Welke microstructuren komen voor in aluminium en zijn legeringen?

Microstructuren van gegoten aluminiumlegeringen

Microstructuren van Al-Si-legeringen

De siliciummassafraactie w_Si is doorgaans 5%-13%. Deze hypoeutectische en eutectische legeringen kunnen niet worden versterkt door middel van warmtebehandeling. Een eenvoudige binaire Al-Si-eutectische legering zoals ZL102 heeft in gegoten toestand een α + Si-eutectische structuur. Silicium komt voor in de vorm van grove naalden en veelhoeken. Door toevoeging van natriumzouten, fosfor of andere elementen wordt het grove eutectische silicium verfijnd en worden de mechanische eigenschappen en de bewerkbaarheid verbeterd.

Al-Si-legeringen bevatten relatief weinig versterkende elementen en hun afkoeltemperatuur ligt ver van het eutectische punt, waardoor oververhitting tijdens de oplossingsbehandeling zelden voorkomt. Als een te hoge oplossingstemperatuur tot beginnende smelting leidt, ontstaan er in de structuur hersmeltde bolletjes, smelting aan korrelgrenzen en geagglomereerd, vergrofd silicium.

Microstructuren van Al-Cu-legeringen

De kopermassafraactie w_Cu is 4%-11%. Deze legeringen kunnen door middel van een warmtebehandeling worden versterkt, voornamelijk via de θ-fase, Al₂Cu. Kleine hoeveelheden magnesium en zink kunnen de S-fase vormen, Al₂CuMg, of T-fase, en AlCuZn, voor extra versteviging. Dankzij de hoge mechanische eigenschappen bij kamertemperatuur en bij verhoogde temperaturen vormt dit systeem de basis voor zeer sterke, hittebestendige gegoten aluminiumlegeringen.

Microstructuren van Al-Mg-legeringen

Al-Mg-legeringen hebben de laagste dichtheid en de hoogste corrosiebestendigheid van alle aluminiumlegeringen, met name tegen elektrochemische corrosie. In de gehard toestand bestaat de structuur uit één fase, namelijk α. Als Mg₂Als Si aanwezig is, is het vanwege zijn lagere elektrodepotentiaal anodisch ten opzichte van α, dus Mg₂Tijdens elektrochemische corrosie wordt Si voortdurend afgebroken, totdat er een eenfasig α-oppervlak overblijft en de corrosie stopt. Deze legeringen hebben een slechte gietbaarheid, een complex smeltproces en een lage warmteweerstand. Soorten met een hoog magnesiumgehalte kunnen tijdens langdurig gebruik broos worden, waardoor hun toepassing beperkt is.

Microstructuren van Al-Zn-legeringen

In de giettoestand omvatten de fasen α, silicium en Mg₂Ja, en een kleine hoeveelheid schadelijke, naaldachtige β-fase, Al₉Si₂Fe₂. Mg₂Si is vaak moeilijk waar te nemen vanwege het lage gehalte ervan.

Microstructuren van kneedaluminium en zijn legeringen

Microstructuren van commercieel zuiver aluminium

De massafractie van aluminium w_Al in commercieel zuiver aluminium ligt over het algemeen tussen 98,80% en 99,99%; ijzer en silicium vormen de belangrijkste onzuiverheidsfasen. Bij een laag ijzer- en siliciumgehalte lost silicium op in de matrix en vormt ijzer naaldvormige of fijne strookjes Al₃Fe. Bij hogere gehaltes ontstaan ternaire verbindingen. Als het ijzergehalte hoger is dan het siliciumgehalte, ontstaat een onregelmatige plaatachtige of skeletachtige α-fase, Al₁₂Fe₃Ja, vormen. Als het siliciumgehalte hoger is dan dat van ijzer, ontstaat er een naaldachtige of fijnstrookvormige β-fase, Al₉Si₂Fe₂, formulieren.

Corrosiebestendige aluminiumlegeringen

Corrosiebestendig aluminium bestaat uit Al-Mn- en Al-Mg-legeringssystemen.

