Hoe en waarom legeringselementen aan aluminium worden toegevoegd?

Hoe en waarom legeringselementen aan aluminium worden toegevoegd?

Ken uw legeringen: sleutels voor succesvolle aluminiumlassen

Zuiver aluminium wordt meestal niet gebruikt voor structurele toepassingen. Om aluminium te produceren dat voldoende sterk is voor de vervaardiging van structurele componenten, is het noodzakelijk om andere elementen aan het aluminium toe te voegen. Welke elementen kunnen dan aan deze aluminiumlegeringen worden toegevoegd? Heeft toevoeging van deze elementen enig effect op de prestaties van het materiaal? Voor welke toepassingen worden deze legeringen gebruikt?

Waarom zuiver aluminium niet geschikt is voor structurele toepassingen

Het zou zeer ongebruikelijk zijn wanneer zuiver aluminium (1xxx-serie legeringen) zou worden gekozen voor de fabricage van constructies vanwege hun sterkte-eigenschappen. Hoewel de 1xxx-serie bijna zuiver aluminium is, zal het reageren op spanningsverharding, met name wanneer het aanzienlijke hoeveelheden onzuiverheden zoals ijzer en silicium bevat. Maar zelfs in de spanningsverhardingstoestand hebben de legeringen uit de 1xxx-serie een zeer lage sterkte vergeleken met de andere series aluminiumlegeringen. Wanneer de legeringen uit de 1xxx-serie worden gekozen voor structurele toepassingen, worden ze meestal gekozen vanwege hun superieure corrosieweerstand en/of hun hoge elektrische geleiding. De meest voorkomende toepassingen voor legeringen uit de 1xxx-serie zijn aluminiumfolie, elektrische stroomrails, metaaldraad en chemische tanks en leidingsystemen.

Hoe en waarom legeringselementen aan aluminium worden toegevoegd?

De toevoeging van legeringselementen aan aluminium is de belangrijkste methode die wordt gebruikt om een reeks verschillende materialen te produceren die kunnen worden gebruikt voor vele verschillende structurele toepassingen.

Als we kijken naar de zeven aangewezen series aluminiumlegeringen die worden gebruikt voor smeedlegeringen, kunnen we onmiddellijk de belangrijkste legeringselementen vaststellen die worden gebruikt voor het produceren van elke legeringsserie. We kunnen vervolgens de effecten van elk van deze elementen op aluminium onderzoeken. We hebben ook enkele andere veelgebruikte elementen en hun effecten op aluminium toegevoegd.

Serie Primair legeringselement
1xxx Aluminium - 99,00% of hoger
2xxx Koper
3xxx Mangaan
4xxx Silicium
5xxx Magnesium
6xxx Magnesium en silicium
7xxx Zink

De belangrijkste effecten van legeringselementen in aluminium zijn als volgt:

Koper (Cu) 2xxx –De aluminium-koperlegeringen bevatten meestal 2 tot 10% koper, met kleinere toevoegingen van andere elementen. Het koper zorgt voor een aanzienlijke toename van de sterkte en vergemakkelijkt de precipitatieharding. De toevoeging van koper aan aluminium kan ook de taaiheid en corrosieweerstand verminderen. De gevoeligheid voor stollingsscheuren van aluminium-koperlegeringen wordt verhoogd. Daarom kunnen sommige van deze legeringen de meest uitdagende aluminiumlegeringen zijn om te lassen. Tot deze legeringen behoren enkele van de sterkste warmtebehandelbare aluminiumlegeringen. De meest voorkomende toepassingen voor legeringen uit de 2xxx-serie zijn ruimtevaart, militaire voertuigen en raketvinnen.

Mangaan (Mn) 3xxx – De toevoeging van mangaan aan aluminium verhoogt de sterkte enigszins door oplossingsversterking. Het verbetert ook de spanningsverharding zonder noemenswaardige vermindering van de taaiheid of corrosieweerstand. Dit zijn niet-warmtebehandelbare materialen van matige sterkte die hun sterkte behouden bij verhoogde temperaturen en die zelden worden gebruikt voor grote structurele toepassingen. De meest voorkomende toepassingen voor legeringen uit de 3xxx-serie zijn kookgerei, radiatoren, airconditioningcondensors, verdampers, warmtewisselaars en bijbehorende leidingsystemen.

Silicium (Si) 4xxx –De toevoeging van silicium aan aluminium verlaagt de smelttemperatuur en verbetert de vloei. Alleen silicium in aluminium leidt tot een niet-warmtebehandelbare legering. In combinatie met magnesium ontstaat echter een precipitatiehardende, warmtebehandelbare legering. Daarom bestaat de 4xxx-serie uit zowel warmtebehandelbare als niet-warmtebehandelbare legeringen. Silicium wordt vaak aan aluminium toegevoegd voor de vervaardiging van gietstukken. De meest voorkomende toepassingen voor de legeringen uit de 4xxx-serie zijn vuldraden voor smeltlassen en hardsolderen van aluminium.

Magnesium (Mg) 5xxx -De toevoeging van magnesium aan aluminium verhoogt de sterkte door versterking van de vaste oplossing en verbetert de spanningsverharding. Deze legeringen zijn niet-warmtebehandelbare aluminiumlegeringen met de hoogste sterkte en worden daarom op grote schaal gebruikt voor structurele toepassingen. De legeringen uit de 5xxx-serie worden voornamelijk geproduceerd als platen en slechts af en toe als extrusie. De reden is dat deze legeringen de neiging hebben om snel uit te harden, waardoor extrusie moeilijk en duur is. Enkele veel voorkomende toepassingen voor legeringen uit de 5xxx-serie zijn carrosserieën van vrachtwagens en treinen, gebouwen, gepantserde voertuigen, scheeps- en botenbouw, chemicaliëntankers, drukvaten en cryogene tanks.

