Welche Mikrostrukturen treten in Aluminium und seinen Legierungen auf?

Mikrostrukturen von Aluminiumgusslegierungen

Mikrostrukturen von Al-Si-Legierungen

Der Silizium-Massenanteil w_Si beträgt im Allgemeinen 5%–13%. Diese hypoeutektischen und eutektischen Legierungen lassen sich nicht durch Wärmebehandlung verfestigen. Eine einfache binäre Al-Si-Eutektiklegierung wie ZL102 weist im Gusszustand eine α + Si-Eutektikstruktur auf. Silizium tritt in Form von groben Nadeln und Polygonen auf. Durch Modifizierung mit Natriumsalzen, Phosphor oder anderen Elementen wird das grobe eutektische Silizium verfeinert und die mechanischen Eigenschaften sowie die Zerspanbarkeit verbessert.

Al-Si-Legierungen enthalten relativ wenige härtende Elemente, und ihre Abschreckungstemperatur liegt weit entfernt vom Eutektikpunkt, sodass es bei der Lösungsglühung selten zu einer Überhitzung kommt. Wenn eine zu hohe Lösungsglühtemperatur zu einer beginnenden Schmelzung führt, entstehen in der Struktur umgeschmolzene Kügelchen, Schmelzstellen an den Korngrenzen sowie agglomeriertes, vergröbertes Silizium.

Mikrostrukturen von Al-Cu-Legierungen

Der Kupferanteilsanteil w_Cu lautet 4%-11%. Diese Legierungen lassen sich durch Wärmebehandlung verfestigen, hauptsächlich über die θ-Phase, Al₂Cu. Geringe Zusätze von Magnesium und Zink können die S-Phase bilden, Al₂CuMg (auch als T-Phase bezeichnet) sowie AlCuZn zur zusätzlichen Verfestigung. Dank ihrer hohen mechanischen Eigenschaften bei Raumtemperatur und erhöhten Temperaturen bildet dieses System die Grundlage für hochfeste, hitzebeständige Aluminiumgusslegierungen.

Mikrostrukturen von Al-Mg-Legierungen

Al-Mg-Legierungen weisen unter den Aluminiumlegierungen die geringste Dichte und die höchste Korrosionsbeständigkeit auf, insbesondere gegenüber elektrochemischer Korrosion. Im abgeschreckten Zustand besteht die Struktur aus einer einzigen α-Phase. Wenn Mg₂Ist Si vorhanden, ist es aufgrund seines niedrigeren Elektrodenpotentials gegenüber α anodisch, daher Mg₂Bei der elektrochemischen Korrosion wird Si kontinuierlich abgetragen, bis eine einphasige α-Oberfläche zurückbleibt und die Korrosion zum Stillstand kommt. Diese Legierungen weisen eine schlechte Gießbarkeit, einen komplexen Schmelzprozess und eine geringe Warmfestigkeit auf. Magnesiumreiche Sorten können bei langer Nutzungsdauer spröde werden, was ihren Einsatz einschränkt.

Mikrostrukturen von Al-Zn-Legierungen

Im Gusszustand umfassen die Phasen α, Silizium und Mg₂Si sowie eine geringe Menge der schädlichen schwarzen, nadelartigen β-Phase, Al₉Si₂Fe₂. Mg₂Si lässt sich aufgrund seines geringen Gehalts oft nur schwer nachweisen.

Mikrostrukturen von Knetaluminium und seinen Legierungen

Mikrostrukturen aus handelsüblichem reinem Aluminium

Der Aluminiumanteilsanteil w_Al Bei handelsüblichem reinem Aluminium liegt der Gehalt im Allgemeinen zwischen 98,80% und 99,99%; Eisen und Silizium bilden die wichtigsten Verunreinigungsphasen. Bei niedrigen Eisen- und Siliziumgehalten löst sich Silizium in der Matrix auf, während Eisen nadelartige oder feinstreifenförmige Al-Strukturen bildet.₃Fe. Bei höheren Gehalten bilden sich ternäre Verbindungen. Übersteigt der Eisengehalt den Siliziumgehalt, entsteht eine unregelmäßige, plattenartige oder skelettartige α-Phase, Al₁₂Fe₃Ja, Formen. Wenn der Siliziumgehalt den Eisengehalt übersteigt, entsteht eine nadelartige oder feinstreifenförmige β-Phase, Al₉Si₂Fe₂, Formulare.

Korrosionsbeständige Aluminiumlegierungen

Korrosionsbeständiges Aluminium umfasst Al-Mn- und Al-Mg-Legierungssysteme.

