- Ultraschallentgasung von geschmolzenen Metallen bis zu 2.300°C und geschmolzenem Glas
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Aluminium-Guss: Ultraschalltechnologie reduziert den Einsatz von TiB-Kornfeinern
Was ist Getreideveredelung?
Das Korngefüge von Aluminium wird während der Erstarrung verfeinert, so dass kleinere, gleichmäßigere Körner entstehen. Die anfängliche Kornstruktur von gegossenem Aluminium ist grob, mit großen, dendritischen Körnern. Sie wird durch langsame Keimbildung und schnelles Wachstum während der Abkühlung der Aluminiumschmelze verursacht. Verminderte Festigkeit, Duktilität und Rissbildung sind die Folge eines solchen Korngefüges. Große Körner in Verbindung mit Mikrosegregation führen zu mechanischer Anisotropie und Spannungskonzentration. Dies macht das Material anfällig für Belastungsbrüche.
Feinkörnige Strukturen verbessern die mechanischen Eigenschaften von Aluminiumlegierungen. Durch die Hall-Petch-Beziehung erhöhen feine Körner (einige Mikrometer) die Streck- und Zugfestigkeit und verhindern gleichzeitig Versetzungsbewegungen. Feine Körner verbessern die Duktilität durch Vergrößerung der Korngrenzenfläche, die Spannungen absorbiert und umverteilt und die Rissentstehung und -ausbreitung verringert. Außerdem werden die Eigenschaften isotroper, was die Leistungskonstanz erhöht. Feinkörnige Mikrostrukturen sind für Flugzeug- und Automobilkomponenten erforderlich. Hier sind Gewicht und Festigkeit der Schlüssel. Feine Körner machen das Material gleichmäßiger und berechenbarer und sorgen so für eine bessere Bearbeitbarkeit und Oberflächengüte.
Die Rolle von Titan-Bor TiB als Kornverfeinerer in geschmolzenem Aluminium
Titan-Bor (TiB) beeinflusst die Erstarrungskeimbildung zur Verfeinerung der geschmolzenen Aluminiumkörner. Es bietet Keimbildungsstellen für eine feine, gleichachsige Kornstruktur. TiAl₃-Partikel und Boridverbindungen wie TiB₂, die kristallografisch dem Aluminium ähneln, wirken als starke Keimbildner. Sie verringern die Energiebarriere für die Keimbildung, erleichtern die Kornbildung und verhindern das Wachstum dendritischer Strukturen. Daher dominieren viele kleine, gleichmäßig verteilte Körner die Erstarrung anstelle einiger weniger großer Körner.
TiB reagiert während der Erstarrung chemisch mit der Aluminiumschmelze. TiAl₃-Partikel entstehen bei der Schmelzreaktion zwischen Titan und Aluminium. Obwohl diese Partikel bei hohen Temperaturen instabil sind, verbinden sie sich mit Bor zu TiB₂ und werden zu Keimbildnern. TiB₂ mit seiner stabilen hexagonalen Struktur und seiner engen Gitteranpassung an Aluminium fördert die heterogene Keimbildung. Die Bildung von Boridpartikeln an der Erstarrungsfront verspricht kleine, zahlreiche Körner. Die TiB₂-Teilchen fungieren schnell als Keime, um die herum die Aluminiumatome erstarren. Das Ergebnis ist ein feines Gefüge.
Die Herausforderungen bei der Verwendung von TiB
Wirtschaftliche und ökologische Belange
Die hohen Kosten von TiB, einschließlich TiB₂, wirken sich auf die Produktionskosten der Aluminiumraffination aus. Titan, ein teures Metall, macht TiB-Legierungen kostspielig. Die hohen Rohstoffkosten und energieintensiven Verfahren machen die TiB₂-Produktion für die Aluminiumraffination zu einem teuren Geschäft. Es ist schwierig für Sektoren mit geringen Gewinnspannen oder an Orten mit begrenzter Rohstoffverfügbarkeit. So können sich beispielsweise die Bedingungen auf dem Titanmarkt auf die TiB-Preise auswirken, wodurch die Herstellungskosten schwanken. Eine solche Volatilität kann es schwierig machen, die Preise für Aluminiumwaren im Vergleich zu den billigeren AlTiB-Vorlegierungen konstant zu halten.
