Aluminium

Aluminium er det næstmest udnyttede metal på jorden. Det overgås på dette punkt af jern. Den meget udbredte anvendelse af aluminium skyldes ikke tradition, tværtimod har metallet en meget kort historie. Det blev første gang påvist i 1808, men først i 1825 lykkedes det for I-I.C. Ørsted at fremstille en lille klump rent aluminium. En egentlig produktion af aluminium kom i gang i 1855, hvor man hurtigt fik prisen ned omkring 300,- kr. pr. kg ved en produktion på 2 kg om dagen. En række 'fremsynede industrifolk og politikere så store muligheder for anvendelse af dette nye metal, men det var ikke muligt at fremstille det i så store mængder og til så lav pris, så det kunne anvendes teknisk. Som eksempler på tidligere anvendelser kan nævnes tallerkner og smykker, som blev anset for særligt fornemme. Omkring 1885 var prisen omtrent blevet halveret, men det kneb stadig med at fremstille aluminium i større mængder. Indtil dette tidspunkt var fremstillingen sket med forskellige kemiske metoder. I 1886 nåede aluminium fremstillingen et vendepunkt. Amerikaneren Martin Hall og franskmanden Paul Lois Héroult, som på det tidspunkt begge kun var 22 år, opdagede uafhængigt af hinanden den proces, som stadig er grundlaget for aluminium udvinding, og som til daglig betegnes Hall-Héroult processen. Den er beskrevet lidt senere i dette kompendium. Straks efter opfindelsen, faldt prisen fra ca. 100,- kr. pr. kg til Ca. 25,- kr. pr. kg, og den er vel i dag på ca. det halve af dette beløb. Gennem det århundrede, Hall-Héroult processen har eksisteret, er produktionen af aluminium steget konstant og der er fundet stadig flere anvendelsesområder. Den store udbredelse skyldes, at aluminium har stor styrke, lav vægt, stor termisk og elektrisk ledningsevne, god formbarhed, er energibesparende, korrosionsbestandig og har en smuk overflade. Disse egenskaber kan alle genfindes i andre materialer, men aluminium er det eneste materiale, der besidder dem alle.

Første trin er varmvalsning, hvor slabs ved en passende høj temperatur køres gennem et sæt valser, hvorved tværsnittet formindskes og støbestrukturen nedbrydes. Varm-valsning kan være eneste procestrin, men som regel afsluttes med en koldvalsning, fordi det giver en pænere overflade med finere tolerancer. Valsning bruges ved fremstilling af folie og plader fra 0,05 mm til 100 mm tykkelse samt til simple profiler.

Ved smedning presses eller hamres emnet til den ønskede geometri mellem to sænker, der tilsammen danner en form med den ønskede geometri. Smedning sker næsten altid varmt.

Dette er den ældste og simpleste metode til fremstilling af aluminium emner. Det smeltede metal hældes i forme med den ønskede geometri. Ved sandstøbning kan fremstilles emner på 1000 kg eller mere, ved kokillestøbning på Ca. 150 kg og ved trykstøbning ca. 50 kg.

Ved denne proces trykkes det opvarmede metal gennem en dyse omtrent som når man klemmer tandpasta ud af en tube. Dysens tværsnit bestemmer geometrien på det fremstillede profil. Ekstrudering er den mest udbredte metode til fremstilling af de tusinder af profilformer, som anvendes indenfor byggeri (bærende konstruktioner, vinduesrammer o.s.v.), møbelindustri, flyindustri, elektronik og mange andre steder. Ekstruderingen efterfølges som regel af en lille strækning af profilerne, som både gør dem rette og giver et bidrag til de mekaniske egenskaber. Ekstuderingsanlæg er ofte sammenbygget med anlæg til varmebehandling og overfladebehandling.

Aluminiumlegeringerne, har et beskrivende navn, som angiver den nominelle analyse af materialet. AlMg3 har således en nominel sammensætning på 3% Mg og rest Al. Der kan dog være flere Iegeringselementer end angivet i navnet, f.eks. indeholder A1Mg2,5 2,5% Mg og 0,25% Cr. Navnet angiver heller ikke noget om det tilladte indhold af urenheder. Efter legeringsnavnet følger en tilstandsbetegnelse:

