Slijtvaste aluminium legeringen

Reeds vanaf ongeveer 1940 worden aluminium legeringen gebruikt voor tribologische doeleinden, toen gegoten aluminium-tin lagers werden geïntroduceerd voor zware machinerieën. De ontwikkeling van aluminium-silicium legeringen wekte nog grotere belangstelling voor lichtgewicht aluminium legeringen voor slijtvaste onderdelen.

Aluminium-silicium legeringen

Aluminium-silicium legeringen staan bekend om hun unieke combinatie van wenselijke karakteristieken, waaronder uitstekende gietbaarheid, lage dichtheid en goede mechanische eigenschappen. Gek genoeg wordt er in de vele gepubliceerde tabellen met eigenschappen van deze legeringen geen melding gemaakt van hun slijtvastheid.  Gedurende de late jaren 1950 werden er aluminium-silicium cilinderblokken gegoten waarbij gebruik werd gemaakt van het lichte gewicht en goede warmtegeleiding van legeringen zoals A356 en A380. Omdat deze legeringen slechts beschikten over matige slijtvastheid, werden de vroege motorblokken voorzien van een meegegoten stalen cilindervoering. In Europa werden eveneens motorblokken gegoten van aluminium-silicium legeringen, zoals LM24 en LM26, maar die hadden cilindervoeringen die via krimpverbinding werden aangebracht. De energiecrisis van de vroege jaren 1970 gaf een krachtige impuls aan het gebruik van lichtgewicht aluminium legeringen in auto’s. Omdat het brandstofverbruik rechtstreeks kan worden gerelateerd met het voertuiggewicht, is het gebruik van aluminium in plaats van gietijzer voor motoronderdelen zeer wenselijk. Het gebruik van gegoten aluminium motorblokken met een meegegoten gietijzeren cilindervoering bleek te duur in productie en dit opende de weg naar de ontwikkeling van hyper-eutectische aluminium-silicium legeringen die hogere slijtvastheid hadden en die konden worden gebruikt zonder cilindervoering. Een zo’n legering die speciaal is ontwikkeld met het oog op hoge slijtvastheid is de hyper-eutectische aluminium-silicium legering A390 (A390.0). Er wordt een elektrochemische oppervlaktebehandeling gebruikt om wat van het matrixaluminium weg te etsen zodat eutectische en primaire siliciumdeeltjes het lageroppervlak vormen, wat resulteert in verbeterde slijtvastheid.  Er is geprobeerd om langs poeder-metallurgische weg cilindervoeringen te maken van hyper-eutectische aluminium-silicium legeringen. Met deze methode kunnen de afmetingen van de primaire siliciumdeeltjes kunnen worden geoptimaliseerd en er kan vaste grafiet aan de matrix worden toegevoegd dat fungeert als smeermiddel. De voeringen worden vervolgens in het motorblok geplaatst, dat is gemaakt van conventioneel gelegeerd aluminium.

Afbeelding 1. Aluminium-silicium fazediagram.

Metallurgie van aluminium-silicium legeringen

Aluminiumlegeringen voor slijtvastheidstoepassingen zijn gebaseerd op het aluminium-silicium legeringssysteem. Dit binaire systeem is een simpel eutectisch legeringssysteem met de eutectische samenstelling bij 12,5% Si (afbeelding 1). Standaard legeringen bevatten een aantal legeringsbestanddelen zoals getoond in tabel 1. Bij kamertemperatuur bestaat de hypo-eutectische legering uit een zachte, taaie primaire aluminiumfaze en de zeer harde, brosse siliciumfaze. Het is deze siliciumfaze die bijdraagt aan de goede slijtvastheid van deze legeringen. De siliciumfaze heeft een Vickershardheid van om en nabij 10 GPa. Silicium is onoplosbaar in aluminium. Hyper-eutectische legeringen zijn de meest gebruikte sllijtvaste legeringen, ze bevatten grove, hoekige, primaire siliciumdeeltjes alsmede eutectisch silicium. Deze primaire siliciumdeeltjes verschaffen de legering zijn uitstekende slijtvastheid. Commerciële aluminium-silicium legeringen bevatten doorgaans andere legeringselementen ter verdere verbetering van de slijtvastheid en ze geven deze legeringen ook nog andere eigenschappen.
 

IJzer
Het gangbaarste legeringselement is ijzer, dat in hoeveelheden van 1,5 tot 2,0% kan worden toegevoegd. De aanwezigheid van ijzer verandert de siliciumfaze als gevolg van de vorming van verscheidene Al-Fe-Si fazen. Aluminium-silicium legeringen die zijn bedoeld voor matrijsgieten bevatten hogere minimum ijzerniveaus om kleven tussen matrijs en gietstuk te verminderen.

