Blog Frans Vos - Over precipitaten en enclaves
“We snijden plakjes van de sterworstjes, dat zie je toch papa?” Een speelse, guitige blik en gegekkebek (alias smoelentrekken op kindermaat) volgt op de vragende blik. Met een expressierijke voorhoofdfrons en een ik-doe-alsof-ik-helemaal-van-niets-weet-pose stelt papa de vraag wat ‘sterworstjes’ dan wel mogen zijn? “Gekke papa”, is het antwoord op de vaderlijke blik en pose, waarna de machine opnieuw met “kindergehakt” wordt gevuld en nog meer “muntjes-, driehoeken- en sterrenworstjes” uit “de worstenmachine” vloeien.
Door: Frans Vos - Materials Consult BV
De kinderverbeelding is o zo sterk en soms zo heerlijk verfrissend dat ik u graag uitnodig om deze zomervakantie volop het kind in u naar boven te laten komen. Maar eigenlijk hoeft u daarvoor zelfs niet op het weekend of uw welverdiende vakantie te wachten; het kan ook gewoon in de week, ja, zelfs tijdens uw werk. Zo doe ik tijdens trainingen ook wel eens een beroep op de kinderverbeelding die nog in het geheugen van de deelnemers aanwezig is. Het hierboven beschreven kinderspel kent immers ook zijn volwassen evenknieën. Gun uzelf even de tijd om eens na te denken waar u in uw leven parallellen met het kneden, door een opening persen en smeden van plasticine-achtige substanties meent te ontwaren… Eén antwoord hebt u al gevonden: Koken. Het maken van pasta en brood of het creëren van feestelijk ogende patisserie vereist inderdaad allerhande handelingen op het deeg, dat zich net als plasticine in allerhande vormen laat kneden, smeden en persen. Maar dit is geen tijdschrift voor culinaire weetjes en recepten. Hier gaat het over metalen die tot allerhande vormen worden bewerkt. Meer nog, het thema van deze editie is ‘extrusie en profielen’. Valt de euro al? “Extrusie is de Play-Doh van de volwassenen” placht ik tijdens mijn trainingen en lessen wel eens te zeggen.
De extrusie van aluminium start met het verhitten van een aluminiumknuppel tot een plasticine-achtige toestand. Van smelten is geen sprake. Eénmaal de plasticine-toestand is bereikt, wordt de knuppel door een matrijs geperst, waarbij aan de andere zijde van de matrijs dan één of meer profielen tevoorschijn komen. Het woord ‘matrijs’ lijkt daarbij éénvoud te suggereren, maar in werkelijkheid maakt een dergelijke extrusiematrijs slechts één deel uit van een veel groter, complex matrijsassemblage, waar de aluminiumpasta doorheen wordt geperst en zich geleidelijk herverdeelt tot de vorm van de profielen die uiteindelijk uit de extrusiemachine tevoorschijn komen. Misschien ook een verrassend weetje: bij het extruderen van ‘holle’ profielen vindt er inwendig die matrijzenset ook een speciale vorm van langslassen plaats, niet zoals ‘smelt’lassen, maar als een soort ‘in elkaar kneden’. Als je niet echt in de extrusiewereld thuis bent, probeer dan eens geometrisch uit te vissen hoe je vanuit een plasticine-achtige knuppel zonder holte toch een holte kan krijgen door het aluminium door een matrijs te duwen? Dat kan als je de plasticineknuppel via de matrijzengeometrie eerst opsplitst in verschillende afzonderlijke deelstromen en die dan inwendig, meer naar het uiteinde van de matrijs toe, terug samenbrengt en op de contactlijn in elkaar kneedt om zo bijvoorbeeld een buis of de nog veel complexere doorsnedes van profielen voor raamconstructies als eindresultaat te bekomen. 
In zijn geëxtrudeerde toestand kunnen we het profiel echter nog niet in een ladder of vensterraam verwerken. De profielen die uit de extrusiemachine komen zijn zelden kaarsrecht en bezitten ook nog niet de mechanische eigenschappen (sterkte, taaiheid enzoverder) die vereist zijn voor hun uiteindelijke toepassing. Via stretching en warmtebehandelingen worden ze tot de gewenste eigenschappen gebracht, waarbij voor de ‘thermisch hardbare’ aluminiumlegeringen de zogenaamde ‘precipitatieharding’ een cruciale stap is. Om u een beeld te geven van het effect van een dergelijke precipitatiebehandeling: Mocht die behandeling al zijn uitgevoerd vóór de extrusie, dan zou het quasi onmogelijk worden om het aluminium nog op een efficiënte wijze van knuppel naar profielen om te vormen. Het volledig in detail uitleggen wat een precipitatiebehandeling metallurgisch allemaal behelst, zou me hier te ver leiden, maar het eindresultaat komt er op neer dat er in het materiaal nieuwe kleine, enkel onder microscoop zichtbare deeltjes uitkristalliseren, waarbij hun grootte, de verdeling van de deeltjes in het materiaal en de mate van interactie tussen die deeltjes en de hen omhullende aluminiummatrix mee de uiteindelijke mechanische eigenschappen gaan bepalen. Bij de ‘grootte’ kan iedereen zich iets inbeelden. Bij het woord ‘verdeling’ denken we aan de concentratie en de geometrische dichtheid van de deeltjes (hoeveel volume nemen ze verhoudingsgewijs in beslag ten opzichte van de andere metaalfasen en hoeveel deeltjes zijn er per kubieke centimeter), aan de homogeniteit van de verdeling (zitten de deeltjes allemaal netjes in een strak afgemeten driedimensionaal gelid of zitten ze in groepjes hier en daar samen of…?), en aan de geometrie (zijn ze in alle richtingen ongeveer even groot of zien ze er eerder uit als schijfjes of naalden en, als het schijfjes of naalden betreft, hoe zijn ze georiënteerd? In willekeurige slagorde, of allemaal met de spitse uiteinden in dezelfde richting?). 
