Je leest:

Aluminium

Aluminium

Auteur: | 1 maart 1996

Door een gesmolten aluminiumlegering razendsnel te laten stollen, krijgt het materiaal fantastische eigenschappen. Het is sterk, hard en licht, zolang het niet te warm wordt. Het metaal is ook duurzaam en heel geschikt voor recycling.

Hoewel de productie van aluminium nu niet bepaald een energievriendelijk proces is, heeft het zachtglanzende lichtmetaal de milieuwind stevig in de rug. Aluminium is licht, duurzaam en uitstekend te recyclen. Met die eigenschappen zijn heel wat ‘groene’ punten te behalen.

In een moderne auto is ongeveer 85 kilo aluminium verwerkt. Die hoeveelheid zal in het jaar 2000 zijn verdubbeld. Dat levert bij elkaar een gewichtsbesparing van maar liefst driehonderd kilo op. Aluminium is immers een stuk lichter dan het staal dat het vervangt – en net zo sterk. Helaas is het ook duurder. Dat argument weegt zwaar voor de meeste particulieren. Slechts enkelen zijn bereid diep in de buidel te tasten voor de nieuwigheid, bijvoorbeeld voor het topmodel van Audi met volledig aluminium carrosserie.

De zakelijke markt is een stuk gevoeliger voor de redenering dat aluminium transportmiddelen hun hogere aanschafprijs snel terugverdienen. Zo gaat het railvervoer snel over op lichtgewicht materialen. Daarbij zijn niet alleen winsten te behalen in het energieverbruik, maar kunnen treinen ook sneller optrekken en afremmen – winst voor dienstregeling en veiligheid – en kunnen railfunderingen lichter en dus goedkoper worden uitgevoerd. Lucht- en ruimtevaart stimuleren de ontwikkeling van nieuwe vormen van aluminium sterk.

Behalve een laag gewicht en een grote sterkte heeft aluminium nog een hele reeks andere gunstige eigenschappen. Die maken het metaal tot een aantrekkelijk uitgangspunt voor allerlei producten in tal van marktsectoren. De verpakkingsbranche bijvoorbeeld gebruikt aluminium afdekfolie, spuitbussen en verpakkingen voor etenswaren en drank. Het materiaal is niet alleen geliefd doordat het met zijn lage gewicht transportkosten uitspaart, maar ook doordat het goed warmte geleidt (het is beter koelbaar), nauwelijks reageert met het verpakte materiaal en geen gassen, licht en vocht doorlaat (behoud van versheid).

In de bouw wordt aluminium toegepast in gevelplaten, raamkozijnen, dakgoten, plafonds, overkappingen en profielen voor de kassenbouw. Het Feyenoordstadion heeft een nieuw dak van aluminium gekregen. Architecten werken graag met het metaal, dat behalve licht ook fraai en duurzaam is. Voor weer andere toepassingen spelen de uitstekende vervormbaarheid en de grote vormvrijheid die werktuigbouwkundigen met het materiaal hebben, een belangrijke rol. Doordat aluminium zeer goed elektriciteit en warmte geleidt vindt het toepassing in hoogspanningskabels en koelinstallaties. Aluminium plafonds kunnen deel uitmaken van de koelinstallatie in bijvoorbeeld kantoorgebouwen. Tenslotte hijst een zeiler de fok in een aluminium mast, deelt een honkballer met aluminium rake klappen uit en zekert een bergbeklimmer er zijn leven mee. Aluminium is waarlijk (g)een lichtgewicht.

Aluminium koepel van de kerk van San Gioacchino te Rome, gebouwd in 1898.

Gieten en kneden

Aluminum is het meest voorkomende metaal op aarde. Over een tekort hoeven we ons voorlopig geen zorgen te maken. Het wordt in een elektrolyseproces gewonnen uit steen en klei. Aluminium weegt 2,7 gram per kubieke centimeter, waarmee zijn soortelijke massa ongeveer een derde is van die van staal. De sterkte van aluminium is vergelijkbaar met die van staal. Dit wil echter niet zeggen dat men in elke constructie staal zomaar door aluminium kan vervangen. Er moet rekening worden gehouden met de geringere stijfheid van aluminium, die ook ongeveer een derde van die van staal is. Aluminium zal makkelijker doorbuigen dan staal. Bij de vervanging van staal door aluminium in een constructie moet daarom tevens het ontwerp veranderen. Veelal zal men door een ‘vakwerk’ van scheefgeplaatste schotten de stijfheid van de constructie verhogen. Metalen producten kan men op verschillende wijzen fabriceren. De meeste producten worden via een giet- of een kneedproces verkregen. Een gietproduct wordt vervaardigd door vloeibaar metaal onder druk in een gietvorm te spuiten. Voorbeelden van gegoten producten in bijvoorbeeld een personenauto zijn velgen, spruitstukken, het motorblok en de behuizing van de versnellingsbak.

