- 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
Aluminiumsstøbning: Ultralydsteknologi reducerer brugen af TiB-kornforfinere
Hvad er kornfinhed?
Aluminiums kornstruktur forfines under størkningen, hvilket resulterer i mindre og mere ensartede korn. Den oprindelige kornstruktur i støbt aluminium er grov med store, dendritiske korn. Dette skyldes langsom kernedannelse og hurtig vækst under afkølingen af det smeltede aluminium. En sådan kornstruktur medfører nedsat styrke, duktilitet og revnedannelse. Store korn i kombination med mikrosegregation forårsager mekanisk anisotropi og spændingskoncentration. Dette gør materialet udsat for brud under belastning.
Finkornede strukturer forbedrer aluminiumslegeringers mekaniske egenskaber. I henhold til Hall-Petch-loven øger finkorn (på få mikrometer) flydespænding og trækstyrke, samtidig med at de forhindrer dislokationsbevægelse. Finkorn forbedrer duktiliteten ved at øge korngrænsearealet, hvilket absorberer og omfordeler spændinger og mindsker risikoen for revnedannelse og -udbredelse. Det gør desuden egenskaberne mere isotrope, hvilket sikrer ensartet ydeevne. Finkornede mikrostrukturer er nødvendige for komponenter til fly og biler. Her er vægt og styrke afgørende. Finkorn gør materialet mere ensartet og forudsigeligt, hvilket giver bedre bearbejdelighed og overfladefinish.
Titaniumbor (TiB) som kornforfiningsmiddel i smeltet aluminium
Titaniumbor (TiB) påvirker kernedannelsen under størkning og bidrager dermed til at forfine kornene i smeltet aluminium. Det tilvejebringer kernedannelsessteder, der muliggør en fin, ligekantet kornstruktur. TiAl₃-partikler og boridforbindelser som TiB₂, der krystallografisk ligner aluminium, fungerer som stærke kernedannelsesmidler. De sænker energibarrieren for kernedannelsen, gør det lettere for kornene at danne sig og forhindrer dendritiske strukturer i at vokse. Dermed dominerer mange små, jævnt fordelt korn størkningsprocessen i stedet for nogle få store korn.
TiB reagerer kemisk med aluminiumsmeltet under størkning. TiAl₃-partikler stammer fra smeltereaktionen mellem titan og aluminium. Selvom disse partikler er ustabile ved høje temperaturer, binder de sig med bor og danner TiB₂, hvilket gør dem til kernedannere. TiB₂, med sin stabile sekskantede struktur og tætte gitteroverensstemmelse med aluminium, fremmer heterogen kernedannelse. Dannelsen af boridpartikler ved størkningsfronten sikrer små og talrige korn. TiB₂-partiklerne fungerer hurtigt som kernedannere, som aluminiumatomerne størkner omkring. Dette giver en fin mikrostruktur.
Udfordringerne ved brugen af TiB
Økonomiske og miljømæssige hensyn
De høje omkostninger ved TiB, herunder TiB₂, påvirker produktionsomkostningerne ved aluminiumsraffinering. Titanium, som er et dyrt metal, gør TiB-legeringer kostbare. De høje omkostninger til råmaterialer og de energiintensive fremstillingsmetoder gør produktionen af TiB₂ til aluminiumsraffinering til en dyr affære. Det er en udfordring for sektorer med snævre margener eller områder med begrænset adgang til råmaterialer. F.eks. kan markedsforholdene for titanium påvirke TiB-priserne, hvilket medfører uregelmæssige produktionsomkostninger. En sådan prisvolatilitet kan gøre det vanskeligt at fastsætte priserne på aluminiumsprodukter på en ensartet måde sammenlignet med billigere AlTiB-masterlegeringer.
Miljømæssige hensyn er også vigtige, når TiB anvendes til kornforfining. TiB-baserede produkter kan udlede titanium- og borholdige kemikalier til miljøet, samtidig med at det komplicerer fremstillingen og bortskaffelsen. Håndteringen af farlige kemikalier og affald under fremstillingen af TiB₂ skal foregå på en måde, der forhindrer miljøforurening. Brugte TiB-produkter kan udlede skadelige stoffer til jord og vand, hvilket gør bortskaffelsen problematisk. Særlige bortskaffelsesmetoder, herunder kontrolleret deponering eller genanvendelse, øger miljøpåvirkningen og driftsomkostningerne. Der stilles også stadig større krav fra myndigheder og miljøorganisationer om en mere bæredygtig metallurgi. Derfor kan titanbor (TiB) være mindre attraktivt end kornforfinere med lavere miljømæssige risici.
Tekniske begrænsninger ved TiB-kornforfineren i smeltet aluminium
Risikoen for overforfining eller uensartetkornstørrelsekan teknisk set begrænse TiB-kornforfiningen af aluminium. TiB’s effektivitet med hensyn til kornforfining afhænger af en præcis koncentration og fordeling i aluminiumsmassen. Høje TiB-koncentrationer kan overforfine kornene, så de bliver for fine. Det kan gøre aluminiumet for skørt til visse anvendelser. Omvendt kan en ujævn fordeling af TiB medføre variationer i aluminiumets kornstørrelse. Variationer i materialets styrke og duktilitet kan udløse svigt i vigtige anvendelser såsom komponenter til luftfart og bilindustrien. Overvågning og justering af kornforfiningsprocessen for at opnå den ideelle balance er kompliceret og kræver kompetente operatører.
Forkert TiB-behandling kan også forårsage indeslutninger eller fejl i det færdige aluminiumsprodukt. Uopløste TiB-partikler i smeltemassen kan fungere som spændingskoncentratorer og forårsage tidlig svigt under belastning. Dette er problematisk i højtydende anvendelser, hvor materialets integritet er afgørende. For eksempel kan komponenter til luftfartsindustrien miste deres udmattelseslevetid på grund af selv små indeslutninger. TiB-indeslutninger kan hæmme valsning eller ekstrudering og samtidig forårsage revner eller overfladefejl. Smeltemassen skal være godt blandet og temperaturreguleret for at mindske sådanne risici. TiB er dog et tveægget sværd i forbindelse med kornforfining af aluminium, da sådanne begrænsninger øger arbejdets kompleksitet og omkostningerne.
Over tid kan TiB₂-partiklerne synke ned på bunden af holdovnen. Dette mindsker deres effekt som kornforfinere, hvilket kaldes »fading-effekten«. Lange holdetider i industriel drift forværrer dette problem. Andre legeringselementer kan også påvirke TiB-kornforfinernes effektivitet. For eksempel kan krom, zirkonium og lithium forårsage den såkaldte »forgiftningseffekt«. TiB₂ kan reagere med andre grundstoffer i aluminiumsmassen. Dette kan medføre uønskede faser eller forbindelser i den færdige legering. Desuden tyder undersøgelser på, at tilsætning af sjældne jordarters grundstoffer som Ce og La til TiB-kornforfinere kan fremme kernedannelsen og resultere i finere kornstrukturer end ved anvendelse af standardforfinere alene. Men også disse tilpasninger medfører komplikationer og ekstra omkostninger.