Untersuchung thermodynamischer Grundlagen zum Verhalten von Nickel und Zirkon in Magnesiumlegierungen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Magnesiumlegierungen werden bereits bei sehr geringen Nickelgehalten stark negativ in ihrem Korrosionsverhalten beeinflusst. Eine ausreichende Entfernung des Nickels kann bisher nur durch ein energieintensives Destillieren erreicht werden (4-6 kWh/kg Magnesium). In diesem Projekt wurde eine Reinigung der Magnesiumlegierungen über die Bildung hochschmelzender intermetallischer Al- Ni-Zr-Phasen erreicht, die in einem anschließenden Raffinationsprozess durch Sedimentation entfernt wurden. In dem vorhergehenden Projekt DI 492/10-1[1] konnte eine Senkung des Nickelgehalts auf 0,084 mass.-% durch die Zugabe von Zirkon zur Magnesiumschmelze erreicht werden. In diesem Projekt wurde durch eine kombinierte Beimischung von Aluminium und Zirkon eine Senkung des Nickelgehalts auf 0,0020 mass.-% bei Aluminiumgehalten von 0,2 mass.-% erreicht. Bei höheren Aluminiumgehalten ergab sich eine Senkung des Nickelendgehaltes auf z.T. 80-100 ppm. Dieser Gehalt an Nickelverunreinigungen ist bereits für einige normierte Magnesiumlegierungen ausreichend, genügt aber noch nicht den Standards für High-Purity-Qualität. Die Methode konnte auch auf die technischen Legierungen AS31 (3 mass.-% Al, 1 mass.-% Si), AM50 (5 mass.-% Al, 0,5 mass.- % Mn), AJ62 (6 mass.-% Al, 2 mass.-% Sr) und AZ91 (9 mass.-% Al, 1 mass.-% Zn) sowie die Sekundärlegierung AZC1231 (12 mass.-% Al, 3 mass.-% Zn, bis 1 mass.-% Cu) übertragen werden, bei denen eine Reinigung durch Zugabe der Vorlegierung AlZr10 (90 mass.-% Al, 10 mass.-% Zr) vorgenommen wurde. Die gegenseitige Löslichkeit von Nickel und Zirkon in flüssigem Magnesium mit Aluminiumgehalten von 1/3/6/9/12 mass.-% bei 720 °C konnte bestimmt werden. Dabei wurden in jedem System drei Löslichkeitsisothermen gefunden, die in der metallographischen Analyse mittels Rasterelektronenmikroskop den Phasen AlmNin, Al5NiZr2 und Al3Zr zugeordnet werden konnten, die mit der MgAl- Schmelze im Gleichgewicht stehen. Die Gleichgewichtskonstanten konnten für die drei identifizierten intermetallischen Verbindungen aus den Löslichkeitsisothermen bestimmt werden. Weiterhin wurde festgestellt, dass die Lage der Löslichkeitsisothermen nur wenig vom Aluminiumgehalt und der Temperatur (660 – 770 °C) abhängt. Außerdem erfolgte eine thermodynamische Berechnung der Löslichkeitsisothermen für Al5NiZr2 nach dem Unified Interaction Parameter Formalism (UIPF), der die empirischen Daten gut abbilden konnte. Daraus konnten neben der Gleichgewichtskonstanten für die Bildung von Al5NiZr2 die Wechselwirkungsparameter εZrAl und εZrAlAl gewonnen werden. Hinsichtlich der Gleichgewichtskonzentrationen von Nickel und Zirkon bei sehr niedrigen Aluminiumgehalten um 0,2 mass.-% besteht noch weiterer Forschungsbedarf, der im Projekt jedoch nicht vorgesehen war. Die Anwendung der hier gefundenen Erkenntnisse zum Ni/Zr-Gleichgewicht zur praktischen Reinigung von Magnesiumlegierungen ist in Kombination mit einer Verdünnung der verunreinigten Magnesiumlegierungen möglich.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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(2013) Removal of Nickel Impurities from Recycled Mg-Al Alloys by Precipitation of Intermetallic Compounds. Proceedings European Metallurgical Conference 2013: 597–604
Duwe S, Scharf C, Ditze A
