Two-Step Artificial Ageing of 6xxx Aluminium Wrought Alloys

Abstract

Diese Diplomarbeit behandelt das Warmauslagern von Aluminium-Knetlegierungen der 6000er Serie (AlMgSi). Im Speziellen wird das konventionelle einstufige Warmauslagern mit einer zweistufigen Variante verglichen, bei welcher eine vorgelagerte Wärmebehandlungsphase bessere Bedingungen für die Keimbildung von metastabilen Ausscheidungsphasen liefert. Zwei Legierungen dieser Serie (EN AW-6060 und EN AW-6063) werden mittels Härteprüfung nach Brinell, Zugversuch, Licht-, Rasterelektronen- und Transmissionselektronenmikros- kopie sowie energiedispersiver Röntgenspektrokopie untersucht. Zusätzlich werden noch thermo-kinetische Simulationen mit der Software MatCalc durchgeführt. Alternativen zu den klassischen Warmauslagerungszyklen bei 160°C/180°C für 10 h/5 h werden aufgezeigt, die zu (a) maximaler Dehngrenze bei gleicher Zyklusdauer und (b) minimaler Zyklusdauer bei gleichbleibender Festigkeit führen. Auch wurde der Energieverbrauch der verschiedenen Zyklen mit in Betracht gezogen. Es konnte gezeigt werden, dass zweistufiges Warmauslagern bei 150/170°C maximale Festigkeiten innerhalb der betrachteten Zykluszeiten von 24 h liefert. Beim einstufigen Warmauslagern bei 200°C wird das Festigkeitsmaximum zuerst erreicht, welches jedoch auch die geringste Maximafestigkeit darstellt. Die Festigkeiten steigen und die Dehnungwerte sinken also umso schneller, je höher die Auslagerungstemperatur gewählt wird. Die Untersuchungen mit dem Transmissionselektronenmikroskop ergaben eine eindeutig höhere Ausscheidungsdichte in jenen Proben, die zweistufig warmausgelagert wurden (unter der Bedingung gleicher Gesamtdauer bei erhöhter Temperatur). Drastische Auswirkungen auf die Größe der Ausscheidungen wurden jedoch nicht festgestellt. Die MatCalc Simulationen zeigten gute Übereinstimmung mit den experimentell ermittelten Daten aller Wärmebehandlungszyklen. Daher können solche Simulationen teilweise Experimente ersetzen, was zu einer drastischen Reduktion der notwendigen Labortätigkeiten führt. Als Resultat dieser Arbeit kann in industriellen Anlagen die Haltezeit beim Warmauslagern verkürzt werden, ohne Einbußen bei den Festigkeiten hinnehmen zu müssen. Alternativ können niedriger legierte Materialien verwendet werden, die die gleichen mechanischen Eigenschaften aufweisen, was sich positiv auf die Produktivität beim Walzen, Strangpressen oder Drahtziehen auswirkt.

This thesis deals with artificial ageing (AA) processes in wrought Al-Mg-Si alloys (6xxx series). In particular conventional single-step AA is checked against two-step artificial ageing, which utilizes a prior heat treatment segment providing better conditions for nucleation of metastable precipitation phases. Two alloys from that series (EN AW-6060 and EN AW-6063) are investigated by means of Brinell hardness measurements, tensile tests, light optical microscopy (LOM), scanning electron microscopy (SEM), transmission electron microscopy (TEM) and energy dispersive x-ray spectroscopy (EDX). Additionally thermo-kinetic simulations with the software MatCalc were carried into execution. Alternatives to classical artificial ageing at 160°C/180°C for 10 h/5 h are presented, which are leading to (a) maximum yield strength at the same cycle time and (b) minimum cycle time yielding equal strength. The energy consumption was also taken into account here. It could be shown that two-step artificial ageing at 150/170°C delivers maximum achievable strength within the investigated dwell time domain of 24 h at soaking temperature. At conventional AA at 200°C the peak-strength was achieved first, however at the same time being the lowest. Thus, strength develops the faster the higher the soaking temperature is and, conversely, breaking elongation decreases faster. TEM-investigations confirmed a clearly higher precipitation density in two-step artificially aged specimens compared to those being conventionally aged, when the total time at elevated temperatures was about the same. However, precipitate size was not significantly influenced. The MatCalc simulations showed good agreement with the experimental results for all thermal routes, therefore they have the power to partially replace experiments giving a significant decrease in necessary laboratory work. As a consequence of this work, industry can reduce the soaking time for achieving the wanted mechanical properties in artificial ageing. Or they use -thinner- alloys and end up with the same mechanical properties with the advantage of higher production rates in rolling, extruding or drawing.