Въведение
В ерата на енергийния преход леките конструкции играят централна роля в автомобилния сектор, авиацията и транспорта. Що се отнася до електромобилността, намаляването на теглото със 100 kg може да спести до 0,64 KW/h на 100 km за лек автомобил [1]. Благодарение на високата си специфична якост алуминиевите сплави се причисляват към най-важните групи материали в леките конструкции. Чрез замяната на стоманени компоненти с алуминиеви сплави може да се постигне намаляване на теглото с до 30 % [2].
AlMgSi сплавите са алуминиеви материали с магнезий (0,6 до 1,2 масови %) и силиций (0,4 до 1,3 масови %) като основни легиращи елементи [3]. Те принадлежат към групата на сплавите с утаечно втвърдяване и могат да бъдат допълнително подсилени - например след процес на формоване - чрез специфична термична обработка. Класификация на съответните условия на термична обработка може да се намери в DIN EN 515 [4].
По време на топлинната обработка в материала се образуват фино разпръснати утайки от магнезиев силицид. Те нарушават кристалната решетка на алуминиевата матрица и действат като пречка за движението на дислокациите. Полученият укрепващ ефект обаче силно зависи от морфологията на утайките и тяхната интеграция в алуминиевата матрица (кохерентност). В случая на AlMgSi сплави съществува следният ред на утаяване, представен на фигура 1, който се проявява с увеличаване на температурата [5]:
Фините клъстери и зоните на Гиние-Престон (GP зони1), които се образуват първи, не водят до значително укрепване на материала. Благодарение на кохерентната иглообразна β" фаза, която се развива впоследствие, системата на сплавта достига максимална якост. След това се развива пръчковидната полукохерентна фаза β'. Впоследствие тя преминава в равновесната фаза β (Mg2Si), която води до крехкост на сплавта поради размера си (100 nm и повече) и некохерентността си. [5]
зоните на1 Гуиние-Престонсе образуват в метална сплав чрез процеси на сегрегация, при които - над определени температури - атомите на легиращия елемент се събират, за да образуват агломерати на атомно ниво до микроскопични утайки.
Анализ на морфологията на утайката с помощта на диференциална сканираща калориметрия
Образуването и разтварянето на утайките представляват екзо- или ендотермични процеси, които водят до поглъщане или отделяне на топлина. С помощта на диференциалната сканираща калориметрия (ДСК) тези топлини на реакция могат да се регистрират като функция на температурата. По време на DSC измерванията тигел с проба и референтен тигел, който обикновено е празен, се подлагат на определена програма за време и температура в симетрично проектирана температурна камера. Тигелът служи за избягване на замърсяването на измервателната клетка с анализирания материал. По време на експеримента температурата на пробата и на еталонния тигел се измерва с помощта на термодвойки. Благодарение на симетричното разположение на страните на пробата и еталона и на определения термомост между тях може да се определи топлинният поток или реакционната енталпия. По този начин, от една страна, DSC позволява да се определят температурите, необходими за образуването на фазите на утайката, а от друга, позволява да се направят заключения за съществуващото състояние на микроструктурата въз основа на измерените трансформационни енталпии.
Металните материали обикновено се характеризират във високотемпературни диференциални сканиращи калориметри (над 750 °C) за определяне на температурите им на топене. Въпреки това, в зависимост от материала или ефекта, който трябва да се анализира, подходящи могат да бъдат и нискотемпературни устройства.
Благодарение на използваните термодвойки - обикновено тип Е - нискотемпературните устройства се характеризират със значително по-висока чувствителност към топлинния поток в съответния измервателен диапазон, отколкото високотемпературното оборудване - например с термодвойки тип S. Според DIN EN 60584-1 [7] тип Е се характеризира с приблизително осем пъти по-високо термично диференциално напрежение на келвин при 300°C в сравнение с елемент тип S. Това прави нискотемпературните устройства подходящи особено за анализ на small термични ефекти.
На фигура 2 е показана диаграма на температурно-топлинния поток от 30°C до 450°C на непълно закален образец от AlMgSi, подобен на състояние Т42 , използвано при формоване. Измерването е извършено в атмосфера N2 при скорост на нагряване 10 K/min и използване на алуминиеви тигли Concavus®. Поради температурния обхват на изследването от 30 °C до 560 °C и пасивиращия слой на образеца и тигела може да се приеме, че между тях не протича реакция. За еталон е избран празен тигел. На базата на полуготова ламарина с дебелина 1,0 mm образците бяха подготвени в цилиндрични дискове чрез процес на рязане и последващо шлифоване. Въз основа на очакваните относително small еталпии на трансформация от няколко J/g, беше избрано сравнително large начално тегло от 25 mg ± 0,5 mg. За статистическа сигурност всички измервания бяха извършени три пъти.
