Optimierung von höchstfesten AIZnMgCu-Legierungen für den Kokillenguss

Zak, Hennadiy

Die höchstfesten AlZnMgCu-Legierungen werden bis jetzt hauptsächlich als Knetlegierungen verarbeitet, da sie eine sehr hohe Warmrissanfälligkeit aufweisen und ihre gießtechnische Verarbeitung im Kokillengießverfahren stark eingeschränkt ist. Nach einer umfangreichen Literaturanalyse wurden in dieser Arbeit drei unterschiedliche Methoden zur Berechnung der Terminal Freezing Ranges TFR auf ihre Eignung zur Vorhersage der Warmrissneigung der AlZnMgCu-Legierungen überprüft und auf ihre Aussagekräftigkeit analysiert. Mit den aus den thermodynamischen Berechnungen gewonnenen TFR der AlZnMgCu-Legierungen und der Korrelation zu ihren ermittelten Warmrisszahlen ist es nun möglich, die Optimierung der Zusammensetzung von diesen Legierungen bereits im Vorfeld der praktischen Untersuchungen durchzuführen. Ein wichtiges Ergebnis dieser Arbeit ist eine erstmals festgestellte Korrelation zwischen den berechneten Magnesiumgehalten im letzten Temperaturbereich der Erstarrung und den ermittelten Warmrisszahlen bei den untersuchten AlZnMgCu- Legierungen. Die Versuche zeigen, dass die nach thermodynamischer Berechnung erwartete Anreicherung der Restschmelze mit Magnesium ein Indiz für ein schlechtes Warmrissverhalten ist und als Ergänzung zu anderen in dieser Arbeit gefundenen Kriterien zur Vorhersage der Warmrissneigung verwendet werden kann. Da es zurzeit noch keine Einigung gibt, mit welcher Kornfeinungsbehandlung die beste Kornfeinung der AlZnMgCu-Legierungen erreicht werden kann, wurden in dieser Arbeit eigene Versuche vorgenommen. Durch optimierte Kornfeinung ist es gelungen, die Warmrisszahl bei der Legierung AlZn8Mg2,6Cu2,6 auf 1,25 zu verringern. Somit kann die Legierung der Gruppe der Gusswerkstoffe mit geringer Warmrissempfindlichkeit zugeordnet und uneingeschränkt im Kokillengießverfahren verarbeitet werden. In weiteren Untersuchungen wurden drei unterschiedliche Verfahren auf ihre Eignung zur Überwachung der Kornfeinung bei der Legierung AlZn8Mg2,6Cu2,6 untersucht und die Korrelationen zwischen den aus den Abkühlungskurven ermittelten Kennwerten KF16, KF16(TL) sowie (TL-TDCP) und den erreichten Korngrößen analysiert. Die warmrissbeständige Legierung AlZn8Mg2,6Cu2,6 weist nach der Wärmebehandlung T7 eine sehr hohe Zugfestigkeit von 480 MPa und 0,2-Dehngrenze von 454 MPa auf und ist der bekannten hochfesten Referenzlegierung AlCu4MgTi nach der Wärmebehandlung T6 mit Zugfestigkeit von 365 MPa und 0,2-Dehngrenze von 274 MPa deutlich überlegen. Mit dem in dieser Arbeit erreichten Eigenschaftsprofil hat die Legierung AlZn8Mg2,6Cu2,6 gute Chancen, sich bei der Herstellung der Leichtbaukomponenten insbesondere in der Verkehrstechnik durchzusetzen

AlZnMgCu alloys are well known for their excellent mechanical properties and high strength to weight ratio. However, they are extremely susceptible to the hot tearing. In this study, the design of experiments was carried out to investigate the effect of alloying elements such as: Zn, Mg and Cu on the hot tearing behaviour of AlZnMgCu alloys cast in the permanent moulds. In order to determine the hot cracking number (HCN) an experimental method suggested by Sigworth was applied. The thermodynamic calculations conducted using Pandat software (Scheil mode) show that the presence of T -Al2Mg3Zn3 Phase with low precipitation temperature extends the terminal freezing and solidification ranges of the AlZnMgCu alloys. In this case, the hot crack initiation and propagation occurs easily through the liquid film between grains by the mechanism of liquid-metal embrittlement. A small value of terminal freezing range (from 0,900 to 0,995 solid fraction) as well as a small amount of T -Al2Mg3Zn3 - Phase are key criterions that need to be control in order to reduce the hot tearing susceptibility of AlZnMgCu alloys. it was observed that the increase of the Cu concentration from 1,6 mas.% to 2,6 mas.% suppresses the precipitation of the T -Al2Mg3Zn3-Phase and leads to a considerably smaller terminal freezing interval. It has been also found that the Mg content of 3,4 % is deleterious to the investigated alloys, due to its negative effect on terminal freezing range and surface tension of the investigated melt. The calculated small concentration of Mg in the melt at the end of the solidification is determined as important criterion that can be used to predict the hot tearing behaviour of AlZnMgCu alloys. Other factor, which strongly influences the hot tearing behaviour, is the volume fraction of the Sigma-Phase. It has been found a clear positive impact of high volume fraction of the Sigma-Phase on the hot tearing resistance of studied AlZnMgCu alloys. This fact can be also successfully applied in alloy design to select alloy compositions with lower hot tearing tendency. In this study the improved method to grain refine AlZnMgCu alloys was developed which substantially reduces its tendency for hot tearing. Therefore, alloy with grain size of about 50 μm can be recommended for permanent mould casting of components with complex geometry. The different thermal analysis parameters were used in this study in order to assess the degree of grain refinement. It was found that KF16 (TL) and (TL-TDCP) show the good potential as control parameters in online determination of grain size of AlZnMgCu alloys.

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Zak, Hennadiy: Optimierung von höchstfesten AIZnMgCu-Legierungen für den Kokillenguss. 2017.

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