Mikrostrukturen von Al-Mn-Legierungen

Eine gängige Güteklasse ist 3A21, bei der Mangan der Hauptzusatzstoff ist. Wenn w_Mn > 1.6%, reich an sprödem Al₆Durch Mn-Verbindungen neigt die Legierung dazu, bei der Verformung Risse zu bilden. Neben der α-Feststofflösung und Al₆Mn; die Phasen können Al enthalten₆(FeMn), T(Al₂Mn₃Si₂), α(Al₁₂Fe₃Si) und β(Al₉Si₂Fe₂).

Al-Mg-Legierungen

Nach dem Glühen weist eine Al-Mg-Legierung mit w_Mg < 2% ist eine einphasige α-Mischkristalllösung. Mit steigendem Magnesiumgehalt nimmt β(Al₈Mg₅) erscheint. Oberhalb von 5% Mg besteht die Struktur aus α + β(Al₈Mg₅), und die Duktilität nimmt ab. Zu den Hauptphasen können α, β(Al₈Mg₅), Al₆Mn, Al₇Cr und Al₃Ti mit Verunreinigungsphasen wie Al₃Fe, (FeMn)Al₆, und Mg₂Ja. Die β-Phase im Eutektikum ist skelettartig und erscheint vor dem Ätzen hellgrau.

Duraluminiumlegierungen

Duraluminiumlegierungen sind wärmebehandelbar und umfassen die Al-Cu-Mg- und Al-Cu-Mn-Systeme.

Mikrostrukturen von Al-Cu-Mg-Legierungen

An der aluminiumreichen Ecke des ternären Al-Cu-Mg-Gleichgewichtsdiagramms kann es bei der Erstarrung zur Bildung von S(Al) kommen₂CuMg), θ(Al₂Cu), T(Al₆CuMg₄), β(Al₈Mg₅) und α. Die tatsächlichen Magnesiumgehalte sind relativ gering, wodurch die Legierungen in die Phasenfelder α + S, α + θ + S oder α + θ fallen. Die beiden wichtigsten Verstärkungsphasen sind daher θ und S.

Al-Cu-Mn-Legierungen

Der Kupferanteilsanteil kann Werte von 6% bis 7% erreichen. Kupfer und Aluminium bilden die Verfestigungsphase Al₂Cu, das die Legierung nach dem Abschrecken und der künstlichen Alterung festigt. Bei w_Mn = 0,4%–0,5%, fein dispergiertes T(Al₂CuMn₂) verbessert die Wärmebeständigkeit. Ein Überschuss an Mangan vergrößert und vergröbert die T-Phase, wodurch die Phasengrenzen erweitert und die Diffusion beschleunigt werden. Die Wärmebeständigkeit nimmt daraufhin ab, und die Neigung zu Heißrissen beim Schweißen nimmt zu.

Super-Duralumin-Legierungen

Gängige Superduraluminium-Legierungen enthalten α, MgZn₂, T(Al₂Mg₃Zn₃), ein α + T(Al₂Mg₃Zn₃) eutektische Phasen sowie Verunreinigungsphasen wie (FeMn)Al₆ und Mg₂Ja.

Schmieden von Aluminiumlegierungen

Aluminiumlegierungen für die Schmiedetechnik werden im Allgemeinen in zwei Systeme unterteilt.

Al-Mg-Si-Cu-Legierungen

Wenn der Kupfergehalt sehr gering ist und das Massenverhältnis von Magnesium zu Silizium 1,73 beträgt, Mg₂Si bildet sich, und das gesamte Kupfer löst sich in der Matrix auf. Bei höheren Kupfergehalten und einem Magnesium-Silizium-Verhältnis unter 1,08 beträgt ω(AlCu₄Mg₅Si₄) bilden können, wobei das verbleibende Kupfer θ(Al₂Cu). Durch die Zugabe von Kupfer zu Al-Mg-Si-Legierungen können daher zusätzlich zu Mg auch ω, S und θ eingebracht werden₂Ja.

Al-Cu-Mg-Fe-Ni-Legierungen

Diese Legierungen enthalten weniger Kupfer und Magnesium als Duraluminium und weisen daher einen höheren Anteil an S-Phase sowie an Al auf.₂CuMg. Eisen und Nickel bilden Al₉FeNi, das eine gute thermische Stabilität aufweist. Überschüssiges Eisen bildet Al₇Cu₂Fe, während ein Überschuss an Nickel AlCuNi bilden kann.