Mechanisms controlling natural aging and its effect on artificial aging in Al-Mg-Si alloys with and without trace element additions

Publikationen: Thesis / Studienabschlussarbeiten und HabilitationsschriftenDissertation

Abstract

Al-Mg-Si-Legierungen sind die kommerziell wichtigste Gruppe aushärtbarer Aluminiumwerkstoffe. Der Wunsch die Kaltaushärtungskinetik kontrollieren zu können und eine Lösung für den negativen Effekt der Raumtemperaturlagerung auf die Warmauslagerung zu finden, ist der Triebfaktor für Forschungs-anstrengungen der aluminiumverarbeitenden Industrie. Hauptziele waren die „Minimierung der Kaltaushärtung“ bei gleichzeitiger „Maximierung der Warmaushärtung“ von Al-Mg-Si-Werkstoffen mit und ohne Zugaben von Spurenelementen in kommerziellen Legierungen. Sn-Zugaben zur Legierung AA6061 unterdrücken temporär die Kaltauslagerung und erhöhen gleichzeitig die Warmaushärtungskinetik. Die starke Sn-Leerstellen-Bindungsenergie resultiert in einer „Gefangennahme“ der meisten eingeschreckten Überschussleerstellen in Sn-Leerstellenpaaren. Dies reduziert die Anzahl an freien Leerstellen, welche die Diffusion anderer Legierungselemente wie Mg, Si oder Cu kontrollieren. Die maximale Verzögerung der Kaltauslagerung resultiert bei Sn-Gehalten über der Löslichkeitsgrenze (~100 at.ppm). Während der Unterdrückung der Kaltaushärtung bewirkt die „Freilassung“ von Leerstellen eine verstärkte Diffusion für die Ausscheidungsbildung bei höheren Temperaturen. Der Effekt von ist Sn phänomenologisch mit dem positiven Effekt einer Kaltvorauslagerung bei Warmauslagerungstemperaturen von > 210 °C vergleichbar. Sn bewirkt eine ungewöhnlich schnelle Warmauslagerungs¬kinetik als auch hohe Maximalhärte. Prozessparameter und Zusammensetzungslimits von Al-Mg-Si-Legierungen variieren. Lösungsglühtemperaturen von <570 °C verkürzen die Verzögerung der Kaltaushärtung aufgrund der Abnahme der maximal einschreckbaren gelösten Sn-Menge. Ein erhöhter Si-Gehalt verkürzt die Verzögerungsdauer der Kaltaushärtung mit Sn. Ein erhöhter Si-Gehalt verkürzt die Verzögerungsdauer der Kaltaushärtung mit Sn da Si die frühe Clusterbildung und deren Kinetik kontrolliert, während Si zusätzlich die gelöst einschreckbare Sn-Menge reduziert. Cu beeinflusst die Sn-Löslichkeit nicht, weswegen angenommen wird, dass es einen ähnlichen, aber schwächeren Effekt als Sn zeigt. Mg hingegen verringert nur die gelöst einschreckbare Sn-Menge. Es konnte bestätigt werden, dass im Labor hergestelltes Material mit industriell produzierten Feinblechen oder Platten vergleichbar ist. Industriell produziertes Material zeigte nur eine etwas höhere Anfangshärte. Es wurde eine Designstrategie für eine lange Unterdrückung der Kaltaushärtung in Al-Mg-Si-Legierungen entwickelt, welche zu einem neuen Sn-legierten Al-Mg-Si-Werkstoff führte. Diese zeigt eine Kaltauslagerungsstabilität von > 6 Monaten und ein signifikantes Warmaushärtepotenzial. Kombinierte Sn- und In-Zugaben ergeben weiters vergleichbare Kaltauslagerungskinetik bei verschiedenen Lösungsglühtemperaturen. Eine starke Abhängigkeit der Kaltaushärtungskinetik von der Lagertemperatur wurde für verschiedene 6061-Werkstoffe festgestellt. Bei Anwendung dieses Wissens sollte die entwickelte Legierung bis zu ~7 Jahre Stabilität bei 5 °C zeigen. Durch eine gründliche Analyse jüngster Literatur zur Kaltaushärtung in Al-Mg-Si-Legierungen und deren Effekt auf die Warmaushärtung sowie Erkennen neuer Zusammenhänge wurde das Bild der zugrunde liegenden Mechanismen mit und ohne Spurenelementen verfeinert. Weiters konnten die Effekte der Kaltauslagerungstemperatur und bis zu jahrelanger Kaltaushärtung auf die Warmaushärtung interpretiert werden. Abschließend wurden vorläufige Ergebnisse über den Einfluss eines Reckprozesses und der Abschreckrate diskutiert. Zusammenfassend liegt der Erfolg dieser Arbeit in der Entwicklung einer Legierung, welche die Kaltaushärtung maximal verzögert und gleichzeitig ein hohes Warmaushärtungspotenzial zeigt. Dies könnte den Weg für eine neue Klasse von Al-Mg-Si-Werkstoffen mit einem eigenen Eigenschaftsprofil bereiten.

Details

Titel in ÜbersetzungKontrollmechanismen der Kaltaushärtung in Al-Mg-Si-Legierungen und ihr Einfluss auf die Warmaushärtung mit und ohne Zugabe von Spurenelementen
OriginalspracheEnglisch
QualifikationDr.mont.
Betreuer/-in / Berater/-in
StatusVeröffentlicht - 2016