Die quantitative Erfassung des Einflusses der Begleitelemente und Erstarrungsbedingungen auf die Veredelung von AlSi7Mg Gusslegierungen

• Antragsteller: Dr. Markus Apel; Professor Dr.-Ing. Andreas Bührig-Polaczek
• Fachliche Zuordnung: Thermodynamik und Kinetik sowie Eigenschaften der Phasen und Gefüge von Werkstoffen
• Förderung: Förderung von 2011 bis 2015
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 190053621

Das in AlSi7Mg Gusslegierungen während der eutektischen Erstarrung gebildete eutektische Silizium kann in verschiedenen morphologischen Ausprägungen und Größen vorliegen, die sich unterschiedlich auf die Werkstoffeigenschaften auswirken. Die gezielte, als Veredelung bezeichnete Zugabe von z.B. Strontium führt zu einem Übergang der unerwünschten groben körnigen zu einer erwünschten, feineren korallenartigen (veredelten) Form der Siliziumpartikel. Dabei existieren unterschiedlich abgestufte Ausprägungen dieser Morphologieänderungen, die bereits durch die Anwesenheit von wenigen ppm der Begleitelemente Phosphor und Eisen beeinflusst werden. Das gleichzeitige Auftreten von veredelten und unveredelten Siliziumpartikeln, wird als heterogene Veredelung bezeichnet und ist unerwünscht aufgrund des negativen Einflusses auf die lokalen mechanischen Eigenschaften des Werkstoffes.Im Rahmen dieses Projektes sollen Einflussfaktoren quantitativ ermittelt werden, die zu einer heterogenen Veredelung führen. Ausgehend von der Legierung AlSi7 soll der Einfluss des festigkeitssteigernden Legierungselementes Magnesium, der Begleitelemente Fe und P, des Veredelungsmittels (Sr) und verschiedener Erstarrungsbedingungen auf die Gefügemorphologie untersucht werden. Hierfür ist geplant die Ergebnisse etablierter Grundlagenexperimente (GI) mit der Phasenfeldsimulation (Access) und der thermodynamischen Beschreibung zu kombinieren, um eine quantitative ortsaufgelöste Beschreibung und Simulation der Gefügeausbildung entlang des Erstarrungspfades zu erhalten, inklusive der lokalen Variationen in den Elementkonzentrationen (Mikroseigerung). Somit ist es beispielsweise möglich, die Hypothese zu überprüfen, dass eine durch Ausscheidungsbildung von Sr‐reichen Phasen hervorgerufene lokale Verarmung an gelöstem Sr für die ungleichmäßige Veredlung verantwortlich ist. Im einzelnen sollen Experimente auf Basis hochreiner Legierungselemente durchgeführt werden, deren Ergebnisse zur metallurgischen Beschreibung der Gefügeausbildung und zur Charakterisierung der Einflüsse von Abkühlrate und Seigerungsvorgängen auf die Siliziummorphologie verwendet werden. Begleitende Gefügesimulationen ermöglichen die Untersuchung der Wechselwirkung zwischen Erstarrungsmorphologie, Mikroseigerung und Ausscheidungsbildung auf unterschiedlichen Längenskalen. Für die direkte Simulation des Veredelungseffektes soll eine neue Anisotropiebeschreibung für die Al‐Si Grenzflächenkinetik und ‐energie entwickelt werden, die es erlaubt den Morphologieübergang von der kompakten Struktur zur Korallenstruktur darzustellen. Der Abgleich der Modellparameter kann anhand der, am Institut für Funktionswerkstoffe (IfF) geplanten 3D‐Charakterisierung der Si‐ Morphologie erfolgen.Gemeinsam mit den an technischen Legierungen durchgeführten Untersuchungen sollen letztendlich Konzepte für eine verbesserte Homogenität der Veredelung entwickelt werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen