Bestimmung von α- und β-alfesiphasen in Aluminium-Knetlegierungen

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1 Bestimmung von α- und β-alfesiphasen in Aluminium-Knetlegierungen

2 Bestimmung von α- und β-alfesi-phasen in Aluminium-Knetlegierungen M. Rosefort, C. Matthies, H. Buck, H. Koch TRIMET ALUMINIUM AG Aluminiumallee 1, Essen, Germany Kurzbeschreibung Die TRIMET ALUMINIUM AG bedient und versorgt die gesamte industrieorientierte Wertschöpfungskette der Aluminiumwirtschaft. Dabei stellt der Teilbereich PRIMARY PRODUCTS Pressbolzen, Walzbarren sowie Primärgusslegierungen für höchste Qualitätsanforderungen her. Eine wichtige Rolle dabei spielen Produkte zur Herstellung von Sicherheitsteilen für die Automobilindustrie, die nach Prüfung auf Europas modernster Ultraschallprüfanlage mit Null-Fehler-Garantie ausgeliefert werden. Insbesondere für diese Produkte ist eine optimale Mikrostruktur erforderlich, um die beständig steigenden Anforderungen an die mechanischen Eigenschaften zu erfüllen. Bei den häufig eingesetzten 6xxx-Legierungen ist die Ausbildung der AlFeSi-Phasen ein wichtiger Aspekt bei der Mikrostrukturausbildung. Angestrebt wird ein niedriger Anteil an β-alfesi-phasen, da diese β-alfesi-phasen die mechanischen Eigenschaften negativ beeinflussen. Aus diesem Grund ist eine zuverlässige Analysenmethode zur Unterscheidung von α- und β-alfesi-phasen eine wichtige Voraussetzung für die Entwicklung von Legierungen, Wärmebehandlungen etc. Die Bestimmung von α- und β-alfesi-phasen in Aluminium-Knetlegierungen ist aufgrund der geringen Phasenanteile und der geringen Phasengröße erschwert. Eine mikroskopische Unterscheidung auf der Basis der unterschiedlichen Morphologie der α- und β-alfesi-phasen ist nicht immer zuverlässig möglich. Daher wurde von TRIMET die Möglichkeit zur Phasendifferenzierung mittels REM und EDX untersucht. In dieser Veröffentlichung werden Entwicklung und Untersuchung dieser Methode beschrieben. Präsentiert werden die durchgeführten Phasensimulationen, Gießversuche und die daraus abgeleiteten methodologischen Ergebnisse. Einleitung Wie von den Aluminiumgusslegierungen bekannt, können sich auch bei Aluminiumknetlegierungen aus Schmelze und übersättigtem Mischkristall intermetallische Verbindungen, wie beispielsweise AlFeSi-Phasen ausbilden. Bei diesen AlFeSi-Phasen ist eine Differenzierung zwischen den ver-schiedenen Phasenstrukturen (α- bzw. β) von Bedeutung, da die plattenförmigen Strukturen der β-phase zu verschlechterten mechanischen Eigenschaften führen, Bild 1. Die technisch beste Möglichkeit zur α- und β-phasendifferenzierung sind EBSD-Messungen (EBSD: Electron Backscatter Diffraction) der AlFeSi-Phasen. Diese Messung liefert zuverlässige Ergebnisse, ist jedoch recht aufwändig, bedingt ein mit EBSD ausgestattetes Rasterelektronenmikroskop und ist daher nicht immer verfügbar. Thema der hier vorgestellten Arbeit war daher die Entwicklung und Überprüfung einer einfachen Methode mittels EDX-Messungen (EDX: energy dispersive X-ray) der Elementkonzentrationen zur Unterscheidung von α- und β-alfesi-phasen in Aluminiumknetlegierungen. Dabei sollen die Silizium/Eisen-Verhältnisse der Phasen zur Phasendifferenzierung herangezogen werden. Die Motivation zur Entwicklung einer solchen Methode ist zusätzlich in der Schwierigkeit begründet, AlFeSi-Phasen in Knetlegierungen anhand des mikroskopischen Erscheinungsbildes zu bestimmen. Diese Schwierigkeiten sind im geringen Anteil und den sehr geringen Ausmaßen der AlFeSi- Phasen in den niedriglegierten 6xxx-Knetlegierungen begründet. Bild 1. a) Chinesenschrift -artige αc-alfesi-phasen, b) plattenförmige β-alfesi-phasen. 2 BESTIMMUNG VON α - UND β -ALFESI-PHASEN IN ALUMINIUM-KNETLEGIERUNGEN

