Velgen, blikken en vliegtuigen:aluminium en aluminium gietstukken

Winning, verwerking en gieten in gieterijen

De groeiende populariteit van aluminium

Aluminium is het derde meest voorkomende element ter wereld en het meest voorkomende metaal in de aardkorst. Aluminium draagt ​​​​bij aan meer dan 8% van de kernmassa van de aarde. Het is echter moeilijk te raffineren in vergelijking met andere metalen, zoals ijzer. Om deze reden is het gebruik van aluminium achtergebleven bij andere metaalproducten, terwijl efficiënte en kosteneffectieve methoden zijn ontwikkeld om deze complexiteit te overwinnen.

Er zijn veel overeenkomsten tussen de aluminium- en staalindustrie. Beide zijn afhankelijk van de winning van metalen uit minerale ertsen die op het aardoppervlak voorkomen. De productieprocessen van beide zijn energie-intensief en omvatten het gieten van vloeibaar metaal in gietstukken of het gebruik van continugietmachines. Aluminium en staal concurreren ook op vergelijkbare markten voor de auto- en ruimtevaartindustrie. Er zijn echter aanzienlijke verschillen in de verwerking en eigenschappen van deze metalen.

Aluminiumverwerking

Bauxiet is een sedimentair gesteente met een hoog aluminiumgehalte; typisch ongeveer 46-60%. Bauxiet is vaak bedekt met enkele meters rots en klei, die eerst moeten worden verwijderd voordat het bauxiet kan worden teruggewonnen. Het bauxiet gaat vervolgens door breek- of wasinstallaties voordat het wordt getransporteerd voor verwerking.

Halverwege de jaren 1880 werden twee verschillende methoden uitgevonden en in serie gebruikt om aluminium te produceren. De Bayer-methode maakt gebruik van een chemisch proces om aluminium uit bauxiet te extraheren. Het Hall-Heroult-proces maakt gebruik van elektrolyse om aluminium te extraheren uit het aluminiumoxide of aluminiumoxide dat wordt geproduceerd door het Bayer-proces.

Bayer-proces

Bauxieterts wordt vermalen en gemengd met natronloog om een ​​slurry te produceren die fijne ertsdeeltjes bevat. De slurry wordt gehouden op temperaturen tussen 140˚C–280˚C, afhankelijk van het specifieke erts dat wordt verwerkt. Gedurende deze tijd lost het aluminium op in de bijtende soda-oplossing. Alle onzuiverheden bezinken uit de oplossing in een residu dat rode modder wordt genoemd.

De laatste stap in het proces is de toevoeging van entkristallen aan de natronloogoplossing. Opgelost aluminiumoxide hecht zich aan deze entkristallen. Het eindproduct van het Bayer-proces is aluminiumoxide of aluminiumoxide, dat eruitziet als een wit poeder.

Hall-Heroult-proces

De reductie-eenheid van een aluminiumfabriek bestaat uit reductiepotten of cellen die in serie zijn geschakeld. Elke pot is gemaakt van een stalen schaal bekleed met koolstof. Gesmolten kryoliet (een fluoridemineraal) dat aluminiumoxide bevat, wordt in elke pot gegoten en koolstofelektroden worden vanaf de bovenkant in de oplossing gestoken. Terwijl de stroom door de kryolietoplossing gaat, scheidt aluminium zich van zuurstof en vormt kooldioxidegas. Vloeibaar aluminium verzamelt zich op de bodem van de pot.

Vloeibaar aluminiumoxide wordt vervolgens met regelmatige tussenpozen uit de reductiepotten gezogen in vacuümemmers. Dit wordt overgebracht naar een oven en gegoten in ingots in mallen, of door een continugietmachine. Het via dit proces geproduceerde aluminium is ongeveer 99,8% zuiver. Het elektrolytische proces voor de productie van aluminium is zeer energie-intensief en vereist 15 MWH per ton output. De meeste smelterijen bevinden zich daarom naast een stroomgenerator zoals waterkrachtcentrales.

