Elektronenstrahl-Mehrstufen-/Mehrprozesstechnologien für das lokale Werkstoffengineering von Magnesiumlegierungen zur beanspruchungsoptimierten Modifizierung der Randschichteigenschaften (EB-MeMaRa)
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Gegenstand des Forschungsvorhabens war die gleichzeitige lokale Verbesserung des Korrosions- und Verschleißverhaltens der Mg-Legierung AZ91D durch eine gezielte EB-Flüssigphasenrandschichtbehandlung unter Verwendung elektrochemisch kompatibler Zusatzstoffe auf Al-Basis. Beim EBUL mit Al- und Al-Si-Zusatzstoffen (Al 99, AlSi12, AlSi30) wird die Härtesteigerung durch die Bildung der intermetallischen Phasen Mg17Al12 sowie Mg2Si erreicht. Mg2Si leistet aufgrund seiner hohen Härte einen größeren Beitrag als Mg17Al12. Die Voraussetzung für hohe Mg2Si-Gehalte ist jedoch ein hoher Si-Anteil im Zusatzstoff, der wiederum dessen Schmelzpunkt erhöht und somit das Aufschmelzverhalten negativ beeinflusst. Unter Verwendung des Zusatzstoffes AlSi30 konnten rissfreie EBUL-Schichten erzeugt werden, deren Schichtmatrix nahezu ausschließlich aus der intermetallischen Phase Mg 17Al12 besteht mit gleichmäßig innerhalb dieser Matrix verteilten Mg2Si-Ausscheidungen. Damit wurden die Möglichkeiten der Härtesteigerung beim Randschichtlegieren mit Al-Si-Zusatzstoffen vollständig ausgeschöpft. Es ist davon auszugehen, dass die polyedrische Morphologie von Mg2Si gegenüber der von der LB-Randschichtbehandlung bekannten „Chinesen-Schrift“ zu besseren mechanischen Schichteigenschaften führt, wie z.B. einer geringeren Neigung zu Rissbildung. Die maximale Steigerung der mittleren Schichthärte lag bei über 300 HV0,1, was dem ca. 4,5-fachen des Ausgangszustandes entspricht. Ähnliche Werte konnten bisher nur unter Verwendung Cu-haltiger Zusatzstoffe erreicht werden. Die erhöhte Härte führt gleichzeitig auch zu einer Verbesserung des Verschleißverhaltens. Im Bereich von FN = 1…10 N wurde der spezifische Verschleißkoeffizient um 50% reduziert. Der erhöhte Anteil an Sekundärphase an der Oberfläche verbessert gleichzeitig auch das Korrosionsverhalten. Ursache dafür ist zum einen der perse edlere Charakter dieser Phase gegenüber dem α-Mg und zum anderen die aufgrund des reduzierten Anteils an α-Mg abnehmende mikrogalvanische Korrosion. Potentiodynamische Polarisationsmessungen in 0,001 M NaCl zeigten eine Verschiebung des Korrosionspotentials gegenüber dem Ausgangszustand um bis zu 550 mV in positive Richtung. Im besten Fall konnte der Polarisationswiderstand im Vergleich zum unbehandelten Zustand auf das über 3-fache angehoben werden. Es ist bisher einmalig, dass auf Basis einer Flüssigphasen-Randschichtbehandlung erzeugte Schichten sowohl ein deutlich verbessertes Korrosions- und Verschleißverhaltens sowie eine deutlich gesteigerte Härte vereinen. Im Rahmen dieser Arbeit wurden die Möglichkeiten, die Al-Si-Zusatzstoffe in diesem Zusammenhang bieten, komplett ausgeschöpft. Die mittels EB-Auftragen (EBA) generierten Schichten wiesen unter Verwendung geringer Energieeinträge deutlich höhere Al-Gehalte und dadurch ein besseres Korrosionsverhalten als EBUL-Schichten auf. Die erzeugten Schichten hatten jedoch mit 100 … 150 HV0,1 eine geringere Härte und waren nur partiell an den Grundwerkstoff angebunden. Das EB-Dispersionslegieren der bereits erzeugten EBUL-Schichten in einem zweiten Prozessschritt erwies sich als weniger zielführend. Die erzeugten Schichten zeigten gegenüber den EBUL-Schichten keine wesentlich höheren Al-Gehalte sowie Härtewerte. Das Verschleißverhalten war schlechter als das der EBUL-Schichten. Für die Nutzung der Resultate dieses Projektes werden in mehreren Industriezweigen gesehen, weil sich Möglichkeiten eröffnen, lokal belastete Komponenten aus Mg-Legierungen zum Einsatz zu bringen.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- EB Surface Alloying of Magnesium Alloys AZ31 B and AZ91 D. In: Electrotechnica & Electronica (E+E) 47 (2012) 5/6 (Special Issue), ISSN: 0961-4717, Proc. 10th International Conference on Electron Beam Technologies: 01.-04.06.2012), Varna/Bulgaria, 2012, S. 170-175
Fritzsch, Katja; Klemm, Marco; Zenker, Rolf; Buchwalder, Anja
- Electron Beam Surface Alloying and Dispersing of Magnesium Alloy AZ31 and AZ91. In: Mg 2012 - Magnesium Alloys and their Applications: Proc. 9th Conference on Magnesium Alloys and their Applications: 08.- 12.07.2012, Vancouver/CDN, W.J. Poole and K.U. Kainer (Ed.), 2012, S. 267-272 (DVD)
Fritzsch, Katja; Zenker, Rolf; Klemm, Marco; Buchwalder, Anja
- Influence of microstructure on the corrosion resistance of AZ91D after EB surface alloying. In: Materials Science Forum 765 (2013), S. 607-611
Fritzsch, Katja; Buchwalder, Anja; Zenker, Rolf; Klemm, Marco
(Siehe online unter https://dx.doi.org/10.4028/www.scientific.net/MSF.765.607) - Improved Surface Properties of Mg Alloys due to Electron Beam Liquid Phase Surface Treatment. In: Proc. IFHTSE 2014 (12.-15.05.2014, München), 2014 (CD), S. 423-430
Fritzsch, Katja; Buchwalder, Anja; Zenker, Rolf
- Influence of electron beam liquid phase surface treatments on the corrosion resistance of AZ91D using different additive deposition techniques, Corrosion Science 88 (2014), S. 108-117
Fritzsch, Katja, Buchwalder, Anja, Zenker, Rolf, Jung, Anne
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.corsci.2014.07.030) - Dry Sliding Wear Behavior of EB Surface Alloyed and Dispersed AZ91 Magnesium Alloy under Mild Wear Conditions. In: Materials Science Forum 828-829 (2015), S. 272-278
Fritzsch, Katja; Buchwalder, Anja; Zenker, Rolf
(Siehe online unter https://dx.doi.org/10.4028/www.scientific.net/MSF.828-829.272) - Improved surface properties of AZ31 and AZ91 Mg alloys due to electron beam liquid phase surface treatment. In: Materials Today: Proceedings 2S ( 2015 ) S188 – S196
Fritzsch, Katja; Zenker, Rolf; Buchwalder, Anja
(Siehe online unter https://dx.doi.org/10.1016/j.matpr.2015.05.009) - Characterization of Rapidly Solidified Surface Layers on AZ91D Mg Alloy after Electron Beam Liquid Phase Surface Treatment. In: Proc. of 24th IFHTSE Congress, Nice, June 26-29 2016, CD
Fritzsch, K.; Buchwalder, A.; Zenker, R.
