Professor Du Jun von der South China University of Technology: Der Zusammenhang zwischen Mikrostrukturentwicklung und Wärmeleitfähigkeit einer Mg-Sn-Ca-Legierung

Nachhaltige Entwicklung und Umweltschutz stellen höhere Anforderungen an Metallwerkstoffe wie Leichtgewicht und Recyclingfähigkeit. Als leichtester metallischer Strukturwerkstoff hat die Magnesiumlegierung große Aufmerksamkeit erregt. Derzeit werden Magnesiumlegierungen hauptsächlich in der Transportindustrie und bei 3C-Produkten eingesetzt, die häufig in heißen Umgebungen eingesetzt werden. Im Vergleich zu den mechanischen Eigenschaften sind die Untersuchungen zu den thermodynamischen Eigenschaften von Magnesiumlegierungen noch begrenzt.
Reines Mg hat eine gute Wärmeleitfähigkeit, seine geringen mechanischen Eigenschaften können jedoch die Anforderungen der Anwendungen nicht erfüllen. Die Zugabe von Legierungselementen ist ein wirksames Mittel zur Steuerung der Eigenschaften von Magnesiumlegierungen, allerdings wirken sich Legierungselemente negativ auf die Wärmeleitfähigkeit von reinem Magnesium aus. Da es sich um die gängigsten kommerziellen Magnesiumlegierungen handelt, ist die Wärmeleitfähigkeit der Legierungen der Mg-Al-Reihe nicht ideal. Allerdings wurden Mg-Al-La-Legierungen mit hervorragender Wärmeleitfähigkeit und mechanischen Eigenschaften durch die Zugabe von Seltenerdelementen und einen Heißstrangpressprozess erhalten. Es ist abzusehen, dass es sich um eine praktische und effektive Methode handelt, die Wärmeleitfähigkeit binärer Magnesiumlegierungen durch Einführung geeigneter Legierungselemente zu verbessern. Darüber hinaus werden häufig Prozesse wie Wärmebehandlung und Verformung eingeführt, um die Wärmeleitfähigkeit von Legierungen der Mg-Zn-Serie zu verbessern.
Legierungen auf Mg-Sn-Basis haben als hitzebeständige Legierungen ohne SE in den letzten Jahren nach und nach die Aufmerksamkeit der Forscher auf sich gezogen. Auf dieser Grundlage untersuchte die Forschungsgruppe von Professor Du Jun von der South China University of Technology die Rolle der zinnreichen Region bei der Änderung der Wärmeleitfähigkeit der Mg-Sn-Ca-Legierung und deckte den Zusammenhang zwischen der Mikrostrukturentwicklung der Legierung und der Änderung der Wärmeleitfähigkeit auf. Die entsprechenden Forschungsergebnisse wurden in der Fachzeitschrift „Journal of Materials Research“ mit dem Titel „Relationship between microstructure evolution and thermischer Leitfähigkeit von Mg–Sn–Ca-Legierungen“ veröffentlicht.

 

Die Ergebnisse zeigen, dass es neben der α-Mg-Phase viele Sn-reiche Regionen in der Mg-2Sn-Legierung gibt. Nach der Zugabe von Ca verschwand der Sn-reiche Bereich allmählich und es bildete sich eine CaMgSn-Phase. Überschüssiges Ca induzierte die Bildung der Mg2Ca-Phase, was zu einer CaMgSn-Phase von einem kontinuierlichen Netzwerk zu einer diskontinuierlichen Verteilung führte. Die Mg-Sn-Ca-Legierungen zeigten mit zunehmendem Sn- und Ca-Gehalt ein unterschiedliches Erstarrungsverhalten. Die Mg2Sn-Phase und die Mg2Ca-Phase liegen in der Mg-3Sn-1,02 Ca-Legierung vor. In Mg-4Sn-1,36Ca-Legierungen treten stäbchenförmige CaMgSn-Phasen und Sn-reiche Regionen auf.

 

Der Korrelationskoeffizient zwischen Wärmeleitfähigkeit und elektrischer Leitfähigkeit der Mg-Sn-Ca-Legierung beträgt etwa 6,88 (× 10-6·V-2·K-1). Wenn das Molverhältnis von Sn und Ca 1:1 beträgt, erhöht sich die Wärmeleitfähigkeit der Mg-2Sn-Legierung von 112 W/(m·K) auf 147 W/(m·K). Wenn der Sn-Gehalt 3 % übersteigt, nimmt die Wärmeleitfähigkeit der Legierung schnell ab. Der offensichtliche Sn-Bereich trat in der Mg-4Sn-1,36Ca-Legierung mit hohem Sn+Ca-Gehalt wieder auf, was zu einem schnellen Abfall der Wärmeleitfähigkeit der Mg-Sn-Ca-Legierung führte, wenn der Sn-Gehalt 3 % überstieg.