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

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

Bestimmung von α- und β-AlFeSi-Phasen in Aluminium-Knetlegierungen
M. Rosefort, C. Matthies, H. Buck, H. Koch
TRIMET ALUMINIUM AG
Aluminiumallee 1, 45356 Essen, Germany
Kurzbeschreibung
Die TRIMET ALUMINIUM AG bedient und versorgt die gesamte
industrieorientierte Wertschöpfungskette der Aluminiumwirtschaft.
Dabei stellt der Teilbereich PRIMARY
PRODUCTS Pressbolzen, Walzbarren sowie Primärgusslegierungen
für höchste Qualitätsanforderungen her. Eine
wichtige Rolle dabei spielen Produkte zur Herstellung von
Sicherheitsteilen für die Automobilindustrie, die nach Prüfung
auf Europas modernster Ultraschallprüfanlage mit
Null-Fehler-Garantie ausgeliefert werden. Insbesondere
für diese Produkte ist eine optimale Mikrostruktur erforderlich,
um die beständig steigenden Anforderungen an
die mechanischen Eigenschaften zu erfüllen. Bei den häufig
eingesetzten 6xxx-Legierungen ist die Ausbildung der
AlFeSi-Phasen ein wichtiger Aspekt bei der Mikrostrukturausbildung.
Angestrebt wird ein niedriger Anteil an
β-AlFeSi-Phasen, da diese β-AlFeSi-Phasen die mechanischen
Eigenschaften negativ beeinflussen.
Aus diesem Grund ist eine zuverlässige Analysenmethode
zur Unterscheidung von α- und β-AlFeSi-Phasen eine
wichtige Voraussetzung für die Entwicklung von Legierungen,
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 Unterscheidung
auf der Basis der unterschiedlichen Morphologie der
α- und β-AlFeSi-Phasen ist nicht immer zuverlässig möglich.
Daher wurde von TRIMET die Möglichkeit zur Phasendifferenzierung
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.
Einleitung
Wie von den Aluminiumgusslegierungen bekannt,
können sich auch bei Aluminiumknetlegierungen aus
Schmelze und übersättigtem Mischkristall intermetallische
Verbindungen, wie beispielsweise AlFeSi-Phasen ausbilden.
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 Rasterelektronenmikroskop
und ist daher nicht immer verfügbar.
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 Phasendifferenzierung
herangezogen werden. Die Motivation
zur Entwicklung einer solchen Methode ist zusätzlich in
der Schwierigkeit begründet, AlFeSi-Phasen in Knetlegierungen
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 begründet.
Bild 1. a) “Chinesenschrift”-artige αc-AlFeSi-Phasen,
b) plattenförmige β-AlFeSi-Phasen.
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BESTIMMUNG VON α - UND β -ALFESI-PHASEN IN ALUMINIUM-KNETLEGIERUNGEN

α- und β-AlFeSi-Phasen
In Tabelle 1 sind die wichtigsten AlFeSi-Phasen der 6xxx-
Legierungen mit Kristallstruktur und Stöchiometrie aufgeführt,
welche in Aluminiumknetlegierungen unterschieden
werden sollen, [1]. Wie oben erwähnt, ist die übliche
und technisch einfachste Methode zur AlFeSi-Phasendifferenzierung
die mikroskopische Strukturbeurteilung, Bild
1. Die EBSD-Messungen ma-chen sich dagegen die unterschiedlichen
in Tabelle 1 aufgeführten Kristallstrukturen
der AlFeSi-Phasen zu nutze.
Tabelle 1. Die wichtigsten intermetallischen Phasen der 6xxx-Legierungen,
[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).
Ziel der hier vorgestellten Arbeit war wiederum eine Messung
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 beschrieben
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 Legierungen
kristallisiert, [2], konzentrierten sich die Untersuchungen
darauf für αc- und β-AlFeSi-Phasen eine Trennlinie
zu definieren, welche zuverlässig Si/Fe-Messpunkte
von α- und β-Phasen trennt, Bild 2, und somit eine Bestimmung
der AlFeSi-Phasen mittels EDX zulässt. Dabei
wurden Mangangehalt und Eisengehalt der Phase aufaddiert,
um dem Mangananteil der αc-AlFeSi-Phase Rechnung
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.
BESTIMMUNG VON α - UND β -ALFESI-PHASEN IN ALUMINIUM-KNETLEGIERUNGEN 3

