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Einfluss von Strontium auf die Mikrostruktur von Aluminium–Silizium Legierungen
Timpel, Melanie
Die Zugabe von Strontium in geringen Mengen von 80–120 ppm Sr ändert die dreidimensionale (3-D) Morphologie der eutektischen Si-Phase in Al–Si Gusslegierungen von groben plattenförmigen zu feinen faserförmigen Netzwerken. Der Übergang von Si-Platten zu Si-Fasern ist allgemein bekannt als sog. chemische Veredelung der eutektischen Mikrostruktur. Um diesen industriell wichtigen, aber bislang unzureichend aufgeklärten Veredelungseffekt zu verstehen, wurden unveredelte und Sr-veredelte Al–Si Gusslegierungen der Zusammensetzungen Al–10 Gew.% Si–0,10 Gew.% Fe (200 ppm Sr) und Al–15 Gew.% Si–0,17 Gew.% Fe (60 ppm Sr) vom Millimeter- bis in den atomaren Bereich untersucht. Der Einfluss des Sr auf die Bildung Fe-reicher Phasen innerhalb der eutektischen Körner wurde mittels Lichtmikroskopie, Rasterelektronen- und Transmissionselektronenmikroskopie umfangreich untersucht. Es wurden fein-verteilte Fe-reiche α-Phasen in den unveredelten Al–Si Legierungen vorgefunden, während zwei Typen Fe-reicher Phasen (α und δ) in den Sr-veredelten Al-Si Legierungen beobachtet wurden. Die 3-D Morphologie der eutektischen Si-Phase und der Fe-reichen Phasen wurde mittels Tomographie mit fokussierten Ionenstrahlen dargestellt. In den Sr-veredelten Al–Si Legierungen wurde beobachtet, dass sich die Fe-reiche α-Phasen als Einschlüsse an den eutektischen Zellgrenzen mit der 3-D Morphologie dünner "Blätter" ausbildet, während die Fe-reiche δ-Phase eine dünne (≤ 250 nm) plättchenförmige 3-D Morphologie aufweist. Die Entwicklung der Morphologie der eutektischen Erstarrungsfront sowie die Verteilung der Fe-reichen Phasen innerhalb der eutektischen Körner werden detailliert beschrieben. Die Verteilung von Sr wurde sowohl mit nm-Auflösung mittels Transmissionselektronenmikroskopie als auch mit atomarer Auflösung mittels tomographischer Atomsonde untersucht. Die kombinierten Untersuchungen zeigen, dass Sr gemeinsam mit Al innerhalb der eutektischen Si-Phase angereichert vorliegt und dabei zwei Typen von Sr–Al–Si Anreicherungen ausbildet. Typ I-Anreicherungen mit stabförmiger 3-D Morphologie liegen in Bereichen hoher Zwillingsdichte an den Entstehungspunkten von koaxialen Zwillingsebenen vor. Diese Typ I-Anreicherungen sind für die hohe Zwillingsdichte in den Si-Fasern verantwortlich. Typ II-Anreicherungen mit annähernd stabförmiger, langgestreckter 3-D Morphologie liegen entlang interner Grenzflächen von zwei leicht unterschiedlich orientierten Si-Fasersegmenten vor. Diese Typ II-Anreicherungen führen zur Verzweigung der Si-Fasern während der eutektischen Erstarrung. In der vorliegenden Arbeit wird gezeigt, wie Sr zwei der in der Literatur bereits vorgeschlagenen Mechanismen ermöglicht, nämlich verstärkte Zwillingsbildung (Impurity Induced Twinning, via Typ I) und gehemmtes Wachstum (Restricted Growth, via Typ II).
Addition of strontium as small as 80–120 ppm Sr changes the three-dimensional (3-D) morphology of the eutectic Si phase present in Al–Si casting alloys from coarse plate-like to fine fibrous networks. The transition from Si plates to Si fibres is well known as chemical modification of the eutectic microstructure. In order to understand this industrially important but hitherto insufficiently clarified modification effect, unmodified and Sr-modified Al–Si casting alloys with compositions Al–10 wt.% Si–0.10 wt.% Fe (200 ppm Sr) and Al–15 wt.% Si–0.17 wt.% Fe (60 ppm Sr) were investigated in the range from micrometric to atomic scale. The influence of Sr on the formation of Fe-rich phases within eutectic grains was extensively studied by optical microscopy, scanning electron and transmission electron microscopy. Finely distributed Fe-rich α-phases were observed in the unmodified alloys, whereas two types of Fe-rich phases (α and δ) were found in the Sr-modified Al–Si alloys the existence of. The 3-D morphology of the eutectic Si phase and the Fe-rich phases was visualised by focused ion beam tomography. The Fe-rich α-phase was found to form as 3-D "sheet"-like inclusions at eutectic cell boundaries, whereas the Fe-rich δ-phase solidifies as thin (≤ 250 nm) platelets. The evolution of the morphology of the eutectic solidification front and the distribution of Fe-rich phases within the eutectic grains are described in detail. The distribution of Sr was studied both with nanometric resolution by transmission electron microscopy and with atomic resolution by atom probe tomography. The combined investigations indicate that Sr co-segregates with Al within the eutectic Si phase and forms two types of Sr–Al–Si co-segregations. Type I co-segregations with a rod-like 3-D morphology are located in regions of high twin density at the origin of co-axial twin planes. They are responsible for the high twin density in Si fibres. Type II co-segregations with a more extended rod-like 3-D morphology are located at internal boundaries between two slightly differently oriented Si fibre sections. They control the branching of the eutectic Si fibres during eutectic solidification. The present work shows how Sr enables both kinds of mechanisms previously postulated in the literature, namely "Impurity Induced Twinning" (via type I) and "Restricted Growth" (via type II).
