Effects of SiC Additions on Rheocasting of Wrought 6082 Alloy

Aluminium (Al) und seine Legierungen verzeichnen eine steigende Nachfrage seitens der Industrie, insbesondere aus den Bereichen der Automobil- und Luftfahrtindustrie. Aufgrund des guten Verhältnisses des Al von Festigkeit zu Gewicht können Kosten und CO2 mittels Leichtbaukonstruktionen eingespart werden. Die mechanischen Eigenschaften der Legierungen werden jedoch von vielen verschiedenen Parametern beeinflusst, darunter der Chemie, der Gusstechnologie, möglichen Wärmebehandlungen oder des Umformprozesses. Aus diesem Grund konzentriert sich die aktuelle Forschung auf die Verbesserung dieser Eigenschaften durch die Anwendung neuer Produktionskonzepte, darunter die Herstellung von Metallmatrix-Verbundwerkstoffen auf Al-Basis durch Zugabe von harten Keramikpartikeln wie SiC zum Metall, um eine Verstärkung des Materials zu erreichen.
Das Hauptziel dieser Arbeit ist es, den Einfluss von SiC auf die Mikrostruktur und die mechanischen Eigenschaften von 6082-Al-Knetlegierungen zu untersuchen. Zu diesem Zweck wurden fünf verschiedene Legierungen mit einem SiC-Gehalt von 0 bis 1 Gew. % hergestellt, um ihre Mikrostrukturen mittels optischer Mikroskopie, Rasterelektronenmikroskopie (REM), Elektronenrückstreubeugung (EBSD) und energiedispersiver Röntgenspektroskopie (EDS) zu vergleichen. Um das Vorhandensein und die Verteilung von SiC in der Al-Matrix zu untersuchen, wurden eine Synchrotron-Mikrotomographie für Proben mit 1 Gew.-% SiC sowie eine Laserablation gekoppelt mit induktiv gekoppelter Plasma-Flugzeit-Massenspektroskopie (LA-ICP-TOF-MS) für eine Probe mit 1 Gew.-% SiC durchgeführt.
Darüber hinaus erfolgte ein Tempern des Materials und eine T4- und T6-Behandlung wurden durchgeführt, indem die Proben 2 Stunden lang auf 540 °C erhitzt und anschließend bei 160 °C, 180 °C und 200 °C für einen Zeitraum zwischen 0 und 144 Stunden künstlich gealtert wurden. So wurden die Auswirkungen von Zeit und Temperatur durch die Messung der Härte, den Vergleich mit verschiedener Differential-Scanning-Kalorimetrie-Kurven (DSC) sowie die Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) ausgewählter Proben untersucht. Weiters wurden auch die Verwendung von elektromechanischem Rühren (EMS) für Al-SiC-Verbundwerkstoffe und die Herstellung von 6082-Al-Knetlegierungen durch Rheocasting diskutiert.
Die Ergebnisse zeigten, dass Verbundwerkstoffe aus 6082-Legierungen mit SiC durch mechanisches Rühren hergestellt werden können, auch wenn die Optimierung der Mischerbeschichtung, der Rührzeit und Rührgeschwindigkeit eine Herausforderung darstellen kann. Das Vorhandensein von SiC in der Mikrostruktur konnte mit SEM/EBSD/EDS nicht nachgewiesen werden, während dies mit LA-ICP-TOF-MS möglich, aber sehr schwierig war. Schließlich ermöglichte das TEM die eindeutige Erkennung der SiC-Partikel und die Darstellung der SiC-Al-Grenzfläche.
Darüber hinaus führte die Zugabe von SiC unter 0,5 Gew.-% zu einer Kornvergröberung, während die Korngröße mit zusätzlichem SiC abnahm. Außerdem stieg die Härte des Materials um 4,9 bis 6,5 %, wenn 1 Gew.-% SiC zugegeben wurde, obwohl SiC keinen Einfluss auf die Zeit hat, die benötigt wird, um den Härtepeak während der künstlichen Alterung zu erreichen.
In Bezug auf die in dieser Arbeit untersuchten Verfahren führte die Verwendung von EMS zur Herstellung von Al-SiC-Verbundwerkstoffen zu einer homogenen Mikrostruktur mit runderen Körnern, obwohl die durchschnittliche Korngröße leicht zunahm. Darüber hinaus zeigte das Rheocasting der Al-Knetlegierung 6082 die Empfindlichkeit dieses Materials gegenüber Schrumpfporen, was zu schlechten mechanischen Eigenschaften führte.
Die vorliegende Arbeit zeigt die Möglichkeit auf, Al-basierte Metallmatrix-Verbundwerkstoffe (AMMCs) durch mechanisches Rühren bei Standard-Atmosphärenbedingungen unter Verwendung einer Al30SiC-Vormischlegierung herzustellen, sowie die verbesserten mechanischen Eigenschaften, die sich aus der Zugabe von SiC-Nanopartikeln zu einer 6082-Knetlegierung ergeben, ohne das Härtungsverhalten des Materials zu beeinflussen.