Controlling Mikrostruktur für Al-Si-Guss

Zur Reduzierung CO2 und Energie- bzw.- Treibstoffverbrauch in der Automobilindustrie müssen zunehmend auch Bauteile wie Zylinderköpfe, die nicht als Strukturteile ausgeführt sind, in Leichtbauweise umgesetzt werden. Hierfür werden hochfeste Al-Si Legierungen in immer dünnwandigere Strukturen vergossen, um optimale Flächenträgheitsmoment ausnutzen zu können. Die metallurgische Herausforderung liegt darin, eine Füllung und Speisung während der Erstarrung mit wenig Ungänzen zu gewährleisten. Dies erfolgt prinzipiell über eine kontrollierte Einstellung des Gefüges mit einer Kornfeinung der primären Al-Dendriten und einer Veredelung des nachfolgenden Al-Si Eutektikums. Mit abnehmender Wandstärke und zunehmenden Einfluss von Spurenelementen, die über Recylier-Prozesse eingebracht werden, zeigt sich, dass das bisherige Verständnis der fundamentalen metallurgischen Vorgänge nicht geeignet ist, um eine sichere Prozessführung zu gewährleisten. Insbesondere für die Füllung bzw. Speisung von dünnwandigen Strukturen ist eine Massenspeisung von feinen Al Dendriten wünschenswert, jedoch kommt es durch das Hauptlegierungselement Si ab ca. 3 Gew.% Zugabe zu einer Si-Vergiftung der bekannten Kornfeinungsmittel, deren Ursachen wissenschaftlich nicht eindeutig geklärt sind. Auch bei der Veredelung des Al-Si Eutektikums durch Sr-Zugabe kommt es zu unerwünschten Wechselwirkungen. Zwar feint eine Sr-Zugabe das Si, jedoch kommt es zu einer Grobkornbildung des Al-Si Eutektikums, wobei die Korngröße im Gegensatz zum primären Al mehre Millimeter, d.h. in der Größenordnung der Wanddicke, annehmen kann. Darüber hinaus bestimmen die eutektischen Körner zum Großteil die Restschmelzenverteilung aus der schlussendlich Poren bzw. Ungänzen entstehen. Damit feint die Veredelung das Silizium aber vergröbert das eutektische Korn bzw. die Ungänzen. Der limitierende Schritt die verschiedenen Wechselwirkung zu verstehen ist die Unkenntnis der detaillierten Keimbildungsmechanismen. Daher ist es Ziel dieser Arbeit mit innovativen elektronen- mikroskopischen Methoden die Keimbildungsmechanismen zu untersuchen und deren Verständnis langfristig in die Prozessführung in Gießereien einfließen zu lassen. Dafür sollen in kontrollierten Erstarrungsversuchen Keime für die Kornfeinung von Al und Kornbildung des Eutektikums dem industriellen Prozess nachgestellt werden und die Keime nachfolgend identifizieren werden. Mit Hilfe von Fokussierten Ionen Strahlsägen (FIB) werden diese freigelegt und in weltweit einzigartigen hochauflösenden elektronen Mikroskopen atomar aufgelöst untersucht werden. Schlussendlich sollen diese Erkenntnisse helfen Konzepte für eine verbesserte Prozessführung zu erarbeiten.

Al-Legierungen zeichnen sich durch wenig Gewicht und hohe Festigkeit aus. Sie werden in der Automobil- und Luft- und Raumfahrtindustrie als das zweitwichtigste Metall neben Stahl eingesetzt. Insbesondere werden sehr häufig Legierungen auf Al-Si-Basis aufgrund ihrer hervorragenden Gießbarkeit (höhere Fließfähigkeit und geringere Warmrissneigung) und mechanischen Eigenschaften verwendet. Mehr als 90 % der Al-Gusslegierungen sind Legierungen auf Al-Si-Basis. Um qualitativ hochwertige Gussteile auf Al-Si-Basis herzustellen, werden mindestens drei wichtige Schmelzebehandlungen (Entgasung, Kornfeinung von -Al und Modifikation von eutektischem Si) eingesetzt, um die Erstarrungsmikrostruktur zu steuern und dadurch die mechanischen Eigenschaften zu verbessern. Im Hinblick auf die Kornfeinung von -Al wird häufig der Standard-Kornverfeinerer Al-5Ti-1B aufgrund seiner höheren Kornfeinungsleistung und seiner leichten Verfügbarkeit verwendet. Bei Legierungen auf Al-Si-Basis nimmt jedoch die Korngröße zu, wenn die Si-Konzentration mehr als 3 Gewichtsprozent beträgt, und es kommt zur sogenannten Si-Vergiftung. Die Vermeidung bzw. Reduzierung von Si-Vergiftungen ist das erste Forschungsziel dieses FWF-Projekts. Im Hinblick auf die Modifizierung von eutektischem Si werden häufig die Standardmaterialien Al-10Sr oder Na verwendet. Eutektisches Si kann gut modifiziert werden, allerdings bilden sich - aufgrund der Wechselwirkungen zwischen der Keimbildungsstelle (d. h. AlP) eutektischer Körner und dem Modifikator (Sr, Na) des eutektischen Si durch Bildung von Sr3P2 und Na3P und der daraus resultierenden Reduzierung der Keimbildungsstellen für die Keimbildung - grobe eutektische Körner. Aufgrund der Tatsache, dass die Bildung von Poren oder Porositäten entlang eutektischer Korngrenzen während der letzten Phase der Erstarrung auftritt, führt die Bildung grober eutektischer Körner zur Bildung großer Poren oder Porositäten entlang eutektischer Korngrenzen, was den mechanischen Eigenschaften sehr abträglich ist, insbesondere was die Dauerfestigkeitseigenschaften betrifft. Die gleichzeitige Modifizierung von eutektischem Si und Verfeinerung eutektischer Körner ist das zweite Forschungsziel dieses FWF-Projekts. Im Projekt wurde eine effektive Kornfeinungsmethode für Legierungen auf Al-7Si-0.3Mg-Basis unter Verwendung von Al-2.2Ti-1B-Körnern zusammen mit Al-10Ta-Vorlegierungen entwickelt, mit der die Korngröße bis auf 150 m verfeinert werden kann. Dadurch kann die sogenannte Si-Vergiftung vermieden bzw. reduziert werden. Dies ist eine neuartige Beobachtung und unterscheidet sich völlig von der existierenden Kornfeinungstheorie. Darüber hinaus wurde eine wirksame Modifikationsmethode für Legierungen auf Al-7Si-0.3Mg-Basis unter Verwendung von Al-5Eu-Vorlegierungen mit kontrollierter P-Zugabe entwickelt, mit der eine gleichzeitige Modifikation des eutektischen Si und eine Feinung der eutektischen Körner sowie die Optimierung der Größe und Größenverteilung von Poren und Porositäten erreicht werden kann. Dies ist ebenfalls eine neuartige Beobachtung und unterscheidet sich völlig von der bestehenden Modifikationstheorie. Die in diesem FWF-Projekt erzielten Ergebnisse wurden bereits für einige Anwendungen genutzt.