Magnesium
Magnesium wordt toegevoegd voor versteviging door middel van uitscheiding van Mg2Si in de matrix. In een Al-Fe-Si-Mg legering, wordt de Al-Si-Fe faze niet beïnvloed door toevoeging van magnesium. Magnesium kan echter een combinatie vormen met onoplosbare aluminium-ijzer fazen, hetgeen resulteert in verlies aan verstevigingsmogelijkheden.

Koper
De meeste slijtvaste legeringen bevatten koper. Koper zorgt voor extra versteviging van de matrix door middel van verouderingsharding waarbij AlCu2 wordt gevormd of via modificatie van de harde, brosse Al-Fe-Si fazen. Naarmate de sterkte van deze legeringen toeneemt door toevoeging van magnesium en koper, gaan de taaiheid en corrosieweerstand wat achteruit.

Mangaan
Veel belangrijke aluminium-silicium legeringen bevatten ook kleine (<1 gew.%), maar significante, hoeveelheden mangaan. De aanwezigheid van mangaan kan de oplosbaarheid van ijzer en silicium in aluminium verlagen en de samenstelling en vorm van de primaire Al-Fe-Si fazen veranderen. Toevoeging van mangaan verbetert de eigenschappen van de aluminium-silicium legeringen bij verhoogde temperatuur.

Eigenschappen
Legeren van aluminium met silicium in hoeveelheden tussen ongeveer 5 en 20% geeft een aanzienlijke verbetering te zien van de gietkarakteristieken ten opzichte van andere aluminium legeringen. Als gevolg hiervan worden deze hoog-silicium legeringen vaak gebruikt as gietlegeringen in plaats van de fabricage van gesmede producten. Aluminium-silicium legeringen bezitten ook uitstekende corrosieweerstand, verspaanbaarheid en lasbaarheid. Binaire hypo-eutectische legeringen zijn te zacht voor goede verspaanbaarheid. De verspaanbaarheid van aluminium-silicium legeringen is doorgaans zeer goed in termen van oppervlakte afwerking en spaankarakteristieken. Standtijd van gereedschap kan kort zijn in geval van conventionele carbide gereedschap, in het bijzonder als er hyper-eutectische legeringen worden verspaand. Bij gebruik van diamant snijgereedschap is de standtijd aanzienlijk verlengd, waardoor het verspanen van de hyper-eutectische legeringen praktisch is geworden. De corrosieweerstand van deze legeringen is doorgaans uitstekend. Legeringen met een toenemend kopergehalte bezitten een wat lagere corrosieweerstand dan de kopervrije legeringen. Wegens hun hoge vloeibaarheid en goede gietkarakteristieken, zijn deze legeringen zeer goed lasbaar met conventionele lastechnieken. Voor verbindingsdoeleinden zijn hardsoldeerlegeringen en lasdraad (bijvoorbeeld legeringen 4043 en 4047) gebaseerd op het aluminium-silicium legeringssyteem.




Tabel 2. Relatieve rangschikking op grond van gietbaarheid, corrosieweerstand, verspaanbaarheid en lasbaarheid van een aantal gietlegeringen.
 

Warmtebehandeling

Afhankelijk van de toepassing kan er een warmtebehandeling worden toegepast om:
 

• de sterkte te verhogen
• verbetering van de taaiheid

Aluminium-silicium legeringen die koper en magnesium bevatten kunnen een warmtebehandeling ondergaan op dezelfde wijze als bij precipitatie-hardende kneedlegeringen. Al naar gelang het vereiste sterkteniveau, kan er veroudering op kamertemperatuur (T4 behandeling) of veroudering bij hoge temperatuur (<200°C; T6 behandeling) na een warmtebehandeling om de noodzakelijke eigenschappen te verkrijgen. Daar de sterkte van de legering toeneemt vanaf de T4 temperatuur naard e T6 temperatuur, zal er een afname van de taaiheid plaatsvinden bij stijgende sterkte. Aluminium-silicium en Al-Si-X legeringen kunnen een verouderingsbehandeling bij hogere temperaturen (200 tot 260°C) ondergaan na gieten ter verbetering van de sterkte en thermische stabiliteit. Dit is vooral van belang in geval van toepassingen waarbij maatnauwkeurigheid kritisch is, bijvoorbeeld bij gebruik voor zuigers in een motor. Een dergelijke verouderingsbehandeling valt onder de T5 behandeling. Behandeling bij hoge temperatuur (480 tot 540°C) wordt ook wel gegeven ter verbetering van de taaiheid. Hierbij gaan de hoekige primaire siliciumdeeltjes over in een rondere vorm, die de neiging tot scheurvorming die anders op de hoeken plaats zou vinden tegengaat. Dit soort behandeling is met name effectief bij hyper-eutectische legeringen.