Inleiding
In het tijdperk van energietransitie speelt lichtgewicht constructie een centrale rol in de automobielsector, de luchtvaart en het transport. Met betrekking tot elektromobiliteit kan een gewichtsvermindering van 100 kg tot 0,64 KW/u per 100 km besparen voor een personenauto [1]. Door hun hoge specifieke sterkte behoren aluminiumlegeringen tot de belangrijkste materiaalgroepen in structurele lichtgewichtontwerpen. Gewichtsbesparingen tot 30% kunnen worden bereikt door stalen onderdelen te vervangen door aluminiumlegeringen [2].
AlMgSi legeringen zijn aluminium materialen met magnesium (0,6 tot 1,2 massa-%) en silicium (0,4 tot 1,3 massa-%) als belangrijkste legeringselementen [3]. Ze behoren tot de groep precipitatiehardende legeringen en kunnen verder versterkt worden - bijvoorbeeld na een vervormingsproces - door een specifieke warmtebehandeling. Een classificatie van de relevante warmtebehandelingscondities is te vinden in DIN EN 515 [4].
Tijdens de warmtebehandeling vormen zich fijn gedispergeerde magnesiumsilicide precipitaten in het materiaal. Deze vervormen het kristalrooster van de aluminiummatrix en belemmeren de dislocatiebeweging. Het resulterende versterkende effect is echter sterk afhankelijk van de morfologie van de precipitaten en hun integratie in de aluminiummatrix (coherentie). In het geval van AlMgSi legeringen, bestaat de volgende neerslagvolgorde, weergegeven in figuur 1, die optreedt bij stijgende temperatuur [5]:
De fijne clusters en Guinier-Preston zones (GP zones1) die zich het eerst vormen, leiden niet tot enige significante materiaalversterking. Door de coherente naaldvormige β"-fase die zich vervolgens ontwikkelt, bereikt het legeringssysteem maximale sterkte. Dan ontwikkelt zich de staafvormige semi-coherente β' fase. Deze gaat vervolgens over in de evenwichts β-fase (Mg2Si), die leidt tot verbrossing van de legering vanwege de grootte (100 nm en meer) en incoherentie. [5]
1Guinier-Prestonzones vormen zich in een metaallegering door segregatieprocessen waarbij - boven specifieke temperaturen - de atomen van een legeringselement zich samenvoegen tot agglomeraten op atomair niveau tot microscopische precipitaten.
Analyse van de neerslagmorfologie met behulp van Differentiële scanning calorimetrie
De vorming en het oplossen van neerslag vormen exo- of endotherme processen die leiden tot warmteabsorptie of -afgifte. Met behulp van differential scanning calorimetrie (DSC) kan deze reactiewarmte worden geregistreerd als functie van de temperatuur. Tijdens DSC-metingen worden een filterkroes met een monster en een referentiekroes, die meestal leeg is, onderworpen aan een gedefinieerd tijd-temperatuurprogramma in een symmetrisch ontworpen temperatuurkamer. De kroes dient om contaminatie van de meetcel door het te analyseren materiaal te voorkomen. Tijdens het experiment wordt zowel de temperatuur van het monster als die van de referentie gemeten met thermokoppels. Door de symmetrische opstelling van de monster- en referentiekant en een gedefinieerde koudebrug ertussen, kan de warmtestroom of reactie enthalpie worden bepaald. DSC maakt het dus mogelijk om enerzijds de temperaturen te bepalen die nodig zijn voor de vorming van de precipitatiefasen en anderzijds conclusies te trekken over de bestaande microstructuurtoestand op basis van de gemeten transformatie-enthalpie.
Metalen materialen worden meestal gekarakteriseerd in hoge-temperatuur differential scanning calorimeters (boven 750°C) om hun smelttemperaturen te bepalen. Afhankelijk van het materiaal of het te analyseren effect kunnen apparaten voor lage temperaturen echter ook geschikt zijn.
