DARF ES ETWAS LÄNGER SEIN?
Langzeitauslagerung als Schlüssel für mechanische Exzellenz in AMAG CrossAlloy®.57
Die AMAG CrossAlloy®-Initiative steht für die Entwicklung zukunftsweisender Aluminiumlegierungen mit hohem Nachhaltigkeits- und Leistungsanspruch. Im Zentrum dieses Beitrags steht CrossAlloy®.57, die dank einer Langzeitauslagerung (Long- Term-Aging, LTA) im niedrigen Temperaturbereich herausragende Festigkeits- und Dehnungseigenschaften aufweist. Besonders im Vergleich zur klassischen T6-Wärmebehandlung zeigen sich signifikante Vorteile hinsichtlich der Umformbarkeit bei gleichzeitig hoher Streckgrenze - ein Spannungs-Dehnungs-Verhalten, das neue Anwendungsperspektiven eröffnen könnte.
Die AMAG CrossAlloy®.57 stellt eine innovative Klasse innerhalb der handelsüblichen Aluminiumlegierungen dar. Das CrossAlloy®-Konzept wird angewendet, um die Eigenschaften sowie Stärken der Legierungen der Serien 5xxx und 7xxx zu vereinen. Die gezielte Mikrostrukturoptimierung resultiert in eine bemerkenswerte Kombination aus hoher Festigkeit, verbesserter Duktilität sowie einzigartigen Eigenschaften und gewinnt dadurch zunehmend an Relevanz [1]. Das Aushärtungspotenzial mit kleinen Zn/Mg-Verhältnissen (< 1) stand im Mittelpunkt von Untersuchungen mittels Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) und Atomsondentomographie (APT). Die Ausscheidungssequenzen begünstigen entweder die Bildung der Gleichgewichts-T-Phase (Mg32(Al, Zn)49 oder deren metastabile Form, die als T'-Phase bekannt ist, oder eine Kombination der letzteren mit der MgZn2-Phase (bekannt als η-Phase) [2-4], die entscheidend von den spezifischen Wärmebehandlungen und der Ausscheidungsreihenfolge beeinflusst wird [5,6]. Neben der klassischen Ausscheidungshärtung rückt in jüngerer Zeit auch die Clusterhärtung als alternativer Härtungsmechanismus zunehmend in den Fokus der Forschung. Die Clusterhärtung hat sich als vielversprechender Mechanismus zur Verbesserung des Festigkeits-Duktilitäts-Konflikts erwiesen und bietet eine wettbewerbsfähige Alternative zu üblichen Ausscheidungshärtungsbehandlungen [7-10]. Trotz zahlreicher Studien über die Bildung von Clustern in Aluminiumlegierungen [7,8,11] ist eine allgemein akzeptierte Definition von Clustern nach wie vor schwer zu finden. In [7] werden Cluster als lokalisierte Ansammlungen von Legierungselementen ohne erkennbare Struktur oder Ordnung beschrieben. Jedoch wurde kürzlich gezeigt [8], dass die meisten Cluster zwar auf der langreichweitigen Ebene ungeordnet erscheinen, aber eine lokale atomare Ordnung aufweisen, die durch bevorzugte Säulenkonfigurationen mit nahen Nachbaratomen gekennzeichnet ist. Jüngste Studien [10,12] haben gezeigt, dass mit clustergehärteten Aluminiumlegierungen Festigkeitsniveaus erreicht werden können, die mit denen herkömmlicher T6-gehärteter Legierungen vergleichbar sind oder diese sogar übertreffen, während sie gleichzeitig eine hervorragende Duktilität aufweisen. Diese vorteilhafte Kombination ergibt sich aus der Beibehaltung eines außergewöhnlich kleinen Teilchenabstands, der idealerweise gleich oder kleiner ist als der kritische Annihilationsabstand von Versetzungen, was eine extrem hohe Anzahl von ultrafeinen Clustern oder Ausscheidungen erfordert [10,13].Aufbauend auf diesem Konzept untersucht die vorliegende Studie das Potenzial der Clusterhärtung während einer Niedertemperatur-Langzeitauslagerung in der neuartigen AMAG CrossAlloy®.57. Ziel ist es, den Einfluss mikrostruktureller Veränderungen auf die mechanischen Eigenschaften besser zu verstehen. Insbesondere soll geklärt werden, inwiefern Cluster zur Festigkeitssteigerung beitragen können, ohne die Duktilität wesentlich zu beeinträchtigen. Da entsprechende Studien bislang kaum für diese Legierungsklasse vorliegen, leistet die Arbeit einen wichtigen Beitrag zur gezielten Entwicklung wärmebehandelbarer, hochfester Aluminiumwerkstoffe mit optimierter Eigenschaftsbalance.
