- Ultrasone ontgassing van gesmolten metalen tot 2.300 °C en gesmolten glas
- Maandag - vrijdag: 09:00 - 19:00
- Sialon Ceramics Aps - Østerbrogade 226, 1e verdieping - 2100 Kopenhagen - Denemarken
Aluminiumgieten: ultrasone technologie vermindert het gebruik van TiB-korrelverfijners
Wat is korrelverfijning?
De korrelstructuur van aluminium wordt tijdens het stollen verfijnd, waardoor kleinere, meer uniforme korrels ontstaan. De oorspronkelijke korrelstructuur van gegoten aluminium is grof, met grote, dendritische korrels. Dit wordt veroorzaakt door langzame kernvorming en snelle groei tijdens het afkoelen van gesmolten aluminium. Een dergelijke korrelstructuur leidt tot verminderde sterkte, ductiliteit en scheurvorming. Grote korrels in combinatie met microsegregatie veroorzaken mechanische anisotropie en spanningsconcentratie. Hierdoor is het materiaal gevoelig voor breuk onder belasting.
Fijnkorrelige structuren verbeteren de mechanische eigenschappen van aluminiumlegeringen. Volgens de Hall-Petch-relatie zorgen fijne korrels (enkele micrometers) voor een hogere vloeigrens en treksterkte, terwijl ze tegelijkertijd de beweging van dislocaties tegengaan. Fijne korrels verbeteren de ductiliteit door het oppervlak van de korrelgrenzen te vergroten, waardoor spanning wordt geabsorbeerd en herverdeeld en het ontstaan en de voortplanting van scheuren wordt verminderd. Dit zorgt er ook voor dat de eigenschappen isotroper worden, wat de prestaties consistenter maakt. Fijnkorrelige microstructuren zijn onmisbaar voor onderdelen in de luchtvaart en de automobielindustrie. Daar zijn gewicht en sterkte van cruciaal belang. Fijne korrels maken het materiaal uniformer en voorspelbaarder, wat leidt tot een betere bewerkbaarheid en oppervlakteafwerking.
De rol van titaniumboor (TiB) als korrelverfijner in gesmolten aluminium
Titaniumborium (TiB) beïnvloedt de nucleatie bij het stollen, waardoor de korrels in gesmolten aluminium fijner worden. Het biedt nucleatieplaatsen voor een fijne, equiaxiale korrelstructuur. TiAl₃-deeltjes en borideverbindingen zoals TiB₂, die qua kristallografie op aluminium lijken, fungeren als krachtige nucleatiemiddelen. Ze verlagen de energiebarrière voor nucleatie, zorgen ervoor dat korrels zich gemakkelijker vormen en voorkomen dat dendritische structuren groeien. Daardoor domineren bij de stolling veel kleine, gelijkmatig verspreide korrels in plaats van enkele grote.
TiB gaat tijdens het stollen een chemische reactie aan met gesmolten aluminium. TiAl₃-deeltjes ontstaan door de reactie tussen titanium en aluminium in de smelt. Hoewel deze deeltjes bij hoge temperaturen onstabiel zijn, gaan ze een verbinding aan met boor, waardoor TiB₂ ontstaat en ze als kiemvormers fungeren. TiB₂, met zijn stabiele hexagonale structuur en rooster dat nauw aansluit bij dat van aluminium, bevordert heterogene kiemvorming. Het ontstaan van boride-deeltjes aan het stollingsfront zorgt voor kleine, talrijke korrels. TiB₂-deeltjes fungeren al snel als kiemen waarrond aluminiumatomen kunnen stollen. Dit leidt tot een fijne microstructuur.
De uitdagingen bij het gebruik van TiB
Economische en milieukwesties
De hoge kosten van TiB, waaronder TiB₂, hebben invloed op de productiekosten van de aluminiumraffinage. Titanium, een duur metaal, maakt TiB-legeringen prijzig. De hoge kosten van grondstoffen en energie-intensieve productiemethoden maken de productie van TiB₂ voor de aluminiumraffinage tot een kostbare aangelegenheid. Dit is een uitdaging voor sectoren met krappe marges of regio’s waar de beschikbaarheid van grondstoffen beperkt is. Zo kunnen bijvoorbeeld de marktomstandigheden voor titanium van invloed zijn op de TiB-prijzen, waardoor de productiekosten schommelen. Deze volatiliteit kan het moeilijk maken om aluminiumproducten consistent te prijzen in vergelijking met goedkopere AlTiB-masterlegeringen.
