Atomic Force Microscopy and Kelvin Probe Force Microscopy investigations of high-strength aluminium brazing sheets

Titel in Übersetzung: Rasterkraftmikroskopie- und Kelvinsondenkraftmikroskopie Untersuchungen an hochfesten Aluminium-Lotblechen

Publikation: Thesis / Studienabschlussarbeiten und HabilitationsschriftenMasterarbeit

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Abstract

Aluminium und seine Legierungen sind ein ausgezeichneter Werkstoff für Leichtbau- und Transportanwendungen (wegen ihrer Dichte im Bereich von 2.7 g/cm³). Zudem macht die Kombination aus hoher Wärmeleitfähigkeit (205 bis 232 WK/m) mit guter Korrosionsbeständigkeit Aluminium besonders für Wärmetauscher in der Automobilindustrie geeignet. Für den Bau dieser Wärmetauscher werden mehrschichtige Lotbleche mit verschiedenen Aluminiumlegierungen verwendet. Üblicherweise bestehen diese Bleche aus zwei Schichten, dem Kernmaterial (z.B. Al-Mn) für die mechanische Festigkeit und der Lotschicht (z.B. Al-Si) mit einem niedrigen Schmelzpunkt (z.B. 575 °C) zum Verbinden des Endproduktes. Es ist möglich, das Kernmaterial gegen eine hochfeste Al-Legierung auszutauschen, um den Wirkungsgrad und die Lebensdauer zu verbessern, allerdings kann dies zu erhöhter Korrosionsgefahr führen. In diese Arbeit werden zwei verschiedene hochfeste Al-Lotbleche mittels Rasterkraftmikroskopie (AFM) sowie Kelvinsondenkraftmikroskopie (KPFM) untersucht, mit dem Ziel, die physikalischen Parameter zu erkunden die den Korrosionsprozess beeinflussen. Das Kernmaterial beider Bleche ist AlZn4.5Mg1, und die Lotschicht besteht aus einer eutektischen AlSi10-Legierung. Diese beiden Werkstoffe müssen durch eine zusätzliche Zwischenschicht getrennt werden, die eine Diffusion und einen damit einhergehenden Verlust an mechanischer Festigkeit verhindert. Die erste untersuchte Probe hatte eine reine Aluminium-Zwischenschicht (99,85 wt%) und die zweite eine AlMn1-Schicht. Nach einem simulierten Lötprozess (12 min bei 610 °C) wurden metallographische Querschliffe der Bleche für die Untersuchung vorbereitet. Die Untersuchung umfasste die Messung des Lotzustandes mittels AFM und KPFM sowie die topographische Veränderung nach Eintauchen in eine Lösung (42 g/l NaCl, mit Essigsäure auf pH 3 eingestellt) für feste Zeitintervalle von 1 h und 3 h mittels AFM. Mit einer modifizierten Versuchsanordnung war eine KPFM-Messung der AlMn1-Probe nach dem Eintauchtest ebenfalls möglich. Bei beiden Proben zeigten die Einschlüsse ein edleres Potenzial als die umgebende Al-Matrix. Al(Mn,Fe)Si-Partikel wiesen eine Potenzialdifferenz von ungefähr 300 mV auf. Eindeutige Werte für die Potenzialdifferenzen kleinerer Einschlüsse (< 2 µm) konnten nicht ermittelt werden, es ist jedoch eine Tendenz zu höheren Potenzialen erkennbar. Die beiden Proben unterschieden sich durch die Art der Einschlüsse in den Zwischenschichten. In der Probe mit der reinen Aluminium-Zwischenschicht konnte eine hohe Anzahl sehr kleiner Einschlüsse (ca. 3 µm²) festgestellt werden. Die Größe und Anzahl dieser Verbindungen nahm mit fortschreitender Korrosion ab. Es war auch möglich, eine Veränderung des Oberflächenpotenzials zwischen den verschiedenen Schichten zu bestimmen. Diese Veränderung war am Rand der Zwischenschicht zum Kernmaterial am ausgeprägtesten (1,15 V/µm) und ist eine Folge der Diffusionsvorgänge während des Lötens. Anhand der Ergebnisse der durchgeführten Messungen konnte die Möglichkeit, Korrosionseigenschaften mittels KPFM abzuschätzen, an den untersuchten Proben aufgezeigt werden. Die verwendete Methodik erlaubt den Rückschluss, dass eine AlMn1-Zwischenschicht für hochfeste Al-Lotbleche das geeignetste Material ist, um den Korrosionsangriff unter den hier untersuchten Umständen möglichst gering zu halten. Die Ergebnisse dieser Arbeit legen die Möglichkeit einer weiterführenden Untersuchung über den Effekt der Einschlussgröße auf die Korrosionsbeständigkeit dieser Leichtbau-Materialien nahe.
Titel in ÜbersetzungRasterkraftmikroskopie- und Kelvinsondenkraftmikroskopie Untersuchungen an hochfesten Aluminium-Lotblechen
OriginalspracheEnglisch
QualifikationDipl.-Ing.
Gradverleihende Hochschule
  • Montanuniversität
Betreuer/-in / Berater/-in
  • Kremmer, Thomas, Mitbetreuer (intern)
  • Kratzer, Markus, Mitbetreuer (intern)
  • Teichert, Christian, Betreuer (intern)
Datum der Bewilligung25 Okt. 2019
PublikationsstatusVeröffentlicht - 2019

Bibliographische Notiz

gesperrt bis null

Schlagwörter

  • AFM
  • KPFM
  • Al
  • Lotblech
  • Wärmetauscher

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