Johdanto
Energiamurroksen aikakaudella kevytrakenteilla on keskeinen rooli autoteollisuudessa, ilmailussa ja liikenteessä. Sähköisen liikkuvuuden osalta 100 kg:n painonpudotuksella voidaan säästää henkilöautossa jopa 0,64 KW/h 100 km:llä [1]. Alumiiniseokset ovat korkean ominaislujuutensa vuoksi tärkeimpiä materiaaliryhmiä rakenteellisessa kevytsuunnittelussa. Painoa voidaan säästää jopa 30 prosenttia korvaamalla teräskomponentit alumiiniseoksilla [2].
AlMgSi-seokset ovat alumiinimateriaaleja, joissa magnesium (0,6-1,2 massaprosenttia) ja pii (0,4-1,3 massaprosenttia) ovat pääasiallisia seosaineita [3]. Ne kuuluvat saostuskovettuvien seosten ryhmään, ja niitä voidaan lujittaa edelleen - esimerkiksi muokkausprosessin jälkeen - erityisellä lämpökäsittelyllä. Asianmukaisten lämpökäsittelyolosuhteiden luokittelu on esitetty standardissa DIN EN 515 [4].
Lämpökäsittelyn aikana materiaaliin muodostuu hienojakoisia magnesiumsilisidisaostumia. Ne vääristävät alumiinimatriisin kideristikkoa ja estävät sijoiltaanmenoa. Tuloksena oleva lujittumisvaikutus riippuu kuitenkin suuresti saostumien morfologiasta ja niiden integroitumisesta alumiinimatriisiin (koherenssi). AlMgSi-seosten tapauksessa esiintyy seuraava saostumisjärjestys, joka on esitetty kuvassa 1, ja se tapahtuu lämpötilan noustessa [5]:
Ensimmäisenä muodostuvat hienot klusterit ja Guinier-Prestonin vyöhykkeet (GP-vyöhykkeet1) eivät johda merkittävään materiaalin lujittumiseen. Myöhemmin kehittyvän koherentin neulamaisen β"-faasin ansiosta seosjärjestelmä saavuttaa maksimilujuuden. Sen jälkeen kehittyy sauvamainen puolikoherentti β'-faasi. Tämä siirtyy sittemmin tasapainoiseen β-faasiin (Mg2Si), joka johtaa seoksen haurastumiseen sen koon (100 nm ja enemmän) ja epäyhtenäisyyden vuoksi. [5]
1Guinier-Preston-vyöhykkeetmuodostuvat metalliseokseen segregaatioprosesseista, joissa - tiettyjen lämpötilojen yläpuolella - seosaineen atomit kokoontuvat muodostamaan agglomeraatteja atomitasolla aina mikroskooppisiin saostumiin asti.
Saostumismorfologian analysointi Differentaalisen pyyhkäisykalorimetrian avulla
Saostumien muodostuminen ja liukeneminen ovat ekso- tai endotermisiä prosesseja, jotka johtavat lämmön imeytymiseen tai vapautumiseen. Differentiaalisen pyyhkäisykalorimetrian (DSC) avulla nämä reaktiolämmöt voidaan kirjata lämpötilan funktiona. DSC-mittauksissa näytettä sisältävään upokkaaseen ja yleensä tyhjään vertailuupokkaaseen kohdistetaan määritetty aika-lämpötilaohjelma symmetrisesti suunnitellussa lämpötilakammiossa. Upokas estää analysoitavan materiaalin kontaminaation mittauskennossa. Kokeen aikana sekä näytteen että referenssiastian lämpötila mitataan termopareilla. Näyte- ja vertailupuolen symmetrisen sijoittelun ja niiden välissä olevan määritellyn lämpösillan ansiosta voidaan määrittää lämpövirta tai reaktioentalpia. Näin ollen DSC:n avulla voidaan toisaalta määrittää saostumisfaasien muodostumiseen vaadittavat lämpötilat ja toisaalta tehdä johtopäätöksiä olemassa olevasta mikrorakenteen tilasta mitattujen muutosentalpioiden perusteella.
Metallimateriaaleja karakterisoidaan yleensä korkean lämpötilan (yli 750 °C:n) differentiaalipyyhkäisykalorimetreillä niiden sulamislämpötilojen määrittämiseksi. Materiaalista tai analysoitavasta vaikutuksesta riippuen myös matalan lämpötilan laitteet voivat kuitenkin olla sopivia.