2 Състояние T4: обработено с разтвор, закалено и естествено отлежало в съответствие с DIN EN 515 [3]
Слой за пасивиране
Пасивирането е образуването на своеобразен "защитен филм" върху повърхността на някои метали. Той противодейства на корозията и се предизвиква от същите елементи, които предизвикват корозия. Пасивиращият слой трябва да има висока плътност и ниска порьозност. В същото време, за да се постигне висока съвместимост, слоят трябва да бъде много тънък и хомогенно разпределен по повърхността на метала.
Нискотемпературният DSC NETZSCH разполага с изключително прецизен измервателен сензор (точност на енталпията < 1 % за индий) и - в зависимост от използваната охладителна система - позволява измервания до 750°C (според модела) и скорости на нагряване и охлаждане между 200 и 500 K/min (според модула). Освен това той е оборудван с газонепроницаема измервателна клетка, която позволява свързване с инфрачервен спектрометър с преобразуване на Фурие (FT-IR) или масспектрометър (MS), както и настройване на определени атмосфери.
При първия ендотермичен ефект от приблизително 150 °C до 240 °C се разтварят small клъстери и GP зони, които присъстват в микроструктурата и действат като ядра (фиг. 2). Освен това продължават да нарастват по-големи утайки. Над критичния размер на зародиша от около 240°C до 340°C настъпва екзотермична реакция; това се дължи на образуването на кохерентна β' и полукохерентна β" фаза. Въз основа на измерването не може да се извърши пряко разграничаване на калоричните сигнали. Както Fang et al. [8], така и Gaber et al. [6] документират припокриване на двата пика на утаяване, зависещи от съотношението между Mg и Si, което също не позволява разделянето на калоричните ефекти там. Точният състав на изследваните тук сплави не е известен, така че не могат да се направят допълнителни заключения. Приблизително от 410 °C се образува некохерентната β фаза. Непосредствено след това (от около 500°C) тези утайки се разтварят отново, което обяснява последния ендотермичен ефект.
На фигура 3 е представено влиянието на предшестващата половинчасова термична обработка при 180°C, както и при 220°C в сравнение с началното състояние. Топлинната обработка е реализирана в DSC - в предишен програмен раздел, който не е показан тук. Диаграмата показва последващо нагряване до 560°C. Обработката в продължение на 30 минути при 180°C води до намаляване на ендотермичния пик при приблизително 220°C. В сравнение с началното състояние средната енталпия намалява от 1,98 ± 0,19 J/g до 1,77 ± 0,09 J/g (фигура 4 а). Освен това площта на пика на екзотермичното утаяване на фазата β' und β" при приблизително 270°C също леко намалява от -5,88 ± 0,26 J/g до -5,07 ± 0,34 J/g (фигура 4б). Може да се предположи, че и двете реакции, т.е. разтварянето на подкритичните клъстерни и GP зони заедно с образуването на β' или β" фаза, са протекли в малка степен по време на предходната термична обработка при 180°C.
Повишаването на температурата до 220°C при същото време на задържане засилва ефекта. Както е показано на фигури 4а) и 4б), както пикът на ендотермичното разтваряне, така и екзотермичното образуване на утайка значително намаляват до стойности съответно 0,84 ± 0,09 J/g и -1,26 ± 0,22 J/g. В заключение може да се каже, че в микроструктурата вече присъства large дял на β' или β" фази. Степента, в която останалият потенциал за утаяване допринася за увеличаване на якостта на материала, или степента, в която температурната програма може да бъде оптимизирана, трябва да се определи, като се използват и механични изпитвания, като например изпитвания на опън. Важна подробност е, че и при двете температурни обработки реакционната енталпия на растежа на β-фазата (екзотермичен ефект при около 410 °C) и последващото ендотермично разтваряне на утайките не се променят съществено (вж. фигура 3).
Резюме
AlMgSi сплавите са алуминиеви материали, които могат да бъдат подсилени чрез температурно-индуцирано образуване на утайки. Образуването и разтварянето на фино диспергираните утайки от магнезиев силицид по този начин представляват екзо- и ендотермични ефекти в едноцифрения диапазон J/g. Нискотемпературните диференциални калориметри обикновено се използват за анализ на вещества с ниска степен на топене, като например полимери, и особено се отличават с висока чувствителност към топлинния поток. С помощта на нискотемпературния DSC тези ефекти могат да бъдат точно определени количествено. Въз основа на сравнителни измервания могат да се направят заключения относно температурите на образуване и получената морфология. Наред с фундаменталния анализ на протичащите механизми могат да се проектират оптимизирани за енергийна и якостна термична обработка схеми в комбинация с други методи за изпитване, като например едноосни изпитвания на опън.