Inledning
I energiomställningens tidevarv spelar lättviktskonstruktioner en central roll inom fordonssektorn, flyget och transportsektorn. När det gäller elektromobilitet kan en viktreduktion på 100 kg spara upp till 0,64 KW/h per 100 km för en personbil [1]. På grund av sin höga specifika hållfasthet är aluminiumlegeringar en av de viktigaste materialgrupperna inom strukturell lättviktsdesign. Viktbesparingar på upp till 30% kan uppnås genom att ersätta stålkomponenter med aluminiumlegeringar [2].
AlMgSi-legeringar är aluminiummaterial med magnesium (0,6 till 1,2 mass-%) och kisel (0,4 till 1,3 mass-%) som huvudsakliga legeringselement [3]. De tillhör gruppen utskiljningshärdande legeringar och kan förstärkas ytterligare - t.ex. efter en formningsprocess - genom en specifik värmebehandling. En klassificering av de relevanta värmebehandlingsförhållandena finns i DIN EN 515 [4].
Under värmebehandlingen bildas finfördelade magnesiumsilicidutfällningar i materialet. Dessa förvränger aluminiummatrisens kristallgitter och fungerar som ett hinder för dislokationsrörelser. Den resulterande förstärkningseffekten är dock starkt beroende av utskiljningarnas morfologi och deras integration i aluminiummatrisen (koherens). När det gäller AlMgSi-legeringar förekommer följande utskiljningsordning, som presenteras i figur 1, med ökande temperatur [5]:
De fina kluster och Guinier-Preston-zoner (GP-zoner1) som bildas först leder inte till någon betydande materialförstärkning. På grund av den sammanhängande nålformade β"-fasen som utvecklas därefter når legeringssystemet maximal hållfasthet. Därefter utvecklas den stavformade semikoherenta β'-fasen. Denna övergår sedan i jämvikts β-fasen (Mg2Si), vilket leder till försprödning av legeringen på grund av dess storlek (100 nm och mer) och inkoherens. [5]
1Guinier-Preston-zonerbildas i en metallegering genom segregeringsprocesser där - över specifika temperaturer - atomerna i ett legeringselement samlas för att bilda agglomerat på atomnivå upp till mikroskopiska utfällningar.
Analys av fällningens morfologi med hjälp av Differental Scanning Calorimetry
Bildning och upplösning av utfällningar utgör exo- eller endotermiska processer som leder till värmeabsorption eller värmeavgivning. Med hjälp av differential scanning calorimetry (DSC) kan dessa reaktionsvärmen registreras som en funktion av temperaturen. Vid DSC-mätningar utsätts en degel med ett prov och en referensdegel, som vanligtvis är tom, för ett definierat tids- och temperaturprogram i en symmetriskt utformad temperaturkammare. Degeln används för att undvika att mätcellen kontamineras av det material som ska analyseras. Under experimentet mäts både provets och referensens temperatur med hjälp av termoelement. Tack vare det symmetriska arrangemanget av prov- och referenssidorna och en definierad köldbrygga däremellan kan värmeflödet eller reaktionsentalpin bestämmas. DSC gör det alltså möjligt att dels bestämma de temperaturer som krävs för att bilda utskiljningsfaserna, dels dra slutsatser om det befintliga mikrostrukturtillståndet baserat på de uppmätta omvandlingsentalpierna.
Metalliska material karakteriseras vanligen i högtemperaturkalorimetrar med differentialskanning (över 750°C) för detektering av deras smälttemperaturer. Beroende på materialet eller den effekt som ska analyseras kan dock även lågtemperaturanordningar vara lämpliga.
På grund av termoelementen - vanligtvis av typ E - kännetecknas lågtemperaturutrustningen av en betydligt högre värmeflödeskänslighet i respektive mätområde än högtemperaturutrustningen - t.ex. med termoelement av typ S. Enligt DIN EN 60584-1 [7] har typ E ungefär åtta gånger så hög termisk differentialspänning per Kelvin vid 300°C som ett element av typ S. Detta gör lågtemperaturelement väl lämpade för att analysera small termiska effekter.
Figur 2 visar ett temperatur-värmeflödesdiagram från 30°C till 450°C för ett ofullständigt härdat AlMgSi-prov, liknande ett T4-tillstånd2 som används i formningsoperationer. Mätningen utfördes under en N2-atmosfär med en uppvärmningshastighet på 10 K/min och med användning av Concavus® aluminiumdeglar. På grund av temperaturintervallet för undersökningen från 30°C till 560°C och passiveringsskiktet på provet och degeln kan man anta att ingen reaktion sker mellan de två. En tom degel valdes som referens. På basis av ett halvfärdigt ark med en tjocklek på 1,0 mm preparerades proverna till cylindriska skivor genom en process med kapning och efterföljande slipning. Baserat på de förväntade relativt small transformationsenthalpierna på några J/g, valdes en relativt large initialvikt på 25 mg ± 0,5 mg. För statistisk säkerhet utfördes alla mätningar tre gånger.
