Introduktion
I energiomstillingens tidsalder spiller letvægtskonstruktioner en central rolle i bilindustrien, luftfarten og transportsektoren. Med hensyn til elektromobilitet kan en vægtreduktion på 100 kg spare op til 0,64 KW/h pr. 100 km for en personbil [1]. På grund af deres høje specifikke styrke er aluminiumslegeringer blandt de vigtigste materialegrupper i strukturelt letvægtsdesign. Der kan opnås vægtbesparelser på op til 30 % ved at erstatte stålkomponenter med aluminiumslegeringer [2].
AlMgSi-legeringer er aluminiumsmaterialer med magnesium (0,6 til 1,2 masseprocent) og silicium (0,4 til 1,3 masseprocent) som de vigtigste legeringselementer [3]. De tilhører gruppen af udfældningshærdende legeringer og kan styrkes yderligere - for eksempel efter en formningsproces - ved en specifik varmebehandling. En klassificering af de relevante varmebehandlingsbetingelser findes i DIN EN 515 [4].
Under varmebehandlingen dannes der fint spredte magnesiumsilicidudfældninger i materialet. Disse forvrænger krystalgitteret i aluminiumsmatrixen og fungerer som en hindring for dislokationsbevægelse. Den resulterende forstærkningseffekt er dog stærkt afhængig af udfældningernes morfologi og deres integration i aluminiumsmatricen (kohærens). I tilfælde af AlMgSi-legeringer findes følgende udfældningsrækkefølge, præsenteret i figur 1, der forekommer med stigende temperatur [5]:
De fine klynger og Guinier-Preston-zoner (GP-zoner1), der dannes først, fører ikke til nogen væsentlig materialeforstærkning. På grund af den sammenhængende nåleformede β"-fase, der udvikler sig efterfølgende, når legeringssystemet maksimal styrke. Derefter udvikles den stavformede semikohærente β'-fase. Denne overgår efterfølgende til ligevægts β-fasen (Mg2Si), hvilket fører til skørhed i legeringen på grund af dens størrelse (100 nm og mere) og inkohærens. [5]
1Guinier-Preston-zonerdannes i en metallegering ved segregeringsprocesser, hvor - over specifikke temperaturer - atomerne i et legeringselement samles for at danne agglomerater på atomart niveau op til mikroskopiske udfældninger.
Analyse af bundfaldets morfologi ved hjælp af Differental Scanning Calorimetry
Dannelsen og opløsningen af udfældninger er ekso- eller endotermiske processer, der fører til varmeabsorption eller -afgivelse. Ved hjælp af differentialscanningskalorimetri (DSC) kan disse reaktionsvarmer registreres som en funktion af temperaturen. Under DSC-målinger udsættes en digel med en prøve og en referencedigel, der normalt er tom, for et defineret tids- og temperaturprogram i et symmetrisk udformet temperaturkammer. Smeltediglen tjener til at undgå forurening af målecellen med det materiale, der analyseres. Under forsøget måles både prøvens og referencens temperatur ved hjælp af termoelementer. På grund af det symmetriske arrangement af prøve- og referencesiden og en defineret termisk bro imellem, kan varmestrømmen eller reaktionsenthalpien bestemmes. På den ene side giver DSC således mulighed for at bestemme de temperaturer, der er nødvendige for dannelsen af udfældningsfaserne, og på den anden side giver det mulighed for at drage konklusioner om den eksisterende mikrostrukturtilstand baseret på de målte omdannelsesentalpier.
Metalliske materialer karakteriseres normalt i højtemperatur-differentialscanningskalorimetre (over 750 °C) for at påvise deres smeltetemperaturer. Afhængigt af materialet eller den effekt, der skal analyseres, kan lavtemperaturapparater dog også være velegnede.
På grund af termoelementerne - normalt type E - er lavtemperaturudstyr kendetegnet ved en betydeligt højere varmestrømsfølsomhed i det respektive måleområde end højtemperaturudstyr - f.eks. med type S-termoelementer. I henhold til DIN EN 60584-1 [7] har type E cirka otte gange den termiske differentialspænding pr. kelvin ved 300 °C som et type S-element. Dette gør lavtemperatur-enheder velegnede, især til at analysere small termiske effekter.
Figur 2 viser et temperatur-varmeflowdiagram fra 30 °C til 450 °C for en ufuldstændigt hærdet AlMgSi-prøve, der svarer til en T4-tilstand2, som bruges i formningsoperationer. Målingen blev udført under en N2-atmosfære med en opvarmningshastighed på 10 K/min og ved hjælp af Concavus® aluminiumdigler. På grund af undersøgelsens temperaturområde fra 30 °C til 560 °C og passiveringslaget på både prøven og diglen kan det antages, at der ikke sker nogen reaktion mellem de to. En tom digel blev valgt som reference. På basis af et halvfærdigt ark med en tykkelse på 1,0 mm blev prøverne fremstillet til cylindriske skiver ved en proces med skæring og efterfølgende slibning. Baseret på de forventede relativt small omdannelsesenthalpier på nogle få J/g blev der valgt en forholdsvis large startvægt på 25 mg ± 0,5 mg. Af hensyn til den statistiske sikkerhed blev alle målinger udført tre gange.
