Die quantitative Erfassung des Einflusses der Begleitelemente und Erstarrungsbedingungen auf die Veredelung von AlSi7Mg Gusslegierungen
Final Report Abstract
Übergeordnete Zielsetzung des Projektes war die quantitative Ermittlung der Einfluss-faktoren, die zu einer heterogenen Veredelung in AlSi7Mg0.3 Gusslegierungen führen. Ausgehend von AlSi7 sollten der Einfluss des festigkeitssteigernden Legierungselementes Magnesium (Mg), der Begleitelemente Eisen (Fe) und Phosphor (P), des Veredelungsmittels Strontium (Sr) und verschiedener Erstarrungsbedingungen auf die Morphologie untersucht werden. In diesem Teilprojekt wurden Experimente mit hochreinen Legierungen durchgeführt, deren Ergebnis-se eine metallurgische Beschreibung der Gefügeausbildung und die Darstellung der Einflüsse von Abkühlrate und Seigerungsvorgänge auf die Siliziummorphologie ermöglichen. Die ortsaufgelöste Gefügesimulation mittels Phasenfeldmethode wurde weiterentwickelt, um die für die Veredelung rele-vanten Phänomene, wie z.B. verschiedene Wachstumsmorphologien von Si; AlP- und Al2Si2Sr-Ausscheidungen als Keimbildner oder die Mikroseigerung von Sr quantitativ abzubilden. Hierzu wurde die verbesserte thermochemische Modellierung des Systems Al-Si-Mg-Sr-P des Projektpartners TU Clausthal genutzt. Mit Hilfe der quantitativen Gefügesimulation wurden einzelne Erklärungsmodelle für die Veredelungswirkung von Sr, insbesondere in Wechselwirkung mit P überprüft. Für die experimentelle Aufklärung der Einzel- und Wechselwirkungen der Elemente Mg, Fe, Sr, P hinsichtlich Veredelungsgrad wurde die Anzahl notwendiger Variationen in den Elementgehalten mit Hilfe eines L32 Taguchi-Versuchsplans minimiert. Die benötigten Legierungsvarianten wurden am GI unter höchstreinen metallurgischen Bedingungen hergestellt. Verschiedene Abkühlbedingungen wurden mittels dreier Versuchsaufbauten realisiert: Triplex-Kavität für ungerichtete Erstarrung, ein neu-konzeptionierter Abschreckversuch zur gelenkten Erstarrung und die gerichtete Erstarrung im Bridgman-Stockbarger-Ofen. Gemessene Abkühlkurven und die zugehörigen Erstarrungsgefüge erlauben einen quantitativen Vergleich zwischen Experiment (GI), Gefügesimulation (Access) und thermo-chemischer Modellierung (TU Clausthal). Ergebnisse des Triplex-Versuchs, der eher industrienahe Erstarrungsbedingungen darstellt, ermöglichten der Uni Saarland den Aufbau einer umfassenden Gefügebilder-Datenbasis zur Entwicklung einer bildanalytischen Bestimmung des Veredelungsgrads. Zur Charakterisierung der Sr-Seigerung, bzw. Ausscheidungsbildung wurden am GI gerichtet erstarrte Proben hergestellt und an der Uni Saarland mittels FIB und Atomsonde untersucht. Varianz- und Mittelwertanalyse der Versuchsmatrix zeigen, dass Mg und Sr signifikante Einzeleinflüsse auf die Silizium-Morphologie haben und bestärken die Vermutung, dass Mg die heterogene Veredelung begünstigt. Die Gefügeuntersuchung zeigt, dass Sr-freie Mg-haltige Legierungen zwar ein plattenförmiges Eutektikum aufweisen, jedoch eine für Mg-haltige Legierungen typische Zerklüftung der im Normalfall sauber facettierten Siliziumkanten ersichtlich ist. Eine durch Mg erzwungene Zwillingsbildung und Ansätze von Verzweigung der Siliziumkristalle sind daher nicht ausgeschlossen. Im Abschreckversuch zeigen Sr-freie, Mg-haltige Legierungen eine Temperaturabsenkung der eutektische Reaktion, im Einklang mit der These dass Mg die Kinetik der sekundären Erstarrung bremst. Für die in der Literatur als „eutektische Körner“ bezeichneten, sternförmig ausgebildete grobe Siliziumkristalle (mit umgebendem eutektischemn Al) konnten im Abschreckversuch in deren Zentrum AlP-Keime nachgewiesen werden. Dies bestätigt die Vorhersagen der thermodynamischen Berechnung, dass sich ab einem Gehalt von 4 ppm Phosphor AlP-Partikel oberhalb der Bildungstemperatur des eutektischen Al-Si in der Schmelze bilden und unterstützt die These, dass AlP hauptverantwortlicher Keimbildner für das eutektische Silizium