Blog Ko Buijs - Belangrijke wetenswaardigheden over het metaal aluminium

Aluminium wordt gewonnen uit erts dat bauxiet wordt genoemd. Bauxiet is een mineraal dat voor een aanzienlijk deel uit aluminiumoxide bestaat. Dit aluminiumoxide wordt m.b.v. koolstof en veel elektrische energie bij hoge temperatuur gereduceerd tot aluminium. Aluminium is een licht metaal want het soortelijk gewicht is slechts 2,7 en het smeltpunt is 660°C. Zuiver aluminium is zacht met een tamelijk geringe sterkte.


Door Ko Buijs - Innomet Consultancy BV


Voor toepassingen waarvoor een grotere sterkte vereist is, moet het daarom eerst worden gelegeerd. Legeren is het toevoegen van elementen in vloeibare conditie, waardoor bestaande eigenschappen worden verbeterd of nieuwe eigenschappen worden gecreëerd. Het is natuurlijk zeer wenselijk indien dat op een zodanige manier kan gebeuren dat gunstige eigenschappen behouden blijven. Hierbij kan gedacht worden aan bijvoorbeeld de weerstand tegen corrosie, de geringe elektrische weerstand en de goede vervormbaarheid. Door de aanwezigheid van opgeloste atomen van een ander soort, wordt het moederrooster plaatselijk vervormd. Dat is vooral het geval wanneer deze atomen een plaats hebben gevonden tussen de atomen van het moederrooster in. Dat betekent dus dat deze ‘vreemde’ atomen interstitieel zijn opgelost. Hiermee kan bijvoorbeeld de verhoging van de elasticiteitsgrens en de hardheid worden verklaard. De meeste aluminiumlegeringen danken hun sterkte dan ook in de eerste plaats aan zo’n oplossingsharding, maar daarnaast vaak ook aan een goed gekozen warmtebehandeling zoals de precipitatieharding. Een voorbeeld hiervan is duraluminium (AA2024) dat gelegeerd is met koper (3,8-4,9%), mangaan (0,3-0,9%) en magnesium (1,2-1,8%). Na de precipitatieharding is de rekgrens en de hardheid circa vier keer zo hoog dan die van ongelegeerd aluminium. Ook allerlei andere eigenschappen van aluminium kunnen worden beïnvloed door een gerichte toevoeging van legeringselementen. Het kubisch vlakken gecentreerde rooster kan echter hiervan maar enkele procenten opnemen in de structuur van de mengkristallen. Maar daardoor wordt wel het gewenste effect op de mechanische sterkte bereikt, zonder dat de vervormbaarheid noemenswaardig wordt aangetast. Bij toenemende hoeveelheden van bepaalde legeringselementen, vormt het aluminium met het deel van deze elementen intermetallische verbindingen. Dit betreffen de elementen die niet meer in het moederrooster opgelost kunnen worden.  



Deze verbindingen hebben een eigen kristalrooster en zijn in de regel hard en bros. Hun aanwezigheid vergroot de mechanische sterkte, maar het gaat wel ten koste van de vervormbaarheid van de ontstane tweefasige legering.  Wanneer omvormen belangrijk is, moet het totale percentage legeringselementen daarom voldoende laag gehouden worden, bijvoorbeeld niet meer dan zo'n 3 tot maximaal 8%. De meeste in de techniek toegepaste aluminiumlegeringen, zijn op zich best gecompliceerd qua samenstelling. Gewoonlijk bevatten deze een of twee hoofdlegeringselementen, die vooral het niveau van de mechanische eigenschappen bepalen. Daarnaast komen er dan nog een aantal secundaire legeringselementen voor in kleinere hoeveelheden. Die kunnen zijn toegevoegd om bepaalde eigenschappen te bereiken. Een voorbeeld hiervan is een fijnere korrelgrootte die ontstaat door de toevoeging van natrium aan aluminiumsiliciumlegeringen. Bepaalde elementen kunnen echter ook als verontreiniging in het metaal achtergebleven zijn, zoals bijvoorbeeld ijzer na elektrolyse van nieuw aluminium en koper na het omsmelten van schroot.  Door toevoeging van 0,1 tot 0,3% chroom aan het aluminium, wordt het ijzer dat bij de elektrolyse is achtergebleven, in een minder schadelijke vorm afgescheiden. Omdat mangaan hetzelfde effect geeft, wordt chroom vaak samen met mangaan toegevoegd. Voorts vermindert chroom de gevoeligheid voor spanningscorrosie van aluminium/zink/magnesiumlegeringen omdat de precipitatie op de korrelgrenzen en in de korrels er homogener van worden. Net als chroom, vermindert koper de gevoeligheid voor spanningscorrosie van aluminium/zink/magnesiumlegeringen. Indien de mechanische bewerkbaarheid verbeterd moet worden dan kan dat bereikt worden door enig lood te legeren. Aluminium wordt ook gebruikt bij het bereiden van staal. Het wordt vooral gebruikt bij de hoogovens om het staal te kalmeren. Zie het blog "het bereiden van Staal"  


Ook heeft aluminium als legeringselement positieve effecten op koolstofstaal. Hierbij kan gedacht worden aan:
 

• Reducerende werking dankzij de hoge affiniteit met zuurstof;
• Het verhoogt de hittebestendigheid;
• Het bewerkt bij een geringe toevoeging een fijnere korrelstructuur.
• Bij chroomstaal en roestvast staal vormt aluminium met zuurstof aluminiumoxide aan het oppervlak waardoor de oxidatievastheid toeneemt. In sommige gevallen kan het ook precipitatie hardend uitwerken, waardoor bovendien de mechanische sterkte aanzienlijk toeneemt.

Toevoeging van magnesium aan aluminium/siliciumlegeringen leidt tot precipitatie van de intermetallische verbinding Mg2Si waarvan het hardingseffekt beduidend groter is dan van de uitscheiding van silicium alleen. Door toevoeging van magnesium aan aluminium/koperlegeringen wordt het bij de elektrolyse achtergebleven ijzer in een minder schadelijke vorm afgescheiden, terwijl het bovendien de precipitatie bevordert.
Magnesium verbetert ook de corrosiebestendigheid van aluminium waardoor legeringen zoals AA5083 (3.3547 – AlMg4,5Mn0,7) extra corrosief belast mogen worden. Toepassingen vindt men veelal in de scheepsbouw zoals dekhuizen, platforms en masten. Ook opslagtanks t.b.v. chemie en voeding worden van dit materiaal vervaardigd. Voorts heeft het materiaal zijn weg gevonden in de automobielindustrie en de spoorwegsector. Militaire applicaties zijn o.a. voertuigconstructies en mobiele bruggen.