Bestimmung von α- und β-AlFeSi-Phasen in Aluminium-Knetlegierungen

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Bestimmung von α- und β-AlFeSi-Phasen in Alumi-nium-Knetlegierungen

M. Rosefort, C. Matthies, H. Buck, H. Koch

TRIMET ALUMINIUM AG Aluminiumallee 1, 45356 Essen, Germany

KurzbeschreibungDie TRIMET ALUMINIUM AG bedient und versorgt die ge-samte industrieorientierte Wertschöpfungskette der Alu-miniumwirtschaft. Dabei stellt der Teilbereich PRIMARY PRODUCTS Pressbolzen, Walzbarren sowie Primärgussle-gierungen für höchste Qualitätsanforderungen her. Eine wichtige Rolle dabei spielen Produkte zur Herstellung von Sicherheitsteilen für die Automobilindustrie, die nach Prü-fung auf Europas modernster Ultraschallprüfanlage mit Null-Fehler-Garantie ausgeliefert werden. Insbesondere für diese Produkte ist eine optimale Mikrostruktur erfor-derlich, um die beständig steigenden Anforderungen an die mechanischen Eigenschaften zu erfüllen. Bei den häu-fig eingesetzten 6xxx-Legierungen ist die Ausbildung der AlFeSi-Phasen ein wichtiger Aspekt bei der Mikrostruk-turausbildung. Angestrebt wird ein niedriger Anteil an β-AlFeSi-Phasen, da diese β-AlFeSi-Phasen die mechani-schen Eigenschaften negativ beeinflussen.

Aus diesem Grund ist eine zuverlässige Analysenmetho-de zur Unterscheidung von α- und β-AlFeSi-Phasen eine wichtige Voraussetzung für die Entwicklung von Legie-rungen, 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 Unterschei-dung auf der Basis der unterschiedlichen Morphologie der α- und β-AlFeSi-Phasen ist nicht immer zuverlässig mög-lich.

Daher wurde von TRIMET die Möglichkeit zur Phasendif-ferenzierung 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.

EinleitungWie von den Aluminiumgusslegierungen bekannt, können sich auch bei Aluminiumknetlegierungen aus Schmelze und übersättigtem Mischkristall intermetallische Verbindungen, wie beispielsweise AlFeSi-Phasen ausbil-den. 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 Raster-elektronenmikroskop und ist daher nicht immer verfüg-bar.

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 Pha-sendifferenzierung herangezogen werden. Die Motivation zur Entwicklung einer solchen Methode ist zusätzlich in der Schwierigkeit begründet, AlFeSi-Phasen in Knetlegie-rungen 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 be-gründet.

Bild 1. a) “Chinesenschrift”-artige αc-AlFeSi-Phasen, b) plattenförmige β-AlFeSi-Phasen.

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α- und β-AlFeSi-PhasenIn Tabelle 1 sind die wichtigsten AlFeSi-Phasen der 6xxx-Legierungen mit Kristallstruktur und Stöchiometrie aufge-führt, welche in Aluminiumknetlegierungen unterschie-den werden sollen, [1]. Wie oben erwähnt, ist die übliche und technisch einfachste Methode zur AlFeSi-Phasendif-ferenzierung die mikroskopische Strukturbeurteilung, Bild 1. Die EBSD-Messungen ma-chen sich dagegen die unter-schiedlichen in Tabelle 1 aufgeführten Kristallstrukturen der AlFeSi-Phasen zu nutze.

Ziel der hier vorgestellten Arbeit war wiederum eine Mes-sung 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 be-schrieben 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 Legie-rungen kristallisiert, [2], konzentrierten sich die Untersu-chungen darauf für αc- und β-AlFeSi-Phasen eine Trenn-linie zu definieren, welche zuverlässig Si/Fe-Messpunkte von α- und β-Phasen trennt, Bild 2, und somit eine Be-stimmung der AlFeSi-Phasen mittels EDX zulässt. Dabei wurden Mangangehalt und Eisengehalt der Phase aufad-diert, um dem Mangananteil der αc-AlFeSi-Phase Rech-nung 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.

Tabelle 1. Die wichtigsten intermetallischen Phasen der 6xxx-Legie-rungen, [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).