Gesmolten aluminium stroomt op het spiegelende oppervlak van een zogenoemd flitsgietwiel. Het aluminium stolt vrijwel direct en wordt als een lang lint naar rechts geslingerd.Reynolds Aluminium Holland bv

Een kneedproduct daarentegen verkrijgt zijn eindvorm via een aantal kneedprocessen, zoals walsen, smeden, persen, forceren en buigen, die zowel bij verhoogde temperatuur als bij kamertemperatuur kunnen plaatsvinden. Voorbeelden van kneedproducten in een auto zijn beplating, bumpers en sierstrips. Doordat walsen en smeden bij lagere temperatuur het materiaal bros maken, vinden tussen de diverse kneedstappen vaak tussengloeiingen plaats om het materiaal weer voldoende taai te maken voor de verdere vervorming. Giet- en kneedproducten kunnen vervolgens een warmtebehandeling ondergaan om sterker of taaier te worden. Naast deze traditionele processen zijn nieuwe productiewijzen in opkomst. De poedermetallurgische methode behelst het samenpersen van metaalpoeder tot een voorvorm waarna de poederdeeltjes bij hoge temperatuur met elkaar versmelten tot dichte producten. Eveneens in opkomst is het gieten of kneden van een metaal in deels vaste en deels vloeibare toestand, waarbij roeren zorgt voor een sterke menging van het vaste en het vloeibare metaal. Er wordt hierbij een procestemperatuur gekozen die ligt in het smelttraject van de legering en die daarmee bepaalt welke fractie gestold (dus vast) is. Al deze methoden kan men ook voor de fabricage van aluminiumproducten gebruiken.

Aluminiumproductie

De verschillende stappen in het proces van aluminiumproductie.

Een blik in de elektolysehal

Bros

Zoals de productietechnieken te onderscheiden zijn in giet- of kneedprocessen, zo is ook aluminium te onderscheiden in gietlegeringen en kneedlegeringen. Afhankelijk van de functie die een aluminumlegering moet hebben voegt men er stoffen aan toe die bijvoorbeeld de sterkte of de gietbaarheid beïnvloeden. Zo bevatten de meeste aluminium gietlegeringen tussen vijf en twaalf procent silicium, wat de gietbaarheid sterk bevordert. Wanneer slijtagebestendigheid en een lage warmte-uitzetting een belangrijke rol spelen, kiest men het aandeel silicium vaak hoger, tot 25 procent. Om een grotere sterkte te krijgen voegt men vaak ook andere elementen toe, zoals koper en magnesium. De kneedlegeringen kunnen in twee soorten onderscheiden worden, namelijk die door koudvervorming en die door een warmtebehandeling sterker te maken zijn.

Enkele aluminiumlegeringen en hun toepassingen.

Om aluminiumlegeringen eigenschappen te verlenen als hoge sterkte, lage warmte-uitzetting en grote bestendigheid tegen slijtage en hoge temperaturen, zal sterk gelegeerd moeten worden. Dat kan echter niet zomaar.

De mechanische eigenschappen van een metaal worden bepaald door kenmerken van de microstructuur. Een metaal, dus ook aluminium, is in het algemeen polykristallijn. Dat wil zeggen dat het is opgebouwd uit kristallen die alle een andere richting hebben. Slechts een beperkt deel van de legeringselementen weet een plek in een aluminiumkristal te bezetten, maar het grootste deel wordt uitgescheiden en vormt kleine klompjes tussen de aluminiumkristallen. Doordat deze uitscheidingen gewoonlijk bros zijn, leiden te grote klompen tot scheuren tijdens het productieproces en onvoldoende taaiheid en voortijdig bezwijken bij gebruik. Daarom bevatten kneedlegeringen, waarbij het aluminium nogal wat te verduren heeft, in het algemeen minder legeringselementen dan gietlegeringen. Als de klompjes klein zijn, vervullen ze veelal een nuttige functie.

Met warmtebehandelingen zijn de grootte en de aard van sommige uitscheidingen te beïnvloeden. Vooral het buitengewoon snel laten stollen van de gesmolten legering voorkomt dat er grote uitscheidingen ontstaan. Om de legering in minder dan een duizendste seconde te laten stollen, moet de smeltwarmte snel en effectief worden afgevoerd. Dit kan alleen als het stollende volume zeer klein is. Een voorbeeld is gasatomisatie, waarbij gesmolten aluminium wordt verneveld tot zeer fijne druppels, die hun warmte afstaan aan het omgevingsgas en stollen tot fijn poeder. Een ander voorbeeld is flitsgieten, waarbij een dun lint of dunne snippers worden gevormd.

