Optimierung der Eigenschaften von plattierten 7xxx-Werkstoffen

Publikation: Thesis / Studienabschlussarbeiten und HabilitationsschriftenDissertation

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Abstract

Immer strengere gesetzliche Rahmenbedingungen (Europäische Union, US Environmental Protection Agency) wirken als wichtiger Treiber in der Fahrzeugentwicklung. Die Wärmetauscherfertigung im Automobilbereich erfolgt beinahe ausschließlich unter Anwendung von mehrschichtigen Aluminium-Verbunden. Zum Einsatz kommt dabei eine AlMn-Legierung, als Grundwerkstoff, auf die ein nah-eutektisches AlSi-Lot aufgebracht wird. Diese Werkstoffkombination stößt bei speziellen Anwendungen (z.B. Kühlung von Turboladern) auf ihre Anwendungsgrenzen durch die hohe mechanische und Temperaturbelastung (bis 200 °C). Ziel dieses Projekt ist das Ersetzen dieses konventionellen Verbunds mit einer hochfesten Kombination auf Basis eines AlZnMg-Werkstoffs, wobei die Korrosionsbeständigkeit erhalten bleiben soll. Da ein Kontakt des flüssigen Lotes mit dem Grundwerkstoff zu starken Anschmelzungen der Korngrenzen führt und eine akzeptable Ausbildung der Verbindung verhindert, muss eine zusätzliche Zwischenschicht eingebracht werden. Die Arbeit gliedert sich in zwei Bereiche. Im ersten erfolgte im Labor eine Herstellung von Werkstoffkombinationen mit verschiedenen Zwischenschichten (Rein-Aluminium, AlZn2,7 und AlMn1). An den letzten beiden Legierungsfamilien erfolgte eine Variation der chemischen Zusammensetzung (Zn, Mn, Fe, Mg) und Homogenisierungsbehandlung. Die Charakterisierung der Korrosionsbeständigkeit fand mittels „Sea Water Acetic Acidified Testing“ (SWAAT) statt, um das Verhalten im Betrieb zu simulieren. Zur genaueren Untersuchung erfolgte zusätzlich die Aufnahme von Stromdichte-Potenzial-Kurven mit anschließenden rasterelektronenmikroskopischen (REM) Untersuchung. Die Messungen zeigen, dass beim AlZn2,7-Verbund die Änderung der chemischen Zusammensetzung die Korrosionsmorphologie stark beeinflusst. Bei dieser Zwischenschichtfamilie tritt, nach dem Durchbrechen der Zwischenschicht, Delamination an der Grenzfläche zum Grundwerkstoff auf. Um die Lebensdauer zurückzugewinnen, ist eine AlMn1-Zwischenschicht vorteilhafter. Der zweite Teil befasst sich mit dem Einfluss der Diffusion während der Lötbehandlung und der Abschätzung der Mindest-Zwischenschichtdicke, um negative Auswirkungen (Anschmelzungen an Korngrenzen, inakzeptable Ausbildung der Lotverbindung) zu verhindern. Die Untersuchungen wurden an großindustriell hergestellten Verbunden mit AlMn1-Zwischenschichten und unterschiedlicher Dicke (0,6 mm und 1,6 mm) durchgeführt. Nach einer Lötsimulation im Umluftofen erfolgte eine Bestimmung der Oberflächenzusammensetzung und der entstehenden Diffusionsprofile im Werkstoff. Die Messungen erstrecken sich dabei über den üblichen Prozessbereich bei der Wärmetauscherherstellung (max. Temperatur: 595 bis 610 °C, Haltezeit: 12 bis 90 min). Sie zeigen, dass es bei einer moderaten Parameterkombination im Blech mit 1,6 mm (603 °C, bis 35 min) nur zu einer beschränkten Interdiffusion der Hauptlegierungselemente kommt. Das Blech mit einer Dicke von 0,6 mm zeigt bereits bei 595 °C eine signifikante Anreicherung von Zn und Mg an der Oberfläche. Aus den Profilen kann die Diffusionskonstante und Einstein’sche Diffusionslänge ermittelt und die Mindest-Zwischenschichtdicke abgeschätzt werden. Weitere Messungen umfassen eine nachgeschaltete Wärmebehandlung zur Simulation der Betriebsbedingungen bzw. zur Überalterung des Grundwerkstoffs und die Verfolgung der Schädigungsentwicklung mittels „Kelvin Probe Force Microscopy“ (KPFM). Mittels KPFM wurde vor allem die Schädigungsentwicklung an den Grenzflächen von Rein-Aluminium- und AlMn-Verbunden untersuchte. Eine definitive Erklärung für das Auftreten von Delaminationskorrosion konnte mittels dieser Methode nicht gewonnen werden. Proben, die diese Angriffsart zeigen, weisen jedoch ein Potenzialminimum an der Grenzfläche auf. Eine genaue Analyse ist nur mittels Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) möglich.
Titel in ÜbersetzungOptimization of high-strength brazing sheets
OriginalspracheDeutsch
QualifikationDr.mont.
Betreuer/-in / Berater/-in
  • Antrekowitsch, Helmut, Beurteiler A (intern)
  • Mori, Gregor Karl, Beurteiler B (intern)
PublikationsstatusVeröffentlicht - 2016

Bibliographische Notiz

gesperrt bis null

Schlagwörter

  • Aluminium
  • Lotbleche
  • hochfest
  • Korrosion
  • Werkstoffentwicklung
  • Wärmetauscher
  • Automobil
  • Transport
  • 7xxx
  • 3xxx
  • 1xxx

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