3 α- und β-alfesi-phasen In Tabelle 1 sind die wichtigsten AlFeSi-Phasen der 6xxx- Legierungen mit Kristallstruktur und Stöchiometrie aufgeführt, welche in Aluminiumknetlegierungen unterschieden werden sollen, [1]. Wie oben erwähnt, ist die übliche und technisch einfachste Methode zur AlFeSi-Phasendifferenzierung die mikroskopische Strukturbeurteilung, Bild 1. Die EBSD-Messungen ma-chen sich dagegen die unterschiedlichen in Tabelle 1 aufgeführten Kristallstrukturen der AlFeSi-Phasen zu nutze. Tabelle 1. Die wichtigsten intermetallischen Phasen der 6xxx-Legierungen, [1]. Bild 2. Typische Si/Fe-Verhältnisse für αc- und β-alfesi-phasen, [2]. Angestrebt wird eine vereinfachende Trennlinie zwischen α- und β-alfesi-phasen (mittlere Linie). Ziel der hier vorgestellten Arbeit war wiederum eine Messung auf Basis der unterschiedlichen Stöchiometrien der verschiedenen AlFeSi-Phasen. Die Stöchiometrie und das Silizium/Eisen-Verhältnis der verschiedenen Phasen in Knetlegierungen ist in diversen Veröffentlichungen beschrieben worden, z.b. [2], [3]. Die von Á.Griger, [2], in der Praxis gefundenen Si/Fe-Verhältnisse sind in Bild 2 dargestellt. Da die hexagonale αh-alfesi-phase nach einer Vielzahl von Veröffentlichungen nur in hochreinen Legierungen kristallisiert, [2], konzentrierten sich die Untersuchungen darauf für αc- und β-alfesi-phasen eine Trennlinie zu definieren, welche zuverlässig Si/Fe-Messpunkte von α- und β-phasen trennt, Bild 2, und somit eine Bestimmung der AlFeSi-Phasen mittels EDX zulässt. Dabei wurden Mangangehalt und Eisengehalt der Phase aufaddiert, um dem Mangananteil der αc-alfesi-phase Rechnung zu tragen. Dabei kann ein Mn-Anteil in der Phase ein weiteres Indiz zur Unterscheidung zwischen αc- und β-alfesi-phasen sein, siehe Tabelle 1. BESTIMMUNG VON α - UND β -ALFESI-PHASEN IN ALUMINIUM-KNETLEGIERUNGEN 3

4 Numerische Simulationen Alle Simulationen dieses Vorhabens wurden bei TRIMET mit Pandat 8.1/Database 8 (Version 2009) durchgeführt. Dabei waren die Hauptaspekte bei Simulation und Legierungsentwicklung, dass zum einen in den jeweiligen Legierungen nur α- oder β-alfesi-phasen auftraten, um Referenzlegierungen zu erhalten und zum anderen die Phasen eine ausreichende Größe zur mikroskopischen Bestimmung der verschiedenen Phasen aufweisen. Die Diagramme zeigen jeweils die Simulationen für die real abgegossenen Legierungen. Dabei wurden alle wichtigen Elemente (11 Elemente) berücksichtigt. β-alfesi-phase Basierend auf den Arbeiten von Á.Griger, [2], wurde als β-referenz eine 99,95% Aluminium mit Si und Fe auflegiert. Bei dem gewählten hohen Si/Fe-Verhältnis sind keine α-alfesi-phasen zu erwarten. Ebenso zeigt die Simulation in Bild 3 (Detailausschnitt zwischen 640 C und 570 C), dass zwischen 615 C und RT kein α-alfesi auftritt. α-alfesi-phase Die zweite in Bild 4 dargestellte Legierung basiert auf Vorarbeiten bei TRIMET. Die Zugabe von Mn fördert die Entstehung von α-phasen. Nach einigen Legierungsvariationen konnte ein schmaler Bereich zwischen 300 C und 120 C mit ausschließlich α-alfesi gefunden werden. Zusammenfassend kann für die dargestellten Legierungen bei exakten Analysen und passenden Gieß- und Abkühlparametern das Auftreten von ausschließlich α- bzw. β-phasen erwartet werden. Bild 3. Pandat Simulation and Legierungsanalyse der β-alfesi- Referenzlegierung. Bild 4. Pandat Simulation and Legierungsanalyse der α-alfesi- Referenzlegierung. 4 BESTIMMUNG VON α - UND β -ALFESI-PHASEN IN ALUMINIUM-KNETLEGIERUNGEN

