Selbstalterende Aluminiumlegierungen für Automobilanwendungen

Die im Automobilbereich verwendeten Aluminiumlegierungen sind wärmebehandelbar, da durch diese Behandlung ihre mechanische Festigkeit erheblich gesteigert werden kann. Um die Produktionskosten zu senken, wurden kürzlich innovative Aluminiumlegierungen entwickelt, unter denen selbstalterende Al-Legierungen sehr interessant sind. Hierbei handelt es sich um Al-Zn-Si-Mg-Legierungen der Serie 7xxx, deren wichtigstes Merkmal in der Möglichkeit liegt, eine gute mechanische Beständigkeit zu erzielen, ohne dass sie einer Wärmebehandlung unterzogen werden müssen. Dies liegt daran, dass sie nach einer Wartungszeit bei Raumtemperatur zwischen sieben und zehn Tagen einem natürlichen Alterungsphänomen unterliegen und gute mechanische Eigenschaften erreichen. Die Verwendung dieser Aluminiumlegierungen im Automobilsektor würde es dank der Möglichkeit, die Wärmebehandlung zu eliminieren, ermöglichen, wichtige Vorteile sowohl unter wirtschaftlichen Gesichtspunkten als auch unter Umweltverträglichkeitsgesichtspunkten zu erzielen. In der vorliegenden Forschungsarbeit wurden die Mikrostruktur, Korrosionsbeständigkeit und mechanischen Eigenschaften der selbstalterenden Aluminiumlegierung (Al-Zn10-Si8-MG EN-AC-7100) untersucht.

Einführung in Aluminiumlegierungen im Automobilbereich

Aluminiumlegierungen im Automobilsektor werden derzeit aufgrund ihrer hervorragenden Eigenschaften häufig zur Herstellung mechanischer Komponenten verwendet: niedrige Dichte, hohe spezifische Festigkeit, gute Abrechnung und gute Korrosionsbeständigkeit. Die Verwendung von Aluminiumlegierungen im Automobilsektor ermöglicht eine signifikante Reduzierung des Fahrzeuggewichts, wodurch sowohl der Kraftstoffverbrauch als auch die Gasemissionen gesenkt werden und somit die Umweltbelastung verringert wird. Es gibt zwei Kategorien von Aluminiumlegierungen: nicht wärmebehandelbare Legierungen, die nach plastischen Verformungsprozessen sowohl kalt als auch heiß hervorragende mechanische Widerstandswerte erreichen; und wärmebehandelbare Legierungen, die nach Anwendung einer Wärmebehandlung hohe mechanische Eigenschaften aufweisen. Der Verstärkungsmechanismus von thermisch behandelbaren Aluminiumlegierungen wird durch die Ausfällung von Verstärkungsniederschlägen dargestellt, die während der Alterungsphase gebildet werden und bei Raumtemperatur natürlich oder bei hoher Temperatur künstlich sein können. Die ersten Niederschläge, die gebildet werden, sind mit der Aluminiummatrix kohärent, d. H. Sie haben das gleiche Kristallgitter und stellen ein Hindernis für die Bewegung der Versetzungen dar, die für die plastische Verformung verantwortlich sind. Durch Erhöhen der Alterungszeit werden die Niederschläge inkonsistent mit der Matrix und bilden folglich eine separate Phase, die eine Verringerung der mechanischen Eigenschaften bestimmt. Während der Alterungsphase können die Materialien bei unterschiedlichen Temperaturen und zu unterschiedlichen Zeiten erhitzt werden, was unterschiedliche mikrostrukturelle Eigenschaften und damit unterschiedliche mechanische Eigenschaften hervorruft. Derzeit wurden verschiedene Untersuchungen durchgeführt, um sowohl innovative Produktionsmethoden als auch Aluminiumlegierungen für den Automobilsektor mit optimierter chemischer Zusammensetzung zu entwickeln. Unter diesen Legierungen sind die selbstalterenden Aluminiumlegierungen besonders interessant, d. H. Al-Zn-Si-Mg-Legierungen der 7xxx-Reihe, deren Hauptmerkmal darin besteht, einer natürlichen Alterung zu unterliegen, wenn sie für einen Zeitraum zwischen Raumtemperatur gehalten werden 7 und 10 Tage, danach erreichen sie gute mechanische Eigenschaften, ohne dass sie einer Wärmebehandlung unterzogen werden müssen. Die Möglichkeit, die Wärmebehandlung dank der Verwendung dieser Aluminiumlegierungen im Automobilsektor für die Herstellung mechanischer Komponenten zu eliminieren, würde es der Industrie ermöglichen, wichtige Vorteile sowohl unter wirtschaftlichen Gesichtspunkten als auch unter Auswirkungen zu erzielen. Umwelt. Der erste Teil der vorliegenden Studie stellt einen Überblick über die bisher von den Autoren dieser Forschung durchgeführten Forschungsarbeiten zur mikrostrukturellen Charakterisierung der betreffenden selbstalterenden Legierungen dar, während im zweiten Teil die Ergebnisse zur Untersuchung der Beständigkeit gegen intergranulare Korrosion und die mechanischen Eigenschaften dieser Legierungen.

