Metallographie von Aluminium und Aluminiumlegierungen Überblick und Präparation

Luft- und Raumfahrt

Hochleistungs-Aluminiumlegierungen erfordern Metallographie, um die Ausscheidungshärtung, die Integrität der Beschichtung und die gleichmäßige Korngröße zu bestätigen. Hochfeste Aluminiumlegierungen (wie 2024 oder 7075) werden aufgrund ihres Festigkeits-Gewichts-Verhältnisses für Flugzeugstrukturen, Flügel und Raumfahrzeugkomponenten verwendet. Die Metallographie überprüft die Kornverfeinerung und das Vorhandensein von verstärkenden Ausscheidungen nach Wärmebehandlungen. Nach dem Schmieden oder Walzen einer Luftfahrtlegierung stellt die Metallographie sicher, dass die Faserstruktur oder der Kornfluss im Bauteil korrekt ist. Darüber hinaus helfen Metallographie und verwandte Prüftechniken, wenn neue Aluminium-Lithium-Legierungen oder fortschrittliche Verbundwerkstoffe eingeführt werden, diese Materialien zu zertifizieren, dass sie strengen Luft- und Raumfahrtstandards entsprechen.

Beispiel: In Flugzeug-Aluminium kann die metallografische Untersuchung bestätigen, dass die gewünschte Ausscheidungsphase (wie Al2Cu in der 2xxx-Serie oder MgZn2 in der 7xxx-Serie) richtig verteilt ist, was darauf hinweist, dass die Legierung ihre erforderlichen mechanischen Eigenschaften erreicht hat.

Automobilindustrie

Verwendet in Motoren, Rädern und Strukturkomponenten. Aluminiumlegierungen werden weit verbreitet in Motoren, Zylinderköpfen, Getriebegehäusen, Rädern und Strukturrahmen eingesetzt, um das Gewicht zu reduzieren. Spezielle Hochtemperaturlegierungen und gegossenes Aluminium (wie Al-Si-Gusslegierungen) müssen frei von übermäßiger Porosität sein und verfeinerte Mikrostrukturen für die Haltbarkeit aufweisen.

Die Mikrostruktur von Leichtmetallrädern, Motorblöcken, Kolben und Karosserieblechpaneelen ist wichtig. Ein metallografischer Querschnitt eines druckgegossenen Aluminium-Motorblocks kann Porosität oder Schrumpfhöhlen aufdecken, die zu einem Bauteilversagen führen könnten, wenn sie zu groß sind. Für Elektrofahrzeuge und den Schienenverkehr (z.B. Hochgeschwindigkeitszüge), wo Aluminium für leichte Strukturen verwendet wird, bestätigt die Metallographie, dass Extrusionen und Gussstücke eine gleichbleibende Qualität aufweisen.

Beispiel: Überprüfung, ob die Siliziumpartikel in einer Al-Si-Legierung fein und gleichmäßig modifiziert sind (oft erreicht durch Zugabe von Modifikatoren wie Strontium während des Gießens). Darüber hinaus kann die Aluminiumprüfung in diesem Bereich Härteprüfungen von Motorenteilen (um die ordnungsgemäße Wärmebehandlung zu überprüfen) zusammen mit mikrostrukturellen Untersuchungen umfassen.

Additive Fertigung

3D-gedrucktes Aluminium zeigt einzigartige Mikrostrukturen wie zelluläre Körner und Schmelzpoolgrenzen. Eine schnell wachsende Spezialanwendung ist die Verwendung von Aluminiumlegierungen in der additiven Fertigung. 3D-gedruckte Aluminiumkomponenten (häufig unter Verwendung von Pulvern von Legierungen wie AlSi10Mg) können aufgrund der schnellen Erstarrung einzigartige Mikrostrukturen aufweisen – wie sehr feine zelluläre Körner und ausgeprägte Schmelzbadgrenzen. Die Metallographie spielt eine Schlüsselrolle in diesem aufstrebenden Bereich, indem sie die Schichtbindung, Porosität und mikrostrukturellen Eigenschaften von gedruckten Aluminiumteilen untersucht.