En wat wordt dan nog bedoeld met ‘de mate van interactie tussen die deeltjes en de hen omhullende aluminiummatrix’? Wel, die ‘precipitaten’ - dat is de officiële metallurgische naam van dat type deeltjes – hebben bij wijze van spreken een ‘grensovergang’ met de omhullende matrix. Vergelijk het gerust met het Belgische Baarle-Hertog dat ingesloten zit in Nederland. Op vele vlakken is er van de grenszone tussen precipitaat Baarle-Hertog en de omhullende matrix Nederland weinig te merken en is het alsof er een sterke binding is tussen Baarle-Hertog en Nederland, in het bijzonder met de buren van het Nederlandse Baarle-Nassau. De goede binding is op sommige plaatsen zelfs letterlijk te nemen, want sommige winkelruimtes staan deels op grondgebied Baarle-Hertog en deels op grondgebied Baarle-Nassau. Maar op een aantal vlakken zijn er ook verschillen, al is het maar op bestuurlijk vlak of omdat het Nederlands elftal wel is kunnen doorstoten naar de halve finales van het Europees voetbalkampioenschap en het Belgische elftal niet, wat bij sommige Nederlanders ongetwijfeld tot enig jolijt en bij sommige Belgen tot enige jaloezie ten aanzien van de respectieve, anders o zo vriendelijke buren heeft geleid.
Als ik het dan naar precipitatieterminologie vertaal, lijkt er me tussen beide gemeenschappen sprake van een ‘semi-coherente’ binding. Als het een ‘coherente’ binding zou zijn, zou er eigenlijk geen enkele belemmering voor het samenleven mogen zijn, maar bestuurlijke en veelal goed bedoelde uitingen van nationale trots, maken dat het 100% goede nabuurschap soms wordt uitgedaagd. Op sommige momenten in de geschiedenis was er zelfs sprake van een ‘niet-coherent’ samenleven, waarvan de verschillen in de Coronamaatregelen het meest recente voorbeeld zijn. Niet alleen werden wederzijdse Hertog-Nassau bezoeken een tijdlang ernstig belemmerd, maar het ging op een bepaald ogenblik zelfs zo ver dat er in die tweelanden-winkelruimtes plots een koord of hekken verscheen, inderdaad op de grens tussen beide landen. De reden: In België moesten de winkels dicht, in Nederland nog niet, waardoor dus enkel het Nederlandse deel van die winkels nog toegankelijk mocht zijn. Kafka was net op bezoek geweest.
Welke soort samenleving we dan nastreven in een thermisch hardbare aluminiumlegering? Voor de meeste toepassingen zijn dat semi-coherente precipitaten. Als er weinig coherentie is tussen het precipitaat en de omringende matrix, als er weinig grensvlaksterkte tussen beiden is, kan er ook geen noemenswaardige krachtoverdracht tussen beiden plaatsvinden en zal het precipitaat geen, hoogstens slechts een beperkte bijdrage aan de sterkte van het metaal kunnen leveren. De achterliggende kristallografische reden is dat de kristalstructuur van de precipitaten in dat geval quasi nergens aansluit bij de structuur van het omringende aluminium kristalrooster. Als tegenpool zijn er dan de ‘coherente’ precipitaten, waarbij de kristalstructuur van een precipitaat op vele plaatsen wel voldoende aansluit bij de kristalstructuur van het omringende aluminium kristalrooster, waardoor dislocaties (roosterfouten, waarvan de beweeglijkheid mee de vervormbaarheid van een metaal bepaalt), zich nog relatief gemakkelijk van de ene zijde naar de andere zijde van de grensovergang kunnen verplaatsen. 
