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Aluminium

7. Aluminiumlegierungen 7.1 Aluminium (Al) Ordnungszahl 13 Relative Atommasse 26,982 u Schmelzpunkt 660 °C Schmelzwärme 403 J/g Elektrische Leitfähigkeit 37,8 m/  mm² Wärmeleitfähigkeit 238 W/m K Spezifische Wärme 0,917 J/g K Ausdehnungskoeffizient 23,8  10 -6 1/K

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Presentation Transcript

  1. 7. Aluminiumlegierungen • 7.1 Aluminium (Al) • Ordnungszahl 13 • Relative Atommasse 26,982 u • Schmelzpunkt 660 °C • Schmelzwärme 403 J/g • Elektrische Leitfähigkeit 37,8 m/ mm² • Wärmeleitfähigkeit 238 W/m K • Spezifische Wärme 0,917 J/g K • Ausdehnungskoeffizient 23,8  10-6 1/K • Dichte 2,70 g/cm³ • Kristallstruktur kfz • Gitterkonstante 4,04  10-10 m (RT) • Elastizitätsmodul 72.000 N/mm² • Querkontraktionszahl 0,34 VL7 Aluminium

  2. Al-Knetlegierungen • zur Herstellung von Halbzeugen • Prozeßkette: Formate gießen  Hochglühen  Warmumformen  Halbzeug ( Wärmebehandlung  Zerspanen  etc.) • wichtige Eigenschaft: plastische Verformbarkeit • geringe Gehalte an Legierungselementen • überwiegender Gefügebestandteil: Al-Mischkristall • Al-Gußlegierungen • zur Herstellung von Formgußteilen • Prozeßkette: Formen gießen ( Wärmebehandlung  etc.) • wichtige Eigenschaft: Gießbarkeit • höhere Gehalte an Legierungselementen, nahe der eutektischen Zusammensetzung • überwiegender Gefügebestandteil: Eutektikum VL7 Aluminium-Knetlegierungen / Gußlegierungen

  3. VL7 Aluminium-Knetlegierungenchemische Zusammensetzung

  4. VL7 Aluminium-Gußlegierungenchemische Zusammensetzung

  5. EN AW-XXXX EN = Europäische Norm, A = Aluminium, W = Knetlegierung (Wrought). 1. Ziffer = Legierungssystem 1XXX = Aluminium > 99% 2XXX = Al-Cu 3XXX = Al-Mn 4XXX = Al-Si 5XXX = Al-Mg 6XXX = Al-Mg-Si 7XXX = Al-Zn-Mg 8XXX = Al-Sonstige • EN AW-1XXX • 2. Ziffer = Anzahl absichtlich hinzuge- fügter Legierungselemente • 3.+4. Ziffer = Mindestanteil Al in 99,XX % • Bsp. EN AW-1098 = EN AW-Al 99,98 • EN AW-2XXX bis 8XXX • 2. Ziffer = Legierungsabwandlung 0 = Original, 1 = 1. Abwandlung, etc. • 3.+4. Ziffer = Zählnummern • Bsp. EN AW-2024 = EN AW-AlCu4Mg1 VL7 Bezeichnung von Aluminium-KnetlegierungenInternationales Nummernsystem nach EN 573

  6. X.XXXX 1. Ziffer = Hauptgruppe3 = Leichtmetalle (Al,Mg,Ti)3.0000 – 3.4999 = Al3.5000 – 3.5999 = Mg3.7000 – 3.7999 = Ti 2. Ziffer = Legierungselement mit höchstem Anteil0 = keine / andere1 = Cu2 = Si3 = Mg4 = Zn 3. Ziffer = Legierungselement mit zweithöchstem Anteilwie zweite Ziffer, bzw.5 = Mn, Cr6 = Pb, Bi, etc.7 = Ni, Co8 = Ti, Zr, etc.9 = Fe 4. Ziffer = Anteil Legierungselement mit höchstem Anteil0-2 = gering3-6 = mittel7-9 = hoch 5. Ziffer0-3 = Gußlegierung4 = Luftfahrtlegierung5-9 = Knetlegierung Bsp. 3.1354 = EN AW 2024 = EN AW AlCu4Mg1 VL7 Bezeichnung von Aluminium-KnetlegierungenDeutsches Nummernsystem (alt) nach DIN 1725