Milieuoverwegingen spelen ook een belangrijke rol bij het gebruik van TiB voor korrelverfijning. Producten op basis van TiB kunnen titanium- en boorverbindingen in het milieu uitstoten, terwijl de productie en verwijdering ervan moeilijk zijn. Bij het beheer van gevaarlijke chemicaliën en afval tijdens de productie van TiB₂ moet milieuvervuiling worden voorkomen. Afgedankte TiB-producten kunnen schadelijke bestanddelen in de bodem en het water laten sijpelen, wat de verwijdering ervan problematisch maakt. Speciale verwijderingsmethoden, waaronder gecontroleerde storting of recycling, verhogen de milieu-impact en de exploitatiekosten. Ook de regelgevende eisen van overheden en milieuorganisaties voor een duurzamere metallurgie nemen toe. Daarom is titaniumboor (TiB) wellicht minder aantrekkelijk dan korrelverfijners met lagere ecologische risico’s.
Technische beperkingen van de TiB-korrelverfijner in gesmolten aluminium
De kans op overmatige korrelverfijning of een ongelijkmatigekorrelgroottekan de korrelverfijning van aluminium met TiB technisch beperken. De efficiëntie van de korrelverfijning door TiB hangt af van de juiste concentratie en verdeling in de gesmolten aluminium. Hoge TiB-concentraties kunnen de korrels overmatig verfijnen, waardoor ze te fijn worden. Dit kan het aluminium voor verschillende toepassingen te broos maken. Omgekeerd kan een ongelijkmatige TiB-verdeling variatie in de korrelgrootte van het aluminium veroorzaken. Variabiliteit in de sterkte en ductiliteit van het materiaal kan leiden tot defecten in cruciale toepassingen, zoals onderdelen voor de lucht- en ruimtevaart en de automobielindustrie. Het bewaken en bijstellen van het korrelverfijningsproces om de ideale balans te bereiken is complex en vereist bekwame operators.
Een onjuiste TiB-behandeling kan ook insluitsels of gebreken in het uiteindelijke aluminiumproduct veroorzaken. Onopgeloste TiB-deeltjes in de smelt kunnen fungeren als spanningsconcentrators en onder belasting vroegtijdige breuken veroorzaken. Dit is problematisch bij hoogwaardige toepassingen waar materiaalintegriteit vereist is. Zo kunnen bijvoorbeeld onderdelen voor de lucht- en ruimtevaart hun vermoeiingslevensduur verliezen als gevolg van zelfs maar kleine insluitsels. TiB-insluitsels kunnen het walsen of extruderen belemmeren en tegelijkertijd scheuren of oppervlaktefouten veroorzaken. De smelt moet goed worden gemengd en de temperatuur moet worden geregeld om dergelijke risico’s te verminderen. Toch is TiB een tweesnijdend zwaard bij de korrelverfijning van aluminium, aangezien dergelijke beperkingen de complexiteit en de kosten van het proces verhogen.
Na verloop van tijd kunnen TiB₂-deeltjes naar de bodem van de houdoven zakken. Dit vermindert hun korrelverfijnende werking, het zogenaamde „fading-effect”. Lange houdtijden in industriële toepassingen verergeren dit probleem. Ook andere legeringselementen kunnen de effectiviteit van TiB-korrelverfijners beïnvloeden. Zo kunnen chroom, zirkonium en lithium het „vergiftigingseffect” veroorzaken. TiB₂ kan reageren met andere elementen in de gesmolten aluminium. Hierdoor kunnen ongewenste fasen of verbindingen in de uiteindelijke legering terechtkomen. Bovendien wijzen studies erop dat het toevoegen van zeldzame-aardmetalen zoals Ce en La aan TiB-korrelverfijners de nucleatie zou kunnen bevorderen en zou kunnen leiden tot fijnere korrelstructuren dan bij gebruik van standaard verfijners alleen. Maar ook deze aanpassingen brengen complicaties en extra kosten met zich mee.