Blog Ko Buijs - Aluminium met verhoogde mechanische eigenschappen

Aluminium is een zeer veelzijdig metaal dat zowel gelegeerd als ongelegeerd wordt toegepast in diverse marktsegmenten. Enige nadelen kunnen nog wel eens zijn de beperkte corrosiebestendigheid en veelal relatief lage mechanische waarden. Om de corrosiebestendigheid te verbeteren heeft men met legeren en/of anodiseren veel kunnen bereiken. Dit blog gaat echter vooral over het sterk verbeteren van de mechanische waarden dat men bereiken kan door een speciale warmtebehandeling dat ook wel precipitatieharding wordt genoemd. De vraag is wat deze activiteit nu precies inhoudt. 


Door Ko Buijs - Innomet Consultancy BV

Onder precipitatieharding wordt een warmtebehandeling verstaan waar intermetallische verbindingen zich gaan uitscheiden. Bij hoge temperatuur zijn deze bestanddelen oplosbaar in het metaalrooster maar tijdens het relatief langzaam afkoelen worden deze gedwongen zich uit te scheiden vanwege de teruglopende oplosbaarheid. De uitscheidingen verstoren het rooster en verstevigen daardoor het metaal. Het resultaat van de precipitatieharding is dat de bewegingen van de dislocaties worden gehinderd waardoor ze a.h.w. vastlopen in het atoomrooster. De rekgrens, treksterkte en hardheid van de behandelde legering nemen dan aanzienlijk toe. Dit precipitatieharden is ook zeer goed mogelijk bij bepaalde aluminiumlegeringen. Dergelijke legeringen worden primair gebruikt zodra een hogere sterkte en veelal ook betere corrosiebestendigheid gewenst is. 


Dit is met name van belang in de luchtvaartsector. Om er een beter beeld van te krijgen volgt onderstaand een uiteenzetting. De atomaire opbouw van een metaal kan men zich voorstellen als kubusjes met op de hoekpunten een atoom. Daarnaast kunnen er nog atomen op de vlakken aanwezig zijn of in het midden van de kubus (KVG of KRG). Na het stapelen van deze kubusjes kan er relatief gemakkelijk bij een bepaalde kracht F een laagje afschuiven waardoor de kubusjes een plaatsje opschuiven ten opzichte van elkaar. Het degenereren van het metaal heeft daarmee feitelijk een aanvang gemaakt. Komt er een precipitaat in deze structuur dan verstoort zo’n intermetallische verbinding de kubuslijnen waardoor deze zich om zo’n deeltje heen gaat buigen. Schematisch is dat tweedimensionaal voorgesteld in onderstaande schets. 






Op deze wijze ontstaan er a.h.w. verankeringen in het metaal waardoor de mechanische waarden sterk omhoog gaan. Door toevoeging van koper aan het aluminium kan op deze wijze een zeer aanzienlijke verhoging van de sterkte en de hardheid worden bereikt. Door toevoeging van 2,5% lithium aan aluminium wordt in de eerste plaats een verlaging van het soortelijke gewicht bereikt bij een toegenomen elasticiteitsmodulus (beide met 10%). Daarbij wordt tevens een verhoging van de sterkte en de hardheid verkregen dat vergeleken kan worden met de waarden van aluminium/koper en aluminium/zinklegeringen. Magnesium kan met silicium worden toegevoegd waardoor dankzij Mg2Si ook een aanzienlijke verhoging van de sterkte en de hardheid wordt bereikt. Dit is ook het geval met het legeren van zink. De aanwezigheid van dit laatstgenoemde element vermindert echter wel de weerstand tegen spanningscorrosie. Een bekend praktisch voorbeeld op dit gebied is het zogenaamde duraluminium AA2024 (EN 3.1355) dat 3,8-4,9% koper bevat alsmede 1,2-1,8% magnesium en 0,3 -0,9% mangaan. 


De rekgrens en de hardheid van deze legering gaan na de precipitatieharding beiden met maar liefst een factor 4 omhoog t.o.v. ongelegeerd aluminium en ook de rek wordt zelfs beter.  Dit maakt zo’n legering zeer geschikt voor toepassingen met hogere mechanische belastingen omdat de gewicht/sterkte verhouding zo gunstig is. M.a.w. vooral de luchtvaartsector maakt dankbaar gebruik van deze opmerkelijke eigenschappen. Dit precipitatie mechanisme wordt ook gebruikt bij roestvast staal en een bekend voorbeeld is het martensitische 17-4PH (EN 1.4542) waar dankzij de toevoeging van koper en niobium ook dergelijke intermetallische verbindingen ontstaan die de mechanische waarden sterk laten verbeteren. De rekgrens is circa vijf keer hoger dan die van austenitisch roestvast staal AISI 304 en 316 terwijl en toch nog een rek overblijft van circa 12%. Deze hoge mechanische waarden gelden alleen na de vereiste precipitatieharding. De toepassingen van 17-4PH vindt men dan ook in de vliegtuigbouw en componenten t.b.v. compressoren zoals schoepenwielen en afdekplaten. Ook componenten zoals schroefspindels van armaturen worden veelal van dit materiaal vervaardigd.