Aluminium, hét materiaal van verleden, nu en in de toekomst?
Aluminium wordt in tegenstelling tot een element als goud niet in zuivere vorm in de natuur aangetroffen. Het is namelijk een tamelijk onedel metaal, wat betekent dat het relatief sterk gebonden is aan andere elementen, vooral aan zuurstof. Dit betekent ook dat het materiaal relatief moeilijk winbaar is en soms moeilijk verwerkbaar.
ir. Lammert Brantsma, IWE & ir. Jelle Brantsma
Aluminium komt voor in klei, maar ook in aluminiumerts, en wordt voornamelijk in (sub)tropische gebieden, zoals Australië, Nieuw Guinea, Jamaica, Brazilië en Suriname gewonnen. Aluminium in aluminiumerts, ook wel bauxiet genoemd, bestaat voor ongeveer 40% uit aluinaarde, en is daarin sterk gebonden aan zuurstof. Middels chemische scheiding volgens het Bayer-proces wordt de aluinaarde (dit is aluminiumoxide, ook wel rutiel genoemd) gewonnen, waaruit met het veel energie kostende elektrolyseproces van Hall-Héroult aluminium kan worden verkregen. De speurtocht naar de winning van aluminium begon in 1807 met het werk van Sir Humphrey Davy, een Engels chemicus (1778-1829), die een aluminium-ijzerlegering produceerde uit een met ijzer verontreinigd aluminiumoxide. Pas in 1892 werd de basis gelegd voor de grootschalige fabricage van aluminium. In 1886 hadden Hall en Heroult namelijk het noodzakelijk elektrolyseproces uitgevonden en in 1892 was de methode van Bayer voor het vrijmaken van aluminiumoxide uit bauxiet ontwikkeld en gepatenteerd (1887).
Echter, om aluminium, waarvan er heel veel op de aarde aanwezig is, vrij beschikbaar te maken, moet veel moeite worden gedaan. De benodigde energie om aluminium te winnen bedraagt namelijk ongeveer 155 MJ/kg. De vraag kan dus gesteld worden of al deze moeite wel de moeite waard is. Gelukkig is voor het hergebruik (recycling + hersmelten, enz.) van aluminium slechts ca. 8 MJ/kg aan energie nodig. Omdat het materiaal, behalve de vorming van een stabiele oxidehuid, nauwelijks degenereert, is het vrijwel geheel recyclebaar. Dit, in combinatie met het feit dat vele ontwikkelingen of producten niet of nauwelijks mogelijk waren geweest zonder het gebruik van legeringen met aluminium, aluminium en aluminiumlegeringen, leidt tot een positief antwoord op de vraag ‘of aluminium al die moeite wel waard is’.
Vroeger
Wat te denken van de Dinky Toys (afbeelding 1) die vooral in de vijftiger en zestiger jaren van de vorige eeuw grote belangstelling kenden bij de huidige 50-plussers. Deze miniatuurautootjes, die op een schaal 1 op 43 waren gemaakt, werden gegoten in het zeer goed gietbare materiaal Zamak, een zinkbasislegering waaraan 4 tot 8% aluminium, enig magnesium en koper was toegevoegd. Deze legering wordt overigens nog steeds in de auto-industrie gebruikt, bijvoorbeeld voor logo’s en sierstrips, die veelal worden verchroomd. Ook wordt Zamak toegepast in de gewichtjes die nodig zijn voor het uitbalanceren van autowielen als er geen lood mag worden gebruikt.
Heden en de reden voor toepassing
Vaak werden en worden aluminium en haar legeringen toegepast in gietproducten. Maar steeds belangrijker zijn de werkelijk structurele toepassingen, zoals bij lichtgewicht opleggers, vliegtuigonderdelen, raketdelen, steigers, ladders, jachten, stuurhuizen van schepen en natuurlijk vele delen in moderne auto’s. Maar wat waren en zijn eigenlijk de redenen om aluminium toe te passen?
In het begin van de aluminiumtoepassing waren vooral uiterlijke kenmerken belangrijk; het leek soms wel goedkoop zilver. Maar de werkelijke redenen voor de latere toepassingen en de enorme groei van aluminiumgebruik zijn van meer technische aard:
Soortelijke massa
De soortelijke massa van aluminium en haar legeringen bedraagt 2700 kg/m3, ongeveer 1/3 van de soortelijke massa van staal is. Hierdoor zijn vaak belangrijke gewichtsbesparingen te realiseren, hoewel die besparing niet 2/3 bedraagt. Immers de mechanische eigenschappen als rekgrens en elasticiteitsmodulus zijn niet gelijk aan die van staal.
Mechanische eigenschappen
De elasticiteitsmodulus, een maat voor de stijfheid van een materiaal en daarom van groot belang bij werkelijk constructieve toepassingen, is voor aluminium ongeveer 1/3 van die van staal. De elasticiteitsmodulus is nauwelijks afhankelijk van de structuur van het aluminium en is daardoor ook weinig verschillend bij verschillende aluminiumlegeringen.
