Überlagertes Dispersoidhärten und Ausscheidungshärten von Aluminiumlegierungen

Abstract

In Aluminiumlegierungen werden entlang der Prozesskette verschiedene Klassen von Sekun-därphasen ausgeschieden. Dispersoide werden bei der Homogenisierung aus dem Gusszu-stand ausgeschieden und sollen vorrangig das Kornwachstum bei nachfolgenden Prozess-schritten eingrenzen. Dispersoide werden typischer Weise aus hochschmelzenden Legie-rungselementen wie Fe, Mn, Cr oder Zr gebildet. Eine zweite wesentliche Klasse umfasst die eigentlich zur Festigkeitssteigerung vorgesehenen nanoskaligen Ausscheidungen aus den Hauptlegierungselementen der jeweiligen Legierungstypen, die beim abschließenden Aus-scheidungshärten gebildet werden. Ziel des Projektes war es neben den üblichen festigkeitssteigernden Sekundärausscheidun-gen auch die Dispersoide derart fein verteilt einzustellen, dass sich eine gezielte Kombination von Dispersoid- und Ausscheidungshärtung in einer AlMnMgSi-Legierung ergibt. Hierzu wur-den zunächst geeignete Homogenisierungsparameter identifiziert, um feinverteilte Mn-haltige Dispersoide einzustellen. DSC-Untersuchungen zeigen, dass die Dispersoidbildung im Tem-peraturbereich zwischen 370 bis 430 °C erfolgt. Aus Härteprüfungen und TEM-Analysen re-sultiert, dass die angepasste Homogenisierung zu einer signifikanten Verfeinerung der Disper-soide führt. Während in der Referenzroute relativ grobe Dispersoide (ca. 117 nm) in geringer Anzahl vorliegen, können mit neuen Parametern mittlere Durchmesser von etwa 24-34 nm bei deutlich erhöhter Dispersoiddichte erreicht werden. Im Zustand nach der Homogenisierung kann eine deutliche Steigerung der Härte durch die ausgeschiedenen Dispersoidpartikel nach-gewiesen werden und es wurden zwei Sätze angepasster Homogenisierungsparameter fest-gelegt. Zudem wurden drei neue Prozessrouten entwickelt, die es erlauben verschiedene, sonst getrennte Fertigungs- und Wärmebehandlungsschritte miteinander zu kombinieren, um so Prozesszeit einsparen zu können. Untersuchungen zum Lösungsglühen in den integrierten Routen offenbaren jedoch eine Her-ausforderung: Höhere Temperaturen verbessern die Ausscheidungshärtung, da mehr Mg und Si in Lösung gehen, führen jedoch gleichzeitig zu einer Vergröberung der Dispersoide. Bei niedrigeren Temperaturen bleiben die Dispersoide feiner, allerdings geht nicht ausreichend Mg und Si in Lösung. Entsprechend zeigen Härteprüfungen nach dem Ausscheidungshärten für alle Routen ein ähnliches Niveau. Zugversuche im T6-Zustand bestätigen vergleichbare mechanische Eigenschaften aller Routen. Durch eine Integration einzelner Prozessschritte ist es gelungen, eine signifikante Reduktion der Gesamtprozessdauer von ca. 70 Prozent bei Er-halt von gleichwertigen mechanischen Eigenschaften zu erzielen.