Elektronik und Verteidigung

In Al-Li-Legierungen und Aluminium-Wärmeleitern stellt die Metallographie Homogenität und Bindungsqualität sicher. Einige Verteidigungsanwendungen verwenden Aluminiumlegierungen in gepanzerten Fahrzeugen oder hochfesten, leichten Gehäusen. Spezielle Aluminiumlegierungen, die Lithium enthalten (Al-Li-Legierungen), wurden entwickelt, um das Gewicht für die Luft- und Raumfahrt sowie die Verteidigung weiter zu reduzieren; diese Legierungen erfordern eine sorgfältige metallografische Untersuchung, um sicherzustellen, dass die neuen Phasen (wie Al3Li-Ausfällungen) vorhanden und gleichmäßig verteilt sind. In diesen Branchen dient die Aluminium-Metallografie als Brücke zwischen Materialwissenschaft und praktischer Ingenieurtechnik. Sie ermöglicht es Ingenieuren, die interne Geschichte eines Aluminiumteils zu sehen – ob es darum geht, zu bestätigen, dass ein Produktionsprozess erfolgreich war, oder zu diagnostizieren, warum ein Bauteil nicht wie erwartet funktionierte.

Wichtig ist, dass die Metallografie oft von anderen Prüfmethoden (mechanische Tests, chemische Analysen usw.) begleitet wird, aber sie liefert die visuellen Beweise der Materialstruktur, die andere Tests nicht bieten können. Viele Unternehmen haben interne Labore oder arbeiten mit Materialprüflabors zusammen, um Metallografie an Aluminiumproben im Rahmen ihrer routinemäßigen Qualitätssicherung durchzuführen.

Aluminium-Anwendungen finden sich in fast allen Bereichen der Wirtschaft und des modernen Lebens. Laut aktuellen Statistiken hat die (primäre) Aluminiumproduktion weltweit in den letzten zehn Jahren fast doppelt so viel zugenommen - eine beispiellose Entwicklung für industrielle Materialien. Die Aluminiumindustrie verdankt diese Entwicklung seinen Eigenschaften wie geringem spezifischen Gewicht, einem Drittel von Stahl, was es zu einer attraktiven Alternative für energiesparenden Leichtbau macht. Die anderen wichtigen Eigenschaften von Aluminium und seinen Legierungen sind die breite Palette an Fertigungsoptionen wie Gießen, Formen, Extrudieren, Schmieden usw.

Außerdem machen vielseitige Formungsmöglichkeiten wie Bearbeitung, Tiefziehen, Dehnen, Biegen, Stanzen usw. Aluminium zu einem flexiblen Material für viele Anwendungen. Aluminium und seine Legierungen zeigen eine ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit, die durch Anodisieren und verschiedene Beschichtungstechniken weiter verbessert werden kann. Diese Materialien bieten ein breites Spektrum an mechanischen Festigkeiten, die von 70 bis 800 MPa reichen. Aluminium ist ein ungiftiges Material, das es sehr geeignet macht, als Verpackung für Lebensmittelprodukte verwendet zu werden. Darüber hinaus besitzt Aluminium eine hervorragende elektrische Leitfähigkeit und eine hohe Wärmeleitfähigkeit.

Schneiden

Das Schneiden von reinem Aluminium und Aluminiumlegierungen ist eine Herausforderung aufgrund der Weichheit des Aluminiums. Die optimalen Trennscheiben für diese Legierungen sind die mit SiC-Schleifkörnern. Die SiC-Trennscheiben mit härterem Bindemittel können die besten Ergebnisse liefern. Aufgrund der geringeren Härte von Siliziumkarbidpartikeln im Vergleich zu Aluminiumoxidpartikeln sind diese Trennscheiben die optimale Wahl zum Schneiden von weichen Materialien wie reinem Aluminium.

