Bevezetés
Az energetikai átállás korában a könnyűszerkezetes építés központi szerepet játszik az autóiparban, a légi közlekedésben és a szállításban. Az elektromobilitás tekintetében 100 kg súlycsökkentés akár 0,64 KW/h megtakarítást is jelenthet 100 km-en egy személygépkocsi esetében [1]. Nagy fajlagos szilárdságuk miatt az alumíniumötvözetek a szerkezeti könnyűszerkezetes tervezés legfontosabb anyagcsoportjai közé tartoznak. Az acél alkatrészek alumíniumötvözetekkel való helyettesítésével akár 30%-os súlymegtakarítás is elérhető [2].
Az AlMgSi ötvözetek olyan alumínium anyagok, amelyek fő ötvözőelemeként magnéziumot (0,6-1,2 tömeg%) és szilíciumot (0,4-1,3 tömeg%) tartalmaznak [3]. A csapadékkeményedő ötvözetek csoportjába tartoznak, és - például egy alakítási folyamat után - speciális hőkezeléssel tovább erősíthetők. A vonatkozó hőkezelési feltételek osztályozása a DIN EN 515 szabványban található [4].
A hőkezelés során az anyagban finom eloszlású magnézium-szilicid csapadékok képződnek. Ezek eltorzítják az alumínium mátrix kristályrácsát, és akadályozzák a diszlokációk mozgását. Az ebből eredő erősítő hatás azonban nagymértékben függ a csapadékok morfológiájától és az alumínium mátrixba való beépülésüktől (koherencia). Az AlMgSi ötvözetek esetében a hőmérséklet növekedésével előforduló következő, az 1. ábrán bemutatott csapadékképződési sorrend létezik [5]:
Az elsőként kialakuló finom klaszterek és Guinier-Preston-zónák (GP-zónák1) nem vezetnek jelentős anyagerősítéshez. A később kialakuló összefüggő tű alakú β" fázisnak köszönhetően az ötvözetrendszer eléri a maximális szilárdságot. Ezután alakul ki a rúd alakú félkoherens β' fázis. Ez később átmegy az egyensúlyi β fázisba (Mg2Si), amely mérete (100 nm és több) és inkoherenciája miatt az ötvözet ridegségéhez vezet. [5]
1Guinier-Preston-zónákegy fémötvözetben szegregációs folyamatok révén alakulnak ki, amelyek során - meghatározott hőmérséklet felett - egy-egy ötvözőelem atomjai atomi szinten agglomerátumokká állnak össze, egészen a mikroszkopikus méretű csapadékokig.
A csapadék morfológiájának elemzése a differenciál pásztázó kalorimetria segítségével
A csapadékok képződése és oldódása exo- vagy EndotermikusEgy mintaátalakulás vagy reakció endoterm, ha az átalakuláshoz hőre van szükség.endotermikus folyamatok, amelyek hőfelvételhez vagy -felszabaduláshoz vezetnek. A differenciál pásztázó kalorimetria (DSC) segítségével ezek a reakcióhőmérsékletek a hőmérséklet függvényében rögzíthetők. A DSC-mérések során egy mintát tartalmazó tégelyt és egy általában üres referenciatégelyt egy meghatározott idő-hőmérséklet programnak vetnek alá egy szimmetrikusan kialakított hőmérsékleti kamrában. A tégely arra szolgál, hogy a mérőcella ne szennyeződjön a vizsgált anyaggal. A kísérlet során a minta és a referencia hőmérsékletét is termoelemek segítségével mérik. A minta és a referenciaoldal szimmetrikus elrendezésének és a köztük lévő meghatározott hőhídnak köszönhetően meghatározható a hőáram vagy a reakcióentalpia. Így a DSC egyrészt lehetővé teszi a csapadékfázisok kialakulásához szükséges hőmérsékletek meghatározását, másrészt a mért átalakulási entalpiák alapján következtetéseket lehet levonni a meglévő mikroszerkezeti állapotra vonatkozóan.
