Wenn die mechanischen Eigenschaften von Strangpressprofilen nicht den Erwartungen entsprechen, richtet sich die Aufmerksamkeit meist auf die ursprüngliche Zusammensetzung des Blocks oder die Strangpress-/Alterungsbedingungen. Kaum jemand stellt die Frage, ob die Homogenisierung selbst ein Problem darstellen könnte. Tatsächlich ist die Homogenisierungsphase entscheidend für die Herstellung hochwertiger Strangpressprofile. Eine unzureichende Kontrolle des Homogenisierungsschritts kann zu Folgendem führen:
● Erhöhter Durchbruchdruck
●Mehr Defekte
●Streifenstrukturen nach dem Eloxieren
●Niedrigere Extrusionsgeschwindigkeit
●Schlechte mechanische Eigenschaften
Die Homogenisierungsphase dient zwei Hauptzwecken: der Verfeinerung eisenhaltiger intermetallischer Verbindungen und der Umverteilung von Magnesium (Mg) und Silizium (Si). Durch die Untersuchung der Mikrostruktur des Blocks vor und nach der Homogenisierung lässt sich vorhersagen, ob der Block beim Extrudieren gut funktioniert.
Einfluss der Knüppelhomogenisierung auf die Härtung
Bei 6XXX-Extrusionen beruht die Festigkeit auf Mg- und Si-reichen Phasen, die während der Alterung gebildet werden. Die Fähigkeit zur Bildung dieser Phasen hängt davon ab, ob die Elemente vor Beginn der Alterung in eine feste Lösung überführt werden. Damit Mg und Si schließlich Teil der festen Lösung werden, muss das Metall schnell von über 530 °C abgeschreckt werden. Bei Temperaturen über diesem Punkt lösen sich Mg und Si auf natürliche Weise in Aluminium auf. Während der Extrusion bleibt das Metall jedoch nur für kurze Zeit über dieser Temperatur. Um sicherzustellen, dass sich alles Mg und Si auflöst, müssen die Mg- und Si-Partikel relativ klein sein. Leider scheiden sich Mg und Si beim Gießen als relativ große Mg₂Si-Blöcke ab (Abb. 1a).
Ein typischer Homogenisierungszyklus für 6060-Blöcke dauert 2 Stunden bei 560 °C. Da der Block während dieses Prozesses lange Zeit über 530 °C bleibt, löst sich Mg₂Si auf. Beim Abkühlen scheidet es sich in einer viel feineren Verteilung wieder ab (Abb. 1c). Ist die Homogenisierungstemperatur nicht hoch genug oder die Homogenisierungsdauer zu kurz, bleiben einige große Mg₂Si-Partikel zurück. In diesem Fall enthält die feste Lösung nach dem Extrudieren weniger Mg und Si, wodurch die Bildung einer hohen Dichte an härtenden Ausscheidungen unmöglich wird – was zu verringerten mechanischen Eigenschaften führt.
Abb. 1. Optische Mikrofotografien von polierten und 2 % HF-geätzten 6060-Barren: (a) im Gusszustand, (b) teilweise homogenisiert, (c) vollständig homogenisiert.
Rolle der Homogenisierung bei eisenhaltigen intermetallischen Verbindungen
Eisen (Fe) hat einen größeren Einfluss auf die Bruchzähigkeit als auf die Festigkeit. In 6XXX-Legierungen neigen Fe-Phasen beim Gießen zur Bildung von β-Phasen (Al₅(FeMn)Si oder Al₈.₉(FeMn)₂Si₂). Diese Phasen sind groß, eckig und stören die Extrusion (hervorgehoben in Abb. 2a). Während der Homogenisierung diffundieren schwere Elemente (Fe, Mn usw.), und große eckige Phasen werden kleiner und runder (Abb. 2b).
Anhand optischer Bilder allein ist es schwierig, die verschiedenen Phasen zu unterscheiden und sie zuverlässig zu quantifizieren. Bei Innoval quantifizieren wir die Homogenisierung von Knüppeln mithilfe unserer internen Merkmalserkennungs- und Klassifizierungsmethode (FDC), die einen %α-Wert für Knüppel liefert. Dies ermöglicht uns die Beurteilung der Homogenisierungsqualität.
Abb. 2. Optische Mikrofotografien von Knüppeln (a) vor und (b) nach der Homogenisierung.
Methode zur Merkmalserkennung und -klassifizierung (FDC)
Abb. 3a zeigt eine polierte Probe, die mittels Rasterelektronenmikroskopie (REM) analysiert wurde. Anschließend wird eine Graustufen-Schwellenwertmethode angewendet, um intermetallische Verbindungen zu trennen und zu identifizieren, die in Abb. 3b weiß erscheinen. Diese Methode ermöglicht die Analyse von Flächen bis zu 1 mm², d. h. über 1000 einzelne Merkmale können gleichzeitig analysiert werden.
Abb. 3. (a) Rückstreuelektronenbild eines homogenisierten 6060-Blocks, (b) identifizierte einzelne Merkmale aus (a).
Partikelzusammensetzung
Das Innoval-System ist mit einem energiedispersiven Röntgendetektor (EDX) vom Typ Oxford Instruments Xplore 30 ausgestattet. Dies ermöglicht die schnelle automatische Erfassung von EDX-Spektren von jedem identifizierten Punkt. Aus diesen Spektren lässt sich die Partikelzusammensetzung bestimmen und das relative Fe:Si-Verhältnis ableiten.
Abhängig vom Mn- oder Cr-Gehalt der Legierung können auch andere schwere Elemente enthalten sein. Für einige 6XXX-Legierungen (manchmal mit signifikantem Mn-Gehalt) wird das Verhältnis (Fe+Mn):Si als Referenz verwendet. Diese Verhältnisse können dann mit denen bekannter eisenhaltiger intermetallischer Verbindungen verglichen werden.
β-Phase (Al₅(FeMn)Si oder Al₈.₉(FeMn)₂Si₂): (Fe+Mn):Si-Verhältnis ≈ 2. α-Phase (Al₁₂(FeMn)₃Si oder Al₈.₃(FeMn)₂Si): Verhältnis ≈ 4–6, je nach Zusammensetzung. Unsere kundenspezifische Software ermöglicht es uns, einen Schwellenwert festzulegen und jedes Partikel als α oder β zu klassifizieren und dann ihre Positionen innerhalb der Mikrostruktur abzubilden (Abb. 4). Dies ergibt einen ungefähren Prozentsatz des umgewandelten α im homogenisierten Barren.
Abb. 4. (a) Karte mit α- und β-klassifizierten Partikeln, (b) Streudiagramm der (Fe+Mn):Si-Verhältnisse.
Was uns die Daten sagen können
Abb. 5 zeigt ein Beispiel für die Verwendung dieser Informationen. In diesem Fall deuten die Ergebnisse auf eine ungleichmäßige Erwärmung in einem bestimmten Ofen hin oder darauf, dass die Solltemperatur möglicherweise nicht erreicht wurde. Um solche Fälle richtig beurteilen zu können, werden sowohl der Testblock als auch Referenzblöcke bekannter Qualität benötigt. Ohne diese lässt sich der erwartete %α-Bereich für die jeweilige Legierungszusammensetzung nicht ermitteln.
Abb. 5. Vergleich von %α in verschiedenen Abschnitten eines Homogenisierungsofens mit schlechter Leistung.
Veröffentlichungszeit: 30. August 2025