En fuldstændig oversigt over de tyske normerede smede- og valselegeringer findes i DIN 1725. De fuldstændige betegnelser med både legeringsangivelse og tilstand må søges i normerne for halvfabrikata (plader, profiler o.s.v.), hvor man tillige finder oplysninger om styrkeegenskaberne. I 1000 serien (ren aluminium) angiver de to sidste cifre renhedsgraden. F.eks. indeholder type 1200 mindst 99,00% al, mens type 1235 indeholder mindst 99,35% Al. I de øvrige serier har de to sidste cifre ingen systematisk betydning; de udgør blot et lebennmmer, som fortæller hvilken legeringstype, der er tale om. Ciffer nummer to fortæller, hvor mange gange legeringstypen er blevet modificeret uden man har opnået en helt ny type. Det vil typisk være indsnævringer i toleranceområde, der er tale om. Som eksempel kan nævnes forskellen på 2024, 2124, 2224 og 2324:

• Si Fe Cu
• 2024 max 0.50 max 0.50 3.8 - 4.9
• 2124 max 0.20 max 0.30 3.8 - 4.9
• 2224 max 0.12 max 0.15 3.8 - 4.4
• 2324 max 0.10 max 0.12 3.8 - 4.4

Alle legeringerne indeholder desuden Mn og Mg. Efter legeringsbetegnelsen følger en tilstandsbetegnelse (engelsk: Temper Designation), som altid starter med et bogstav. De grundlæggende betegnelser er:

F Fremstillingstilstand, hvor der ikke har været særlig kontrol med varmebehandling og deformation.

O Udglødet til den lavest mulige styrke for den pågældende legering.

H Deformationshærdet. Bruges om produkter, som har fået forøget styrken ved en koldvalsning med eller uden en supplerende varmebehandling. H'et efterfølges altid af 2 eller flere cifre.

W Opløsningsglødet. Dette er en ustabil tilstand, som er beskrevet nærmere i afsnittet om varmebehandling.

T Varmebehandlet til andre stabile tilstande end F, O og H. Bruges om produkter, som har fået forøget styrken ved en varmebehandling med eller uden supplerende deformation T'et efterfølges altid af et eller flere cifre.

De ikke hærdbare legeringer udglødes sædvanligvis omkring 350 BC, hvor der sker en rekrystalisation på ganske kort tid. Holdetiden bør derfor være så kort som mulig, når temperaturen er nået. Den delvise udglødning til et bestemt styrkeniveau, som er omtalt andre steder, kræver meget nøje kontrol over temperaturforløbet. Den bliver normalt kun udført på aluminiumværker i forbindelse med fremstillingen af halvfabrikata. De hærdbare legeringer blødglødes som regel ved lidt højere temperatur, omkring 400 °C. Ved denne varmebehandling sker der to processer. Dels rekrystalliserer matrix, hvis materialet har været udsat for kolddeformation, og dels samler de små udskilte partikler, som er skyld i hærdningen, sig til store partikler, som ikke giver noget styrkebidrag. Denne omfordeling af partikler sker ved diffusion, som er en langsom proces. Derfor skal disse materialer holdes ved glødetemperaturen i 2- 3 timer.

Hærdning af aluminiumlegeringer foregår i to trin. Første trin er en opløsningsglødning, hvor alle legeringselementer bringes i opløsning i aluminiumstrukturen, og en bratkøling. Efter dette trin er materialet meget blødt. Opløsningsglødningen foretages i nogle tilfælde sammen med ekstrudering eller valsning. Hvor det gøres, er der bygget bratkøleudstyr sammen med formgivningsmaskinen. Andet trin er en modning, som enten sker ved stuetemperatur. Ved modningen sker der en udskillelse af små partikler, som øger styrken. Denne udskillelse kræver diffusion og tager derfor nogen tid. Efterhånden som der dannes flere og flere partikler ages styrken, indtil alle legeringselementer er brugt. Udvikles ved naturlig modning af AlMgSi1 efter DIN 1725. Man kan altså først regne med at have de normerede styrkeværdier til rådighed nogle dage efter varmebehandlingen. Modningsprocessen kan fremskyndes væsentligt ved at gå over til kunstig modning. De hærdbare legeringer findes indenfor kun 3 legeringsgrupper, nemlig Al-Cu, AlMg-Si og Al-Zn. Det bemærkes, at Al-Mg og A1Si legeringer ikke er hærdbare, mens Al-Mg-Si kan hærdes. Ved aluminiums hærdning kræves der meget nøje kontrol med temperaturen, især ved opløsningsglødning. Hvis temperaturen bliver for høj kan der ske en eutektisk smeltning, hvorved materialet ødelægges. Hvis glødetemperaturen er for lav er det ikke alle legeringselementerne, der bliver oplast, og styrken bliver derfor for lav. Som eksempel kan det nævnes, at AA 2024 skal opløsningsglødes ved 488-499 °C. Ved 504 °C kan der ske smeltning, og hvis temperaturen har været 488 °C bliver styrken 5% lavere, end hvis glødningen var sket ved 499 °C.