Chemische Zusammensetzung und Wärmebehandlungsstrategien: Die Basis für optimale Auslagerungsbedingungen
In der Studie wurden zwei Legierungen untersucht, die auf einer EN-AW-5182-Basislegierung basieren und sich durch eine gezielte Zugabe von Zn sowie optional Cu auszeichnen. Wie in Tabelle 1 dargestellt, wird das Zn/Mg-Verhältnis bei 0,8 gehalten und der Zn+Mg-Gehalt beträgt ~ 9 Gew.-%. und Fe (~0,2 Gew.-%) dient der Bildung stabiler Dispersoide. Die Cu-freie Variante enthält weniger als 0,1 Gew.-% Cu, während der Cu-haltigen Legierung 0,7 Gew.-% Cu zugegeben wird. Die Zusammensetzung ist so gewählt, dass sie sowohl clusterbasierte Härtung als auch eine gute Recyclingverträglichkeit ermöglicht.
| Legierung | Mg | Zn | Cu | Fe | Mn | Si | Zn/Mg | Zn+Mg |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Mg+Zn [wt.-%] | 5,1 | 3,8 | >0,1 | 0,1 | 0,4 | 0,1 | ~ 0.8 | 8,9 |
| Mg+ZnCu [wt.-%] | 5,0 | 3,8 | 0,7 | 0,2 | 0,4 | 0,1 | ~ 0.8 | 8,8 |
Um das Cluster-Verhalten der Legierungen zu bewerten, erfolgen verschiedene Wärmebehandlungen am kaltgewalzten Material (siehe Tabelle 2). Das Lösungsglühen kommt bei 465 °C/35 min zur Anwendung, gefolgt von einer sofortigen Wasserabschreckung. Der Zustand PA (Pre-Aging), welcher eine Vorauslagerung bei 60 °C/5 h beinhaltet, fördert die anfängliche Bildung von Clustern, die Vorläufer für spätere Ausscheidungen darstellen. Der Zustand LTA (Long-Term-Aging) steht für eine Langzeitalterung bei 60 °C für 42 Tage. Die Parameter für die Bedingungen PB und PB-2 % (Paint Bake ohne und mit 2 % plastischer Vorverformung) basieren auf den in der Automobilindustrie üblichen Prüfparametern für die kathodische Tauchlackierung („Lackeinbrennen“, 185 °C/20 min). Die Bedingung T6 schließlich beschreibt eine zweistufige Wärmebehandlung, beginnend mit einer Vorauslagerung (100 °C/5 h), gefolgt von einer Warmauslagerung bei 185 °C/1-7 h bis zum Erreichen der Spitzenhärte.
