- Ultralydsafgasning af smeltede metaller op til 2.300°C og smeltet glas
- Mandag - fredag: 09:00 - 19:00
- Sialon Ceramics Aps - Østerbrogade 226 st. tv. - 2100 København - Danmark
Aluminiumstøbning: Ultralydsteknologi reducerer brugen af TiB-kornraffinaderi
Hvad er kornforfining?
Aluminiums kornstruktur forfines under størkning for at opnå mindre, mere ensartede korn. Den oprindelige støbte aluminiums kornstruktur er grov med store, dendritiske korn. Dette skyldes langsom kimdannelse og hurtig vækst under afkøling af smeltet aluminium. Nedsat styrke, duktilitet og revnedannelse skyldes en sådan kornstruktur. Store korn i nærvær af mikrosegregering forårsager mekanisk anisotropi og spændingskoncentration. Det gør materialet tilbøjeligt til belastningsbrud.
Finkornede strukturer øger aluminiumlegeringens mekaniske egenskaber. Gennem Hall-Petch-forholdet øger fine korn (et par mikrometer) udbyttet og trækstyrken, samtidig med at de forhindrer forskydning. Fine korn forbedrer duktiliteten ved at øge korngrænsearealet, hvilket absorberer og omfordeler spænding og mindsker revnedannelse og -udbredelse. Det gør også egenskaberne mere isotrope for ensartet ydeevne. Finkornede mikrostrukturer er nødvendige for fly- og bilkomponenter. Det er her, vægt og styrke er nøglen. Fine korn gør materialet mere ensartet og forudsigeligt for bedre bearbejdelighed og overfladefinish.
Rollen af titaniumbor TiB som kornforfiner i smeltet aluminium
Titanbor (TiB) påvirker størkningsnukleation for at raffinere smeltede aluminiumkorn. Det tilbyder nukleationssteder for en fin, ligeakset kornstruktur. TiAl₃-partikler og boridforbindelser som TiB₂, der ligner aluminium i krystallografi, fungerer som stærke kimdannere. De mindsker kimdannelsesenergibarrieren, gør korndannelsen lettere og forhindrer dendritiske strukturer i at vokse. Således dominerer mange små, ligeligt spredte korn størkningen snarere end et par store.
TiB reagerer kemisk med aluminiumsmelte under størkning. TiAl₃-partikler stammer fra smeltereaktionen mellem titanium og aluminium. Selvom disse partikler er ustabile ved høje temperaturer, kombineres de med bor for at danne TiB₂ og gøre dem til kimdannere. TiB₂, med sin stabile hexagonale struktur og tætte gittertilpasning til aluminium, fremmer heterogen kimdannelse. Dannelsen af boridpartikler ved størkningsfronten lover små, talrige korn. TiB₂-partikler fungerer hurtigt som kerner, som aluminiumatomer kan størkne omkring. Det giver en raffineret mikrostruktur.
Udfordringerne med TiB-brug
Økonomiske og miljømæssige bekymringer
De høje omkostninger ved TiB, inklusive TiB₂, påvirker produktionsomkostningerne ved aluminiumraffinering. Titanium, et dyrt metal, gør TiB-legeringer dyre. De høje omkostninger til råmaterialer og energiintensive metoder gør TiB₂-produktion til aluminiumraffinering til en dyr forretning. Det er vanskeligt for sektorer med begrænsede marginer eller steder med begrænset tilgængelighed af råmaterialer. F.eks. kan markedsforholdene for titanium påvirke TiB-priserne, hvilket efterlader produktionsomkostningerne ustabile. En sådan volatilitet kan gøre det vanskeligt at prissætte aluminiumsvarer ensartet sammenlignet med billigere AlTiB-masterlegeringer.
Miljøhensyn er også vigtige, når man bruger TiB til at raffinere korn. TiB-baserede varer kan udlede titan- og borkemikalier i miljøet, hvilket gør fremstilling og bortskaffelse vanskelig. Håndtering af farlige kemikalier og affald under TiB₂-fremstilling skal undgå miljøforurening. Brugte TiB-produkter kan sive skadelige komponenter ned i jord og vand, hvilket gør bortskaffelse problematisk. Særlige bortskaffelsesmetoder, herunder kontrolleret deponering eller genbrug, øger miljøpåvirkningen og driftsomkostningerne. Der er også stigende lovgivningsmæssige krav fra regeringer og miljøorganisationer om mere bæredygtig metallurgi. Derfor kan titanbor (TiB) være mindre attraktivt end kornraffinaderi med lavere økologiske farer.
Tekniske begrænsninger for TiB-kornraffinaderi i smeltet aluminium
Muligheden for overraffinering eller ujævn kornstørrelse kan teknisk set begrænse TiB-kornraffineringen af aluminium. TiB's kornraffineringseffektivitet afhænger af nøjagtig koncentration og fordeling i aluminiumsmelten. Høje TiB-koncentrationer kan overraffinere kornene og gøre dem for fine. Det kan gøre aluminium for sprødt til flere anvendelser. Omvendt kan ujævn TiB-fordeling forårsage variation i aluminiums kornstørrelse. Variation i materialets styrke og duktilitet kan udløse svigt i nøgleapplikationer som luftfart og bilkomponenter. Overvågning og justering af kornraffineringsprocessen for den ideelle balance er kompliceret og kræver kompetente operatører.
Forkert TiB-behandling kan også forårsage indeslutninger eller fejl i det endelige aluminiumsprodukt. Uopløste TiB-partikler i smelten kan opføre sig som spændingskoncentratorer og forårsage tidlig nedbrydning under belastning. Det er problematisk i højtydende applikationer, der kræver materialeintegritet. For eksempel kan dele til luftfart miste udmattelseslevetid på grund af selv små indeslutninger. TiB-indeslutninger kan hindre valsning eller ekstrudering, samtidig med at de forårsager revner eller overfladefejl. Smelten skal blandes godt og temperaturkontrolleres for at mindske sådanne risici. TiB er dog et tveægget sværd i raffinering af aluminiumkorn, da sådanne begrænsninger øger arbejdskompleksiteten og omkostningerne.
Med tiden kan TiB₂-partikler falde til bunden af holdeovnen. Det reducerer deres kornraffineringseffektivitet, kaldet "fading-effekten". Lange holdetider i industrielle operationer forværrer dette problem. Andre legeringselementer kan også påvirke TiB-kornraffinørernes effektivitet. For eksempel kan krom, zirconium og lithium forårsage "forgiftningseffekten". TiB₂ kan reagere med andre elementer i aluminiumsmelten. Det kan introducere uønskede faser eller forbindelser i den færdige legering. Derudover undersøgelser på, at tilsætning af sjældne jordarter som Ce og La til TiB-kornraffinører kan forbedre kimdannelsen og resultere i finere kornstrukturer end standardraffinører alene. Men igen forårsager disse ændringer komplikationer og yderligere omkostninger.