A fémes anyagokat általában magas hőmérsékletű (750 °C feletti) differenciál pásztázó kaloriméterekkel jellemzik Olvadási hőmérsékletek és EnthalpiákEgy anyag fúziós entalpiája, más néven látens hő, annak az energiabevitelnek, jellemzően hőnek a mértéke, amely ahhoz szükséges, hogy egy anyag szilárd állapotból folyékony állapotba kerüljön. Egy anyag olvadáspontja az a hőmérséklet, amelyen szilárd (kristályos) állapotból folyékony (izotróp olvadék) állapotot vált.olvadási hőmérsékletük kimutatására. Az anyagtól vagy az elemzendő hatástól függően azonban alacsony hőmérsékletű készülékek is alkalmasak lehetnek.
A termoelemek - általában E típusúak - miatt az alacsony hőmérsékletű készülékeket az adott mérési tartományban lényegesen nagyobb hőáram-érzékenység jellemzi, mint a magas hőmérsékletű - például S típusú termoelemekkel ellátott - berendezéseket. A DIN EN 60584-1 [7] szerint az E típus 300°C-on körülbelül nyolcszor akkora termikus differenciálfeszültséggel rendelkezik Kelvinenként, mint egy S típusú elem. Ezáltal az alacsony hőmérsékletű eszközök különösen alkalmasak a small hőhatások elemzésére.
A 2. ábra egy 30°C-tól 450°C-ig tartó hőmérséklet-hőáramlási diagramot mutat egy nem teljesen edzett AlMgSi minta esetében, amely hasonló az alakítási műveletek során használt T4 állapothoz2. A mérést N2 atmoszférában, 10 K/perc fűtési sebességgel és Concavus® alumíniumtégelyek használatával végeztük. A 30 °C és 560 °C közötti vizsgálati hőmérséklet-tartomány, valamint a minta és a tégely passziváló rétege miatt feltételezhető, hogy a kettő között nem megy végbe reakció. Referenciaként egy üres tégelyt választottunk. Az 1,0 mm vastagságú félkész lemez alapján a mintákat henger alakú korongokká készítették el vágási és azt követő csiszolási eljárással. A várhatóan viszonylag small néhány J/g-os átalakulási entalpiák alapján a viszonylag large kezdeti tömeg 25 mg ± 0,5 mg volt. A statisztikai biztonság érdekében minden mérést háromszor végeztünk el.
2 T4 állapot: oldattal kezelt, hűtött és természetes módon öregített, a DIN EN 515 [3] szerint
Passziváló réteg
A passziválás egyfajta "védőfilm" kialakulása bizonyos fémek felületén. Ellensúlyozza a korróziót, és ugyanazok az elemek hozzák létre, amelyek a korróziót kiváltják. A passziváló rétegnek nagy SűrűségA tömegsűrűséget a tömeg és a térfogat arányaként határozzák meg. sűrűségűnek és alacsony porozitásúnak kell lennie. Ugyanakkor a nagyfokú kompatibilitás érdekében a rétegnek nagyon vékonynak és homogénen eloszlónak kell lennie a fémfelületen.
A NETZSCH alacsony hőmérsékletű DSC rendkívül pontos mérőszenzorral rendelkezik (entalpia pontosság < 1% az Indium esetében) és - az alkalmazott hűtőrendszertől függően - 750°C-ig (modelltől függően) és 200 és 500 K/perc közötti fűtési és hűtési sebességgel (modultól függően) teszi lehetővé a méréseket. Fel van szerelve továbbá gázzáró mérőcellával, amely lehetővé teszi a Fourier-transzformációs infravörös spektrométerhez (FT-IR) vagy tömegspektrométerhez (MS) való csatlakoztatást, valamint meghatározott atmoszférák beállítását.
A kb. 150°C és 240°C közötti első EndotermikusEgy mintaátalakulás vagy reakció endoterm, ha az átalakuláshoz hőre van szükség.endotermikus hatás során a mikroszerkezetben jelen lévő és magként működő small klaszterek és GP-zónák feloldódnak (2. ábra). Ezenkívül a nagyobb csapadékok tovább növekednek. Egy kritikus nukleációs méret felett kb. 240°C-tól 340°C-ig exoterm reakció lép fel; ez a koherens β' és a félkoherens β" fázis kialakulásának tulajdonítható. A kalorikus jelek közvetlen megkülönböztetése a mérés alapján nem végezhető el. Mind Fang et al. [8], mind Gaber et al. [6] dokumentálja a két kicsapódási csúcs átfedését, amely az Mg és Si arányától függ, ami ott is megakadályozza a kalorikus hatások elkülönítését. Az itt vizsgált ötvözetek pontos összetétele nem ismert, így további következtetések nem vonhatók le. Kb. 410°C-tól kezdődően kialakul az inkoherens β fázis. Közvetlenül ezután (kb. 500°C-tól kezdődően) ezek a csapadékok ismét feloldódnak, ami megmagyarázza az utolsó EndotermikusEgy mintaátalakulás vagy reakció endoterm, ha az átalakuláshoz hőre van szükség.endotermikus hatást.