Matalan lämpötilan laitteille on ominaista lämpöparien - yleensä E-tyypin - ansiosta huomattavasti suurempi lämpövirtaherkkyys kyseisellä mittausalueella kuin korkean lämpötilan laitteille, joissa käytetään esimerkiksi S-tyypin lämpöpareja. DIN EN 60584-1:n [7] mukaan E-tyypin lämpöparilla on 300 °C:n lämpötilassa noin kahdeksan kertaa suurempi lämpöerojännite kelviniä kohti kuin S-tyypin elementillä. Tämän vuoksi matalalämpötilalaitteet soveltuvat hyvin erityisesti small lämpövaikutusten analysointiin.
Kuvassa 2 esitetään lämpötilalämpövirtakaavio 30 °C:sta 450 °C:seen epätäydellisesti karkaistusta AlMgSi-näytteestä, joka on samanlainen kuin T4-tila2, jota käytetään muokkaustoiminnoissa. Mittaus suoritettiin N2-ilmakehässä lämmitysnopeudella 10 K/min ja käyttäen Concavus® alumiinisia upokkaita. Koska tutkittavan lämpötilan vaihteluväli oli 30 °C:sta 560 °C:seen ja koska sekä näyte että upokas olivat passivointikerroksessa, voidaan olettaa, että näiden kahden välillä ei tapahdu reaktiota. Vertailukappaleeksi valittiin tyhjä upokas. Näytteet valmistettiin 1,0 mm:n paksuisesta puolivalmiista levystä lieriömäisiksi levyiksi leikkaamalla ja hiomalla. Odotettujen suhteellisen small muutamien J/g:n muutosentalpioiden perusteella valittiin suhteellisen large alkupainoksi 25 mg ± 0,5 mg. Tilastollisen varmuuden vuoksi kaikki mittaukset tehtiin kolme kertaa.
2 T4-tila: liuoksella käsitelty, sammutettu ja luonnollisesti vanhennettu DIN EN 515 [3] mukaisesti
Passivointikerros
Passivointi on eräänlaisen "suojakalvon" muodostumista tiettyjen metallien pinnalle. Se ehkäisee korroosiota, ja sitä synnyttävät samat elementit, jotka aiheuttavat korroosiota. Passivointikerroksen tiheyden ja huokoisuuden on oltava suuri. Samanaikaisesti, jotta yhteensopivuus olisi hyvä, kerroksen on oltava hyvin ohut ja tasaisesti jakautunut metallipinnalle.
NETZSCH matalan lämpötilan DSC-analysaattorissa on erittäin tarkka mittausanturi (entalpiatarkkuus < 1 % indiumille), ja se mahdollistaa mittaukset 750 °C:seen asti (mallin mukaan) ja lämmitys- ja jäähdytysnopeudet 200-500 K/min (moduulin mukaan). Laite on lisäksi varustettu kaasutiiviillä mittauskennolla, joka mahdollistaa kytkennän Fourier-muunnosinfrapunaspektrometriin (FT-IR) tai massaspektrometriin (MS) sekä määriteltyjen ilmakehien asettamisen.
Ensimmäisessä endotermisessä vaikutuksessa noin 150 °C:sta 240 °C:een mikrorakenteessa olevat ja ytiminä toimivat small klusterit ja GP-vyöhykkeet liukenevat (kuva 2). Lisäksi suuremmat saostumat jatkavat kasvuaan. Kriittisen nukleaatiokoon yläpuolella tapahtuu EksoterminenNäytteen siirtyminen tai reaktio on eksoterminen, jos siinä syntyy lämpöä.eksoterminen reaktio noin 240 °C:sta 340 °C:seen; tämä johtuu koherentin β' ja puolikoherentin β"-faasin muodostumisesta. Mittauksen perusteella ei voida suoraan erottaa kalorisia signaaleja toisistaan. Sekä Fang et al. [8] että Gaber et al. [6] dokumentoivat kahden saostumishuipun päällekkäisyyden, joka riippuu Mg:n ja Si:n välisestä suhteesta, mikä myös estää kaloristen vaikutusten erottamisen. Tässä tutkittujen seosten tarkkaa koostumusta ei tunneta, joten tarkempia johtopäätöksiä ei voida tehdä. Noin 410 °C:n lämpötilasta alkaen muodostuu epäyhtenäinen β-faasi. Välittömästi tämän jälkeen (alkaen noin 500 °C:sta) nämä saostumat liukenevat jälleen, mikä selittää viimeisen endotermisen vaikutuksen.