Bij de ‘semi’-coherentie is er dan de kristallografische ‘tussenin’ situatie. Op sommige plaatsen sluit de kristalstructuur van een precipitaat nog redelijk goed aan bij de kristalstructuur van het aluminium, terwijl dat op andere plaatsen niet meer het geval is. Dit is de situatie waarbij de dislocatiebewegingen het meeste worden gehinderd, waardoor er een grotere spanningsopbouw is in het geheel van het metaal, waardoor de sterkte in de optimaal semi-coherente situatie het hoogst is. Het is deze toestand die voor de meeste toepassingen de meerwaarde is. Een uitzondering op die regel vormen thermisch hardbare aluminiumlegeringen voor toepassingen op hoge temperatuur. De mate van coherentie die de precipitaten in het eindproduct vertonen, wordt immers mee bepaald door het verloop en het productietechnisch beheersen van de thermische curve (temperatuur in functie van tijd). Als een legering die op haar optimale semi-coherentie is (= maximale sterkte die voor die legering kan worden bekomen), verder wordt verhit, zal dit tot een verlies van de optimale semi-coherentie en een evolutie richting niet-coherentie leiden. Het materiaal zal met andere woorden sterkte verliezen. Uiteraard is het ongewenst dat een materiaal zijn sterkte verliest terwijl het zijn functie vervult. Met andere woorden: Als we een geoptimaliseerde semi-coherente legering zouden gebruiken in een hoge-temperatuurtoepassing, dan zal het metaal sterkte verliezen van zodra het hogere temperaturen ziet, dus eigenlijk al snel nadat de installatie een eerste keer in gebruik wordt genomen. In dat geval is het uiteraard beter gebruik te maken van niet-coherent geprecipiteerde legeringen. Rest dan nog de vraag welke aluminiumlegeringen als ‘thermisch hardbaar’ staan gecatalogeerd? Dat zijn de aluminium-koper legeringen van de 2XXX-reeks, de aluminium-magnesium-silicium legeringen van de 6XXX-reeks, de aluminium-zink-magnesium legeringen binnen de 7XXX-reeks en de aluminium-lithium legeringen van de 8XXX reeks. Bij de groep 2XXX zijn het CuAl2 precipitaten die zich vormen. Bij de groep 6XXX vormen zich Mg2Si precipitaten en bij toevoeging van koper ook CuAl2 precipitaten. Bij de 8XXX reeks betreffen het dan weer LiAl3 precipitaten die de dienst uitmaken. Bij de 7XXX reeks legeringen die ook magnesium bevatten, betreft het MgZn2 precipitaten, eventueel aangevuld met CuAl2 precipitaten als de legering ook koperhoudend is. Eigenlijk zou ik daarbij dan nog telkens ‘in hoofdzaak’ moeten schrijven bij ieder type precipitaten.
Let wel: De andere legeringen binnen de 7XXX reeks zijn zogenaamde ‘niet thermisch hardbare’ legeringen, net zoals de 1XXX (ongelegeerd aluminium), 3XXX (aluminium-mangaan), 4XXX (aluminium-silicium) en 5XXX (aluminium-magnesium) legeringen. Wil dat zeggen dat deze legeringen helemaal geen precipitaten bevatten? Nee, zeker niet. In sommige van die legeringen ontstaan evenzeer precipitaten, maar het hoofdverstevigingsmechanisme van deze legeringen is koudversteviging, terwijl precipitatie – indien aanwezig – hier eerder een bijrol ter zake speelt. En spelen die precipitaten, hun grootte, hun verdeling en hun mate van coherentie dan enkel een rol bij het bepalen en controleren van de mechanische eigenschappen van de legeringen? Was het maar zo eenvoudig. Zoals voor alle metalen, bepalen de chemische samenstelling, de aard van de gevormde fasen (waarvan de precipitaten slechts een voorbeeld zijn) en de faseverhoudingen en -verdelingen ook mee het zogenaamde ‘systeemgedrag’, zoals de risico’s op corrosie en/of slijtage. Bij wijze van voorbeeld: De precipitaten zijn er mee verantwoordelijk voor dat in het slechtste geval intergranulaire aantasting van bepaalde aluminiumlegeringen kan optreden. Dat is uiteraard niet de bedoeling, maar in sommige specifieke situaties kan dat wel degelijk gebeuren. Voor geëxtrudeerde aluminiumprofielen wordt dat dan gewoonlijk aangeduid met de term ‘exfoliatie’, waarbij je in extreme gevallen gewoon de schilfers van het aluminium ziet afpellen. Over afpellen gesproken. Nu de Baarlese buren weer onbeperkt bij elkaar op bezoek kunnen gaan en al shoppend in eenzelfde winkel de grens kunnen overgaan, nu de grenzen naar de meeste andere landen weer semi-coherent open zijn, kunnen we de komende vakantiemaanden weer volop ons innerlijke zelf gaan versterken. Laat u het superbe maal, een fris biertje hier en een verkwikkend wijntje daar heerlijk smaken en geniet van het wandelen, fietsen, petanquen of heerlijk zonnebaden! Wat dat allemaal met ‘afpellen’ heeft te maken? Tsja… zonnecrème kan een nuttig artikel zijn.
Ik wens u veel vakantievertier!
