Gegoten, gesmeed en plaataluminium: wat zijn de verschillen?

Aluminiumlegeringen combineren een hoge specifieke sterkte, een uitstekende corrosiebestendigheid en een goede verwerkbaarheid. Ze zijn na staal het meest gebruikte materiaal in de automobielindustrie. Naarmate de eisen op het gebied van gewichtsvermindering van voertuigen toenemen, blijft het gebruik van aluminium stijgen. Voor auto-onderdelen wordt steeds vaker gebruikgemaakt van gegoten aluminiumlegeringen, gesmede aluminiumlegeringen en aluminiumplaat.

Gegoten aluminiumlegeringen worden vaak gebruikt voor steunen en behuizingen, waaronder transmissiebehuizingen, motorblokken en cilinderkoppen, en steunbeugels voor fusees. Tot de productieprocessen behoren vacuümspuitgieten, spuitgieten met zuurstofspoeling en squeeze-gieten.

Gegoten aluminiumlegeringen

Bij het spuitgieten onder hoogvacuüm wordt de metalen holte vóór het vullen leeggepompt, waardoor in theorie wordt voorkomen dat gas zich met het gesmolten metaal vermengt. De resulterende gietstukken hebben een laag gasgehalte, een hoge dichtheid en aanzienlijk verbeterde mechanische eigenschappen. Om de daaropvolgende warmtebehandeling en laswerkzaamheden mogelijk te maken, moet de effectieve vacuümdruk in de matrijsholte lager zijn dan 5 kPa. In de volgende afbeelding worden hoogvacuüm- en conventionele vacuümgietstukken met elkaar vergeleken.

Ook bij het spuitgieten met zuurstofspoeling wordt de porositeit verminderd. De vormholte wordt eerst gevuld met zuurstof. Wanneer het gesmolten aluminium binnenstromt, reageert het met de zuurstof, waardoor gelijkmatig verdeelde aluminiumoxidedeeltjes ontstaan. Deze deeltjes zijn kleiner dan 1 μm en maken slechts 0,1% tot 0,2% van het totale gewicht uit, zodat ze vrijwel geen invloed hebben op de verdere verwerking. Het volgende diagram illustreert het principe.

Bij squeeze casting wordt gesmolten metaal rechtstreeks in een open gietvorm gegoten. De gietvorm wordt vervolgens gesloten en er wordt statische druk uitgeoefend, wat leidt tot reologische vervorming, stolling onder hoge druk en een geringe mate van plastische vervorming, waardoor een hoogwaardig metalen onderdeel ontstaat. Het proces wordt hoofdzakelijk onderverdeeld in direct en indirect squeeze casting. Bij direct squeeze casting werkt de druk rechtstreeks in op het gesmolten metaal, wat een uitgesproken hogedrukstollingseffect oplevert; deze methode is over het algemeen geschikt voor gietstukken met een eenvoudige vorm. Bij indirect squeeze casting wordt de druk van de stempel via de schiethuls en de biscuit op het gietstuk overgebracht. De uitgeoefende druk is beperkt en het proces verloopt relatief langzaam, waardoor het geschikt is voor de massaproductie van complexe onderdelen. In de volgende afbeelding worden de twee processen met elkaar vergeleken.

Gesmede aluminiumlegeringen

Gesmede aluminiumlegeringen worden doorgaans gebruikt voor onderdelen die goede mechanische eigenschappen vereisen, waaronder cruciale chassisonderdelen zoals ophangingsarmen en fusees. Tot de huidige smeedmethoden behoren het smeden met vloeibare legering, het smeden met halfvaste legering, isothermisch smeden en poedersmeden.

Bij het vloeibare matrijssmeden wordt vaak gebruikgemaakt van wielen uit één stuk. De eindproducten hebben goede mechanische eigenschappen en een goede oppervlaktekwaliteit, maar door de dure apparatuur en het complexe proces blijven de productiekosten hoog.

Het smeden met halfvaste matrijzen lijkt op het smeden met vloeibare matrijzen. Een staaf wordt tot een halfvaste toestand verhit, snel in de matrijs gespoten en onderworpen aan statische druk, zodat het onderdeel door vloeistofstroming en plastische vervorming wordt gevormd. In vergelijking met vloeibaar matrijssmeden wordt hierbij een lagere vormtemperatuur gebruikt en treedt er minder volumekrimp op. De kans op krimpholtes en instorting is kleiner, de levensduur van de matrijs wordt verlengd, er wordt minder gas meegevoerd en de kwaliteit van het afgewerkte onderdeel wordt aanzienlijk verbeterd.

Bij isotherm smeden wordt een verwarmde staaf in een temperatuurgeregelde matrijs geplaatst en langzaam bij constante temperatuur gesmeed. De constante temperatuur en lage smeedsnelheid zorgen voor een vollediger dynamische herkristallisatie, een gelijkmatigere microstructuur en een verbeterde ductiliteit. Een recent onderzocht geavanceerd proces voor de 6082-aluminiumlegering combineert halfvast en isotherm smeden: de staaf wordt voorgesmeed bij de temperatuur voor de oplossingsbehandeling, vooraf verouderd en ten slotte isotherm gesmeed bij 200 °C. Het proces leverde aanvaardbare onderdelen op met een hogere hardheid en sterkte door verbetering van de versterking door precipitatie en dislocatie.

Aluminiumplaat

Na 2012 zorgden strengere voorschriften inzake voetgangersbescherming in Europa en Noord-Amerika ervoor dat er op grote schaal gebruik werd gemaakt van aluminiumplaat voor de buitenpanelen van auto’s. In 2020 was aluminium goed voor 75% van de motorkaptoepassingen in Noord-Amerika, terwijl het aandeel in deuren, bagageruimtes en daken meer dan 25% bedroeg. Sommige modellen van Audi, Jaguar, Ford en Tesla maken voornamelijk gebruik van aluminium carrosseriestructuren. Naast conventionele stans- en trekbewerkingen heeft het warmvormen van aluminiumplaat aanzienlijke vooruitgang geboekt en is het nu een belangrijke hoogwaardige vormtechnologie.

Warmvormen is ontwikkeld om de lage ductiliteit en de moeilijke vervormbaarheid van hoogsterkte aluminiumlegeringen aan te pakken. Warmstempelen is de belangrijkste methode. In een recent onderzoek werd een neuraal netwerk met backpropagation gecombineerd met een genetisch algoritme met meerdere doelstellingen om belangrijke variabelen zoals de temperatuur van de plano, de stempelsnelheid en de speling van de matrijs te optimaliseren. De resulterende componenten hadden een treksterkte van 300 tot 320 MPa, wat overeenkomt met de breuksterkte van de 6061-T6-aluminiumlegering. De geoptimaliseerde parameters leverden onderdelen op met bevredigende prestaties, goede mechanische eigenschappen en een hoge vormnauwkeurigheid.

Koudvervorming van aluminiumplaat wordt voornamelijk toegepast voor carrosseriepanelen van auto’s. Door de complexe geometrie, de geringe relatieve dikte en de hoge eisen aan de oppervlaktekwaliteit zijn sommige panelen gevoelig voor rimpelvorming, scheurvorming en terugvering. Tijdens het koudstempelen hebben onderzoekers bestudeerd hoe procesparameters van invloed zijn op verdunning en terugvering, waarna ze het matrijsoppervlak hebben gecompenseerd en de parameters hebben aangepast. Deze maatregelen hebben terugvering, rimpelvorming en scheurvorming effectief onderdrukt.