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Numerische SimulationenAlle Simulationen dieses Vorhabens wurden bei TRIMET mit Pandat 8.1/Database 8 (Version 2009) durchgeführt. Dabei waren die Hauptaspekte bei Simulation und Le-gierungsentwicklung, 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-PhaseBasierend auf den Arbeiten von Á.Griger, [2], wurde als β-Referenz eine 99,95% Aluminium mit Si und Fe auf-legiert. Bei dem gewählten hohen Si/Fe-Verhältnis sind keine α-AlFeSi-Phasen zu erwarten. Ebenso zeigt die Si-mulation in Bild 3 (Detailausschnitt zwischen 640°C und 570°C), dass zwischen 615°C und RT kein α-AlFeSi auf-tritt.

α-AlFeSi-PhaseDie zweite in Bild 4 dargestellte Legierung basiert auf Vorarbeiten bei TRIMET. Die Zugabe von Mn fördert die Entstehung von α-Phasen. Nach einigen Legierungsvaria-tionen konnte ein schmaler Bereich zwischen 300°C und 120°C mit ausschließlich α-AlFeSi gefunden werden.

Zusammenfassend kann für die dargestellten Legierun-gen bei exakten Analysen und passenden Gieß- und Ab-kühlparametern 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.

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Tabelle 2. Gießparameter der α-AlFeSi-Referenzproben.

Tabelle 3. Gießparameter der α-AlFeSi-Referenzproben.

GießversucheAbgegossen wurde in zylindrische Stahlkokillen mit 40mm Durchmesser und 35mm Höhe. Alle Proben wurden mit-tels Mikroskop, REM und EDX untersucht. Als Ergän-zung wurden zwei 6xxx-Legierungen aus der Produktion gewählt, die überwiegend α- bzw. β-Phasen enthalten sollten.

β-AlFeSi-phaseZum Abguss der β-Referenzproben wurden die in Tabelle 2 dargestellten Parameter verwendet. Damit wurde bei beiden Versionen eine schnelle Abkühlung unter 610°C erreicht.

α-AlFeSi-phaseFür die Proben der α-AlFeSi-Referenz kamen die in Tabelle 3 gezeigten Parameter zur Anwendung. V4 wurde unter Berücksichtigung der theoretischen von Pandat ange-nommenen Abkühlbedingungen gewählt

ErgebnisseDas 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 Pha-senstrukturen der Referenzproben. Im folgenden Schritt wurden mittels EDX-Messungen die Si, Fe und Mn-Ge-halte der Proben gemessen und dann Si gegen (Fe+Mn) aufgetragen, Bild 6.

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 rela-tiv 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 Hinter-grundstörung gemessen werden kann. Von Bedeutung für die Unterscheidung mittels EDX ist jedoch, dass zwi-schen den α- und β-Messpunkten ein zur Unterscheidung ausreichender Freiraum und somit eine Trennlinie im Dia-gramm bestimmt werden kann, welche α- und β-Phasen voneinander trennen, Bild 6.

Bild 5. a) Plattenförmige β-Phasen und; b) typische “Chinesenschrift”-artige α-Phasen der Referenzproben.

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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 überwie-gende 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 aus-schließlich β-AlFeSi gefunden. Dies entspricht damit auch den bisherigen Untersuchungen an dieser Legierung mit-tels 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.

Bild 6. Si/(Fe+Mn) Verhältnis der Referenzproben, der von Á. Griger untersuchten α- bzw. β-AlFeSi-phase, [2], und der gesuchten Trennli-nie zwischen α- bzw. β-AlFeSi-Phasen

ZusammenfassungDie EDX-Messung von Si, Fe und Mn-Konzentrationen in Knetlegierungen ist eine preiswerte und zuverlässige Me-thode 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 Hintergrundin-formationen 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 hervorragen-des Werkzeug zur Bestimmung und Unterscheidung von α- und β-AlFeSi-Phasen. Als weiterführende Arbeiten sind zusätzliche EBSD-Messungen zur weiteren Absicherung der Methodik geplant.

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Literatur[1] N.C.W.Kuijpers, “Kinetics of the β-AlFeSi to β-Al(FeMn)Si transfor-mation in Al-Mg-Si al-loys” ISBN 90-77172-07-6, 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” Zeit-schrift für Metallkunde 75 2, pp 170-174, 1984

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