  7. Unlegierte Aluminium-Knetlegierungen • EN AW-Al „Reinheitsgrad“ • EN = Europäische Norm, A = Aluminium, W = Knetlegierung (Wrought). • Bsp. EN AW-Al 99,98 = EN AW-1098 • Legierte Aluminium-Knetlegierungen • EN AW-Al „Symbole der Legierungs-elemente, Massenanteile in %“ • EN = Europäische Norm, A = Aluminium, W = Knetlegierung (Wrought). • Bsp. EN AW-AlCu4Mg1 = EN AW-2024 VL7 Bezeichnung von Aluminium-Knetlegierungenmit chemischen Symbolen nach EN 573

  8. Al-Mischkristall grobe Primäraus-scheidungenbeim Erstarren(Fe,Mn)3SiAl12,Mg2Si (eingeformt) + feine rekristalli-sationshemmendeAusscheidungenbeim Hochglühen(lichtmikroskopischnicht erkennbar)  100 µm  20 µm VL7 LXII 767-6/36, LXII 768-3/12 Gefüge der Al-Knetlegierung EN AW-6060 (AlMgSi)Lichtmikroskopie

  9. (Al)+L L+ (Al)+ VL7 Binary Alloy Phase Diagrams, ASM, 1986 Zustandsdiagramm Al-Cu

  10. T LG Ausscheidungs-beginn log t kontinuierlicher Abschreckverlauf in kontinuierlichem Zeit-Temperatur-Ausscheidungs-Diagramm,Problem: für Al-Legierungennicht verfügbar, s. Kapitel 7.5 Abschreckungschnell genug,keine Ausscheidung Abschreckungzu langsam,Ausscheidungen Aluminium-Taschenbuch VL7 kontinuierliches Zeit-Temperatur-Ausscheidungs-Diagramm bzw. Abschreckdauer

  11. kontinuierlicherAbschreckverlauf in isothermischemZeit-Temperatur-Ausscheidungs-Diagramm,nicht zulässig, s. Kapitel 7.5 VL7 Zschech / Ashby, Jones, 1996 Isothermisches Zeit-Temperatur-Ausscheidungs-Diagramm der Legierung AlCu4

  12. VL7 Macherauch, Praktikum in Werkstoffkunde Ausscheidungen beim Warmauslagern von Al-Cu-Legierungen

  13. lichtmikroskopisch nicht sichtbar Transmissionselektronenmikroskop VL7 Ausscheidungssequenzen von Al-Legierungen

  14. VL7 Zschech / Ashby, Jones, 1996 Verfestigung beim Warmauslagern der Legierung AlCu4

  15. Auslagerungs-temperatur , Auslagerungs-dauer , MaximaleFestigkeit  VL7 ASM Handbook, 1991 Einfluß der Auslagerungstemperatur auf dieFließspannung der Al-Legierung 2014

  16. + ggf. weitere Ziffern zur genaueren Spezifikation VL7 Bezeichnung von Wärmebehandlungszuständen

  17. VL7 Teilchenarten in Al-Knetlegierungen

  18. EN AW-2024EN AW-AlCu4Mg1 1,7 at.% Cu 1,5 at.% Mg 1,5 at.% Mg (Al) 500°C (Al) = Al-MK  = Al2Cu S = Al2CuMg 96,8 at.% Al 1,7 at.% Cu Ternary Alloys,VCH, 1991 VL7 Ternäres Zustandsdiagramm Al-Cu-MgProjektion der Solvus-Linien

  19. [DIN 1725]EN 573 [E-AlMgSi] [E-AlMgSi0,5] AlMgSi AlSiMg(A) AlSi1MgMn AlMg1SiCu AlMgSiPb AlCu6BiPb AlCu4PbMgMn nur Kaltauslagern AlCu4MgSi(A) AlCu4Mg1 AlCu4SiMg nur Kaltauslagern nur Kaltauslagern AlZn4,5Mg1 AlZn5Mg3Cu AlZn5,5MgCu VL7 Aluminium-Taschenbuch, 1988 Ausscheidungshärten von Al-KnetlegierungenLösungsglühtemperatur und Auslagern