Reines Aluminium

Reines Aluminium ist ein leichtes Metall mit einer Dichte von etwa 2,7 g/cm³ und einem Schmelzpunkt von 660 °C. Wenn die Reinheit von Aluminium mehr als 99 % beträgt, gilt es als reines Aluminium. Die kristallographische Struktur von reinem Aluminium ist kubisch flächenzentriert. Es zeichnet sich durch ein helles, silbernes Aussehen und eine hervorragende Korrosionsbeständigkeit aus, die auf die schnelle Bildung einer stabilen, schützenden Oxidschicht auf seiner Oberfläche zurückzuführen ist. Aluminium ist hoch duktil und formbar, was es ermöglicht, es zu Drähten zu ziehen oder zu dünnen Blechen zu walzen. Es hat in seiner reinen Form eine relativ niedrige Zugfestigkeit (etwa 90 MPa im geglühten Zustand), kann jedoch durch Legieren oder Kaltverformung erheblich verstärkt werden. Reines Aluminium ist auch ein hervorragender Wärme- und Stromleiter, nicht magnetisch und ungiftig. In den gewalzten Gruppen repräsentiert die Gruppe 1xxx reines Aluminium wie EN AW 1050A. Reines Aluminium wird typischerweise in nicht tragenden Anwendungen verwendet, einschließlich der Herstellung von Kabeln, Dosen, elektronischen Komponenten, Folien, Drähten, Haushaltswaren und Verpackungsmaterialien.

Schleifen / Polieren

Unter den verschiedenen Verbrauchsmaterialien ist Siliziumkarbid (SiC) Papier die am besten geeignete Wahl für die Vorbereitung von reinen Aluminiumproben. Aufgrund der inhärenten Weichheit von reinem Aluminium ist das Material während der Probenvorbereitung sehr anfällig für Verformungen. Die Verwendung von aggressiven Verbrauchsmaterialien, wie Diamantschleifscheiben, kann Vorbereitungsartefakte einführen und die mikrostrukturelle Integrität der Probe beeinträchtigen. Vorausgesetzt, dass das Schneiden angemessen durchgeführt wurde, kann das erste Schleifen mit SiC-Papier der Körnung P600 beginnen. Darauf folgt ein zweiter Schleifschritt mit SiC-Papier der Körnung P1200; nach etwa zwei Minuten Schleifen ist die Probe bereit für die Polierphase.

Für das Polieren von reinem Aluminium werden weiche Poliertücher empfohlen, um Oberflächenverformungen zu minimieren. Sigma-Tuch, ein mittelhartes Seidentuch, ist für die ersten Polierschritte geeignet. Für die 1 µm Polierphase sollte Zeta-Tuch – ein kurzes, flauschiges, weiches synthetisches Tuch – verwendet werden. Für das finale Polieren wird OMEGA-Tuch, ein chemisch beständiges, weiches synthetisches Tuch, empfohlen. Die gesamte Abfolge von Schleif- und Polierschritten ist in der Tabelle zusammengefasst.

Ätzen

Ziel des Ätzens von reinen Aluminiumproben ist es, die mikrostrukturellen Merkmale selektiv sichtbar zu machen, wie Korngrenzen oder Korngröße sowie Verunreinigungen, die im polierten, ungeätzten Zustand sonst nicht unterscheidbar sind. Ätzen verbessert den Kontrast zwischen verschiedenen mikrostrukturellen Komponenten, indem spezifische Bereiche der Probe bevorzugt angegriffen werden, was eine detaillierte Untersuchung von Korngröße, -form und -verteilung unter optischer oder Elektronenmikroskopie ermöglicht. Dieser Prozess ist entscheidend für eine genaue metallographische Analyse und Charakterisierung von reinem Aluminium. Es gibt zwei Hauptprozesse, um die reinen Aluminiumproben zu ätzen. Zuerst ist der normale Eintauchprozess in Ätzmittel. Hier kann das Natriumhydroxid von QATM verwendet werden. Die andere Technik ist das elektrolytische Ätzen. Das elektrolytische Ätzen von reinem Aluminium ist eine metallographische Technik, die verwendet wird, um seine Mikrostruktur sichtbar zu machen, indem ein elektrischer Strom in einer geeigneten Elektrolytlösung angelegt wird. Während des Prozesses fungiert die Aluminiumprobe als Anode, und es erfolgt eine selektive Auflösung an Korngrenzen und anderen mikrostrukturellen Merkmalen. Diese Methode bietet kontrolliertes und gleichmäßiges Ätzen, minimiert mechanische Schäden und verbessert die Sichtbarkeit feiner Details wie Korngrenzen und Einschlüsse. Die elektrolytische Ätzung ist besonders effektiv für reines Aluminium aufgrund seiner Weichheit und Neigung zur Verformung bei mechanischem Polieren, was zu klareren und reproduzierbareren mikrostrukturellen Beobachtungen führt.