Kuvassa 3 on esitetty edeltävän puolen tunnin lämpökäsittelyn vaikutus 180 °C:ssa ja 220 °C:ssa verrattuna alkutilaan. Lämpökäsittely toteutettiin DSC:ssä - aiemmassa ohjelmaosassa, jota ei esitetä tässä. Kaaviossa on esitetty sitä seurannut kuumentaminen 560 °C:seen. Käsittely 30 minuutin ajan 180 °C:ssa pyrkii pienentämään endotermistä huippua noin 220 °C:ssa. Alkutilaan verrattuna keskimääräinen entalpia laskee 1,98 ± 0,19 J/g:sta 1,77 ± 0,09 J/g:aan (kuva 4 a). Lisäksi β' ja β"-faasin eksotermisen saostumisen huippupinta-ala noin 270 °C:ssa pienenee myös hieman -5,88 ± 0,26 J/g:sta -5,07 ± 0,34 J/g:aan (kuva 4 b). Voidaan olettaa, että molemmat reaktiot, eli alikriittisten klusteri- ja GP-vyöhykkeiden liukeneminen sekä β'- tai β"-faasin muodostuminen, ovat tapahtuneet vähäisessä määrin edeltävän 180 °C:n lämpökäsittelyn aikana.
Lämpötilan nostaminen 220 °C:een samalla pitoajalla suurentaa vaikutusta. Kuten kuvista 4a) ja 4b) käy ilmi, sekä EndoterminenNäytteen siirtyminen tai reaktio on endoterminen, jos muuntumiseen tarvitaan lämpöä.endoterminen liukenemishuippu että EksoterminenNäytteen siirtyminen tai reaktio on eksoterminen, jos siinä syntyy lämpöä.eksoterminen sakanmuodostus vähenevät merkittävästi, arvoihin 0,84 ± 0,09 J/g ja -1,26 ± 0,22 J/g. Johtopäätöksenä voidaan todeta, että mikrorakenteessa on jo large osuus β'- tai β"-faaseja. Se, missä määrin jäljellä oleva saostumispotentiaali vaikuttaa materiaalin lujuuden kasvuun tai missä määrin lämpötilaohjelma voidaan optimoida, olisi määritettävä myös mekaanisten testien, kuten vetokokeiden, avulla. Tärkeä yksityiskohta on, että molemmissa lämpötilakäsittelyissä β-faasin kasvun reaktioentalpia (EksoterminenNäytteen siirtyminen tai reaktio on eksoterminen, jos siinä syntyy lämpöä.eksoterminen vaikutus noin 410 °C:ssa) ja sitä seuraava saostumien EndoterminenNäytteen siirtyminen tai reaktio on endoterminen, jos muuntumiseen tarvitaan lämpöä.endoterminen liukeneminen eivät muutu merkittävästi (ks. kuva 3).
Yhteenveto
AlMgSi-seokset ovat alumiinimateriaaleja, joita voidaan lujittaa lämpötilan aiheuttaman saostuman muodostumisen avulla. Hienosti dispergoituneiden magnesiumsilisidisakkojen muodostuminen ja liukeneminen muodostavat näin ollen ekso- ja endotermisiä vaikutuksia, jotka ovat yhden numeron J/g suuruisia. Matalan lämpötilan differentiaalikalorimetrejä käytetään yleensä vähän sulavien aineiden, kuten polymeerien, analysointiin, ja niillä on erityisesti suuri lämpövirtaherkkyys. Matalan lämpötilan DSC:n avulla nämä vaikutukset voidaan kvantifioida tarkasti. Vertailumittausten perusteella voidaan tehdä päätelmiä muodostumislämpötiloista ja niistä johtuvasta morfologiasta. Tapahtuvien mekanismien perustavanlaatuisen analyysin ohella voidaan suunnitella sekä energeettisesti että lujuudeltaan optimoituja lämpökäsittelyasetelmia yhdessä muiden testimenetelmien, kuten yksiakselisten vetokokeiden, kanssa.