Dankzij de thermokoppels - meestal van het type E - worden apparaten voor lage temperaturen gekenmerkt door een aanzienlijk hogere warmtestroomgevoeligheid in het betreffende meetbereik dan apparaten voor hoge temperaturen - bijvoorbeeld met thermokoppels van het type S. Volgens DIN EN 60584-1 [7] heeft type E ongeveer acht keer de thermische differentiaalspanning per Kelvin bij 300°C als een type S-element. Dit maakt apparaten voor lage temperaturen bijzonder geschikt voor het analyseren van small thermische effecten.
Figuur 2 toont een temperatuur-warmtestroomdiagram van 30 °C tot 450 °C van een onvolledig uitgehard AlMgSi-monster, vergelijkbaar met een T4-toestand2 zoals gebruikt bij omvormprocessen. De meting werd uitgevoerd onder een N2 atmosfeer bij een verwarmingssnelheid van 10 K/min en met gebruik van Concavus® aluminium kroezen. Vanwege het temperatuurbereik van 30 °C tot 560 °C en de passiveerlaag van zowel het monster als de kroes, kan worden aangenomen dat er geen reactie plaatsvindt tussen de twee. Als referentie werd een lege kroes gekozen. Op basis van een halfafgewerkte plaat met een dikte van 1,0 mm werden de monsters voorbereid tot cilindrische schijven door een proces van snijden en vervolgens slijpen. Op basis van de verwachte relatief small omzettingsenthalpie van enkele J/g werd een relatief large begingewicht van 25 mg ± 0,5 mg gekozen. Voor de statistische veiligheid werden alle metingen drie keer uitgevoerd.
2 T4 toestand: in oplossing behandeld, afgeschrikt en natuurlijk verouderd in overeenstemming met DIN EN 515 [3]
Passiveerlaag
Passiveren is de vorming van een soort "beschermende film" op het oppervlak van bepaalde metalen. Het gaat corrosie tegen en wordt gevormd door dezelfde elementen die corrosie veroorzaken. De passiveerlaag moet een hoge DichtheidDe massadichtheid wordt gedefinieerd als de verhouding tussen massa en volume. dichtheid en lage porositeit hebben. Tegelijkertijd moet de laag, voor een hoge compatibiliteit, zeer dun zijn en homogeen verdeeld over het metaaloppervlak.
De NETZSCH DSC voor lage temperaturen heeft een zeer nauwkeurige meetsensor (enthalpie-precisie < 1% voor Indium) en maakt - afhankelijk van het gebruikte koelsysteem - metingen mogelijk tot 750°C (afhankelijk van het model) en voor verwarmings- en koelsnelheden tussen 200 en 500 K/min (afhankelijk van de module). Hij is verder uitgerust met een gasdichte meetcel, waardoor koppeling met een Fourier Transform Infrared Spectrometer (FT-IR) of een massaspectrometer (MS) mogelijk is, evenals het instellen van gedefinieerde atmosferen.
Tijdens het eerste endotherme effect van ongeveer 150 °C tot 240 °C lossen small clusters en GP-zones op die aanwezig zijn in de microstructuur en als kernen fungeren (fig. 2). Bovendien blijven grotere precipitaten groeien. Boven een kritische nucleatiegrootte treedt een exotherme reactie op van ongeveer 240°C tot 340°C; dit is toe te schrijven aan de vorming van de coherente β' en de semicoherente β" fase. Een directe differentiatie van de calorische signalen kan niet worden uitgevoerd op basis van de meting. Zowel Fang et al. [8] als Gaber et al. [6] documenteren een overlapping van de twee neerslagpieken die afhankelijk is van de verhouding tussen Mg en Si, wat ook daar een scheiding van de calorische effecten verhindert. De exacte samenstelling van de hier onderzochte legeringen is niet bekend, dus verdere conclusies kunnen niet worden getrokken. Beginnend bij ongeveer 410°C wordt de onsamenhangende β-fase gevormd. Direct daarna (vanaf ongeveer 500°C) lossen deze precipitaten weer op, wat het laatste endotherme effect verklaart.