Die Materialien und Methoden für die Verwendung von Aluminiumlegierungen im Automobilsektor

Der Einfluss sowohl des Mg-Gehalts (Gew .-%) als auch der unterschiedlichen Abkühlraten auf die Mikrostruktur, die mechanischen Eigenschaften und die Beständigkeit der Legierung EN-AC-7110 (AlZn10Si8Mg) gegenüber intergranularer Korrosion wurde bewertet. Unter Gleichgewichtsbedingungen beträgt die maximale Löslichkeit von Magnesium in Aluminium 17,4 Gew .-%, im Allgemeinen überschreitet der MG-Gehalt in Al-Legierungen aufgrund plastischer Verformung 5% nicht, während er in Gießerei-Al-Legierungen nicht übersteigt 10%. In der vorliegenden Forschungsarbeit wurden drei verschiedene Legierungen hergestellt, angegeben als AlZn10Si8Mg, AlZn10Si8Mg1 AlZn-10Si8Mg3. Die für die Mikrostrukturanalyse, die mechanischen Tests und die Korrosionsbeständigkeitstests verwendeten Proben wurden aus dem Bauteil mit Stufengeometrie erhalten, das durch Schalengießen in der Teksid-Gießerei hergestellt wurde. Die abgestufte Geometrie dieses Bauteils, die durch vier unterschiedliche Bereiche mit unterschiedlichen Dicken gekennzeichnet ist, ermöglichte es, die Auswirkung unterschiedlicher Abkühlraten auf die mikrostrukturellen und mechanischen Eigenschaften von Aluminiumlegierungen für den Automobilsektor zu bewerten. Tatsächlich erhöht sich die Abkühlgeschwindigkeit von Zone D (dickste Zone 20 mm) zu Zone A (dünnste Zone 5 mm).