2 T4-tillstånd: lösningsbehandlad, kyld och naturligt åldrad i enlighet med DIN EN 515 [3]
Passiverande skikt
Passivering är bildandet av ett slags "skyddsfilm" på ytan av vissa metaller. Den motverkar korrosion och orsakas av samma element som utlöser korrosion. Passiveringsskiktet bör ha hög TäthetMassdensiteten definieras som förhållandet mellan massa och volym. densitet och låg porositet. Samtidigt måste skiktet vara mycket tunt och homogent fördelat över metallytan för att ge hög kompabilitet.
NETZSCH DSC för låga temperaturer har en mycket exakt mätsensor (entalpiprecision < 1% för indium) och möjliggör - beroende på vilket kylsystem som används - mätningar upp till 750°C (enligt modell) och uppvärmnings- och kylningshastigheter mellan 200 och 500 K/min (enligt modul). Den är dessutom utrustad med en gastät mätcell som möjliggör koppling till en Fourier Transform Infrared Spectrometer (FT-IR) eller en masspektrometer (MS) samt inställning av definierade atmosfärer.
Under den första endotermiska effekten från ca 150°C till 240°C upplöses small kluster och GP-zoner som finns i mikrostrukturen och som fungerar som kärnor (fig. 2). Dessutom fortsätter större utfällningar att växa. Över en kritisk kärnstorlek sker en ExotermEn provövergång eller en reaktion är exoterm om värme genereras.exoterm reaktion från ca 240°C till 340°C; detta kan hänföras till bildandet av den koherenta β'- och semikoherenta β"-fasen. Direkt differentiering av de kaloriska signalerna kan inte utföras på grundval av mätningen. Både Fang et al. [8] och Gaber et al. [6] dokumenterar en överlappning av de två utskiljningstopparna beroende på förhållandet mellan Mg och Si, vilket också förhindrar separation av de kaloriska effekterna där. Den exakta sammansättningen av de legeringar som undersökts här är inte känd, så ytterligare slutsatser kan inte dras. Med början vid ca 410°C bildas den osammanhängande β-fasen. Direkt efter detta (från ca 500°C) löses dessa utfällningar upp igen, vilket förklarar den sista endotermiska effekten.
I figur 3 visas inverkan av en föregående halvtimmes värmebehandling vid 180°C samt 220°C i jämförelse med det initiala tillståndet. Värmebehandlingen utfördes i DSC - i ett tidigare programavsnitt som inte visas här. Diagrammet visar efterföljande upphettning till 560°C. Behandling under 30 minuter vid 180°C tenderar att minska den endotermiska toppen vid ca 220°C. Jämfört med initialtillståndet minskar den genomsnittliga entalpin från 1,98 ± 0,19 J/g till 1,77 ± 0,09 J/g (figur 4 a). Dessutom minskar topparean för den exotermiska utfällningen av β'- och β"-fasen vid ca 270°C också något från -5,88 ± 0,26 J/g till -5,07 ± 0,34 J/g (figur 4 b). Det kan antas att båda reaktionerna, d.v.s. upplösningen av underkritiska kluster och GP-zoner tillsammans med bildandet av β'- eller β"-fasen, har ägt rum i mindre utsträckning under den föregående värmebehandlingen vid 180°C.
Effekten förstärks om temperaturen ökas till 220°C med samma hålltid. Som framgår av figurerna 4a) och 4b) reduceras både den endotermiska upplösningstoppen och den exotermiska fällningsbildningen avsevärt, till värden på 0,84 ± 0,09 J/g respektive -1,26 ± 0,22 J/g. Sammanfattningsvis kan sägas att en large andel β'- eller β"-faser redan finns i mikrostrukturen. I vilken utsträckning den återstående utskiljningspotentialen bidrar till materialets ökade hållfasthet, eller i vilken utsträckning temperaturprogrammet kan optimeras, bör bestämmas med hjälp av mekanisk provning, t.ex. dragprov. En viktig detalj är att vid båda temperaturbehandlingarna förändras inte reaktionsentalpin för tillväxten av β-fasen (ExotermEn provövergång eller en reaktion är exoterm om värme genereras.exotermisk effekt vid ca 410°C) och den efterföljande endotermiska upplösningen av utfällningarna väsentligt (se figur 3).
Sammanfattning
AlMgSi-legeringar är aluminiummaterial som kan förstärkas genom temperaturinducerad utfällningsbildning. Bildningen och upplösningen av de finfördelade magnesiumsilicidutfällningarna utgör därmed exo- och endotermiska effekter i det ensiffriga J/g-området. Lågtemperaturdifferentialkalorimetrar används vanligen för analys av lågsmältande ämnen, t.ex. polymerer, och har särskilt hög värmeflödeskänslighet. Med hjälp av DSC vid låg temperatur kan dessa effekter kvantifieras exakt. Baserat på jämförande mätningar kan man dra slutsatser om bildningstemperaturerna och den resulterande morfologin. Tillsammans med den grundläggande analysen av de mekanismer som äger rum kan både energi- och hållfasthetsoptimerade värmebehandlingslayouter utformas i kombination med andra testmetoder, till exempel enaxliga dragprov.