| Zustand | Lösungs- glühung | Pre-Aging | Kaltauslagerung | Vorverformung | Paint-Bake | - |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Pre-Aging | 465 °C 35 min | 60 °C 5 h | - | - | - | - |
| Long-Term-Aging | 465 °C 35 min | 60 °C 42 d | - | - | - | - |
| Paint Bake / Vorverformung | 465 °C 35 min | 60 °C 5 h | 25 °C 14 d | 2 % | 185 °C 20 min | - |
| Paint Bake | 465 °C 35 min | 60 °C 5 h | 25 °C 14 d | - | 185 °C 20 min | - |
| T6 | 465 °C 35 min | 60 °C 5 h | - | - | - | 185 °C 1, 2 h |
Mechanische Eigenschaften: LTA im Vergleich zu konventionellen Wärmebehandlungsstrategien
Abbildung 1 verdeutlicht die vorteilhafte Position des LTA im Streckgrenzen-Dehnungs-Diagramm. Die Langzeitauslagerung bietet eine ausgewogene Kombination aus Festigkeit und Dehnung und übertrifft andere Wärmebehandlungen mit 334 MPa / 19,2 % (Cu-arm) bzw. 398 MPa / 17,1 % (Cu-reich). Im Vergleich zu T6 fällt die Streckgrenze nur moderat ab (−89 MPa bzw. −66 MPa), die Dehnung ist jedoch deutlich höher. Paint-Bake-Behandlungen (PB, PB-2 %) steigern die Festigkeit weiter (bis 455 MPa / 493 MPa), führen jedoch zu einer deutlichen Reduktion der Dehnung (bis auf 9-12 %).
Die PA-Zustände zeigen die höchste Dehnung (21,8 % / 19,4 %), aber die niedrigste Festigkeit (204 MPa / 284 MPa). Folglich dient LTA als optimale Vergleichsgrundlage, um das volle mechanische Potenzial der AMAG CrossAlloy®.57 auszuschöpfen. Diese Ergebnisse liefern den mechanischen Rahmen, in dem die nachfolgende APT-Analyse im LTA-Zustand die dahinterliegenden mikrostrukturellen Ursachen aufdeckt.
APT im Fokus: Cluster/Ausscheidungsstruktur und Cu-Wirkung im Detail
Der Blick ins Innere der Legierung erfolgt mittels Atomsondentomographie (APT) - einer Methode, die einzelne Atome dreidimensional im Raum sichtbar macht. Besonders aufschlussreich sind hierbei die Unterschiede zwischen der Cu-freien und Cu-haltigen Variante im LTA-Zustand. Die APT-Analyse in Abbildung 2 zeigt ein dichtes Netz feinster Cluster und mittelgroßer Vorläuferphasen bzw. Ausscheidungen, deren mittlerer Radius bei rund 2 nm liegt. Die Zugabe von Cu hat dabei einen signifikanten Einfluss auf Morphologie und Verteilung. In der Cu-haltigen Variante (Mg+ZnCu) ist die Anzahl der detektierten Cluster pro Volumeneinheit deutlich höher.
Diese Cluster sind im Mittel kleiner, weisen jedoch eine stabilere chemische Zusammensetzung auf - Cu wird dabei bevorzugt anstelle von Zn eingebaut. Die chemische Analyse (siehe Tabelle 3) innerhalb der Cluster/Ausscheidungen zeigt in Mg+ZnCu eine deutlich erhöhte Cu-Konzentration von bis zu 1 at.-%, verglichen mit <0.1 at.-% in der Cu-freien Variante. Dadurch entstehen sogenannte Cu-reiche T-Phasen-Vorläufer, die mechanisch hochwirksam sind.
Besonders bemerkenswert: Auch nach plastischer Verformung von 5 % verbleibt die Cluster/Ausscheidungsstruktur weitgehend stabil. Weder die Anzahl noch die durchschnittliche Größe der Cluster/Ausscheidungen verändert sich signifikant. Dies scheint zunächst im Widerspruch zur chemischen Analyse in Tabelle 3 zu stehen, die zeigt, dass nach LTA noch relevante Mengen an Mg, Zn und Cu in der Matrix gelöst sind.