Die mechanischen Eigenschaften der drei Legierungen wurden durch einen Dreipunktbiegetest (DynamometerZwick Z100) unter Verwendung einer Last von 5 kN bewertet. Proben mit Abmessungen von 50 mm × 10 mm × 5 mm, die für die Tests verwendet wurden, wurden aus den Zonen A und C erhalten. Während aus den Zonen B und D Proben mit Standardgröße (10 mm × 10 mm × 55 mm) erhalten wurden, wurden sie für den Charpy-Test verwendet. Ein 50J instrumentiertes Pendel und ungeschnitzte Proben wurden verwendet. Durch die Gewinnung der Proben aus verschiedenen Bereichen konnte der Einfluss der Abkühlgeschwindigkeit sowohl auf die Biegefestigkeit als auch auf die Elastizität der drei untersuchten Legierungen bewertet werden. Die Mikrostrukturanalyse wurde unter Verwendung eines optischen Mikroskops (MeF4 Reichart-Jung) und eines Rasterelektronenmikroskops (SEM, Leo 1450VP) durchgeführt, die mit einer EDS-Mikrosonde (Oxford-Mikrosonde) ausgestattet waren, die für Zusammensetzungsanalysen verwendet wurde . Die Proben wurden mit Standardverfahren zur metallografischen Herstellung hergestellt. Die Phasenidentifikation wurde durch Röntgenbeugung (Röntgen, PANanalytic) durchgeführt. Schließlich wurde die Beständigkeit dieser Legierungen gegenüber intergranularer Korrosion mittels eines Tests untersucht, der gemäß BS 11846 Methode B durchgeführt wurde. Bei diesem Test wurden die Proben zunächst mit Aceton und Ethanol gereinigt und dann einem alkalischen Angriff ausgesetzt (5 min Eintauchen in eine 7,5 Gew .-% ige NaOH-Lösung, die auf einer Temperatur zwischen 55 und 60 ° C gehalten wurde). Schließlich wurden sie 24 Stunden lang in eine angesäuerte Salzlösung (30 g NaCl und 10 ml HCl pro Liter) getaucht. Am Ende des Tests wurden die Proben in Wasser und Ethanol gewaschen und getrocknet. Die Anfälligkeit für intergranulare Korrosion wurde durch Messung der Korrosionstiefe und des Gewichtsverlusts bewertet. Der Dreipunkt-Biegetest und der Charpy-Test, um die Auswirkung der Korrosion auf die mechanischen Eigenschaften und die Elastizität zu untersuchen, wurden auch an Proben durchgeführt, die zuvor dem Korrosionstest unterzogen wurden.

Ergebnisse und Analyse der Mikrostrukturanalyse von Aluminiumlegierungen für den Automobilsektor

Die Mikrostruktur der drei Legierungen besteht hauptsächlich aus α-Al-Körnern und der eutektischen Phase Al-Si. Weiterhin wurden primäre und intermetallische Mg-Si-Siliziumkristalle identifiziert. Die Werte des sekundären dendritischen Abstands (SDAS) sowie die Form und Größe des eutektischen Siliziums werden durch die Abkühlrate beeinflusst. Durch Erhöhen der Abkühlrate nimmt der SDAS-Wert aufgrund der größeren Unterkühlung und der höheren Geschwindigkeit von ab Bewegung der Fest-Flüssig-Grenzfläche. Durch Beobachtung der mikroskopischen Aufnahmen ist ersichtlich, dass mit zunehmender Abkühlgeschwindigkeit die Größe der eutektischen Siliziumpartikel abnimmt und ihre Morphologie feiner wird. Die Modifikation des eutektischen Siliziums in Bezug auf die Legierungen AlZn10Si8Mg1 und AlZnSi8Mg3 wird nicht nur von der Abkühlgeschwindigkeit, sondern auch vom Gewichtsprozentsatz von Mg beeinflusst. Tatsächlich scheint Mg als Modifikator für Si-Partikel zu wirken, wenn sein Gehalt auf bis zu 3 Gew .-% erhöht wird. Eine hohe Abkühlrate verstärkt den Modifikationseffekt aufgrund der Anwesenheit von Mg. In der AlZn10Si8Mg1-Legierung erscheinen die Si-Partikel feiner als die der AlZn10Si8Mg-Legierung, zeigen jedoch immer noch eine lamellare Morphologie, während sie in der AlZn10Si8Mg3-Legierung noch feiner und mit einer Kugelstruktur erscheinen. Um die Morphologie der Siliziumpartikel beurteilen zu können, wurden einige ihrer mikrostrukturellen Eigenschaften gemessen: die Fläche, die Rundheit und schließlich der äquivalente Durchmesser. Es kann angemerkt werden, dass für jeden der vier betrachteten Bereiche der Stufenprobe durch Erhöhen des Mg-Gehalts feinere Si-Partikel erhalten werden. Solche Partikel zeigen jedoch nur mit einem Mg-Gewichtsprozentsatz von 3% eine Kugelstruktur. Bei einem Gewichtsprozentsatz von Mg von 1% nimmt die Fläche dieser Partikel ab, weist jedoch immer noch eine Lamellenmorphologie auf. Bei gleichem Mg-Gehalt nimmt durch Erhöhen der Abkühlgeschwindigkeit die Größe der Siliziumpartikel ab. Durch Beobachtung der Mikrostrukturen kann geschlossen werden, dass die effektivste Modifikation der eutektischen Siliziumpartikel durch Verwendung einer hohen Abkühlrate und eines hohen Gewichtsprozentsatzes von Mg erreicht wird. Es ist auch möglich, den Trend der Rundheit der eutektischen Siliziumpartikel zu beobachten, wenn die Abkühlraten und der Mg-Gehalt variieren. Die Rundheit wurde nach folgender Formel berechnet:

R = p2/ 4 π A

wobei p und A den Umfang bzw. die Fläche der Si-Teilchen darstellen. Die Rundheit zeigt einen abnehmenden Trend durch Erhöhen des Mg-Gehalts auf bis zu 1 Gew .-% und zeigt nur im Fall der Zone A einen anderen Trend. Während der Mg-Gehalt auf bis zu 3% erhöht wird, nimmt die Rundheit mit Ausnahme des Falles in Bezug auf Zone D zu. Eine hohe Abkühlrate und ein hoher Mg-Gehalt ermöglichen es, einen Rundheitswert zu erhalten, der so nahe wie möglich an 1 liegt was einem kugelförmigen Teilchen entspricht. Siliziumpartikel mit einer sphärischen Morphologie neigen weniger dazu, als Spannungskonzentrationszonen und folglich als mögliche Stellen für die Keimbildung von Rissen zu wirken. Eine Si-Sphäroidisierung kann auch während des Solubilisierungsschritts der Wärmebehandlung erreicht werden. Um die Sphäroidisierung der Siliziumpartikel zu bewerten, wurde ihr äquivalenter Durchmesser unter Verwendung der folgenden Formel berechnet:

D_eq= ( A / 4 π) ^½

wobei A der Fläche der Teilchen entspricht. Die Werte des äquivalenten Durchmessers zeigen einen abnehmenden Trend, wenn die Abkühlrate zunimmt oder sich von Zone D zu Zone A bewegt. Dies ist auf die Zunahme der Keimbildungsgeschwindigkeit und die Verringerung der Diffusionsgeschwindigkeit zurückzuführen. Eine hohe Abkühlrate und ein hoher Mg-Gehalt ermöglichen es, die niedrigsten Werte des äquivalenten Durchmessers zu erhalten. Die Signale, die sich auf die α-Al- und Si-Matrix beziehen, wurden in jedem Spektrum identifiziert, während mit zunehmendem Mg-Gehalt eine Zunahme der Intensität des Signals in Bezug auf die Mg2Si-Verstärkungsniederschläge beobachtet werden kann. Darüber hinaus wurden in den Diffraktogrammen aller drei Legierungen Beugungspeaks in Bezug auf die MgZn2-Niederschläge identifiziert.

Beständigkeit von Aluminiumlegierungen für den Automobilsektor gegen interkristalline Korrosion