Magnesium en silicium (Mg2Si) 6xxx – Door toevoeging van magnesium en silicium aan aluminium ontstaat de verbinding magnesium-silicide (Mg2Si). Door deze verbinding is de 6xxx-serie warmtebehandelbaar. De extrusie van legeringen uit de 6xxx-serie is eenvoudig en economisch. Daarom worden de 6xxx-legeringen het vaakst gebruikt voor een breed scala aan extrusievormen. Deze legeringen vormen een belangrijk aanvullend systeem voor legeringen uit de 5xxx-serie. Legeringen uit de 5xxx-serie worden gebruikt in de vorm van platen en legeringen uit de 6xxx-serie worden vaak in een of andere geëxtrudeerde vorm aan de plaat bevestigd. Enkele veel voorkomende toepassingen voor legeringen uit de 6xxx-serie zijn leuningen, aandrijfassen, framedelen van auto's, fietsframes, buisvormig tuinmeubilair, steigers, verstijvers en beugels die worden gebruikt op vrachtwagens, boten en vele andere constructies.

Zink (Zn) 7xxx –Door toevoeging van zink aan aluminium (samen met enkele andere elementen, voornamelijk magnesium en/of koper) ontstaan warmtebehandelbare aluminiumlegeringen met de hoogste sterkte. Het zink verhoogt de sterkte aanzienlijk en maakt precipitatieharding mogelijk. Sommige van deze legeringen kunnen gevoelig zijn voor spanningscorrosiescheuren en zijn daarom niet geschikt voor smeltlassen. Andere legeringen uit deze serie worden vaak gebruikt voor smeltlassen met uitstekende resultaten. Enkele veel voorkomende toepassingen van legeringen uit de 7xxx-serie zijn ruimtevaart, gepantserde voertuigen, honkbalknuppels en fietsframes.

IJzer (Fe) – IJzer is de meest voorkomende onzuiverheid die wordt aangetroffen in aluminium en wordt opzettelijk toegevoegd aan sommige zuivere (1xxx-serie) legeringen om de sterkte iets te verhogen.

Chroom (Cr) –Chroom wordt aan aluminium toegevoegd om de korrelstructuur te beheersen en om korrelgroei in aluminium-magnesiumlegeringen te voorkomen. Het voorkomt ook herkristallisatie in aluminium-magnesium-silicium- of aluminium-magnesium-zinklegeringen tijdens warmtebehandeling. Chroom vermindert ook de gevoeligheid voor spanningscorrosie en verbetert de taaiheid.

Nikkel (Ni) – Nikkel wordt toegevoegd aan aluminium-koper- en aluminium-siliciumlegeringen om de hardheid en sterkte bij verhoogde temperaturen te verbeteren en de uitzettingscoëfficiënt te verminderen.

Titanium (Ti) – Titanium wordt voornamelijk aan aluminium toegevoegd als korrelverfijner. Het korrelverfijnende effect van titanium wordt versterkt als boor aanwezig is in de smelt of als het wordt toegevoegd als een hoofdlegering die boor bevat, grotendeels gecombineerd als TiB2. Titanium wordt vaak aan aluminium lasdraad toegevoegd omdat het de lasstructuur verfijnt en lasscheuren helpt te voorkomen.

Zirkonium (Zr) – Zirkonium wordt aan aluminium toegevoegd om een fijne afzetting van intermetallische deeltjes te vormen die herkristallisatie remmen.

Lithium (Li) -De toevoeging van lithium aan aluminium kan de sterkte, en Youngs modulus, aanzienlijk verhogen, zorgen voor harding van de afzetting, en de dichtheid verlagen.

Lood (Pb) en bismut (Bi) – Lood en bismut worden aan aluminium toegevoegd om de spaanvorming te bevorderen en de bewerkbaarheid te verbeteren. Deze vrije machinale legeringen zijn vaak niet lasbaar omdat het lood en bismut laagsmeltende bestanddelen produceren en slechte mechanische eigenschappen en/of hoge scheurgevoeligheid bij stolling kunnen veroorzaken.

Samenvatting

Er worden tegenwoordig veel aluminiumlegeringen in de industrie gebruikt. Meer dan 400 smeedlegeringen en meer dan 200 gietlegeringen zijn momenteel geregistreerd bij de Aluminium Association. Een van de belangrijkste factoren waarover u zeker moet nadenken tijdens het lassen van aluminium is de vaststelling van het te lassen type aluminiumbasislegering. Als het type basismateriaal van het te lassen onderdeel niet beschikbaar is via een betrouwbare bron, kan het moeilijk zijn om een geschikte lasprocedure te selecteren.

Er zijn enkele algemene richtlijnen voor het meest waarschijnlijke type aluminium dat wordt gebruikt in verschillende toepassingen, zoals hierboven genoemd. Het is echter zeer belangrijk om te beseffen dat onjuiste aannames met betrekking tot de chemie van een aluminiumlegering zeer ernstige gevolgen kunnen hebben voor de lasprestaties. Het wordt sterk aanbevolen om het juiste type aluminium te bepalen en om lasprocedures te ontwikkelen en te testen om de lasprestaties te verifiëren.