Aluminium gieten

Nadat het aluminium is geëxtraheerd en verwerkt, is de volgende stap het gieten in productvorm. Aluminium gietstukken worden gevormd door gesmolten metaal in mallen te gieten die zijn gevormd door een patroon van het gewenste eindproduct. Er worden drie veelvoorkomende soorten gietmethoden gebruikt om gietstukken te produceren:spuitgieten, permanent gieten en zandgieten.

Spuitgieten

Spuitgieten maakt gebruik van druk om gesmolten aluminium in een stalen matrijs te persen. Dit type gietwerk wordt vaak gebruikt voor massaproductie van onderdelen, die een minimale hoeveelheid nabewerking en bewerking vereisen. Spuitgieten heeft korte cyclustijden maar hoge gereedschapskosten. Het onder druk staande gietsysteem zorgt voor een zeer sterke huid maar een zwakker interieur dan permanent gieten. Er zijn twee soorten spuitgieten:lagedruk- en hogedrukspuitgieten.

Matrijsgieten

LAGE DRUK

HOGE DRUK

Goede sterktewaarden

Lagere sterktewaarden

Geschikt voor automatisering

Geschikt voor automatisering

Eenvoudige matrijs- en machinetechnologie

Ingewikkelde en dure matrijzen

Langzamere gietcycli

Korte werpcycli

Lagere investerings- en bedrijfskosten

Hoge investerings- en bedrijfskosten

Minimale wanddikte van circa 3 mm

Geschikt voor dunwandige componenten

Permanent gieten

Bij permanent gieten wordt gebruik gemaakt van stalen of andere metalen mallen en kernen. Sterke gietstukken worden gevormd door aluminium in de mal te gieten. Permanente mallen worden gebruikt om zeer herhaalbare onderdelen met consistentie te maken. Hun snelle afkoelsnelheden genereren een meer consistente microstructuur, wat de mechanische eigenschappen aanzienlijk kan verbeteren.

Permanent gieten wordt gebruikt voor het maken van lichtmetalen velgen. Aluminium wielen zijn ook lichter dan stalen wielen, waardoor ze minder energie nodig hebben om te draaien. Ze zorgen voor een lager brandstofverbruik en een betere wegligging, acceleratie en remmen. Voor zware industriële spoortoepassingen worden echter vaker stalen wielen gebruikt. Door hun duurzaamheid zijn ze bijna niet te buigen of te barsten. Bij gebruik op een spoor zijn stalen wielen meer vergevingsgezind voor onregelmatigheden in het spoor, wat de veiligheid verhoogt.

Zandgieten

Zandgietwerk ontstaat door een fijn zandmengsel rond een patroon van het gewenste product te verpakken. Het patroon is iets groter dan het uiteindelijke product om krimp van het aluminium mogelijk te maken tijdens het afkoelen. Zandgieten is economisch omdat het zand meerdere keren kan worden hergebruikt. Het is ook effectief voor het maken van grote lijstwerk of die met gedetailleerde ontwerpen. De initiële gereedschapskosten zijn laag, maar de prijzen per onderdeel zijn hoger, waardoor zandgieten geschikt is voor gespecialiseerde gietstukken in plaats van massaproductie.

De beheersing van gesmolten aluminium heeft een directe invloed op de kwaliteit van het gieten. Legeringselementen worden toegevoegd aan gesmolten aluminium om de gewenste aluminiumkwaliteit en eigenschappen te bereiken. Gecontroleerde legeringstoevoeging en -verdeling door het aluminium zal ervoor zorgen dat het product gezond is en met de verwachte mechanische eigenschappen.

Aluminium stolt met een zuilvormige korrelstructuur. Deze kolommen groeien tot het contactpunt met een andere korrel - hoe meer korrels, hoe fijner de moleculaire structuur. Graanraffinage maakt gebruik van titanium en boor om korrelkernen te creëren om deze fijne structuur te bereiken.