Es ist möglich, eine lokalisierte Korrosion zu beobachten, die sich hauptsächlich an der Grenzfläche zwischen den Si-Partikeln und der α-Al-Matrix entwickelt. Dies liegt daran, dass sich die Siliziumpartikel in Bezug auf die Aluminiummatrix wie Kathoden verhalten. Intergranulare Korrosion trat auch an der Grenzfläche zwischen der Aluminiummatrix und den Intermetallen von den Kathoden zu α-Al auf. Durch Zugabe von Mn ist es möglich, das kathodische Verhalten dieser Intermetalle gegenüber der Aluminiummatrix zu reduzieren. Durch Erhöhen des Mg-Gehalts auf bis zu 3 Gew .-% wurde die Ausfällung von Mg-Intermetallen beobachtet, die während des Korrosionsprozesses als Anoden fungierten. Darüber hinaus hat nach dem Anstieg des Mg-Gehalts der Gehalt an Mg2Si-Verstärkungsniederschlägen zugenommen, die als Anoden in Bezug auf die Aluminiummatrix wirken. Dank der Zunahme des Volumenanteils von Mg2Si-Niederschlägen und der Intermetallik von Mg, beide mit anodischem Verhalten im Vergleich zur Aluminiummatrix, war es daher möglich, die Korrosionsbeständigkeit von selbstalterenden Aluminiumlegierungen zu erhöhen und den Mg-Gehalt zu erhöhen. Tatsächlich hat die AlZn10Si8Mg3-Legierung den niedrigsten Wert sowohl hinsichtlich des Gewichtsverlusts als auch hinsichtlich der Korrosionstiefe.

Mechanische Eigenschaften von Aluminiumlegierungen im Automobilbereich

Die mechanischen Eigenschaften der drei selbstalterenden Legierungen wurden mittels eines Dreipunktbiegetests und eines Charpy-Tests sowohl vor als auch nach dem intergranularen Korrosionstest bewertet, um den Einfluss der Korrosion auf die mechanische Festigkeit und Festigkeit der Legierungen zu bewerten. Im Fall von AlZn10Si8Mg- und AlZn10Si8Mg1-Legierungen verursachte Korrosion eine Abnahme von etwa 20% der Biegezugfestigkeit. Die AlZn10SiMg3-Legierung weist dagegen sowohl vor als auch nach dem Korrosionstest ähnliche Werte auf. Der gleiche Trend wurde bei der Verformung beim Bruch festgestellt. Die AlZn10Si8Mg- und AlZn10Si8Mg3-Legierungen zeigten nach dem intergranularen Korrosionstest eine Abnahme der Elastizität von etwa 25%, während die AlZn19Si8Mg1-Legierung vor und nach dem Korrosionstest vergleichbare Elastizitätswerte aufwies.

Schlussfolgerungen der Studie zur Verwendung von Aluminiumlegierungen im Automobilsektor

Selbstalterende Aluminiumlegierungen sind dank der Möglichkeit, gute mechanische Eigenschaften zu erzielen, ohne dass sie einer Wärmebehandlung unterzogen werden müssen, ein potenzieller Kandidat für die Herstellung mechanischer Komponenten. Tatsächlich ermöglicht die Verwendung von Aluminiumlegierungen im Automobilsektor dieser Industrie, aus wirtschaftlicher Sicht und hinsichtlich der Umweltauswirkungen wichtige Vorteile zu erzielen. Die Schlussfolgerungen, die aus den bisher erzielten Ergebnissen gezogen werden können, sind:

1. Mit hohen Abkühlraten und einem hohen Mg-Gewichtsgehalt (3 Gew .-%) kann eine Mikrostruktur erhalten werden, die durch feine und kugelförmige Siliziumpartikel gekennzeichnet ist. Dies ermöglicht es, die Wahrscheinlichkeit für diese Partikel zu verringern, als bevorzugte Keimbildungsstellen für Risse zu wirken;
2. Durch Erhöhen des Mg-Gehalts ist es möglich, die Beständigkeit gegen intergranulare Korrosion zu verbessern, dank des Anstiegs des Volumenanteils der Mg2Si-Niederschläge und der Intermetalle des Mg, die beide ein anodisches Verhalten in Bezug auf die Aluminiummatrix aufweisen;
3. Die Legierungen mit einem niedrigeren Mg-Gehalt zeigen eine Abnahme der mechanischen Festigkeit von etwa 20%, nachdem sie einem intergranularen Korrosionstest unterzogen wurden. Andererseits haben Legierungen mit einem hohen Mg-Gehalt vor und nach dem Korrosionstest die gleichen mechanischen Eigenschaften;
4. Gewichtsprozente von Mg von mehr als 1% wirken sich negativ auf die Elastizität der Legierungen aus.