A 3. ábrán az előző félórás, 180°C-on, valamint 220°C-on végzett hőkezelés hatása látható a kiindulási állapothoz képest. A hőkezelést a DSC-ben valósítottuk meg - egy korábbi, itt nem megjelenített programrészletben. Az ábrán az ezt követő 560°C-ra történő melegítés látható. A 180°C-on végzett 30 perces kezelés a kb. 220°C-os EndotermikusEgy mintaátalakulás vagy reakció endoterm, ha az átalakuláshoz hőre van szükség.endotermikus csúcs csökkenését eredményezi. A kiindulási állapothoz képest az átlagos entalpia 1,98 ± 0,19 J/g-ról 1,77 ± 0,09 J/g-ra csökken (4. a ábra). Továbbá a β' és β" fázis ExotermikusEgy mintaátalakulás vagy reakció exoterm, ha hő keletkezik.exotermikus kicsapódásának csúcsterülete kb. 270°C-on szintén kissé csökken, -5,88 ± 0,26 J/g-ról -5,07 ± 0,34 J/g-ra (4. b ábra). Feltételezhető, hogy mindkét reakció, azaz a szubkritikus klaszter- és GP-zónák feloldódása a β' vagy β" fázis kialakulásával együtt, kisebb mértékben lezajlott a megelőző 180°C-os hőkezelés során.
A hőmérséklet 220 °C-ra történő emelése ugyanolyan tartási idő mellett növeli a hatást. Amint a 4a) és 4b) ábrán látható, mind az EndotermikusEgy mintaátalakulás vagy reakció endoterm, ha az átalakuláshoz hőre van szükség.endotermikus oldódási csúcs, mind az ExotermikusEgy mintaátalakulás vagy reakció exoterm, ha hő keletkezik.exotermikus csapadékképződés jelentősen csökken, 0,84 ± 0,09 J/g, illetve -1,26 ± 0,22 J/g értékre. Következésképpen a mikroszerkezetben már jelen van a large β' vagy β" fázisok aránya. Azt, hogy a fennmaradó kicsapódási potenciál milyen mértékben járul hozzá az anyag szilárdságának növekedéséhez, illetve hogy a hőmérsékleti program milyen mértékben optimalizálható, mechanikai vizsgálatokkal, például szakítóvizsgálatokkal is meg kell határozni. Fontos részlet, hogy mindkét hőmérsékleti kezelés esetén a β-fázis növekedésének reakcióentalpiája (exoterm hatás kb. 410°C-on) és a csapadékok ezt követő endoterm oldódása nem változik lényegesen (lásd a 3. ábrát).
Összefoglaló
Az AlMgSi ötvözetek olyan alumínium anyagok, amelyek hőmérséklet-indukált csapadékképződéssel erősíthetők. A finoman diszpergált magnézium-szilicid csapadékok kialakulása és feloldódása ezáltal egyszámjegyű J/g tartományban exo- és EndotermikusEgy mintaátalakulás vagy reakció endoterm, ha az átalakuláshoz hőre van szükség.endotermikus hatásokat jelent. Az alacsony hőmérsékletű differenciálkalorimétereket általában alacsonyan olvadó anyagok, például polimerek elemzésére használják, és különösen nagy hőáram-érzékenységgel rendelkeznek. Az alacsony hőmérsékletű DSC segítségével ezek a hatások pontosan számszerűsíthetők. Az összehasonlító mérések alapján következtetéseket lehet levonni a képződési hőmérsékletekre és a kialakuló morfológiára vonatkozóan. A lejátszódó mechanizmusok alapvető elemzése mellett más vizsgálati módszerekkel, például egytengelyű szakítóvizsgálatokkal kombinálva mind energetikai, mind szilárdsági szempontból optimalizált hőkezelési elrendezések tervezhetők.