Zowel de poeders als de snippers dienen te worden samengepakt tot een volledig dicht product. Dat gebeurt bij verhoogde temperatuur en gelijktijdige vervorming. Door de vervorming kunnen de zuivere metaaloppervlakken van de deeltjes of snippers aaneen sinteren. Vanwege de verhoogde temperatuur groeien kristallen en uitscheidingen, waardoor een deel van de stollingswinst tenietgaat. Niettemin is het netto resultaat gunstiger dan bij een conventioneel proces.

Aluminium verhitten

Diverse aluminiumlegeringen zijn gevoelig voor warmtebehandelingen. Dat komt doordat de elementen die deel uitmaken van de legering slechts bij hoge temperatuur (ca. 500°C) goed in aluminium oplossen, ofwel keurig in de kristalstructuur van aluminium worden opgenomen. Bij de lagere temperaturen die een legering tijdens diverse bewerkingen ondergaat, zien veel legeringselementen kans zich uit het aluminiumrooster af te scheiden en uitscheidingen tussen de aluminiumkristallen te vormen. Dat is nadelig voor de sterkte. Door het bewerkte product weer tot 500°C te verhitten lossen de uitscheidingen weer op. Deze toestand wordt ‘ingevroren’ door snel afkoelen (bijvoorbeeld in water) waarbij de legeringselementen geen kans krijgen om opnieuw uit te scheiden.

De meeste aluminiumlegeringen zijn het sterkst wanneer ze hele kleine uitscheidingen of clusters bevatten. De atomen van die clusters passen nog in het aluminiumrooster, maar veroorzaken daar wel fouten in. Die geven aanleiding tot grote lokale spanningen in het rooster. Daardoor glijden de roostervlakken niet meer zo gemakkelijk over elkaar dan in een zuiver metaal het geval is, en dat verhoogt de sterkte. Door een snel gekoelde legering enige tijd matig te verhitten, bijvoorbeeld tot 180°C, gaat een deel van de opgeloste elementen kleine uitscheidingen vormen. De clusters die nog passen binnen het aluminiumrooster zijn nog zo klein dat zij alleen met een elektronenmicroscoop zichtbaar te maken zijn. Als het verhitten wordt voortgezet, groeien de clusters en zullen deze op een gegeven moment een eigen identiteit krijgen. Er is dan zoveel energie beschikbaar dat de clusters grensvlakken vormen met het aluminiumrooster en een eigen kristalstructuur aannemen. Zodra er eenmaal grensvlakken zijn gevormd nemen de lokale spanningen weer af, evenals de sterkte van de legering.

De TU in Delft beschikt over een experimentele snelle-stollijn. Die levert aluminiumsnippers voor de vervaardiging van prototypen en voor onderzoeksdoeleinden. In een snelle-stollijn wordt de gesmolten aluminiumlegering uitgegoten op het loopvlak van een sneldraaiend, watergekoeld wiel. Op het koperen wiel vormt zich een smeltbadje, enkele millimeters groot, waar vloeibaar metaal naar toe stroomt en waaruit gestold lint vertrekt.

Het lint, nog geen tiende millimeter dik, wordt versnipperd tot stukken van ongeveer vijf millimeter lengte. De snippers perst men op kamertemperatuur samen tot een cilindrisch, samenhangend blok met een dichtheid van circa zestig procent (de rest is lucht). Deze blokken worden middels extrusie, dat is het persen van aluminium door een nauwe opening, verdicht tot een volledig dicht profiel. Het extrusieprofiel kan eindproduct zijn of verder worden verwerkt. Ten slotte kan een warmtebehandeling plaatsvinden voor verhoging van de sterkte.

Als gezegd is de snelle stollijn nog in ontwikkeling. Zij levert nu per keer honderd tot tweehonderd kilogram snelgestold materiaal. Verdere capaciteitsvergroting zal worden gerealiseerd.

Verbrandingsmotor

De voordelen van snelle stolling komen tot hun recht bij legeringen die veel (legerings)elementen bevatten. Die kunnen bewust aan het aluminium zijn toegevoegd om speciale, hoogwaardige eigenschappen te realiseren, maar ook als ‘verontreiniging’ in het aluminium aanwezig zijn. Vooral gerecycled aluminium bevat vaak veel toeslagstoffen.