Waterstofgas is een onzuiverheid die defecten in het aluminium gietstuk kan veroorzaken door poriën te creëren wanneer het product stolt. Tijdens het gieten zijn ontgassings- en zuiveringsgassen nodig om de omgeving vrij te houden van onzuiverheden die een negatief effect kunnen hebben op het eindproduct.

Gietlegeringen

Er is een breed scala aan gietlegeringen beschikbaar voor de uiteindelijke toepassing. Elk van deze gietlegeringen heeft zijn eigen kenmerken zoals lasbaarheid, bewerkbaarheid, corrosieweerstand en warmtebehandelingseigenschappen.

Gesmolten aluminium heeft verschillende kenmerken die kunnen worden gecontroleerd om de gieteigenschappen te maximaliseren. Gesmolten aluminium is gevoelig voor het opnemen van waterstofgas en oxiden in gesmolten toestand en kan gevoelig zijn voor kleine sporenelementen. Hoewel sommige decoratieve of commerciële gietstukken mogelijk geen extra bewerking vereisen, is verdere afwerking vaak gunstig. Strakke smeltcontrole en gespecialiseerde verwerkingstechnieken voor gesmolten metaal kunnen verbeterde mechanische eigenschappen bieden.

Aluminium afwerkingen en coatings

Een van de esthetische aantrekkingskrachten van aluminium is de hoge reflectiviteit. Deze eigenschap is benut om hoogwaardige consumentenproducten te maken met een schone oppervlakteafwerking. Dit wordt nog versterkt door de natuurlijke vorming van een dunne oxidelaag op het oppervlak. Deze laag kan dikker gemaakt worden door het product te anodiseren. De aanwezigheid van de oxidelaag sluit het aluminium effectief af tegen verdere oxidatie, waardoor het zeer corrosiebestendig is. Verschillende afwerkingen en coatings kunnen aluminium helpen deze glanzende maar duurzame kwaliteit te bereiken.

Eindigt

Bepaalde aluminiumlegeringen hebben een warmtebehandeling ondergaan om hun eigenschappen voor specifieke toepassingen te verbeteren. Massief gegoten aluminium wordt verwarmd tot een vooraf bepaalde temperatuur, waardoor de moleculaire microstructuur gelijkmatig door het materiaal wordt verdeeld. Snelle afkoeling zorgt ervoor dat het microstructuurpatroon op zijn plaats blijft en de ideale eigenschappen worden bereikt.

Legeringen die niet met warmte kunnen worden behandeld, worden afgewerkt door koud te bewerken, voornamelijk door walsen. De metaalsterkte wordt aanzienlijk verbeterd omdat onvolkomenheden in de microstructuur worden geminimaliseerd door moleculen stevig samen te persen.

Coatings

Aluminium heeft een hoogwaardige oppervlakteafwerking die al esthetisch aantrekkelijk is. Verschillende coatings kunnen echter nog meer voordelen bieden voor de afwerking.

PVDF-coatings

PVDF-coatings zijn verven op oplosmiddelbasis met een zeer hoge weerstand tegen weersinvloeden. Ze kunnen echter worden bekrast. PVDF vervaagt niet door blootstelling aan zonlicht en kan worden gemaakt met een metaalachtig uiterlijk.

Vloeibare verf

Vloeibare verven zijn zuiniger dan PVDF-coatings, maar hun eigenschappen zijn ook minder wenselijk. Ze hebben een mindere kwaliteit afwerking en de weersbestendigheid is niet zo sterk.

Poedercoatings

Poedercoatings voldoen aan de strengste duurzaamheidsspecificaties op hetzelfde niveau als PVDF-coatings. Ze hebben een uitstekende afwerking en zijn populair in bouwtoepassingen voor raam- en deurkozijnen, maar ook voor terreininrichting zoals bolders en fietsenrekken. Ze zijn onderhevig aan meer slijtage en worden vaak gebruikt in gebieden met veel verkeer, zoals hotels en winkels.