  20. VL7 Aluminium-Taschenbuch, 1988 Ausscheidungshärten von Al-KnetlegierungenLösungsglühdauer

  21. EN573 AlCu4MgSi(A) AlSi1MgMn AlMgSi VL7 Aluminium-Taschenbuch, 1988 Ausscheidungshärten von Al-KnetlegierungenAbschreckgeschwindigkeit

  22. Ausscheidungs-härten: • 540°C 30min / Abschrecken / 175°C 600min • GP-Zonen (nadelförmig) bzw. ‘ Mg2Si (stäbchenförmig) • Härte 90 HV Al <100>  200 nm VL7 TEM 4067 Gefüge der Al-Knetlegierung EN AW-6060 (AlMgSi)Transmissionselektronenmikroskopie

  23. Li- bzw. Sc-Atome Anzahl/Elementarzelle = 8 x 1/8 = 1 Al-Atome Anzahl/Elementarzelle = 6 x 1/2 = 3 Geordnete Überstruktur des kfz-Gitters Kohärent zum Kfz Al-Mischkristall Gittermisfit Al3Li/Al:  = -0,3% Al3Sc/Al:  = 1,3% VL7 Al3Li bzw. Al3ScL12-Struktur

  24. VL7 Typische Zusammensetzungen und Eigenschaftenvon Al-Li-Legierungen

  25. Sprühkompaktieren Strangguss Temperatur [°C] Abkühlrate während der Erstarrung [K/s] Toropova et al. Sc-Konzentration [Gew.%] Hyde et al. VL7 Zustandsdiagramm Aluminium-Scandium;Scandiumlöslichkeit abhängig von Erstarrung

  26. 1h 1d 1000 Al-0,4Sc-0,15Zr 600 Härte [MPa] Al-0,4Sc 200 10 103 105 107 550 TA=350°C Auslagerungszeit [s] 450 Rekristallisationstemp. [°C] 300 0 0.3 0.6 Konzentration [Gew.%] Davydov et al. Davydov et al. VL7 Auslagerungsverhalten Aluminium-Scandium;Rekristallisationshemmende Wirkung

  27. Al-Mn-Knetlegierungen: Mn-Gehalte < ca. 1,5 Ma. % Zustandsdiagramme Al-Mg und Al-Si, Al-reiche Seite:gleicher Typ    VL7 Aluminium-Taschenbuch, 1988 Nichtaushärtbare Al-KnetlegierungenZustandsdiagramm Al-Mn

  28. Erzeugung desÜMK durchLösungsglühenund Abschecken Abschreck-geschwindigkeitgeringer als beiaushärtbarenAl-Legierungen VL7 Ashby, Jones, 1998 MischkristallverfestigungIsothermisches Zeit-Temperatur-Ausscheidungs-Diagramm von AlMg5,5

  29. VL7 Aluminium-Taschenbuch, 1988 MischkristallverfestigungAl-Mn- und Al-Mg-Knetlegierungen

  30. VL7 Aluminium-Taschenbuch, 1988 VersetzungsverfestigungAl-Mn- und Al-Mg-Knetlegierungen

  31. Bezeichnung von Versetzungsverfestigungszuständen HXX H = „Strain Hardened“ 1. Ziffer: 1 = nur kaltumgeformt 2 = kaltumgeformt und geglüht 3 = kaltumgeformt und stabilisiert* * Al-Mg, kurzzeitiges Glühen bei 120-175°C, Vorwegnahme einer Entfestigung (Erholung), die sonst bei RT und langen Zeiten auftritt 2. Ziffer: 8 = voll hart (75% Querschnittsreduzierung beim Kaltumformen) 6 = 3/4 hart** 4 = 1/2 hart** 2 = 1/4 hart** ** 3/4, 1/2 bzw. 1/4 der Zugfestigkeit des Zustands „voll hart“ Bsp. 5052 (AlMg2,5) H38: Rp0,2 255 N/mm² VL7 Bezeichnung vonVersetzungsverfestigungszuständen

