAND
 

Deze beide eigenschappen worden sterk beïnvloed door legeringselementen die hetzij vaste oplossingen, hetzij bijkomstige fasen of beide vormen. Voor die systemen die aanzienlijke verandering vertonen van de oplosbaarheid in vaste toestand, kan een warmtebehandeling voor grote verschillen zorgen en kan, hoewel dat niet vaak voorkomt, de veroudering bij kamertemperatuur veranderen. Koper en zink in vaste oplossing hebben de sterkste elektro-chemische invloed. Koper verschuift de potentiaal, waarbij metaal in oplossing gaat, in kathodische richting met 0,047 V/gew.%. En toevoeging van zink doet deze potentiaal opschuiven in anodische richting met 0,063 V/gew.%. Deze potentialen worden gemeten in waterige oplossingen van 53 g NaCl + 3 g H2O2 per liter. Magnesium en silicium, die de basis vormen voor de 4xxx-, 5xxx- en 6xxx-reeksen kneedlegeringen en de 3xx.x-, 4xx.x- en 5xx.x-gietlegeringen, en die in andere legeringen prominent aanwezig zijn, oefenen een betrekkelijk gematigde invloed uit op de oplospotentiaal en zijn niet nadelig voor de corrosieweerstand. Hoewel aluminium een thermodynamisch reactief metaal is, bezit het toch een uitstekende weerstand tegen corrosie in de meeste milieus, hetgeen kan worden toegeschreven aan de aanwezigheid van een passieve laag aluminium-oxide. Deze laag is sterk aan het metaaloppervlak gebonden en herstelt zich bij beschadiging vrijwel onmiddellijk. De continuïteit van de laag wordt beïnvloed door de microstructuur van het metaal - in het bijzonder door de aan-wezigheid en volume van tweede-fasedeeltjes. De corrosieweerstand wordt beïnvloed door deze factor en door het verband tussen de tweede-fasedeeltjes en de matrix waarin ze voorkomen, en de positie van de oplospotentiaal. In de meeste milieus neemt de weerstand tegen corrosie van ongelegeerd aluminium toe met toenemende zuiverheid. De weerstand van een legering hangt niet alleen af van de soort, hoeveelheid en verdeling van de tweede-fasebestanddelen, maar sterker nog van de wijze waarop ze in de matrix zijn opgelost. Koper verlaagt de corrosieweerstand ondanks het feit dat wanneer het in vaste oplossing aanwezig is het de legering meer kathodisch maakt (thermodynamisch minder actief). Dit is te verklaren uit het feit dat koperionen die oplossing in waterige, corrosieve media weer neerslaan op het metaaloppervlak in de vorm van zeer kleine deeltjes metallisch koper. Waardoor er actievere corrosiekoppels ontstaan omdat metallisch koper sterk kathodisch is ten opzichte van de aluminium-legering. Mangaan dat in vaste oplossing de oplospotentiaal net zo sterk in de kathodische richting verschuift als koper, heeft geen nadelige invloed op de corrosieweerstand van technische legeringen omdat het niet zoals koper weer in metallische vorm neerslaat. De verschillen in oplospotentiaal tussen legeringen van verschillende samenstelling worden met succes gebruikt bij de Alclad-composieten. Bij deze producten bestaat de kern uit een sterke of warmtebehandelbare legering die wordt bekleed met een legering die niet alleen een hoge corrosieweerstand bezit, maar ook een oplospotentiaal vertoont die anodisch is ten opzichte van de kernlegering. Analoog met de bescherming van staal door een zinklaag, wordt de kern van gelegeerd aluminium beschermd door de meer anodische bekleding. De samenstelling van het bekledingsmetaal is speciaal ontworpen om de kernlegering te beschermen. Dit houdt in dat ter bescherming van legeringen met als hoofdlegeringselement koper uit de 2xxx-reeks, het meer anodische ongelegeerde aluminium uit de 1xxx-reeks wordt gebruikt als beschermende bekleding. In geval van de sterke legeringen die zink bevatten naast magnesium en koper (zoals 7049, 7050, 7075 en 7178) verschaft een aluminium-zinklegering (7072) of een aluminium-zink-magnesiumlegering (7008 of 7011) bescherming. Laatstgenoemde levert hogere mechanische sterkte.
 