De kerfslagwaarde, een maat voor de taaiheid van een materiaal bij plotselinge belasting, kent bij aluminium en aluminiumlegeringen bij temperatuurdalingen geen plotseling optredende daling, zoals we dat bij constructiestaal wel kennen.
De treksterkte van zeer zuiver aluminium (99,98%) is bijzonder laag met ca. 45 N/mm2. Door het materiaal te legeren kan de treksterkte echter aanmerkelijk verhoogd worden ( wel tot 530 N/mm2 bij EN AW-7075 AlZnMgCu1,5). Tevens kunnen koud deformeren van aluminium en haar legeringen en warmtebehandelingen van bepaalde aluminiumsoorten de mechanische eigenschappen beïnvloeden. Toepassing van onder andere de lastechnieken kan leiden tot een groot verlies in sterkte van het materiaal.
De corrossiebestendigheid
Zuiver aluminium en kopervrije aluminiumlegeringen zijn goed bestand tegen veel milieus. Hoewel aluminium een zeer onedel metaal is, is het goed bestand tegen atmosferische omstandigheden. Dit is een gevolg van de zeer harde en dichte oxidelaag (Al2O3) die spontaan en zeer snel aan de lucht gevormd wordt. Het voordeel van de snelle vorming van die oxidehuid is overigens ook een van de nadelen van aluminium: bij het lassen kan men namelijk veel last hebben van aluminiumoxiden die de kwaliteit van de las sterk negatief kunnen beïnvloeden.
Aluminium wordt zowel in zuivere vorm, maar vooral in gelegeerde toestand toegepast. Hierbij wordt onderscheid gemaakt tussen de gietlegeringen, met meestal meer dan 3% legeringselementen, en de kneedlegeringen, met meestal minder dan 3% legeringselementen. De verschillende soorten worden naar samenstelling en manier van verkrijgen van sterkte onderverdeeld in momenteel acht hoofdgroepen, die met een viercijferige code worden aangeduid. Uiteindelijk gaat het bij iedere aluminiumsoort over de eigenschappen van die soort. Maar hoe goed zijn die eigenschappen van aluminium nu eigenlijk en waarom wordt aluminium dan wel toegepast?
De eigenschappen van aluminium en haar legeringen kunnen worden vergeleken met die van bijvoorbeeld de verschillende staalsoorten. Op die wijze worden de voor- en nadelen van aluminium ten opzichte van staal verduidelijkt. De goede en minder goede eigenschappen zijn:
Maar alle goede en minder goede eigenschappen zijn relatief en afhankelijk van de vergelijking en het gezichtspunt. Zo kunnen het lage smeltpunt, de corrosiebestendigheid en de goede warmtegeleiding voordelen lijken, maar deze eigenschappen kunnen stuk voor stuk ook een nadeel zijn. Door combinatie van eigenschappen kunnen in een aantal gevallen oplossingen worden verkregen. Zo is E-modulus, een maat voor de stijfheid van het materiaal, voor aluminium relatief laag en dus als nadeel gekenschetst. Maar door de lage smelttemperatuur en mede daardoor goede vervormbaarheid, is het bijvoorbeeld weer goed mogelijk zeer ingewikkelde extrusie- en walsprofielen (zie afbeelding 2a en b) te maken, die een grote totale stijfheid combineren met een laag gewicht.
Zoals eerder genoemd, zijn voor de toepassing van materiaal de verhoudingen sterkte/gewicht en/of stijfheid/gewicht belangrijk. Aluminiumlegeringen benaderen daarin de gewone staalsoorten. Zo worden in Formule-1 raceauto motoren gebruikt die voor ca. 63% uit aluminiumlegeringen bestaan, en die tot wel 19.000 toeren per minuut maken. Bij deze motoren worden zelfs voor de zuigers en cilinders aluminiumlegeringen toegepast. Daarbij wordt net als voor de vliegtuigbouw gebruik gemaakt van de goede verspaanbaarheid van aluminium.
Toch kent aluminium wel concurrentie van hogerekgrensstaalsoorten en van de glas-, aramide- en koolstofvezels. Gebed in een hars kunnen met glas-, aramide- en koolstofvezels materialen worden verkregen met hoge sterktes en hoge elasticiteitsmoduli in specifieke richtingen. Zo zijn elasticiteitsmoduli die 10 tot 20 x hoger zijn dan die van aluminium geen uitzondering. Zulke materialen worden steeds meer gebruikt, en vooral daar waar aluminium ook veel werd toegepast: de jachtbouw, fiets- en motorframes, auto-onderdelen, Formule-1 en diverse vliegtuigonderdelen, zowel constructieve als andere.