Anodiseren

Anodiseren wordt gebruikt om de geoxideerde oppervlaktelaag te verdikken en de corrosieweerstand van het product te verbeteren. De coating is hard, duurzaam en zelfherstellend, waardoor het een populaire keuze is voor architecten. Het anodisatieproces wordt uitgevoerd met behulp van een reeks dompeltanks.

Aluminium eigenschappen

Aluminium staat bekend als lichtgewicht. Het is zelfs bijna drie keer lichter dan ijzer, met een dichtheid van 2.700 kg/m ³ . Opmerkelijk is dat de lage dichtheid van aluminium geen invloed heeft op de sterkte ervan. Aluminiumlegeringen hebben een breed scala aan sterkte-eigenschappen met treksterkten van 70 tot 700 MPa. Bij lage temperaturen neemt de sterkte van aluminium toe, terwijl deze bij hoge temperaturen afneemt.

Aluminium kan ook gemakkelijk worden bewerkt en het benodigde vermogen is laag vanwege de lagere dichtheid. De hoge mate van kneedbaarheid van aluminium geeft het de mogelijkheid om gemakkelijk te worden geëxtrudeerd. Hierdoor kan het product worden gebogen en gewalst en dit is een belangrijk kenmerk bij het maken van aluminiumfolies.

https://www.reliance-foundry.com/wp-content/uploads/aluminum-rolling.mov

Aluminium kwaliteit en normen

Aluminiumproducten zijn gecertificeerd volgens het legeringsmateriaal dat in het product wordt gebruikt. De meest voorkomende legeringselementen zijn de volgende:

• Silicium
• IJzer
• Koper
• Magnesium
• Zink

ALUMINIUM GECATEGORISEERD IN SERIE MET EIGENSCHAPPEN EN SAMENSTELLINGEN

SERIE

ALUMINIUM %

LEGERING

WARMTEBEHANDELBAAR

EIGENSCHAPPEN

TOEPASSINGEN

1xyz

>99.yz

• Uitstekende corrosieweerstand en verwerkbaarheid
• Hoge thermische en elektrische geleidbaarheid

• Verzendingen
• Elektriciteitsnetlijnen

2xyz

>99.yz

Koper

Ja

• Hoge sterkte en taaiheid
• Lagere corrosieweerstand

• Vliegtuigen

3xyz

>99.yz

Mangaan

Nee

• Gemiddelde kracht
• Goede werkbaarheid

• Warmtewisselaars
• Kookgerei
• Drankblikjes

4xyz

>99.yz

Silicium

Nee

• Lager smeltpunt zonder broosheid

• Lasdraden
• Soldeerstaven

5xyz

>99.yz

Magnesium

Nee

• Gemiddeld tot hoge sterkte
• Weerstand tegen corrosie in mariene omgevingen
• Goede lasbaarheid

• Bouw en constructie
• Opslagtanks
• Drukvaten
• Maritieme toepassingen

6xyz

>99.yz

Silicium en magnesium

Ja

• Gemiddeld hoge sterkte
• Uitstekende corrosieweerstand
• Hoge lasbaarheid

• Bouwkundig
• Structureel
• Vrachtwagens
• Marine frames

7xyz

>99.yz

Zink

Ja

• Zeer hoge sterkte

• Vliegtuigen
• Apple Watches

SERIE

ALUMINIUM %

1xyz

>99.yz

2xyz

>99.yz

3xyz

>99.yz

4xyz

>99.yz

5xyz

>99.yz

6xyz

>99.yz

7xyz

>99.yz

SERIE

LEGERING

1xyz

2xyz

Koper

3xyz

Mangaan

4xyz

Silicium

5xyz

Magnesium

6xyz

Silicium en magnesium

7xyz

Zink

SERIE

WARMTEBEHANDELBAAR

1xyz

2xyz

Ja

3xyz

Nee

4xyz

Nee

5xyz

Nee

6xyz

Ja

7xyz

Ja

SERIE

EIGENSCHAPPEN

1xyz

• Uitstekende corrosieweerstand en verwerkbaarheid
• Hoge thermische en elektrische geleidbaarheid