INVLOED VAN ONZUIVERHEDEN
 

Hoewel grote verschillen in eigenschappen en karakteristieken gewoonlijk samengaan met legeringstoevoegingen van één tot verscheidene procenten, geven veel legeringselementen zeer significante effecten indien ze worden toegevoegd in kleine fracties van 1%, of wanneer ze met kleine hoeveelheden worden verhoogd. Wat betreft de mechanische eigenschappen is dit met name het geval voor combinaties van bepaalde elementen. De wisselwerking is tamelijk complex en een gegeven element kan hetzij zeer gunstig zijn, hetzij hoogst nadelig, afhankelijk van de andere betrokken elementen en van de gewenste eigenschap of combinatie van eigenschappen. De aan- of afwezigheid van bepaalde onzuiverheden (zoals bijvoorbeeld natrium en calcium) in hoeveelheden in de orde van grootte van een duizendste procent, kunnen het verschil uitmaken tussen succes en volledig falen bij het verwerken van hoog-magnesiumhoudende gietelingen uit de 5xxx-reeks tot bruikbare kneedproducten. De grenswaarden voor onzuiverheden zoals gespecificeerd voor commerciële legeringen weerspiegelen enkele van deze effecten, maar producenten van fabrieksproducten moeten zich in veel gevallen aan strakkere grenswaarden houden.

KORRELVERFIJNERS
 

De meeste legeringen die worden vervaardigd als gietelingen voor de fabricage van kneedproducten bevatten kleine hoeveelheden titaan of borium, of een combinatie van deze twee. Het doel hiervan is het beheersen van korrelgrootte en -vorm in de gegoten toestand. Deze korrelverfijners hebben weinig invloed op verandering van de korrelgrootte die het gevolg is van bewerken of van rekristallisatie. Lastoevoegmetaal en gietlegeringen bevatten in de regel hogere gehaltes aan korrelverfijners om een hoogst mogelijke weerstand tegen scheuring tijdens stolling van las of gietstuk te verzekeren. De elementen die een betrekkelijk sterke invloed hebben op korrelgrootte en -vorm die ontstaan bij mechanische bewerking zijn mangaan, chroom en zirconium. Kleine hoeveelheden (fracties van procenten) van deze elementen, alleen of in combinatie, worden aan veel commerciële legeringen toegevoegd, om de korrelgrootte en het rekristallisatiegedrag als gevolg van fabricage en warmtebehandeling onder controle te houden. Dergelijke korrelcontrole dient vele doeleinden, waaronder goede weerstand tegen scheurvormende spanningscorrosie, hoge breuktaaiheid en goede vervormingskarakteristieken. In specifieke legeringen hebben deze elementen nog bijkomende gunstige effecten op de sterkte, weerstand tegen vermoeiing, of sterkte bij hoge temperatuur. Om hun werk te kunnen doen moeten deze korrelverfijnende elementen fijn verdeeld in de matrix aanwezig zijn. Dit wordt bereikt tijdens de voorverhitting van de gietelingen.

Berilium wordt gebruikt in aluminiumlegeringen die magnesium bevatten om oxidatie bij verhoogde temperatuur te beperken. Toevoeging van kleine hoeveelheden Be gaan verkleuring en oxidatie van aluminium-magnesiumproducten tegen. Dit effect wordt toegeschreven aan het feit dat Be naar het metaaloppervlak diffundeert en daar een oxide met een hoog volumeratio vormt. Berilium heeft geen invloed op de corrosieweerstand van aluminium. In lastoevoegmetaal wordt het Be-gehalte in het algemeen beperkt tot 8 ppm en ook in legeringen die later moeten worden gelast moet het Be-gehalte beperkt blijven. Beriliumvergiftiging is een allergische aandoening, die van individu tot individu kan verschillen en afhangt van de intensiteit en duur van blootstelling. Inademen van stof dat berilium bevat kan leiden tot acute vergiftiging. Berilium wordt niet toegevoegd aan aluminiumlegeringen die in aanraking komen met voedingsmiddelen of dranken.
 

Bismut
 

Metalen met een laag smeltpunt zoals bismut, lood, tin en cadmium worden aan aluminium toegevoegd om legeringen verspaanbaar te maken. Deze elementen bezitten beperkte oplosbaarheid in aluminium en vormen een zachte, laagsmeltende fase die spaanbreuk bevorderen en meehelpen het snijgereedschap te koelen. Een voordeel van bismut is dat zijn uitzetting bij stolling compensatie biedt voor de krimp van lood. Een 1 op 1 lood-bismutverhouding wordt toegepast in de aluminium-koperlegering 2011 en in de aluminium-Mg2Si-legering 6262. Kleine toevoegingen van bismut (20 - 200 ppm) aan aluminium-magnesiumlegeringen kunnen de nadelige invloed van natrium op warmscheuring tegen gaan.
 

Borium
 

Borium wordt in gelegeerd aluminium gebruikt als korrelverfijner en ter verbetering van de geleidbaarheid doordat het uitscheidingen vormt met vanadium, titanium, chroom en molybdeen, die allen schadelijk zijn voor de elektrische geleidbaarheid bij hun gebruikelijke verontreinigingsniveau in technisch zuiver aluminium. Borium kan alleen worden gebruikt (niveaus variërend van 0,005 - 0,1%), als korrelverfijner tijdens stolling, maar het wordt werkzamer als het wordt gebruikt met een overmaat titanium. Commerciële korrelverfijners bevatten gewoonlijk titanium en borium in een verhouding van 5 : 1. Borium heeft een hoge neutronen-invang dwarsdoorsnede en wordt toegevoegd aan aluminiumlegeringen die dienst moeten doen bij bepaalde toepassingen in de opwekking van kernenergie. Het boriumgehalte moet echter worden beperkt op zeer lage niveaus in die delen van de reactor waar deze eigenschap juist ongewenst is.
 