Microstructuren van Al-Mn-legeringen

Een veel voorkomende legering is 3A21, met mangaan als belangrijkste toegevoegde component. Wanneer w_Mn > 1.6%, veel broos aluminium₆Door de aanwezigheid van Mn-verbindingen is de legering gevoelig voor scheurvorming tijdens vervorming. Naast de α-vaste oplossing en Al₆Mn; de fasen kunnen Al bevatten₆(FeMn), T(Al₂Mn₃Si₂), α(Al₁₂Fe₃Si), en β(Al₉Si₂Fe₂).

Al-Mg-legeringen

Na het gloeien vertoont een Al-Mg-legering met w_Mg < 2% is een eenfasige α-vaste oplossing. Naarmate het magnesiumgehalte toeneemt, neemt β(Al₈Mg₅) verschijnt. Boven 5% Mg bestaat de structuur uit α + β(Al₈Mg₅), en de vervormbaarheid neemt af. Tot de belangrijkste fasen behoren onder meer α, β(Al₈Mg₅), Al₆Mn, Al₇Cr en Al₃Ti, met onzuiverheidsfasen zoals Al₃Fe, (FeMn)Al₆, en Mg₂Ja. De β-fase in het eutekticum heeft een skeletachtige structuur en ziet er vóór het etsen lichtgrijs uit.

Duraluminiumlegeringen

Duraluminiumlegeringen zijn warmtebehandelbaar en omvatten de Al-Cu-Mg- en Al-Cu-Mn-systemen.

Microstructuren van Al-Cu-Mg-legeringen

In het aluminiumrijke hoekpunt van het ternaire evenwichtsdiagram Al-Cu-Mg kan bij stolling S(Al) ontstaan₂CuMg), θ(Al₂Cu), T(Al₆CuMg₄), β(Al₈Mg₅), en α. Het werkelijke magnesiumgehalte is relatief laag, waardoor de legeringen in de fasevelden α + S, α + θ + S of α + θ vallen. De twee belangrijkste versterkende fasen zijn daarom θ en S.

Al-Cu-Mn-legeringen

Het kopergehalte kan oplopen tot 6%-7%. Koper en aluminium vormen de versterkingsfase Al₂Cu, dat de legering na afkoeling en kunstmatige veroudering versterkt. Bij w_Mn = 0,4%-0,5%, fijn gedispergeerd T(Al₂CuMn₂) verbetert de hittebestendigheid. Een teveel aan mangaan zorgt ervoor dat de T-fase toeneemt en grover wordt, waardoor de fasegrenzen groter worden en de diffusie wordt versneld. Hierdoor neemt de hittebestendigheid af en neemt de neiging tot warmscheuren tijdens het lassen toe.

Super-duraluminiumlegeringen

Gangbare superduraluminiumlegeringen bevatten α, MgZn₂, T(Al₂Mg₃Zn₃), een α + T(Al₂Mg₃Zn₃) eutektische fasen en onzuiverheidsfasen zoals (FeMn)Al₆ en Mg₂Ja.

Het smeden van aluminiumlegeringen

Aluminiumlegeringen voor smeedwerk worden over het algemeen onderverdeeld in twee systemen.

Al-Mg-Si-Cu-legeringen

Wanneer het kopergehalte zeer laag is en de massaverhouding tussen magnesium en silicium 1,73 bedraagt, Mg₂Si-vormen ontstaan en al het koper lost op in de matrix. Bij hogere kopergehaltes en een magnesium-siliciumverhouding van minder dan 1,08 is ω(AlCu₄Mg₅Si₄) kan ontstaan, waarbij het resterende koper θ(Al vormt₂Cu). Door koper aan Al-Mg-Si-legeringen toe te voegen, kunnen daarom naast Mg ook ω, S en θ worden geïntroduceerd₂Ja.

Al-Cu-Mg-Fe-Ni-legeringen

Deze legeringen bevatten minder koper en magnesium dan duraluminium en bevatten daarom meer S-fase, Al₂CuMg. IJzer en nikkel vormen Al₉FeNi, dat een goede thermische stabiliteit heeft. Overtollig ijzer vormt Al₇Cu₂Fe, terwijl een teveel aan nikkel AlCuNi kan vormen.