2xyz

• Hoge sterkte en taaiheid
• Lagere corrosieweerstand

3xyz

• Gemiddelde kracht
• Goede werkbaarheid

4xyz

• Lager smeltpunt zonder broosheid

5xyz

• Gemiddeld tot hoge sterkte
• Weerstand tegen corrosie in mariene omgevingen
• Goede lasbaarheid

6xyz

• Gemiddeld hoge sterkte
• Uitstekende corrosieweerstand
• Hoge lasbaarheid

7xyz

• Zeer hoge sterkte

SERIE

TOEPASSINGEN

1xyz

• Verzendingen
• Elektriciteitsnetlijnen

2xyz

• Vliegtuigen

3xyz

• Warmtewisselaars
• Kookgerei
• Drankblikjes

4xyz

• Lasdraden
• Soldeerstaven

5xyz

• Bouw en constructie
• Opslagtanks
• Drukvaten
• Maritieme toepassingen

6xyz

• Bouwkundig
• Structureel
• Vrachtwagens
• Marine frames

7xyz

• Vliegtuigen
• Apple Watches

Gezondheid en veiligheid

Tijdens het Hall-Heroult-proces komen grote hoeveelheden gassen vrij. Deze gassen worden opgevangen en behandeld omdat de giftige fluorideverbindingen moeten worden verwijderd voordat ze in de atmosfeer terechtkomen. Het aluminiumproductieproces genereert CO₂ , wat resulteert in een hogere CO2-voetafdruk voor aluminiumproducten. Veel fabrikanten plaatsen de aluminiumsmelterijen naast hernieuwbare energiebronnen, zoals waterkrachtcentrales, in plaats van de elektriciteit op te wekken uit fossiele brandstoffen.

In zijn oplosbare vorm, Al ³⁺ , aluminium is giftig voor planten. Zure bodems hebben de neiging om de afgifte van Al ³⁺ . te versnellen uit zijn mineralen en verlagen de productopbrengsten van deze velden. Aangezien bijna de helft van het bouwland wereldwijd zuur is, kan de negatieve impact van aluminium op de gewasopbrengst ernstig zijn.

Het menselijk lichaam kan ook worden aangetast door aluminium. Gezondheidseffecten van een opeenhoping van aluminium omvatten een verhoogd risico op de ziekte van Alzheimer en sommige vormen van kanker, hoewel niet overtuigend bewezen. Bij hoge concentraties is aluminium een ​​neurotoxine, dat inwerkt op de hersen- en botstructuur. Aluminium wordt aangetroffen in zuurdesem, emulgator en kleurstoffen, evenals in sommige antacidumproducten.

Aluminium toepassingen

Aluminium is een goed afgerond metaal met een lichtgevende afwerking dat geschikt is voor een diverse markt, waaronder verschillende commerciële en huishoudelijke artikelen.

Lucht- en ruimtevaart

De vooruitgang in de lucht- en ruimtevaartindustrie was in hoge mate afhankelijk van de ontwikkeling van aluminiumproducten. Hun combinatie van eigenschappen, vooral het lichte gewicht en de sterkte, heeft de mensheid in staat gesteld voertuigen te ontwikkelen die sterk en licht genoeg zijn om aan de atmosfeer van de aarde te ontsnappen. De gebroeders Wright gebruikten aluminium voor het motorcarter van hun eerste tweedekker met houten frame. Moderne commerciële transportvliegtuigen bestaan ​​voor 80% uit aluminium, vooral te vinden in hun casco's, vooral voor rompen en vleugels. Aluminium wordt veel gebruikt in de ruimtevaartindustrie voor shuttles en constructies op het internationale ruimtestation.

Bouw en architectuur

Elektriciteitsnetten en elektrische transmissielijnen zijn overgegaan op aluminium in plaats van koper als basis. Dit komt door de uitstekende geleidbaarheid en het lichte gewicht voor langere kabellengtes. Aluminiumlegeringen worden ook gebruikt in de constructie om sterke frames te bieden die het aanzienlijke gewicht van grote glasplaten aankunnen. Architecten gebruiken deze eigenschappen veelvuldig in luchthavens en hoogbouw.