Bei der Verwendung von TiB zur Veredelung von Getreide spielen auch Umweltaspekte eine wichtige Rolle. Waren auf TiB-Basis können Titan- und Borchemikalien in die Umwelt freisetzen, was die Herstellung und Entsorgung erschwert. Der Umgang mit gefährlichen Chemikalien und Abfällen bei der TiB₂-Herstellung muss Umweltverschmutzung vermeiden. Aus verbrauchten TiB-Produkten können schädliche Bestandteile in Boden und Wasser austreten, was die Entsorgung problematisch macht. Spezielle Entsorgungsmethoden, einschließlich kontrollierter Deponierung oder Recycling, erhöhen die Umweltbelastung und die Betriebskosten. Auch die Forderungen von Regierungen und Umweltorganisationen nach einer nachhaltigeren Metallurgie werden immer lauter. Daher könnte Titan-Bor (TiB) weniger attraktiv sein als Kornfeinungsmittel mit geringeren ökologischen Risiken.
Technische Grenzen der TiB-Kornveredelung in geschmolzenem Aluminium
Die Möglichkeit einer Überverfeinerung oder ungleichmäßigen Korngröße kann die TiB-Kornverfeinerung von Aluminium technisch einschränken. Die Effizienz der TiB-Kornfeinung hängt von der genauen Konzentration und Verteilung in der Aluminiumschmelze ab. Hohe TiB-Konzentrationen können zu einer Überfeinerung der Körner führen, so dass sie zu fein werden. Dadurch kann das Aluminium für verschiedene Anwendungen zu spröde werden. Umgekehrt kann eine ungleichmäßige TiB-Verteilung zu Schwankungen in der Aluminiumkorngröße führen. Schwankungen in der Festigkeit und Duktilität des Werkstoffs könnten in wichtigen Anwendungen wie der Luft- und Raumfahrt und bei Automobilkomponenten zu Ausfällen führen. Die Überwachung und Einstellung des Kornfeinungsprozesses für ein ideales Gleichgewicht ist kompliziert und erfordert kompetente Mitarbeiter.
Eine unsachgemäße TiB-Behandlung kann auch zu Einschlüssen oder Fehlern im Aluminiumendprodukt führen. Ungelöste TiB-Partikel in der Schmelze können sich wie Spannungskonzentratoren verhalten und unter Belastung zu einem frühzeitigen Zusammenbruch führen. Dies ist bei Hochleistungsanwendungen, die eine hohe Materialintegrität erfordern, problematisch. So können beispielsweise Teile für die Luft- und Raumfahrtindustrie schon durch kleine Einschlüsse an Lebensdauer verlieren. TiB-Einschlüsse können das Walzen oder Strangpressen behindern und Risse oder Oberflächenfehler verursachen. Die Schmelze muss gut gemischt und temperaturkontrolliert sein, um derartige Risiken zu verringern. TiB ist jedoch ein zweischneidiges Schwert bei der Kornfeinung von Aluminium, da solche Einschränkungen die Komplexität und die Kosten der Bearbeitung erhöhen.
Mit der Zeit können die TiB₂-Partikel auf den Boden des Warmhalteofens fallen. Dadurch verringert sich ihre Wirksamkeit bei der Kornfeinung, was als "Fading-Effekt" bezeichnet wird. Lange Haltedauern in industriellen Betrieben verschärfen dieses Problem noch. Auch andere Legierungselemente können die Wirksamkeit von TiB-Kornfeinern beeinträchtigen. So können beispielsweise Chrom, Zirkonium und Lithium den "Vergiftungseffekt" verursachen. TiB₂ kann mit anderen Elementen in der Aluminiumschmelze reagieren. Es kann unerwünschte Phasen oder Verbindungen in die fertige Legierung einbringen. Darüber hinaus deuten Studien darauf hin, dass die Zugabe von Seltenen Erden wie Ce und La zu TiB-Kornfeinern die Keimbildung verbessern und zu feineren Kornstrukturen führen könnte als bei Standardfeinern allein. Aber auch diese Modifikationen sind mit Komplikationen und zusätzlichen Kosten verbunden.