5 Gießversuche Abgegossen wurde in zylindrische Stahlkokillen mit 40mm Durchmesser und 35mm Höhe. Alle Proben wurden mittels Mikroskop, REM und EDX untersucht. Als Ergänzung wurden zwei 6xxx-Legierungen aus der Produktion gewählt, die überwiegend α- bzw. β-phasen enthalten sollten. β-alfesi-phase Zum Abguss der β-referenzproben wurden die in Tabelle 2 dargestellten Parameter verwendet. Damit wurde bei beiden Versionen eine schnelle Abkühlung unter 610 C erreicht. Ergebnisse Das Erreichen des Primärzieles α- und β-alfesi- Referenzproben zu erzeugen wurde sowohl mittels der Simulationen, als auch durch mikroskopische Analysen bestätigt. Bild 5 zeigt deutlich die ent-sprechenden Phasenstrukturen der Referenzproben. Im folgenden Schritt wurden mittels EDX-Messungen die Si, Fe und Mn-Gehalte der Proben gemessen und dann Si gegen (Fe+Mn) aufgetragen, Bild 6. Tabelle 2. Gießparameter der α-alfesi-referenzproben. α-alfesi-phase Für die Proben der α-alfesi-referenz kamen die in Tabelle 3 gezeigten Parameter zur Anwendung. V4 wurde unter Berücksichtigung der theoretischen von Pandat angenommenen Abkühlbedingungen gewählt Tabelle 3. Gießparameter der α-alfesi-referenzproben. Bild 5. a) Plattenförmige β-phasen und; b) typische Chinesenschrift - artige α-phasen der Referenzproben. Dabei kann festgestellt werden, dass die Messungen der α-alfesi-phasen sehr gut mit dem Si/Fe-Verhältnis nach Á. Griger korrelieren, [2]. Die Korrelation der β-messpunkte ist zwar sichtbar, weist eine erheblich höhere Streuung auf. Diese Streuung dürfte durch die Durchstrahlung der relativ dünnen Phasen und die Legierungszusammensetzung verursacht werden. Bei den β-alfesi-referenzproben wurden insbesondere an den β-phasen freies Silizium gefunden, welches bei den EDX-Messungen als Hintergrundstörung gemessen werden kann. Von Bedeutung für die Unterscheidung mittels EDX ist jedoch, dass zwischen den α- und β-messpunkten ein zur Unterscheidung ausreichender Freiraum und somit eine Trennlinie im Diagramm bestimmt werden kann, welche α- und β-phasen voneinander trennen, Bild 6. BESTIMMUNG VON α - UND β -ALFESI-PHASEN IN ALUMINIUM-KNETLEGIERUNGEN 5

6 Dieser Seperator wurde abschließend noch anhand der Produktionsproben überprüft. In der ersten Legierung wurde wie erwartet auch mittels der EDX-Messungen überwiegend α-alfesi-phasen gefunden. Der überwiegende Teil der Messpunkte befindet sich auf der α-seite des Diagramms. Ein geringer Anteil von β-alfesi wird für diese Legierung auch von der EDX-Messung bestätigt. In der zweiten Legierungsprobe wurde dagegen fast ausschließlich β-alfesi gefunden. Dies entspricht damit auch den bisherigen Untersuchungen an dieser Legierung mittels herkömmlicher mikroskopischer Methoden. Auch für diese Probe kann analog zu den Proben der β-referenz eine deutliche Streuung der Messpunkte zu höheren Si- Werten festgestellt werden. Zusammenfassung Die EDX-Messung von Si, Fe und Mn-Konzentrationen in Knetlegierungen ist eine preiswerte und zuverlässige Methode zur Unterscheidung von α- und β-alfesi-phasen. Dabei müssen einige Ver-fahrensrichtlinien beachtet werden. Aufgrund von Messungenauigkeiten der EDX- Elementbestimmung und der möglichen Durchdringung der Phasen und der damit einfließenden Hintergrundinformationen muss eine statistisch relevante Anzahl von Messungen an einer Probe durchgeführt werden. Dabei müssen alle Messwerte mit geringen Si- (<2%) und Fe- Gehalten (<4%) ausgeschlossen werden. Unter diesen Voraussetzungen ist die EDX-Messung ein hervorragendes Werkzeug zur Bestimmung und Unterscheidung von α- und β-alfesi-phasen. Als weiterführende Arbeiten sind zusätzliche EBSD-Messungen zur weiteren Absicherung der Methodik geplant. Bild 6. Si/(Fe+Mn) Verhältnis der Referenzproben, der von Á. Griger untersuchten α- bzw. β-alfesi-phase, [2], und der gesuchten Trennlinie zwischen α- bzw. β-alfesi-phasen 6 BESTIMMUNG VON α - UND β -ALFESI-PHASEN IN ALUMINIUM-KNETLEGIERUNGEN

7 Literatur [1] N.C.W.Kuijpers, Kinetics of the β-alfesi to α-al(femn)si transformation in Al-Mg-Si al-loys ISBN , Delft, 2004 [2] Á.Griger, V.Stefánia, A.Lendvai, T.Turmezey, Possible modification of cast structure by con-tinuous casting technology in AlFeSi alloys Part III: Intermetallic phases Aluminium, 10, 1989, Giesel Verlag GmbH, Isernhagen, 1989 [3] A.L.Dons, AlFeSi-particles in Commercial Pure Aluminium Zeitschrift für Metallkunde 75 2, pp , 1984 BESTIMMUNG VON α - UND β -ALFESI-PHASEN IN ALUMINIUM-KNETLEGIERUNGEN 7

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