Cadmium
 

Cadmium is een betrekkelijk laagsmeltend element, dat beperkte toepassing vindt in aluminium. Aan aluminium-koperlegeringen kan tot 0,3% Cd worden toegevoegd om de verouderingsharding te versnellen, de sterkte te verhogen en de corrosieweerstand te verbeteren. Bij niveaus van 0,005 - 0,5% wordt het gebruikt om de verouderingstijd van aluminium-zink-magnesiumlegeringen te bekorten. Er zijn meldingen van het feit dat sporen cadmium de corrosieweerstand van ongelegeerd aluminium verlaagt. Boven 0,1% veroorzaakt cadmium brosheid bij verhoogde temperatuur in sommige legeringen. Vanwege zijn hoge neutronenabsorptie, moet cadmium tot een minimum beperkt blijven bij toepassing in kerncentrales. Het wordt gebruikt om met name aluminium-zink-magnesiumlegeringen verspaanbaar te maken. Het element heeft de voorkeur boven bismut en lood vanwege zijn hogere smeltpunt. Een hoeveelheid van slechts 0,1% geeft al een verbetering van de verspaanbaarheid te zien. Cadmium wordt tezamen met silicium gebruikt in lagerlegeringen. De orale giftigheid van cadmiumverbindingen is hoog. Bij smelt-, giet- en fluxwerkzaamheden levert cadmiumoxidedamp gevaar voor de gezondheid.
 

Fosfor
 

Fosfor is een kleine onzuiverheid (1 - 10 ppm) in technisch zuiver aluminium. Zijn oplosbaarheid in gesmolten aluminium is zeer laag (ongeveer 0,01% bij 660°C) en nog aanzienlijk lager in vast aluminium. Fosfor wordt gebruikt als modificator voor boven eutectische aluminium-siliciumlegeringen waar aluminiumfosfide fungeert als kiem voor de stolling van primair silicium, waardoor het silicium wordt gezuiverd en de verspaanbaarheid wordt verbeterd. De aluminium-fosforverbindingen reageren met waterdamp onder afgifte van fosfine (PH3), maar het fosforniveau in aluminium is dermate laag, dat dit geen gezondheidsrisico meebrengt, zolang er wordt gezorgd voor voldoende ventilatie tijdens het verspanen van met fosfor gekiemd gietwerk. Fosfine kan een probleem worden bij afbraak van ovens waarin fosfaatgebonden vuurvaste steen is gebruikt.
 

Gallium
 

Gallium is een onzuiverheid in aluminium en het is doorgaans aanwezig in niveaus van 0,001 - 0,02%. Bij deze niveaus is de invloed op de mechanische eigenschappen heel klein. Bij het 0,2% niveau, blijkt gallium de corrosiekarakteristieken en de respons op etsen en glanzen van een aantal legeringen te beïnvloeden. Vloeibaar gallium dringt zeer snel door op de korrelgrenzen van aluminium en het kan volledige separatie van de korrels veroorzaken. Bij opofferingsanodes zorgt toevoeging van gallium in hoeveelheden van 0,01 - 0,1% voor het uitblijven van passivering (in de passieve toestand is de anode niet meer werkzaam).
 

Het grootste voordeel van toevoeging van magnesium aan aluminium-koperlegeringen is de toegenomen sterkte na oplosgloeien en afschrikken. Bij kneedmateriaal van bepaalde legeringen van dit type gaat stijging van de sterkte vergezeld met hoge ductiliteit bij verouderen op kamertemperatuur. Bij kunstmatig verouderen kan een verdere toename van de sterkte, met name van de rekgrens, worden verkregen, maar dat gaat tegen een aanzienlijk verlies in rek. Bij zowel giet- als kneedlegeringen is niet meer dan 0,5% Mg al werkzaam bij het veranderen van de verouderingskarakteristieken. Bij kneedproducten kan het effect van magnesiumtoevoegingen op de sterkte worden gemaximaliseerd in kunstmatig verouderd materiaal door voorafgaand aan verouderen koud te bewerken (afbeelding 2). In natuurlijk verouderd materiaal, kan de gunstige invloed op de sterkte, afkomstig van magnesiumtoevoegingen, juist afnemen door koudbewerken (afbeelding 3). Het effect van magnesium op de corrosieweerstand van aluminium-koperlegeringen hangt van het soort product en de warmte-behandeling.