In figuur 3 wordt de invloed weergegeven van een voorafgaande warmtebehandeling van een half uur bij zowel 180°C als 220°C in vergelijking met de begintoestand. De warmtebehandeling werd uitgevoerd in de DSC - in een vorig programmadeel dat hier niet wordt weergegeven. Het diagram toont de daaropvolgende verhitting tot 560°C. Een behandeling van 30 minuten bij 180 °C zorgt voor een vermindering van de endotherme piek bij ongeveer 220 °C. Vergeleken met de begintoestand neemt de gemiddelde enthalpie af van 1,98 ± 0,19 J/g tot 1,77 ± 0,09 J/g (figuur 4 a). Bovendien neemt het piekgebied van de exotherme neerslag van de β' und β" fase bij ongeveer 270 °C ook licht af van -5,88 ± 0,26 J/g tot -5,07 ± 0,34 J/g (figuur 4 b). Er kan worden aangenomen dat beide reacties, d.w.z. het oplossen van subkritische cluster en GP zones samen met de vorming van de β' of β" fase, in geringe mate hebben plaatsgevonden tijdens de voorafgaande warmtebehandeling bij 180°C.
Verhoging van de temperatuur tot 220 °C met dezelfde wachttijd vergroot het effect. Zoals te zien is in figuren 4a) en 4b) worden zowel de endotherme oplossingspiek als de exotherme neerslagvorming aanzienlijk verminderd, tot waarden van respectievelijk 0,84 ± 0,09 J/g en -1,26 ± 0,22 J/g. Concluderend kan gesteld worden dat een large deel van β' of β' fasen al aanwezig is in de microstructuur. De mate waarin het resterende precipitatiepotentieel bijdraagt aan de toename in sterkte van het materiaal, of de mate waarin het temperatuurprogramma kan worden geoptimaliseerd, moet ook worden bepaald met behulp van mechanische testen zoals trekproeven. Een belangrijk detail is dat bij beide temperatuurbehandelingen de reactieenthalpie van de groei van de β-fase (ExothermEen monsterovergang of een reactie is exotherm als er warmte wordt opgewekt.exotherm effect bij ongeveer 410 °C) en het daaropvolgende EndothermEen monsterovergang of reactie is endotherm als er warmte nodig is voor de omzetting.endotherm oplossen van de precipitaten niet wezenlijk veranderen (zie figuur 3).
Samenvatting
AlMgSi-legeringen zijn aluminiummaterialen die versterkt kunnen worden door temperatuurgeïnduceerde precipitaatvorming. De vorming en het oplossen van de fijn gedispergeerde magnesiumsilicideprecipitaten veroorzaken daarbij exo- en endotherme effecten in het bereik van één cijfer J/g. Lagetemperatuur-differentiaalcalorimeters worden meestal gebruikt voor de analyse van stoffen met een lage Smelttemperaturen en -getallenDe enthalpie van fusie van een stof, ook wel latente warmte genoemd, is een maat voor de energie-input, meestal warmte, die nodig is om een stof om te zetten van vaste naar vloeibare toestand. Het smeltpunt van een stof is de temperatuur waarbij de toestand verandert van vast (kristallijn) naar vloeibaar (isotroop smeltpunt). smelttemperatuur, zoals polymeren, en hebben met name een hoge gevoeligheid voor warmtestromen. Met behulp van DSC bij lage temperatuur kunnen deze effecten nauwkeurig worden gekwantificeerd. Op basis van vergelijkende metingen kunnen conclusies worden getrokken over de vormingstemperaturen en de resulterende morfologie. Samen met de fundamentele analyse van de mechanismen die plaatsvinden, kunnen zowel energetische als sterkte-geoptimaliseerde warmtebehandelingslayouts worden ontworpen in combinatie met andere testmethoden, zoals eenassige trektesten.