- Ultraljudsavgasning av smälta metaller upp till 2 300 °C och smält glas
- Måndag - Fredag: 09:00 - 19:00
- Sialon Ceramics Sweden AB, Lila Kungsgatan 2, SE-411 08 Göteborg, Sverige.
Gjutning av aluminium: Ultraljudsteknik minskar användningen av TiB-kornraffinering
Vad är spannmålsraffinering?
Kornstrukturen i aluminium förfinas under stelningen till mindre, mer enhetliga korn. Den ursprungliga kornstrukturen för gjutet aluminium är grov med stora, dendritiska korn. Det orsakas av långsam kärnbildning och snabb tillväxt under kylning av smält aluminium. Minskad hållfasthet, duktilitet och sprickbildning är resultatet av en sådan kornstruktur. Stora korn i närvaro av mikrosegregering orsakar mekanisk anisotropi och spänningskoncentration. Det gör materialet benäget för belastningsfel.
Finkorniga strukturer ökar de mekaniska egenskaperna hos aluminiumlegeringar. Genom Hall-Petch-relationen ökar fina korn (några mikrometer) utbytes- och draghållfastheten samtidigt som de förhindrar dislokationsrörelser. Fina korn förbättrar duktiliteten genom att öka korngränsytan, som absorberar och omfördelar spänningar och minskar sprickinitiering och utbredning. Det gör också egenskaperna mer isotropiska för konsekventa prestanda. Finkorniga mikrostrukturer är nödvändiga för flygplans- och fordonskomponenter. Det är där vikt och styrka är nyckeln. Finkornigheten gör materialet mer enhetligt och förutsägbart, vilket ger bättre bearbetbarhet och ytfinish.
Titanbor TiB:s roll som kornförädlare i smält aluminium
Titanbor (TiB) påverkar stelningskärnbildningen för att förfina smälta aluminiumkorn. Det erbjuder kärnbildningsställen för en fin, equiaxed kornstruktur. TiAl₃-partiklar och boridföreningar som TiB₂, som liknar aluminium i kristallografi, fungerar som starka kärnbildare. De minskar energibarriären för kärnbildning, gör det lättare att bilda korn och förhindrar att dendritiska strukturer växer. På så sätt dominerar många små, jämnt spridda korn stelningen snarare än ett fåtal stora.
TiB reagerar kemiskt med aluminiumsmältan under stelningen. TiAl₃-partiklar härrör från smältreaktionen mellan titan och aluminium. Även om dessa partiklar är instabila vid höga temperaturer, kombineras de med bor för att generera TiB₂ och göra dem till kärnämnen. TiB₂, med sin stabila hexagonala struktur och nära gittermatchning till aluminium, främjar heterogen nukleering. Genom att skapa boridpartiklar vid stelningsfronten skapas små, talrika korn. TiB₂-partiklarna fungerar snabbt som kärnor för aluminiumatomer att stelna runt. Det ger en raffinerad mikrostruktur.
Utmaningarna med TiB-användning
Ekonomiska och miljömässiga frågor
Den höga kostnaden för TiB, inklusive TiB₂, påverkar produktionskostnaderna för aluminiumraffinering. Titan, som är en dyr metall, gör TiB-legeringar dyra. Den höga kostnaden för råmaterial och energikrävande metoder gör TiB₂-produktion för aluminiumraffinering till en dyr verksamhet. Det är svårt för sektorer med begränsade marginaler eller platser med begränsad tillgång till råvaror. Exempelvis kan förhållandena på titanmarknaden påverka TiB-priserna, vilket gör att tillverkningskostnaderna varierar. Sådan volatilitet kan göra det svårt att prissätta aluminiumvaror konsekvent jämfört med billigare AlTiB-masterlegeringar.
Miljöhänsyn är också viktiga när TiB används för att raffinera spannmål. TiB-baserade varor kan släppa ut titan- och borkemikalier i miljön samtidigt som tillverkning och avfallshantering försvåras. Hantering av farliga kemikalier och skräp under TiB₂-tillverkning måste undvika miljöföroreningar. Förbrukade TiB-produkter kan läcka ut skadliga komponenter i mark och vatten, vilket gör avfallshanteringen problematisk. Särskilda metoder för avfallshantering, inklusive kontrollerad deponering eller återvinning, ökar miljöpåverkan och driftskostnaderna. Regulatoriska krav från regeringar och miljöorganisationer ökar också för en mer hållbar metallurgi. Därför kan titanbor (TiB) vara mindre tilltalande än kornraffinering med lägre ekologiska faror.
Tekniska begränsningar för TiB-grainraffinering i smält aluminium
Risken för överraffinering eller ojämn kornstorlek kan tekniskt begränsa TiB:s kornraffinering av aluminium. TiB:s kornförädlingseffektivitet beror på exakt koncentration och fördelning i aluminiumsmältan. Höga TiB-koncentrationer kan överraffinera korn och göra dem för fina. Det kan göra aluminiumet för sprött för flera användningsområden. Omvänt kan ojämn TiB-fördelning orsaka variation i aluminiumkornstorlek. Variationer i materialets hållfasthet och duktilitet kan leda till fel i viktiga applikationer som flyg- och bilkomponenter. Att övervaka och justera kornförädlingsprocessen för att uppnå den perfekta balansen är komplicerat och kräver kompetenta operatörer.
Felaktig TiB-behandling kan också orsaka inneslutningar eller fel i den slutliga aluminiumprodukten. Oupplösta TiB-partiklar i smältan kan fungera som spänningskoncentratorer och orsaka tidig nedbrytning under belastning. Det är besvärligt i högpresterande applikationer som kräver materialintegritet. Exempelvis kan delar till flyg- och rymdindustrin förlora utmattningslivslängd på grund av även små inneslutningar. TiB-inneslutningar kan hindra valsning eller extrudering samtidigt som de orsakar sprickor eller ytfel. För att minska sådana risker måste smältan vara väl blandad och temperaturkontrollerad. TiB är dock ett tveeggat svärd vid raffinering av aluminiumkorn eftersom sådana begränsningar ökar arbetets komplexitet och kostnader.
Med tiden kan TiB₂-partiklar falla till botten av hållugnen. Det minskar deras effektivitet vid kornraffinering, den så kallade "fading-effekten". Långa hålltider i industriell verksamhet förvärrar detta problem. Andra legeringselement kan också påverka TiB-kornraffineringseffektiviteten. Till exempel kan krom, zirkonium och litium orsaka "förgiftningseffekten". TiB₂ kan reagera med andra element i aluminiumsmältan. Det kan leda till oönskade faser eller föreningar i den färdiga legeringen. Dessutom tyder studier på att tillsats av sällsynta jordartsmetaller som Ce och La till TiB-kornraffinörer kan förbättra kärnbildningen och resultera i finare kornstrukturer än enbart standardraffinörer. Men återigen orsakar dessa modifieringar komplikationer och extra kostnader.