2 T4-tilstand: opløsningsbehandlet, afkølet og naturligt ældet i overensstemmelse med DIN EN 515 [3]
Passiveringslag
Passivering er dannelsen af en slags "beskyttende film" på overfladen af visse metaller. Den modvirker korrosion og frembringes af de samme elementer, som udløser korrosion. Passiveringslaget skal have høj densitet og lav porøsitet. Samtidig skal laget være meget tyndt og homogent fordelt over metaloverfladen for at opnå høj kompatabilitet.
NETZSCH DSC med lav temperatur har en meget præcis målesensor (entalpi-præcision < 1 % for indium) og giver - afhængigt af det anvendte kølesystem - mulighed for målinger op til 750 °C (alt efter model) og for opvarmnings- og afkølingshastigheder mellem 200 og 500 K/min (alt efter modul). Den er desuden udstyret med en gastæt målecelle, der giver mulighed for kobling til et Fourier Transform Infrared Spectrometer (FT-IR) eller et massespektrometer (MS) samt indstilling af definerede atmosfærer.
I den første endotermiske effekt fra ca. 150 °C til 240 °C opløses small klynger og GP-zoner, der er til stede i mikrostrukturen og fungerer som kerner (fig. 2). Desuden fortsætter større udfældninger med at vokse. Over en kritisk kernestørrelse sker der en EksotermEn prøveovergang eller en reaktion er eksoterm, hvis der udvikles varme.eksoterm reaktion fra ca. 240 °C til 340 °C; dette kan tilskrives dannelsen af den sammenhængende β'- og semikoherente β"-fase. Direkte differentiering af de kaloriske signaler kan ikke udføres på grundlag af målingen. Både Fang et al. [8] og Gaber et al. [6] dokumenterer en overlapning af de to udfældningstoppe, der afhænger af forholdet mellem Mg og Si, hvilket også forhindrer adskillelse af de kaloriske effekter der. Den nøjagtige sammensætning af de legeringer, der er undersøgt her, er ikke kendt, så der kan ikke drages yderligere konklusioner. Fra ca. 410 °C dannes den usammenhængende β-fase. Umiddelbart efter dette (fra ca. 500 °C) opløses disse udfældninger igen, hvilket forklarer den sidste endotermiske effekt.
Figur 3 viser indflydelsen af en forudgående halv times varmebehandling ved 180 °C og 220 °C i forhold til udgangstilstanden. Varmebehandlingen blev udført i DSC'en - i et tidligere programafsnit, der ikke vises her. Diagrammet viser efterfølgende opvarmning til 560 °C. Behandling i 30 minutter ved 180 °C har en tendens til at reducere den endotermiske top ved ca. 220 °C. Sammenlignet med den oprindelige tilstand falder den gennemsnitlige entalpi fra 1,98 ± 0,19 J/g til 1,77 ± 0,09 J/g (figur 4 a). Desuden falder toparealet for den eksoterme udfældning af β'- og β"-fasen ved ca. 270 °C også en smule fra -5,88 ± 0,26 J/g til -5,07 ± 0,34 J/g (figur 4 b). Det kan antages, at begge reaktioner, dvs. opløsningen af subkritiske klynger og GP-zoner sammen med dannelsen af β'- eller β"-fasen, har fundet sted i mindre omfang under den forudgående varmebehandling ved 180 °C.
Når temperaturen øges til 220 °C med samme holdetid, forstærkes effekten. Som vist i figur 4a) og 4b) reduceres både den endotermiske opløsningstop og den eksotermiske bundfaldsdannelse betydeligt til værdier på henholdsvis 0,84 ± 0,09 J/g og -1,26 ± 0,22 J/g. Konklusionen er, at en large andel af β'- eller β"-faser allerede er til stede i mikrostrukturen. I hvilket omfang det resterende udfældningspotentiale bidrager til materialets øgede styrke, eller i hvilket omfang temperaturprogrammet kan optimeres, bør bestemmes ved hjælp af mekanisk testning som f.eks. trækprøvning. En vigtig detalje er, at ved begge temperaturbehandlinger ændres reaktionsentalpien for væksten af β-fasen (EksotermEn prøveovergang eller en reaktion er eksoterm, hvis der udvikles varme.eksoterm effekt ved ca. 410 °C) og den efterfølgende endotermiske opløsning af udfældningerne ikke væsentligt (se figur 3).
Sammenfatning
AlMgSi-legeringer er aluminiumsmaterialer, som kan forstærkes ved temperaturinduceret udfældningsdannelse. Dannelsen og opløsningen af de fint spredte magnesiumsilicidudfældninger udgør derved exo- og endotermiske effekter i det encifrede J/g-område. Lavtemperatur-differentialkalorimetre anvendes normalt til analyse af lavsmeltende stoffer, som f.eks. polymerer, og har især en høj varmestrømningsfølsomhed. Ved hjælp af DSC ved lav temperatur kan disse effekter kvantificeres præcist. Baseret på sammenlignende målinger kan der drages konklusioner om dannelsestemperaturerne og den resulterende morfologi. Sammen med den grundlæggende analyse af de mekanismer, der finder sted, kan både energi- og styrkeoptimerede varmebehandlingslayouts designes i kombination med andre testmetoder, som f.eks. enaksial trækprøvning.