| Zustand LTA | Dehnung | Zusammensetzung | Mg | Zn | Cu | Zn/Mg |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Mg+Zn | 0 % | Gesamt (at.-%) Matrix (at.%) Cluster/Ausscheidung (at.%) Volumsfraktion (%) | 5.58 ± 0.02 5.13 ± 0.02 8.75 ± 0.07 | 1.67 ± 0.03 1.01 ± 0.02 6.29 ± 0.07 6.75 ± 0.03 | 0.03 ± 0.03 0.03 ± 0.02 0.05 ± 0.07 6.75 ± 0.03 | 0.30 ± 0.005 0.20 ± 0.004 0.72 ± 0.01 6.75 ± 0.03 |
| Mg+ZnCu | 0 % | Gesamt (at.-%) Matrix (at.%) Cluster/Ausscheidung (at.%) Volumsfraktion (%) | 5.68 ± 0.04 5.10 ± 0.03 9.56 ± 0.10 | 1.65 ± 0.04 0.86 ± 0.03 6.89 ± 0.10 7.21 ± 0.04 | 0.23 ± 0.04 0.21 ± 0.03 0.39 ± 0.10 7.21 ± 0.04 | 0.29 ± 0.008 0.17 ± 0.01 0.72 ± 0.01 7.21 ± 0.04 |
| Mg+ZnCu | 5 % | Gesamt (at.-%) Matrix (at.%) Cluster/Ausscheidung (at.%) Volumsfraktion (%) | 5.43 ± 0.02 4.95 ± 0.02 8.71 ± 0.06 | 1.69 ± 0.02 1.01 ± 0.02 6.28 ± 0.06 7.01 ± 0.02 | 0.26 ± 0.02 0.24 ± 0.02 0.41 ± 0.06 7.01 ± 0.02 | 0.31 ± 0.004 0.20 ± 0.003 0.72 ± 0.01 7.01 ± 0.02 |
Eine detaillierte Betrachtung legt jedoch nahe, dass das System nach 42 Tagen bei 60 °C ein kinetisches Gleichgewicht erreicht hat, in dem die verbleibende Übersättigung keine nennenswerte Triebkraft mehr zur Neubildung von Clustern aufweist. Obwohl die plastische Verformung die Leerstellenkonzentration um mehrere Größenordnungen erhöht und dadurch die Diffusion von gelöstem Mg und Zn begünstigt (siehe Abbildung 3), reichen weder die verbleibende Übersättigung noch die Deformationsenergie aus, um neue Cluster effizient zu initiieren. Stattdessen kommt es zu einer moderaten Rücklösung von Zn aus bestehenden Cluster/Ausscheidungen und damit zu einer geringfügigen Abnahme der Zahl größerer Cluster/Ausscheidungen. Cu zeigt hingegen eine geringere Diffusionslänge und stabilisiert die verbleibenden Cluster zusätzlich. Dieses Verhalten deutet darauf hin, dass das System nach LTA in einem metastabilen, kinetisch blockierten Zustand verharrt, in dem zwar gelöste Atome vorhanden sind, deren erneute Anordnung zu neuen Clustern jedoch durch energetische und kinetische Barrieren unterdrückt wird.Die fein verteilten Cluster/Ausscheidungen wirken als wirksame Versetzungshindernisse, ohne bei plastischer Belastung aufgelöst zu werden oder zu wachsen. Dadurch wird nicht nur die Streckgrenze erhöht, sondern auch die dynamische Erholung signifikant gehemmt. Der geringe mittlere Abstand zwischen den Cluster/Ausscheidungen begünstigt die Akkumulation von Versetzungen, wodurch eine hohe Kaltverfestigung und damit eine außergewöhnlich hohe Bruchdehnung ermöglicht wird.
Kurzum: Die APT-Daten im LTA-Zustand zeigen, dass Cu nicht nur die Anzahldichte an Cluster/Ausscheidungen und die chemische Stabilität erhöht, sondern auch eine mikroskopische Struktur erzeugt, die selbst unter moderater plastischer Belastung bestehen bleibt. Diese mikrostrukturelle Robustheit bildet die Grundlage für die bemerkenswerte Festigkeits-Duktilitäts-Synergie der untersuchten Crossover-Legierungen.