ist. Die Auswertung des Taguchi-Versuchsplans zeigt darüber hinaus Wechselwirkungen zwischen Fe und P. Die anderen hier untersuchten Elemente wechselwirken dagegen nicht. Die Wechselwirkung zwischen Fe und P stützt die These, dass beta-Al5FeSi dazu neigt, ebenfalls an AlP-Partikeln anzukeimen und diese für ein Ankeimen des eutektischen Siliziums zu blockieren, ein ähnlicher Mechanismus wie er auch für die Al2Si2Sr-Phase angenommen wird. Mit hoher Signifikanz konnte dies jedoch nur für die Kombination 400 ppm Fe und 2,5 ppm Sr, Triplex_D30mm nachgewiesen werden. Die Zusammenschau der experimentellen Ergebnisse, thermochemischer Modellierung und Gefügesimulation sowie der in der Literatur vorgeschlagenen Veredelungsmechanismen ergibt für den Veredelungseinfluss von Sr und P folgendes konsistente Bild: Sr verändert die kinetische (Wachstums-)Anisotropie des Siliziums, dies ist jedoch nicht hinreichend, um den Einfluss von P zu deuten. Damit die geänderte Wachstumsanisotropie zum modifizierten eutektischen Gefüge führt, ist zusätzlich eine erhöhte Wachstumsunterkühlung notwendig. Diese hängt u. a. von der Keimbildung des eutektischen Siliziums ab (Keimdichte und Keimbildungstemperatur). Selbst geringe P-Konzentrationen oberhalb etwa 5 ppm führen über die Bildung von AlP zu Si-Keimbildung nahe der eutektischen Temperatur und so zu einer geringen Wachstumsunterkühlung, mit dem Ergebnis einer gröberen Si-Morphologie. Der zweite, ebenso wichtige Effekt von Sr ist daher die Passivierung von AlP als Keimstelle. Dies erfolgt durch Aufkeimen von Al2Si2Sr auf AlP. Die Bildung von Al2Si2Sr-Ausscheidungen hat dagegen wohl keine Auswirkung auf die veränderte Si-Wachstumsanisotropie, da auch im direkten Umfeld von Al2Si2Sr-Ausscheidungen die in der Schmelze gelöste Sr-Konzentration nicht unter einen Wert von 60 ppm sinkt. Eine heterogene Veredelung im Sinne einzelner, unveredelter Bereiche lässt sich auf Basis der Projektergebnisse auf die gegen Ende der Erstarrung eher gleichgewichtsnahen lokalen Erstarrungsbedingungen zurückführen.
Publications
- “Analysis of the Microsegregation in Sr modified Al Alloys with a Multiphase Field Approach coupled to CALPHAD Databases”, MSE Konferenz, Darmstadt 2012
M. Apel, J. Eiken
- “Influence of Die and Casting Temperatures and Titanium and Strontium Contents on the Technological Properties of Die-Cast A356 in the As-Cast and T6 Condition”, Light Metals 2013 1031-1036
Fischer, S. F., Groten, V., Brachmann, J., Fix, C., Vossel, T., Bührig-Polaczek, A.
(See online at https://doi.org/10.1002/9781118663189.ch174) - “Phase-Field Simulations of 3D Eutectic Growth Morphologies in Al-Si Cast Alloys”, TMS spring meeting 2013
J. Eiken, M. Apel
- “Impact of P and Sr on the Phase Formation Sequence in Al-Si Cast Alloys: Combined Thermodynamic Computation and Phase-Field Simulation”, MSE Konferenz, Darmstadt 2014
J. Eiken, S.M. Liang, R. Schmid-Fetzer
- “Key experiments and thermodynamic revision of the binary Al–Sr system”, J. of Alloys and Compounds, 610 (2014) pp. 443-450
S.-M. Liang, M. Engstler, V. Groten, J. Barrirero, F. Mücklich, A. Bührig-Polaczek, R. Schmid- Fetzer
(See online at https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2014.05.018) - „Modelling Effects of Sr in Phase-Field Simulations of Al-Si Eutectics”, ICASP4, Windsor, UK, 2014
J. Eiken, M. Apel
- “Eutectic morphology evolution and Sr-modification in Al-Si based alloys studied by 3D phase-field simulation coupled to Calphad data”, IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering 84 (2015) 012084
J. Eiken, M. Apel
(See online at https://dx.doi.org/10.1088/1757-899X/84/1/012084) - „Impact of P and Sr on Solidification Sequence and Morphology of Hypoeutectic Al-Si Alloys: Combined Thermodynamic Computation and Phase-Field Simulation". Acta Materialia
Volume 98, 1 October 2015, Pages 152-163
J. Eiken, M. Apel, S.-M. Liang, R. Schmid-Fetzer
(See online at https://doi.org/10.1016/j.actamat.2015.06.056)