Samenstellingen
Soms worden de specifieke eigenschappen van de verschillende materialen (aluminium) en de vezels gecombineerd, zoals in Arall of in Glare®, een gelijmde samenstelling van lagen aluminium en lagen aramidevezel respectievelijk glasvezel. Dit soort samenstellingen behoort tot de groep van vezelversterkte laminaten, hybride composieten bestaande uit afwisselend lagen metaal en lagen vezelversterkte epoxy. Het materiaal kan in vele eindvormen vervaardigd worden, waarvoor overigens wel mallen en soms autoclaven nodig zijn. Bij Glare®, een laminaat van glasvezels en aluminium, geven de vezels het laminaat weerstand tegen het groeien van vermoeiingsscheuren die in het aluminium kunnen zijn ontstaan. Die eigenschap dat scheurtjes in de dunne glaslagen worden gestopt, maakt het materiaal ideaal voor kritische constructies en onderdelen, bijvoorbeeld in vliegtuigen, die kunnen lijden onder wisselende belastingen en dus gevaar lopen vermoeiingsscheuren te ontwikkelen. Tevens lijkt de corrosiebestendigheid van de laminaten goed, omdat de geïmpregneerde vezellagen mogelijk als barrière voor vocht tussen de aluminium lagen kunnen werken. Ook de bestendigheid van de vezels tegen hogere temperaturen kunnen mogelijk de veiligheid van vliegtuigen verhogen. In andere gevallen moet in verband met bijvoorbeeld de beperkte toepasbaarheid van laminaten bij lagere temperatuur gekozen worden voor aluminium in plaats van een laminaat.
Toepassing
Concurrentie of niet, aluminium lijkt steeds meer toegepast worden. Werd er in 1950 twee miljoen ton aluminium geproduceerd uit erts, in 2000 was dat al ca. 23 miljoen ton, terwijl er tevens 8 miljoen ton aluminium werd verkregen door recycling. In de VS en Canada samen werd in 2005 ca. 11,4 miljoen ton aluminium verwerkt ten behoeve van verschillende toepassingen, namelijk:
De toekomst
De verwachting is dat toekomstige toepassingen van aluminium, net als dat al vele jaren het geval is, vooral liggen in de transportsector. Hoofddoel is daarbij de beperking van het energieverbruik door gewichtsbesparing, onder andere door toepassing in motorblokken, cilinderkoppen en inlaatstukken voor personenauto’s. Bij vrachtauto’s en opleggers is het doel om bij een wettelijk vastgelegd maximum totaalgewicht een groter laadvermogen te verkrijgen (zie afbeelding 5). Maar gewichtsbeperking is ook nodig om de gewichtstoename van auto’s door airbags, airconditioning, ABS, en vele andere opties, te compenseren. Zo wordt in diverse personenauto’s al ca. 150 kg aluminium per auto verwerkt.
In vliegtuigen vindt aluminium al jarenlang zeer veel toepassing. De constructie van de Airbus A380 bestaat voor ongeveer 61% uit aluminiumlegeringen. Verder bestaat die constructie voor ca. 22% uit composietmateriaal, 10% uit titanium en staal en 3% uit het composietmateriaal Glare® (zie afbeelding 3 en 4). Voor de toepassing van composietmateriaal betekent dit een sterke toename ten opzichte van de toepassing in de Airbus A340, waarbij 12% composietmateriaal betrof. Combinaties van materialen in een constructie zullen steeds meer plaatsvinden. Het gaat immers om de optimalisatie van de prestaties van individuele delen van de constructie en die van de totale constructies.
Slot
Uiteindelijk wordt de keuze voor een materiaal normaliter gemaakt door de verhouding prijs/prestatie, waarbij de kosten voor de verwerking en bewerking worden meegewogen. De prijs van ruw aluminium benadert steeds meer die van on- en laaggelegeerd staal en daarmee worden de prestaties en de eenvoud van bewerken en verwerken doorslaggevend. Voor wat betreft de prestaties wordt opgemerkt dat er sterke ontwikkelingen zijn in de sterkte van staal. Rekgrenzen van 1100 N/mm2 zijn reeds mogelijk bij de hoge rekgrensstalen. Zulke waarden gecombineerd met de 3x hogere E-modulus van 210.000 N/mm2 dan die van aluminium maken de competitie voor aluminium hard. De sterkte/gewichtverhouding kan dan uitvallen in het voordeel van het staal. De bewerkingskosten (buigen, walsen, zetten, lakken, gieten, spuitgieten, extruderen, dieptrekken en verspanen) echter vallen veelal gunstiger uit voor aluminium. Moet er ook gelast worden, dan kunnen de kosten daarvan voor aluminium weer in het nadeel t.o.v. staal uitpakken. Worden ook laminaten in de beschouwing meegenomen, dan zal duidelijk zijn dat het maken van goede keuzen, een goede kennis van alle materiaaleigenschappen en de kosten voor de bewerking en verwerking essentieel is. Voor de optimalisatie van de eigenschappen van producten wordt innovatief ontwerpen gecombineerd met kennis van de ontwikkelingen van materialen en nieuwe legeringen en bewerkings- en verwerkingsmogelijkheden van een steeds groter belang.
Schrijf je hier in voor de wekelijkse Nieuwsbrief en blijf op de hoogte van alle niet te missen ontwikkelingen in de Aluminium Roestvast en Staal branche!
