Revealing grain refinement mechanisms in copper alloys

Publikationen: Thesis / StudienabschlussarbeitDissertation

Organisationseinheiten

Abstract

In Bezug auf eine Steigerung der mechanischen Eigenschaften, verbesserter Gießeigenschaften und Verminderung von Defekten, vornämlich der Unterbindung von Warmrissen, wird ein feines, homogenes, globulitisches Gefüge angestrebt. Es ist hinlänglich bekannt, dass Kornfeinung sowohl über effiziente Keimbildung, als auch über Wachstumsbehinderung in Verbindung mit dem Gießprozess gesteuert wird. Während Kornfeinung im System der Aluminium- bzw. Magnesiumlegierungen in den letzten Jahrzehnten umfangreich untersucht wurde, sowohl experimentell, als auch in Hinblick auf das Verständnis der grundlegenden Mechanismen, das sich wiederum auch in der Entwicklung effizienter Kornfeinungsmittel widerspiegelt, liegt im System der Kupferlegierungen nur eine geringe Zahl an Arbeiten vor, welche, trotz teils bemerkenswerter Ergebnisse, größtenteils von empirischer Natur sind und aufzeigen, dass Kornfeinung von Kupferlegierungen in großem Maße vom jeweiligen Legierungssystem, den Legierungsgehalten, Spurenelementen und Gießbedingungen abhängt. Aufgrund der Vielzahl an untersuchten Legierungen, Gießbedingungen und Zugabemengen, liegt hinsichtlich des Kornfeinungsmechanismus im Bereich der Kupferlegierungen kein hinreichendes Verständnis vor. Die Intention dieser Arbeit ist es daher, einen grundlegenden Beitrag zur Klärung des Kornfeinungsmechanismus zu geben, sowohl durch Untersuchung wachstumsbehindernder Effekte, als auch geeigneter Keimzentren und in weiterer Folge, aufbauend auf thermodynamischen Berechnungen, ein Verständnis im Bereich der Kontrolle nicht-metallischer Einschlüsse zu entwicklen. In dieser Hinsicht wurden in erster Linie die Wachstumsbehinderungsfaktoren der Legierungselemente des Kupfersystems mit thermodynamischen Softwareprogrammen berechnet und in weiterer Folge sowohl durch Korngrößenmodellierung und experimenteller Methoden unter definierten Schmelz- und Gießbedingungen standardisierter Kornfeinungstests untersucht. Hieraus konnte abgeleitet werden, dass das Konzept der Wachstumsbehinderung auf das Kupfersystem angewandt werden kann, jedoch in stärkerem Maße von Verunreinungselementen bestimmt wird, wobei hierbei Sauerstoff, Phosphor und Schwefel zu nennen sind, wodurch der Keimhaushalt der Schmelze durch „in-situ“-Bildung nicht-metallischer Einschlüsse in erheblichen Maßen verändert wird. Diese Effekte, die für eine Großzahl der untersuchten Legierungselemente festgestellt wurden, konnten mithilfe Rasterelektronenmikroskopie und kristallographischen Untersuchungen unter Anwendung der „etch-to-etch“-Theorie geklärt werden. Der Einfluss in-situ gebildeter nicht-metallischer Einschlüsse wurde in genormten Kupferbasislegierungen mithilfe kristallographischer und thermodynamischer Betrachtungen weiter untersucht. Hierfür wurden aus semi-empirischen Modellen grundlegende thermodynamische Daten, hierbei freie Lösungsenthalpie und Wechselwirkungsparameter erster und zweiter Ordnung, abgeleitet, die in weiterer Folge in thermodynamischen Berechnungen angewendet wurden. Aus der kombinierten Betrachtung von kristallographischen und thermodynamischen Berechnungen konnte die Wirkungsweise in-situ gebildeter nicht-metallischer Einschlüsse geklärt und erfolgreich auf weitere Legierungssysteme übertragen werden.

Details

Titel in ÜbersetzungUntersuchung der Kornfeinungsmechanismen in Kupferlegierungen
OriginalspracheEnglisch
QualifikationDr.mont.
Gradverleihende Hochschule
Betreuer/-in / Berater/-in
StatusVeröffentlicht - 2019