QETCH 1000 ist ein vollautomatischer elektrolytischer Polierer und Ätzer mit intuitiver Touchscreen-Bedienung. Polier- und Ätzgerät sowie Steuereinheit sind getrennt, auch kann der Qetch 1000 im Laborabzug verwendet werden. Eine Scan-Funktion zeigt die aktuelle Spannungs-Kurve eines Materials an und liefert schnell Polierergebnisse ohne strukturelle Veränderungen. Die Handhabung des Polier- und Ätzgeräts wurde durch die austauschbaren 1-Liter elektrolytischen Tanks erheblich erleichtert. Verschiedene Elektrolyte können gewechselt und leicht mit einem Deckel aufbewahrt werden. Das Gerät wird mit Wasser durch ein Waschprogramm gereinigt.

Guss-Aluminiumlegierung

DIN EN 1780 regelt die Klassifizierung von Gussstücken und Gusslegierungen: 2002 (der Aluminiumverband AA hat ein anderes Klassifizierungssystem), das ein fünfstelliges Bezeichnungssystem verwendet, wie unten beschrieben

Die erste Ziffer zeigt das Hauptlegierungselement an.

Die zweite Ziffer zeigt die Art der Legierung an.

• Die erste Ziffer zeigt das Hauptlegierungselement an.
• Die zweite Ziffer zeigt die Art der Legierung an.
• Die 3. Ziffer ist willkürlich und gibt die spezielle Legierungszusammensetzung an.
• Die 4. Ziffer ist allgemein 0.
• Die 5. Ziffer ist immer 0 für CEN-Legierungen, aber niemals 0 für Luftfahrt-AECMA-Legierungen.
• Diese Ziffern werden von einem Buchstaben gefolgt, der den Gießprozess anzeigt, wie S für Sandguss, K für Schwerkraftguss, D für Druckguss und L für Feinguss.

Anschließend geben die folgenden Buchstaben und Zahlen den Zustand der Legierung an, wie in der Tabelle unten detailliert.

Die physikalischen Eigenschaften von reinem Aluminium bei 20°C sind in der Tabelle unten zu sehen:

Schleifen / Polieren

Unter den verschiedenen Verbrauchsmaterialien ist Siliziumcarbid (SiC)-Papier die am besten geeignete Wahl zur Vorbereitung von reinem Aluminiumproben. Aufgrund der inhärenten Weichheit von reinem Aluminium ist das Material während der Probenvorbereitung sehr anfällig für Verformungen. Die Verwendung von aggressiven Verbrauchsmaterialien, wie Diamant-Schleifscheiben, kann Vorbereitungsartefakte einführen und die mikrostrukturelle Integrität der Probe beeinträchtigen. Vorausgesetzt, dass das Schneiden angemessen durchgeführt wurde, kann das erste Schleifen mit SiC-Papier der Körnung P600 beginnen. Darauf folgt ein zweiter Schleifschritt mit SiC-Papier der Körnung P1200; nach etwa zwei Minuten Schleifen ist die Probe bereit für die Polierphase. Für das Polieren von reinem Aluminium werden weiche Poliertücher empfohlen, um Oberflächenverformungen zu minimieren. Sigma-Tuch, ein mittelhartes Seidentuch, ist für die ersten Polierschritte geeignet. Für die 1 µm Polierphase sollte Zeta-Tuch – ein kurzes, flauschiges, weiches synthetisches Tuch – verwendet werden. Für das finale Polieren wird OMEGA-Tuch, ein chemisch beständiges, weiches synthetisches Tuch, empfohlen. Die gesamte Abfolge von Schleif- und Polierschritten ist in der Tabelle zusammengefasst.