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Einstellung der Korrosions- und Festigkeitseigenschaften von kupferarmen 7xxx-Aluminiumlegierungen durch unterschiedliche Wärmebehandlungsansätze

Treff, Alexander

In der vorliegenden Arbeit sollte mit Hilfe von zwei Wärmebehandlungsstrategien die Korrosionsbeständigkeit verbessert werden, ohne die mechanischen Kennwerte nachteilig zu beeinflussen, was bisher überwiegend nur bei den kupferreichen 7xxx-Legierungen gelungen ist. Die Wirkung von ausgewählten Strangpressparametern darauf wurde ebenfalls überprüft. Das Ziel war, auf den Korngrenzen grobe sowie voneinander entfernte und im Korn feindisperse Ausscheidungen einzustellen, sodass die Korrosionspfade verringert werden. Untersucht wurden die kupferarmen Aluminiumlegierungen 7020 und 7021. Die Beständigkeit gegenüber Lochfraß und intergranularer Korrosion wurde durch die Aufnahme von Stromdichte-Potential-Kurven charakterisiert. Die Beständigkeit gegenüber Spannungsrisskorrosion wurde durch Leitfähigkeitsversuche bestimmt. Die Mikrostruktur wurde über lichtmikroskopische, raster- und transmissionselektronenmikroskopische Untersuchungen untersucht. Ergänzend wurde die Textur durch Laborröntgendiffraktion bestimmt. Die mechanischen Eigenschaften wurden durch Härteprüfungen, Druck- und Zugversuche, sowie ergänzend durch exemplarische Zug-Druck-Schwingversuche überprüft. Durch indirektes Strangpressen wurden Vollrundprofile hergestellt. Es kamen unterschiedliche Pressparameter zur Anwendung. Es zeigte sich, dass die verschiedenen Pressparameter insbesondere zu unterschiedlichen Subkorngrößen, die mechanischen Kennwerte sowie die Korrosionsbeständigkeit zunächst dennoch zu Kennwerten auf einem Niveau, führen. Als anschließende ideale Wärmebehandlung wurde eine Strategie weiterentwickelt, welche aus drei Stufen besteht (T5I6), die im Ansatz 2 zusammengefasst ist. Für die Stufen wurden umfangreiche Temperatur-Zeit-Variationen analysiert. Für die Legierung 7020 ergab sich nach der Auswahl u.a. 10 h/130 °C+8 h/90 °C+40 h/115 °C und für die Legierung 7021 10 h/130 °C+8 h/90 °C+38 h/115 °C als zielführend. Mit Hilfe dieser Wärmebehandlungen konnte erreicht werden, die Beständigkeit gegenüber der Korrosion zu verbessern, ohne die mechanischen Eigenschaften nachteilig zu beeinflussen. Somit wurde die Zielsetzung erfüllt. Zurückgeführt werden kann dies insbesondere auf die modifizierte Korngrenzenmorphologie. Demnach soll die hohe Temperaturstufe zur Ausscheidung von η´-/η-Ausscheidungen auf den Korngrenzen und die anschließende zweistufige Aushärtung zu einer feindispersen Ausscheidungsverteilung im Korn und zum Wachstum der Korngrenzenausscheidungen führen. Die feindispersen Ausscheidungen weisen den idealen Teilchenradius auf, bei dem die notwendige Spannung für das Umgehen und Schneiden der Ausscheidungen und damit die Festigkeitssteigerung maximal ist. Die gröberen und voneinander entfernten Ausscheidungen auf den Korngrenzen reduzieren die Neigung zur Bildung von Korrosionspfaden. Abschließend wurden diese herausgearbeiteten Wärmebehandlungen mit den verschiedenen Pressparametern verknüpft. Dies führte insbesondere zu unterschiedlichen Korrosionsbeständigkeiten. Somit zeigt sich, dass die erzielten Ergebnisse der Wärmebehandlungen auch von der Gefügemorphologie abhängig sind. So konnte festgestellt werden, dass die Wärmebehandlungen als auch in Verbindung die Pressparameter einen Einfluss auf die Steigerung der Korrosionsbeständigkeit unter Beibehaltung der mechanischen Eigenschaften ausüben.
In this study the focus lays on the improvement of the corrosion resistance without decreasing the mechanical properties at low-Cu aluminium alloys 7020 and 7021 by using two heat treatments. In the past this was only reached for the Cu-rich 7xxx alloys. The effect of extrusion parameters was also tested. The aim was to change the microstructure morphology by formation of coarse precipitations at the grain boundaries and its fine distribution in the centre of the grains. This results in improved mechanical properties and reduced corrosion paths. The following characterization methods were used. To determine the resistance against pitting and intergranular corrosion potentiodynamic tests were carried out. The resistance against stress corrosion cracking was analysed by using conductivity tests. To investigate the microstructure light and electron microscopy were used. The texture was characterised by using X Ray diffraction. Hardness tests, pressure and tensile tests were used to analyse the mechanical properties. In addition, tensile-pressure oscillation tests were applied for some exemplary specimens. Different process parameters were used to extrude round profiles with an indirect press. The variation of the process parameters influences the sub grain diameter, but not the mechanical properties and the corrosion behaviour. After the extrusions different heat treatments were used to improve the properties by changing the grain boundary morphology. The heat treatment consists of three steps (T5I6). The so called approach 2 was successfully tested to improve the corrosion behaviour without decreasing the mechanical properties. Many different variations of temperatures and time values were analysed. For the alloy 7020 as an example the heat treatment 10 h/130 °C+8 h/90 °C+40 h/115 °C and for the alloy 7021 the heat treatment 10 h/130 °C+8 h/90 °C+38 h/115 °C were successfully. The results show that it is possible to increase the corrosion resistance without negative affecting the mechanical properties. This is caused by the modified structure of the grain boundaries. In this case the high temperatures at the first heat treatment step result in growth of the η'-/η-precipitates on the grain boundaries. The second and the third step increase the η'-/η-precipitates on the grain boundaries and form fine precipitates in the matrix. According to the state of the art, the coarser and distant precipitates on the grain boundary improve the corrosion resistance due to reduced corrosion paths. The fine precipitates in the matrix are responsible for the increased mechanical properties. This results from the optimal radius of the precipitates, which require the maximum tension for the slice and bypass of the precipitates by dislocations. Finally, the heat treatments were combined with the different extrusion parameters. This results especially in different corrosion behaviours. The experiments show that the effect of the heat treatments also depends on the microstructure caused by the extrusion. So the corrosion resistance is influenced by the chosen extrusion parameters and the heat treatments.