  32. VL7 Quelle: Aluminium-Taschenbuch, ASM Metals Handbook Aluminium-Knetlegierungen

  33. VL7

  34. VL7

  35. XXX.X 1. Ziffer = Legierungssystem 1XX.X = Aluminium > 99% 2XX.X = Al-Cu 3XX.X = Al-Si-Cu, Al-Si-Mg 4XX.X = Al-Si 5XX.X = Al-Mg 7XX.X = Al-Zn 8XX.X = Al-Sn 9XX.X = Al-Sonstige Legierungsmodifikationen:fortlaufende BuchstabenAXXX.X, BXXX.X, etc. • 1XX.X • 2.+3. Ziffer = Mindestanteil Al in 99,XX % • 4. Ziffer = Produktform 0 = Formguß 1 = Formateguß • Bsp. 150.1 = Al99,5 Formateguß • 2XX.X bis 9XX.X • 2.+3. Ziffer = Zählnummer • 4. Ziffer = Produktform 0 = Formguß 1 = Formateguß • Bsp. 356.0 = AlSi7Mg Formguß VL7 Bezeichnung von Aluminium-GußlegierungenNummernsystem Aluminum Association (AA), USA

  36. EN AC-XXXXX EN = Europäische Norm, A = Aluminium, C = Gußlegierung (Cast). 1. Ziffer = Legierungssystem 2. Ziffer = Legierungsgruppe 21XXX = Al-Cu42XXX = AlSi7Mg43XXX = AlSi10Mg 44XXX = Al-Si45XXX = AlSi5Cu46XXX = AlSi9Cu51XXX = Al-Mg EN AC-Al „Symbole der Legierungs-elemente, Massenanteile in %“ EN = Europäische Norm, A = Aluminium, C = Gußlegierung (Cast). Bsp. EN AC-AlSi7Mg = EN AC-42100 VL7 Bezeichnung von Aluminium-GußlegierungenEuropäisches Nummernsystem undBezeichnung mit chem. Symbolen nach EN 1780

  37.  Unterkühlbarkeit der veredelten Legierungen  VL7 Aluminium-Taschenbuch, 1988 Al-GußlegierungenZustandsdiagramm Al-Si

  38. EutektikumAl-Mischkristall + Si Al-Mischkristall  100 µm  10 µm VL7 LXIII 613-5/24, LXIII 613-6/35 Gefüge der Al-Gußlegierung AlSi7MgLichtmikroskopie

  39. nach Warmauslagern VL7 Aluminium-Taschenbuch, 1988 Ausscheidungshärten der Al-Gußlegierung AlSi10MgLösungsglühdauer und Warmauslagern

  40. Wasser Wasser Wasser Wasser Wasser Wasser Wasser VL7 Aluminium-Taschenbuch, 1988 Ausscheidungshärten von Al-GußlegierungenLösungsglühen, Abschrecken, Auslagern

  41. VL7 Quelle: Aluminium-Taschenbuch, ASM Metals Handbook Aluminium-Gußlegierungen

  42. Aluminiumanteil im Automobilbau • Aluminiumanteil im Automobilbau (mit Stahlkarosserie) • für kleine PKW ca. 2-4%, • für mittlere PKW ca. 4-8%, • für große PKW bis zu 15% des Gewichts. • Dieser Anteil setzt sich zusammen aus • ca. 82% Gußteilen, • ca. 2% Schmiedeteilen, • ca. 8% Strangpreßteilen, • ca. 8% Blechteilen. VL7 Aluminium-Taschenbuch 1997; F. Ostermann 1992, 1998 Ke813

  43. Fertigungsketten von Aluminiumbauteilen VL7 Ke812

  44. Aluminiumlegierungen im Automobilbau VL7 Ke815

  45. Aluminiumbauteile im Automobilbau VL7 Ke814

  46. Al Fibre  Fibre  Al Fibre  Fibre  Al VL7 Applied Composite Materials, 2003 FML Fibre Metal Laminates

  47. Al-Legierung,Dicke je Lage 0,3-0,5 mm GlasfaserverstärkterPolymerwerkstoff,Dicke je Lage 0,25-0,5 mmmind. zwei verschiedeneFaserrichtungen je Lage Dichte GLARE  90% Dichte Al GLARE 3/2 VL7 Applied Composite Materials, 2003 GLARE Glass Reinforced

  48. VL7 Applied Composite Materials, 2003 GLARE Qualitäten

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