Hochtemperatur-Oxidation von Magnesium und Magnesium-Legierungen
Final Report Abstract
Untersucht wurden verschiedene Gussproben der Leichtmetall-Magnesiumlegierung AZ91. Die einzelnen Gussproben unterschieden sich dabei vor allem in ihrer Abkühlgeschwindigkeit beim Gussvorgang. Die Proben wurden bezüglich ihrer Gefügestruktur und der Zusammensetzung der Gusshaut untersucht. Dabei zeigten die Proben mit der höchsten Abkühlrate eine deutlich feinkörnigere Randstruktur (späterer Oxidationsbereich) mit kleinen, der α-Phase zugeordneten globulären Kristalliten. Proben mit deutlich niedrigerer Abkühlgeschwindigkeit zeigen ein grobkörniges Kristallbild, das vor allem durch deutlich ausgeprägte dendritische Kristalle (α-Phase) bestimmt ist, die bis dicht unter die Gusshaut reichen. Mit rasterelektronenmikroskopischen Aufnahmen in Kombination mit elementspezifischem EDX-Mapping zeigen die globulären und dendritischen Kristallite als reine Magnesiumphase. Weiterhin wurden, vor allem in den langsam abgekühlten Proben, punktuelle Al-Mn-Fe-Phasen nachgewiesen. Besonders interessant war die Untersuchung der Zusammensetzung der Gusshaut mit Hilfe von SNMS-Tiefenprofiluntersuchungen. Hier zeigte sich im Vergleich mit den in der Literatur diskutierten Oxidschichtmodellen nach Song, dass eine klare Eingliederung der Proben in diese Modelle nicht möglich ist. Bei den Proben mit hoher Abkühlrate (S Proben) und feinkörnigem Grenzgefüge (kleine globuläre α-Phase) kommt es bis in eine Tiefe von 5 μm zu einem magnesiumreichen Mischbereich mit ähnlich verlaufendem Tiefenprofil für Mg und Al. Eine deutliche Signatur für eine innere separierte Al2O3-Schicht, wie sie für eine α-Phasen dominierte AZ91 Probe beschrieben ist, wurde bei diesen Proben nicht gefunden. Die Beschreibung durch eine Mischphase aus Al-Mg-(OH)/O, wie sie in der Abfolge (Al,Mg)m(OH)n- (Al,Mg)m(O)n für rein ß-Phasen dominierte Legierung beschrieben wird, deckt sich deutlich besser mit dem gefundenen Tiefenprofil. Bei den Proben mit niedriger Abkühlgeschwindikeit (Probe L) zeigt sich bis etwa 0,05 μm Tiefe eine dünne magnesiumreiche Schicht, die in eine deutlich aluminiumangereicherte Mischphase übergeht. Der bei den L Proben scheinbar höhere Anteil an α- Phase könnte hier zu einer anfänglich reinen Mg-(OH)/O-Schicht führen, die dann in eine gegenüber den S Proben deutlich aluminiumreichere Al-Mg-(OH)/O-Phase übergeht. Trotz der deutlich erhöhten Al-Konzentration ist auch hier keine wirklich separierte Al2O3-Schicht zu erkennen. Besonders auffällig war das Auftreten einer mit Kohlenstoff und Sauerstoff angereicherten, metallabgereicherten Zwischenschicht in einer Tiefe von etwa 0,8 μm. Die Ursache und der chemische Ursprung der beobachteten metallarmen C/O Zwischenschicht ist sicherlich ungewöhnlich und dürfte sich auf das oxidative Verhalten der Proben auswirken. Hier könnten die ursprünglich vorgesehenen zusätzlichen XPS-Untersuchungen weiterhelfen. Zusammenfassend zeigt sich, dass durch die verschiedenen Abkühlgeschwindigkeiten (bei gleicher Gusscharge !) und den damit geänderten Gefügezusammensetzungen eine entsprechende Änderung im oxidativen Verhalten der Proben vorliegt. Das oxidative Verhalten solcher Gussteile sollte somit, neben den rein morphologischen Verhältnissen wie der Oberflächenstruktur/Porosität, deutlich von dem Gehalt und der Verteilung der α- und β-Phase sowie dem damit einhergehenden Al-Gehalt der Mischphasen/α-Körner bestimmt werden.