Inrichting terrein

Hoewel de meeste inrichtingen (banken, afvalbakken, fietsenrekken en dergelijke) op hun plaats zijn vastgemaakt, zijn verwijderbare bolders een verkeersgeleidend apparaat dat kan worden geplaatst om toegang van voertuigen te voorkomen, of worden verwijderd om dit toe te staan. Aluminium wordt vaak gebruikt voor verwijderbare boldertoepassingen vanwege de lichtheid van het metaal; het is veel gemakkelijker voor evenementenpersoneel om naar binnen of naar buiten te gaan.

Eten en drinken

Ingeblikt voedsel en dranken zijn een andere markt waar aluminium heeft gedomineerd. Aluminium blikjes koelen snel af en bieden een zeer bedrukbaar oppervlak. De hoge mate van recycleerbaarheid maakt aluminium ook een aantrekkelijke match voor deze industrie. Ze beschermen ook de smaak en integriteit van de inhoud die aan de binnenkant is verzegeld dankzij hun bescherming tegen zuurstof, licht en andere verontreinigingen.

Apparaat en technologie

Ook huishoudelijke apparaten hebben geprofiteerd van de eigenschappen van aluminium. De thermische eigenschappen maken het ideaal voor koeltoepassingen, terwijl het lichte gewicht ervoor zorgt dat apparaten gemakkelijk kunnen worden verplaatst en vervoerd. Met de ontwikkeling van de afwerking "geborsteld aluminium" kunnen zeer esthetische producten worden gecreëerd voor de high-end markt. Het technologiebedrijf Apple heeft het voortouw genomen bij het maken van aluminium laptops, die zijn gemaakt van een enkel blok aluminium. Flatscreen-tv's profiteren ook van de lichtgewicht eigenschap van aluminium; een gelijkwaardig staalproduct zou te zwaar zijn om aan de muur te hangen.

Automobiel

Autofabrikanten staan ​​onder meer druk om de ecologische voetafdruk van hun voertuigen te verkleinen. Lichtgewicht aluminium frames, carrosseriepanelen en motoren helpen dit door het brandstofverbruik te verbeteren. Er zijn ook andere milieuvoordelen, aangezien bijna 90% van het auto-aluminiumschroot wordt ingezameld voor recycling.

Aluminium recycling

Het meeste aluminium kan worden gerecycled. Drankblikjes en auto-onderdelen zijn industrieën met een hoog stroomverbruik waar materiaal effectief wordt verzameld en gerecycled. Nadat het gebruikte aluminium is ingezameld, wordt het naar een verwerkingsfaciliteit gebracht, waar het in verschillende kwaliteiten wordt gesorteerd en gereinigd. Het metaal wordt vervolgens omgesmolten om de coatings, inkten en andere onzuiverheden te verwijderen. Tijdens deze fase kunnen zo nodig legeringen worden toegevoegd, waarna het in blokken wordt gegoten. Deze blokken kunnen worden geleverd aan gieterijen waar het wordt gebruikt voor gieten, of worden verplaatst naar andere fabrikanten voor verdere verwerking. Gerecycled aluminium kan binnen zes weken als nieuwe producten op de markt worden gebracht.

Aluminium reiniging en onderhoud

De meeste aluminiumproducten kunnen worden schoongehouden met gewoon water of een milde zeep of reinigingsmiddel. Waar vlekken hardnekkiger zijn, kan terpentijn of een niet-etsende chemische reiniger worden gebruikt. Voor meer reinigingskracht kunnen poetsmiddelen op wasbasis, schurende wassen of schurende reinigingsmiddelen worden gebruikt. Het is belangrijk om aluminium producten na het reinigen te drogen om strepen te voorkomen, en reinigingsresten moeten van randen en voegen worden verwijderd.

Neem contact met ons op voor meer informatie over aluminium of om een ​​offerte aan te vragen voor een project op maat.