Svejsning af aluminium er ikke sværere end svejsning af stål, men det er anderledes. Forskellene skyldes for det første, at aluminium har meget større varmeledningsevne end stål, og derfor har mange svejsere haft svært ved at "få varme" på emnet. For det andet er aluminium dækket af et oxydlag, som først smelter ved 2083 °C. Denne oxydhinde forhindrer effektivt, at smeltebadet i grundmaterialet og det smeltede tilsatsmateriale kommer i forbindelse med hinanden. Resultatet bliver omfattende bindingsfejl. For det tredje er det almindeligt, at der anvendes forskellige aluminiumlegeringer, som kræver forskellige tilsatsmaterialer for at undgå revner. For det fjerde må man ikke påregne at opnå svejsninger med samme egenskaber som grundmaterialet. Både den varmepåvirkede zone og svejsemetallet kan have meget afvigende egenskaber. I det følgende vil vi se nærmere på, hvordan disse problemer løses i praksis ved manuel svejsning. Problemet med at tilføre tilstrækkelig meget varme har i mange år været forsøgt løst ved at forvarme emnerne, helst til 2-300 °C, hvis det var muligt. Denne metode har dog aldrig været velegnet til større emner, da de jo også "løber med forvarmen". I dag må det derfor frarådes at bruge forvarme og i stedet anvende en koncentreret varmetilførsel ved svejsestedet. Det kan gøres ved TIG- og MIG-svejsning. Ved små godstykkelser kan der anvendes argon som beskyttelsesgas. Ved større godstykkelser kan der tilsættes op til 70% helium, som øger lysbuespændingen og varmetilførslen. Ulempen er, især ved TIG-svejsning, at der også udvikles mere varme på svjsebrænderen. Dette kan dog stort set kompenseres på moderne svejsemaskiner med syntetisk vekselstrøm og balanceknap. Der henvises i øvrigt til lærebøger om TIG- og MIG-svejsning. Oxydhinden kan fjernes på to måder: kemisk eller elektrisk. Den kemiske metode indebærer brug af forskellige flusmidler, som er meget aggressive og derfor kan give alvorlige korrosionsskader. Det må derfor frarådes, at bruge flusmidler, d.v.s. svejsning med gas eller beklædte elektroder frarådes. Tilbage bliver TIG- og MIG-svejsning, hvor oxydlaget brydes i lysbuen, når emnet er koblet til svejsemaskinens negative pol. Dette er den normale poling ved MIG-svejsning, som derfor kan benyttes uden videre. Det er imidlertid omvendt polaritet ved TIG-svejsning, hvor det vil give meget stor varmeudvikling på wolframelektroden. TIG-vejsning af aluminium udføres derfor normalt med vekselstrøm, 11vor man opnår en god rensning i den negative periode. Med balanceknappen på de moderne TIG-svejsemaskiner kan den negative periode begrænses til 20-25% af tiden i modsætning til de sædvanlige 50%. Det giver en tilstrækkelig rensning samtidig med at emnet tilføres mere varme, se ovenfor. Valg af tilsatsmateriale foretages ud fra to hovedkriterier. Dels skal svejsningen opnå styrkemæssige egenskaber, som er på linje med grundmaterialets, og dels må der ikke være revner i svejsningen. I praksis er det ofte umuligt at opfylde begge disse krav; man må så slække på styrkekravene. Revneproblemerne er størst i legeringer med relativt små indhold af et eller flere af legeringselementerne Si, Cu eller Mg. Man må så vælge overlegerede tilsatsmaterialer, som selv efter fortynding med grundmateriale er revnesikre. Et af de almindeligste problemer ved aluminiumsvejsning er porer. De skyldes som regel, at emnerne ikke har været tilstrækkeligt afrenset før svejsning. Det er derfor meget vigtigt, at emnerne er metallisk rene før svejsning. Først skal de affedtes omhyggeligt og så skal de mekanisk renses. Den mekaniske rensning kan være fjernelse af en tynd spån med rasp el. lign. eller det kan være en glasperleblæsning. Der vil ganske vist straks dannes en ny hinde af aluminiumoxyd, men den vil være ganske tynd og den vil ikke indeholde vand eller fedt, som er den egentlige årsag til porerne.