De snelle stolling en de daardoor verfijnde materiaalstructuur komen de vervormingsmogelijkheden en de taaiheid van hooggelegeerd aluminium ten goede. Bovendien heeft de methode een gunstige uitwerking op de verspaanbaarheid en de corrosie-eigenschappen van de legering. Neem bijvoorbeeld de legering AA 7075. Deze hoge-sterktelegering is uitermate geschikt voor zwaarbelaste onderdelen, zoals in de luchtvaart. Ook de vatting voor het glij-ijzer van de aluminium schaats die Raps ontwikkelde is gemaakt van AA 7075. De legering ondergaat meestal een warmtebehandeling die een compromis is tussen sterkte en corrosiebestendigheid. Doordat snelle stolling de neiging tot corrosie vermindert, kan de warmtebehandeling nu een hogere sterkte tweegbrengen.

Snelle stolling laat ook toe de concentraties legeringselementen hoger te kiezen dan bij conventionele legeringen het geval kan zijn. Zo kan de sterkte verbeteren bij voldoende taaiheid. Een uitgesproken voorbeeld hiervan wordt gevormd door legeringen op basis van aluminium en ijzer, die conventioneel niet eens worden geproduceerd. Zij bezitten van alle aluminiumlegeringen de beste hoge-temperatuureigenschappen. Bij snelle stolling verkrijgen ze voldoende taaiheid.

Aluminiumlegeringen met meer dan twaalf procent silicium zijn over het algemeen zeer slijtvaste gietlegeringen die bij verwarming nauwelijks uitzetten. Dat maakt ze geschikt voor de zuiger van een verbrandingsmotor. Door ze met snelle stolling te bereiden, bereikt men dat de verspanende bewerkingen (zoals boren, draaien en frezen) aanzienlijk eenvoudiger worden, dat de inwendige spanningen die daarbij ontstaan laag blijven en dat het product in plaats van uitgesproken bros een goede taaiheid verkrijgt

Fietsvelg

Laten wij eens de route volgen voor de productie van een aluminium fietsvelg. Als legering wordt de vaak bij persen toegepaste AA 6063 gekozen. In gespecialiseerde gieterijen wordt eerst de juiste aluminiumlegering bereid. Het vloeibare aluminium wordt toegevoerd naar een gietinstallatie, waarin een gietpaal wordt geproduceerd van zo’n zes meter lengte met een diameter van dertig centimeter. Na de stolling wordt, om een homogenere microstructuur te verkrijgen, enige tijd verhit tot circa 500 graden Celsius. Bij die temperatuur krijgen de legeringselementen de kans om zich gelijkmatig over de legering te verdelen.

Vervolgens vindt transport van de paal plaats naar een extrusiebedrijf. Daar snijdt een zaagmachine die de paal in stukken die vervolgens in een extrusiepers door een nauwe opening tot een langgerekt profiel van de gewenste vorm wordt geperst. De perskrachten lopen, afhankelijk van legering en profielvorm, op tot vijfendertig miljoen newton – dat is meer dan de kracht die elke poot van de Eiffeltoren op zijn betonnen sokkel uitoefent. Bij het verlaten van de pers zijn de profielen nu zo’n twintig meter lang. Ze worden nu twee procent gestrekt om ze goed recht te maken. Hierna zaagt men de profielen op maat en worden ze gegloeid tot maximum sterkte. Ten slotte ondergaat het oppervlak een beschermende behandeling (anodiseren).

De rechte fietsvelgen gaan naar de fabrikant van fietswielen die ze koud omzet tot een ronde velg. Twee stalen pennen, die klemmen in kanalen in het profiel, zorgen voor een stevige verbinding. Via fietsenfabriek en fietsenwinkel bereiken de wielen als onderdeel van een complete tweewieler de consument, die er een van de vele toepassingen van aluminium in vindt. Een sportfiets of mountainbike bevat er nog veel meer.

Even wennen; dit is een fiets. De ligfiets is vrijwel geheel uit aluminium vervaardigd. Dat maakt de constructie, die nogal afwijkt van het traditionele fietsontwerp, sterk, stijf en licht.

Dit artikel is een publicatie van Natuurwetenschap & Techniek.
© Natuurwetenschap & Techniek, alle rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 01 maart 1996

Discussieer mee

0

Vragen, opmerkingen of bijdragen over dit artikel of het onderwerp? Neem deel aan de discussie.

NEMO Kennislink nieuwsbrief
Ontvang elke week onze nieuwsbrief met het laatste nieuws uit de wetenschap.