Fazit:
Die Ergebnisse dieser Untersuchung unterstreichen die Wirksamkeit von einer Niedertemperatur-Langzeitauslagerung als zentrales Instrument zur Feinjustierung der mechanischen Eigenschaften moderner Aluminiumlegierungen. Besonders in Kombination mit gezielter Cu-Zugabe kann eine mikroskopische Clusterstruktur erzeugt werden, die gleichzeitig Festigkeit und Umformbarkeit optimiert. Diese Erkenntnisse sind nicht nur von wissenschaftlicher Relevanz, sondern bieten auch praktischen Mehrwert für Industrieanwendungen in verschiedensten Bereichen.
Kundennutzen:
Quellen:
[1] L. Stemper, M.A. Tunes, R. Tosone, P.J. Uggowitzer, S. Pogatscher, On the potential of aluminum crossover alloys, Progress in Materials Science 124 (2022) 100873.[2] G. Bergman, J.L.T. Waugh, L. Pauling, The crystal structure of the metallic phase Mg32(Al, Zn)49, Acta Crystallographica 10 (1957) 254-259.[3] H. Inoue, T. Sato, Y. Kojima, T. Takahashi, The Temperature Limit for GP Zone Formation in an Al-Zn-Mg Alloy, Metallurgical and Material Transactions A 12 (1981) 1429-1434.[4] N. Afify, A.-F. Gaber, G. Abbady, Fine Scale Precipitates in Al-Mg-Zn Alloys after Various Aging Temperatures, Materials Sciences and Applications 02 (2011) 427-434.[5] L. Stemper, M.A. Tunes, P. Dumitraschkewitz, F. Mendez-Martin, R. Tosone, D. Marchand, W.A. Curtin et al., Giant Hardening Response in AlMgZn(Cu) alloys, Acta Materialia 206 (2021) 116617.[6] S. Hou, Di Zhang, Q. Ding, J. Zhang, L. Zhuang, Solute clustering and precipitation of Al-5.1Mg-0.15Cu-xZn alloy, Materials Science and Engineering: A 759 (2019) 465-478.[7] P. Dumitraschkewitz, S.S.A. Gerstl, L.T. Stephenson, P.J. Uggowitzer, S. Pogatscher, Clustering in Age Hardenable Aluminum Alloys, Advanced Engineering Materials 20 (2018).[8] C.D. Marioara, S.J. Andersen, C. Hell, J. Frafjord, J. Friis, R. Bjørge, I.G. Ringdalen et al., Atomic structure of clusters and GP-zones in an Al-Mg-Si alloy, Acta Materialia 269 (2024) 119811.[9] P. Aster, P. Dumitraschkewitz, P.J. Uggowitzer, F. Schmid, G. Falkinger, K. Strobel, P. Kutlesa et al., Strain-induced clustering in Al alloys, Materialia 32 (2023) 101964.[10] P. Aster, P. Dumitraschkewitz, P.J. Uggowitzer, M.A. Tunes, F. Schmid, L. Stemper, S. Pogatscher, Unraveling the potential of Cu addition and cluster hardening in Al-Mg-Si alloys, Materialia 36 (2024) 102188.[11] J. Banhart, Z. Yang, M. Liu, M. Madanat, X. Zhang, Q. Guo, Y. Yan et al., Exploring the hidden world of solute atoms, clusters and vacancies in aluminium alloys, MA TEC Web Conferences 326 (2020) 1001.[12] W. Sun, Y. Zhu, R. Marceau, L. Wang, Q. Zhang, X. Gao, C. Hutchinson, Precipitation strengthening of aluminum alloys by room-temperature cyclic plasticity, Science, 363 (2019) 972-975.[13] Y. Wang, H. Zhao, X. Chen, B. Gault, Y. Brechet, C. Hutchinson, The effect of shearable clusters and precipitates on dynamic recovery of Al alloys, Acta Materialia 265 (2024) 119643.