Numerische Simulationen
Alle Simulationen dieses Vorhabens wurden bei TRIMET
mit Pandat 8.1/Database 8 (Version 2009) durchgeführt.
Dabei waren die Hauptaspekte bei Simulation und Legierungsentwicklung,
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-Phase
Basierend auf den Arbeiten von Á.Griger, [2], wurde als
β-Referenz eine 99,95% Aluminium mit Si und Fe auflegiert.
Bei dem gewählten hohen Si/Fe-Verhältnis sind
keine α-AlFeSi-Phasen zu erwarten. Ebenso zeigt die Simulation
in Bild 3 (Detailausschnitt zwischen 640°C und
570°C), dass zwischen 615°C und RT kein α-AlFeSi auftritt.
α-AlFeSi-Phase
Die zweite in Bild 4 dargestellte Legierung basiert auf
Vorarbeiten bei TRIMET. Die Zugabe von Mn fördert die
Entstehung von α-Phasen. Nach einigen Legierungsvariationen
konnte ein schmaler Bereich zwischen 300°C und
120°C mit ausschließlich α-AlFeSi gefunden werden.
Zusammenfassend kann für die dargestellten Legierungen
bei exakten Analysen und passenden Gieß- und Abkühlparametern
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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BESTIMMUNG VON α - UND β -ALFESI-PHASEN IN ALUMINIUM-KNETLEGIERUNGEN

Gießversuche
Abgegossen wurde in zylindrische Stahlkokillen mit 40mm
Durchmesser und 35mm Höhe. Alle Proben wurden mittels
Mikroskop, REM und EDX untersucht. Als Ergänzung
wurden zwei 6xxx-Legierungen aus der Produktion
gewählt, die überwiegend α- bzw. β-Phasen enthalten
sollten.
β-AlFeSi-phase
Zum Abguss der β-Referenzproben wurden die in Tabelle
2 dargestellten Parameter verwendet. Damit wurde bei
beiden Versionen eine schnelle Abkühlung unter 610°C
erreicht.
Ergebnisse
Das 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 Phasenstrukturen
der Referenzproben. Im folgenden Schritt
wurden mittels EDX-Messungen die Si, Fe und Mn-Gehalte
der Proben gemessen und dann Si gegen (Fe+Mn)
aufgetragen, Bild 6.
Tabelle 2. Gießparameter der α-AlFeSi-Referenzproben.
α-AlFeSi-phase
Für die Proben der α-AlFeSi-Referenz kamen die in Tabelle
3 gezeigten Parameter zur Anwendung. V4 wurde unter
Berücksichtigung der theoretischen von Pandat angenommenen
Abkühlbedingungen gewählt
Tabelle 3. Gießparameter der α-AlFeSi-Referenzproben.
Bild 5. a) Plattenförmige β-Phasen und; b) typische “Chinesenschrift”-
artige α-Phasen der Referenzproben.
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 relativ
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 Hintergrundstörung
gemessen werden kann. Von Bedeutung
für die Unterscheidung mittels EDX ist jedoch, dass zwischen
den α- und β-Messpunkten ein zur Unterscheidung
ausreichender Freiraum und somit eine Trennlinie im Diagramm
bestimmt werden kann, welche α- und β-Phasen
voneinander trennen, Bild 6.
BESTIMMUNG VON α - UND β -ALFESI-PHASEN IN ALUMINIUM-KNETLEGIERUNGEN 5

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 überwiegende
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 ausschließlich
β-AlFeSi gefunden. Dies entspricht damit auch
den bisherigen Untersuchungen an dieser Legierung mittels
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.
Zusammenfassung
Die EDX-Messung von Si, Fe und Mn-Konzentrationen in
Knetlegierungen ist eine preiswerte und zuverlässige Methode
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 Hintergrundinformationen
muss eine statistisch relevante Anzahl von
Messungen an einer Probe durchgeführt werden. Dabei
müssen alle Messwerte mit geringen Si- (

Literatur
[1] N.C.W.Kuijpers, “Kinetics of the β-AlFeSi to α-Al(FeMn)Si transformation
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” Zeitschrift
für Metallkunde 75 2, pp 170-174, 1984
BESTIMMUNG VON α - UND β -ALFESI-PHASEN IN ALUMINIUM-KNETLEGIERUNGEN 7

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