Mechanisms of Nanoparticles as Novel Grain Refiners for Thermo-mechanically Loaded Aluminum Cast Components
Final Report Abstract
Im Rahmen des Projekts wurde ein Dispersionsverfahren erarbeitet, welches es ermöglicht, nano- und mikroskalige Partikel der experimentellen Kornfeiner in die Schmelze einzubringen. Dabei wurde das Strangpressverfahren zur Herstellung von pulvermetallurgischen Proben und Kornfeinungssträngen von den untersuchten Verfahren als am besten geeignet eingestuft. Eine Herausforderung war es, die Agglomeration der Nanopartikel zu verhindern, sodass die teils nanoskalige Partikelgröße aufrechterhalten werden konnte. Dazu wurden zunächst im Labormaßstab Proben erstellt und daran dann mit Hilfe des Heiztischmikroskops (HTMs) Aufschmelzversuche durchgeführt. Hierbei wurden die effektivsten Kornfeiner anhand des mittleren Korndurchmessers Dm, des Dendritenarmabstandes sDAS und der Vickershärte aller im HTM aufgeschmolzenen Proben ermittelt. Neben den nanoskaligen Kornfeinern Aluminiumnitrid (AlN) und Bornitrid (BN) kam es insbesondere bei Borcarbid (BC)-Pulver in Mikrometerbereich zu einer Verbesserung des Dm. Dieses Pulver konnte auch durch einen geringeren sDAS überzeugen. Allerdings liegt das Ergebnis mit 33 µm im Mittel nur knapp unter dem Referenzträgerpulver ohne Kornfeiner (34 µm), zumal sich die Streubereiche überlappen. Die Härtewerte entsprachen den Trends der sDAS-Messungen. Im Anschluss wurden die Erkenntnisse aus den Versuchen im HTM auf konventionelle Gussproben übertragen. Aufgrund der Ergebnisse der HTM-Untersuchungen wurden BN (70 nm) wegen des geringen Dm und AlN (0,8-2,0 µm) sowie BC (50 nm) aufgrund der vielversprechenden Ergebnisse zum Einfluss auf den sDAS als signifikant aktiv identifiziert und zur weiteren Untersuchung für die Gießversuche im Technikumsmaßstab verwendet. TiN (14 nm) lag bei der sDAS-Messung nahe der Referenz, allerdings bei der Dm-Messung entgegen der Erwartung weit über der Referenz und zeigte bei der Härtemessung den höchsten Wert. Daher wurde dieser Kornfeiner auch zur weiteren Untersuchung herangezogen. Außerdem wurde neben Ti5B1 als Referenz der weniger aktive mikroskalige Kornfeiner BN und TiC im Technikumsmaßstab mituntersucht. Für die im größeren Maßstab hergestellten Gussproben wurden analog zu den Untersuchungen im HTM die mittleren Korndurchmesser, die sDAS-Werte sowie die Härte und zusätzlich deren mechanische Eigenschaften analysiert. Bei konstanten Parametern (Haltezeit, Gusstemperatur, Impellerrotation, Kokillentemperatur, Abkühlverläufe) wurden Probestäbe abgegossen, aus denen dann Proben für metallographische Schliffe, quasistatische Zugversuche und zyklische Ermüdungsversuche entnommen wurden. Aus dem gleichen Probenmaterial wurde zunächst wie bei den Versuchen aus dem HTM Dm, sDAS und Vickershärte ermittelt. Die Ergebnisse der Dm zeigten keinen kornfeinenden Effekt. Allerdings konnten die sDAS bei allen Proben eine Verringerung des Dendritenarmabstandes zeigen. BN im nanoskaligen Bereich erzielte den niedrigsten Wert. Dies führte auch zu einer Steigerung der mechanischen Kennwerte, sodass durch die Härtemessung gezeigt werden konnte, dass bei BN sowohl im Nanometer- als auch im Mikrometerbereich sowie bei Borcarbid und Titannitrid im Nanometerbereich eine Festigkeitssteigerung im Vergleich zur Referenz von nahezu 10% erzielt wurde. Dies galt sowohl für die Matrix als auch für die Primärausscheidungen. Dieses Ergebnis sollte anhand von Zugversuchen untermauert werden. Eine Steigerung der Dehngrenze verglichen mit der Referenz (AlSi7Mg0,5 ohne Kornfeiner) konnte jedoch durch keines der verwendeten Kornfeinungsmittel hervorgerufen werden. Die Zugfestigkeit blieb im Rahmen der Messgenauigkeit zudem nahezu unbeeinflusst. Die Bruchdehnung hingegen konnte mit Ausnahmen von BN (4 µm) bei allen Kornfeinern leicht verbessert werden. Im letzten Schritt wurden dehnungsgeregelte Ermüdungsversuche im LCF–Bereich mit Rε = -1 durchgeführt, um zu prüfen, ob sich die gesteigerte Duktilität der Proben in einer Erhöhung der Bruchlastspielzahl widerspiegelt. Die Duktilitätsteigerung konnte jedoch nicht zur erwarteten Erhöhung der Bruchlastspielzahl führen. Anhand der Wechselverformungskurven dieser Proben konnte deutlich eine zyklische Verfestigung bei allen Proben gezeigt werden und dementsprechend im dehnungsgeregelten Versuch die pro Zyklus umgesetzte Energie zunimmt, sodass der im Zugversuch beobachtete Duktilitätsgewinn sich bei zyklischer Beanspruchung nicht nutzen lässt. Die Wirkmechanismen von kornfeinenden Mitteln sind derzeit noch nicht gänzlich verstanden. Letztlich konnte das bei den Versuchen im HTM erkennbare Potenzial der nanoskaligen Kornfeiner nicht auf Abgüssen im Technikummaßstab übertragen werden, da es trotz verschiedener Maßnahmen offensichtlich nicht gelungen ist, die Agglomeration der Pulver im Prozess zu vermeiden. Weiterführende Untersuchungen sollten sich daher primär diesem Aspekt widmen.
Publications
- Kornfeinung von siliziumhaltigen Aluminiumlegierungen mittels Bornitrid, Dissertation Leibniz Universität Hannover, 2018
Eric Wulf
