DE102018101580A1

DE102018101580A1 - Chemisches mechanisches polieren zur verbesserten kontrastlösung

Info

Publication number: DE102018101580A1
Application number: DE102018101580.1A
Authority: DE
Inventors: Adam P. Rabe
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2017-01-31
Filing date: 2018-01-24
Publication date: 2018-08-02
Also published as: CN108372460A; US9982351B1

Abstract

Ein Aluminiumlegierungsgegenstand mit verbessertem Oberflächenkontrast und ein zugehöriges Verfahren werden bereitgestellt. Das Verfahren beinhaltet das Schleifen einer Oberfläche des Gegenstandes, das Diamantpolieren der Oberfläche des Gegenstandes, und das Entfernen von α-Aluminium-Matrixmaterial von der Oberfläche durch Feinpolieren der Oberfläche mit einer Suspension, die Kieselsol und eine Ätzsubstanz enthält, worin die Ätzsubstanz einen höheren pH-Wert als der pH-Wert von Kieselsol aufweist.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Offenbarung betrifft ein mechanisches und chemisches Polierverfahren für eine Oberfläche einer Aluminiumlegierung und eines Gegenstandes, der durch ein solches Verfahren erzeugt wird.
EINLEITUNG
Aus Aluminiumlegierung gebildete Artikel, wie Aluminium und Silizium enthaltende Legierungen, werden typischerweise einem mehrstufigen Polierverfahren unterzogen, um die Oberflächen der Gegenstände zu behandeln. Das Verfahren kann ein mechanisches Planschleifen sowie Feinschleifen und Polieren beinhalten. Nach dem Polierverfahren werden die Oberflächen eines Gegenstandes typischerweise mikroskopisch analysiert, um die Qualität und Zuverlässigkeit des Gegenstandes zu bestimmen. Zum Beispiel werden die Oberflächen des Gegenstandes untersucht, um Defekte und Risse zu erkennen.
Jeder Teilschritt in dem Polierverfahren hilft typischerweise, den durch den vorherigen Teilschritt verursachten Schaden zu korrigieren. Bei bestimmten Legierungen, wie etwa Al-Si-Legierungen, tritt jedoch während des Polierverfahrens eine plastische Verformung des Aluminiums auf, was zu einem Verschmieren von α-Aluminium-Matrixpartikeln entlang der Oberfläche(n) des Gegenstandes führt. Das verschmierte α-Aluminium-Matrixmaterial mischt sich in Risse und erzeugt einen geringen Kontrast innerhalb der primären Siliziumpartikel und zwischen den Siliziumpartikeln und Aluminium, was zu Schwierigkeiten bei dem Analysieren von Eigenschaften der Oberfläche, wie Rissen und Defekten, führt.
ZUSAMMENFASSUNG
Die vorliegende Offenbarung stellt ein metallographisches chemisch-mechanisches Polierverfahren bereit, das die visuelle Kontrastauflösung von Legierungspartikeln, wie primären Siliziumpartikeln, und Aluminium für erhöhte Genauigkeit von metallographischen Bildanalyse-Messungen der Oberfläche der Aluminiumlegierung, verbessert.
In einem Beispiel, das mit den anderen hierin enthaltenen Beispielen und Merkmalen kombiniert oder getrennt werden kann, ist ein Verfahren zum Polieren eines Gegenstandes vorgesehen, der eine Aluminiumlegierung umfasst. Das Verfahren beinhaltet das Planschleifen einer Oberfläche des Gegenstandes und das Feinschleifen der Oberfläche des Gegenstandes mit einer Vielzahl von ersten Diamantsplittern mit einer ersten Diamantsplittergröße. Das Verfahren beinhaltet ferner das Diamantpolieren der Oberfläche des Gegenstandes mit einer Vielzahl von zweiten Diamantsplittern mit einer zweiten Diamantsplittergröße. Die zweite Diamantsplittergröße ist kleiner als die erste Diamantsplittergröße. Das Verfahren beinhaltet auch das Feinpolieren der Oberfläche des Gegenstands mit einer Suspension, die Kieselsol und eine Ätzsubstanz enthält. Die Ätzsubstanz weist einen höheren pH-Wert als der pH-Wert von Kieselsol auf.
In einem anderen Beispiel, das mit den anderen hierin bereitgestellten Beispielen und Merkmalen kombiniert oder getrennt werden kann, wird ein Verfahren zum Polieren eines Gegenstandes bereitgestellt, der eine Aluminiumlegierung umfasst. Das Verfahren beinhaltet das Schleifen einer Oberfläche des Gegenstandes und das Diamantpolieren der Oberfläche des Gegenstandes. Das Verfahren beinhaltet auch das Entfernen von α-Aluminium-Matrixmaterial von der Oberfläche durch Feinpolieren der Oberfläche mit einer Suspension, die Kieselsol und eine Ätzsubstanz enthält. Die Ätzsubstanz weist einen höheren pH-Wert als der pH-Wert von Kieselsol auf.
Zusätzliche Merkmale können bereitgestellt werden, einschließlich, aber nicht beschränkt auf die folgenden: Ätzsubstanz, die in der Kieselsolsuspension in einer Menge von etwa 0,5 Gewichtsprozent bis etwa 3 Gewichtsprozent vorhanden ist; die Ätzsubstanz, die Kaliumhydroxid und/oder Natriumhydroxid enthält; die Ätzsubstanz ist in der Suspension in einer Menge von etwa 2 Gewichtsprozent vorhanden; wobei das Verfahren ferner umfasst: Bereitstellen der ersten Vielzahl von Diamantsplittern in einem ersten Diamantsuspensionsschmiermittel und Bereitstellen der zweiten Vielzahl von Diamantsplittern in einem zweiten Diamantsuspensionsschmiermittel; worin die erste Diamantsplittergröße etwa 9 µm beträgt und die zweite Diamantsplittergröße etwa 3 µm; der Schritt des Planschleifens wird mit einem Schleifmittel mit einer Körnung im Bereich von etwa 200 bis etwa 500 Korn durchgeführt; wobei das Verfahren ferner das Durchführen des Schritts des Planschleifens für ungefähr 2 Minuten, das Ausführen des Schritts des Feinschleifens für ungefähr 4 Minuten, das Durchführen des Schritts des Diamantpolierens für ungefähr 4 Minuten und das Durchführen des Schritts des Feinpolierens für ungefähr 1 Minute umfasst; worin das Verfahren ferner das Analysieren der Oberfläche umfasst, um den Kontrast zwischen Aluminium- und Siliziumpartikeln und innerhalb von Siliziumpartikeln zu identifizieren; und worin der Schritt des Schleifens das Durchführen eines Teilschritts des Planschleifens der Oberfläche des Gegenstandes und das anschließende Durchführen eines Teilschritts des Feinschleifens der Oberfläche des Gegenstandes mit Diamantpartikeln beinhaltet.
Ein Gegenstand, der eine Aluminium-Silizium-Legierung umfasst, wird bereitgestellt, der durch eine beliebige der Variationen des hierin offenbarten Verfahrens gebildet wird.
Figurenliste
Die Zeichnungen dienen lediglich der Veranschaulichung und sollen diese Offenbarung oder die hier angehängten Ansprüche nicht einschränken.

1 ist eine schematische Seitenansicht eines aus einer Aluminiumlegierung gebildeten Gegenstandes, der einem Planschleifverfahren unterzogen wird, gemäß den Prinzipien der vorliegenden Offenbarung;
2 ist ein Blockdiagramm, das ein Verfahren zum Polieren eines eine Aluminiumlegierung umfassenden Gegenstandes veranschaulicht, gemäß den Prinzipien der vorliegenden Offenbarung;
3 ist eine schematische Seitenansicht des Gegenstands von 1, der einem Feinschleifverfahren unterzogen wird, gemäß den Prinzipien der vorliegenden Offenbarung;
4 ist eine schematische Seitenansicht des Gegenstandes der 1 und 3, der einem Diamantpolierverfahren unterzogen wird, gemäß den Prinzipien der vorliegenden Offenbarung;
5 ist eine schematische Seitenansicht des Gegenstandes von 1, 3 und 4, der einem Feinschleifverfahren unterzogen wird, gemäß den Prinzipien der vorliegenden Offenbarung; und
6 ist eine mikroskopische Draufsicht auf den Gegenstand der 1 und 3-5, nachdem jeder Schritt des in 2 gezeigten Verfahrens gemäß den Prinzipien der vorliegenden Offenbarung durchgeführt wurde.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Verfahren zum Polieren eines aus einer Aluminiumlegierung gebildeten Gegenstandes werden hierin bereitgestellt, ebenso wie Gegenstände, die aus den offenbarten Verfahren erzeugt werden. Die Verfahren beinhaltet Schritte der mechanischen und chemischen Vorbereitung, um den Gegenstand für mikroskopische Analyse und Untersuchung vorzubereiten.
Bezugnehmend auf 1 kann ein Gegenstand 10 anfänglich in eine gewünschte Form gegossen werden. Der Gegenstand 10 kann beispielsweise aus einer Aluminium-Silizium-Legierung, wie B390 Al-Si, gebildet sein. In anderen Beispielen kann der Gegenstand 10 eine Aluminiumlegierung sein, die mindestens eines der Gießfähigkeits- und Stärkesteigerungselemente enthält, wie etwa Silizium, Kupfer, Magnesium, Mangan, Eisen, Zink und Nickel.
Bezugnehmend auf 2 ist ein Verfahren 100 zum Polieren des Gegenstandes 10 vorgesehen. Das Verfahren beinhaltet einen oder mehrere Schritte 102 des Schleifens des Gegenstands, um Material von einer Oberfläche 12 des Gegenstands 10 mechanisch zu entfernen, um der Oberfläche 12 eine im Wesentlichen gleichmäßige Oberflächenbeschaffenheit zu verleihen, wie es zumindest ohne ein Mikroskop sichtbar ist.
Der Schleifschritt 102 kann einen ersten Teilschritt 104 des Planschleifens der Oberfläche 12 des Gegenstandes 10 beinhalten. So kann beispielsweise, wie in 1 gezeigt ist, die Oberfläche 12 unter Verwendung einer Scheibe 14 oder eines anderen Werkzeugs mit einer Körnung im Bereich von etwa Nr. 200 bis etwa Nr. 500 plangeschliffen werden. In einigen Beispielen wird eine Nr. 220-Magnetplatte verwendet, wie beispielsweise die 220-Grit-MD-Plano-Disk, die von Struer erhältlich ist. Der Teilschritt 104 des Planschleifens kann beispielsweise für etwa zwei Minuten auf der Oberfläche 12 durchgeführt werden. Um die Oberfläche 12 während des Planschliff-Teilschritts 104 zu schmieren, kann Wasser oder ein anderes Schmiermittel verwendet werden. Die Scheibe 14 kann beispielsweise mit einer Geschwindigkeit von 300 U/min und mit einer auf die Oberfläche 12 aufgebrachten Kraft von etwa 25 N gedreht werden.
Bezugnehmend auf 3, mit fortgesetzter Bezugnahme auf 2, kann nach dem Planschliff-Teilschritt 104 ein Feinschliff-Teilschritt 106 auf der Oberfläche 12 des Gegenstandes 10 ausgeführt werden. Der Feinschliff-Teilschritt 106 kann verwendet werden, um den durch den Planschliff-Teilschritt 104 verursachten Schaden zu entfernen, indem feinere Partikel verwendet werden. Der Feinschliff-Teilschritt 106 kann ein Feinschleifen der Oberfläche 12 des Gegenstands 10 mit einer Vielzahl von Diamantsplittern 16 beinhalten. Die Diamantsplitter 16 können in einem Diamantsuspensionsschmiermittel 18 enthalten sein, zum Beispiel DiaPro Allegro, das von Struer zur Verfügung gestellt wird und das der Oberfläche 12 für die Dauer des Feinschliff-Teilschritts 106 kontinuierlich zugeführt wird. Die Diamantsplitter 16 können auch auf einer Feinschleifscheibe 20 oder einem Werkzeug enthalten sein. Die Diamantsplitter 16 könnten beispielsweise mit einer Splittergröße von etwa 9 µm, etwa 6 µm oder etwa 15 µm bereitgestellt werden. Die Verbundscheibe 20 oder das Werkzeug kann gegen die Oberfläche 12, die Diamantsplitter 16 und das Schmiermittel 18 gedreht werden, beispielsweise mit einer Geschwindigkeit von 150 U/min und mit einer auf die Oberfläche 12 aufgebrachten Kraft von etwa 30 N. Der Teilschritt 106 des Feinschleifens kann beispielsweise für etwa vier Minuten auf der Oberfläche 12 durchgeführt werden.
Bezugnehmend auf 4 und mit fortgesetzter Bezugnahme auf 2 beinhaltet das Verfahren 100 nach dem Schleifschritt 102 einen Diamantpolierschritt 108. Der Diamantpolierschritt 108 beinhaltet Diamantpolieren der Oberfläche 12 des Gegenstands 10 mit einer Vielzahl von Diamantsplittern 22, wobei die Diamantsplitter 22, die für den Diamantpolierschritt 108 verwendet werden, kleiner sind als die Diamantsplitter 16, die in dem Feinschliff-Teilschritt 106 verwendet werden. Der Diamantpolierschritt 108 kann verwendet werden, um den durch den Schleifschritt 102, insbesondere den Feinschliff-Teilschritt 106, verursachten Schaden zu beseitigen, indem feinere Partikel 22 verwendet werden.
Der Diamantpolierschritt 108 kann das Polieren der Oberfläche 12 des Gegenstands 10 mit den kleineren Diamantsplittern 22 beinhalten, die in einem Diamantsuspensionsschmiermittel 24 enthalten sein können, wie beispielsweise DiaPro Mol, das von Struer bereitgestellt wird. Das Diamantsuspensionsschmiermittel 24 kann ein wasserfreies Schmiermittel sein, das der Oberfläche 12 für die Dauer des Diamantpolierschritts 108 kontinuierlich zugeführt wird. Die Diamantsplitter 22 könnten beispielsweise mit einer Splittergröße von etwa 3 µm oder etwa 1 µm bereitgestellt werden. Eine Scheibe 26 oder ein Werkzeug kann gegen die Oberfläche 12, die Diamantsplitter 22 und das Schmiermittel 24 gedreht werden, beispielsweise mit einer Geschwindigkeit von 150 U/min und mit einer auf die Oberfläche 12 aufgebrachten Kraft von etwa 25 N. Der Schritt 108 des Diamantpolierens kann auf der Oberfläche 12 beispielsweise für ungefähr vier Minuten durchgeführt werden.
Bezugnehmend auf 5 und mit fortgesetzter Bezugnahme auf 2 enthält das Verfahren 100 nach dem Diamantpolierschritt 108 einen Feinpolierschritt 110. Der Feinpolierschritt 110 beinhaltet ein Feinpolieren der Oberfläche 12 des Gegenstands 10 mit einer Suspension 28, die Kieselsol und eine Ätzsubstanz enthält. Der Feinpolierschritt 110 kann verwendet werden, um den durch den vorherigen Schritt 108 verursachten Schaden zu entfernen.
Der Feinpolierschritt 110 kann das Polieren der Oberfläche 12 des Gegenstands 10 mit der Kieselsol und die Ätzsubstanz enthaltenden Suspension 28 beinhalten, die der Oberfläche 12 für die Dauer des Feinpolierschritts 110 kontinuierlich zugeführt werden kann. Das Kieselsol könnte beispielsweise in einer Korngröße von etwa 0,04 µm bereitgestellt werden. Eine Scheibe 30 oder ein Werkzeug kann gegen die Oberfläche 12 und die Suspension 28 gedreht werden, beispielsweise mit einer Geschwindigkeit von 150 U/min und mit einer auf die Oberfläche 12 aufgebrachten Kraft von etwa 15 N. Der Schritt 110 des Feinpolierens kann auf der Oberfläche 12 beispielsweise für ungefähr eine Minute durchgeführt werden.
Die Suspension 28 kann hergestellt werden, indem man mit einem Kieselsol, wie OP-U NonDry oder OPS, erhältlich von Struer, beginnt und eine Ätzsubstanz zusetzt, die einen höheren pH-Wert als der pH-Wert von Kieselsol aufweist. Die Ätzsubstanz kann zum Beispiel Kaliumhydroxid (KOH), Natriumhydroxid (NaOH), Kalk oder eine andere gewünschte Ätzsubstanz sein oder enthalten. Die Ätzsubstanz kann in der Suspension 28 beispielsweise in einer Menge von etwa 0,5 Gewichtsprozent bis etwa 3 Gewichtsprozent, etwa 1 Gewichtsprozent bis etwa 3 Gewichtsprozent oder etwa 2 Gewichtsprozent vorhanden sein.
Typischerweise wird während eines oder mehrerer der Schleif- und Polierschritte 102, 108 α-Aluminium-Matrixmaterial durch plastische Verformung erzeugt und entlang der Oberfläche 12 verteilt. Der Feinpolierschritt 110 unter Verwendung der die Ätzsubstanz enthaltenden Suspension 28 führt zu einer wesentlichen Entfernung des α-Aluminium-Matrixmaterials von der Oberfläche 12.
Bezugnehmend auf 6 ist die Oberfläche 12 des Gegenstandes 10 dargestellt, nachdem sie dem Feinpolierschritt 110 unterzogen wurde. Aufgrund der Zugabe der Ätzsubstanz zu der Kieselsolsuspension wurde während des Feinpolierschritts 110 das meiste α-Aluminium-Matrixmaterial von der Oberfläche 12 entfernt, was zu einem scharfen Kontrast zwischen den primären Siliziumpartikeln 32 und dem Aluminium 34 und innerhalb der Siliziumpartikel 32 selbst führt. Risse 36 oder andere Defekte in dem Silizium 32 oder Aluminium 34 sind (unter dem Mikroskop) sichtbar, weil sie nicht mehr durch α-Aluminium-Matrixmaterial bedeckt und ausgefüllt sind.
Das Verfahren 100 kann auch ein Analysieren der Oberfläche 12 des Gegenstandes 10 zum Identifizieren eines Kontrasts zwischen den Siliziumpartikeln 32 und dem Aluminium 34 und innerhalb der Siliziumpartikel 32 beinhalten. Zum Beispiel kann eine automatisierte metallographische Bildanalyse auf der Oberfläche 12 des Gegenstands 10 durchgeführt werden, um Risse 36, Brüche oder andere Defekte, insbesondere in den Siliziumpartikeln 32, zu identifizieren.
Somit weist der Gegenstand 10, der eine Aluminium-Silizium-Legierung umfasst und durch das hierin beschriebene Verfahren 100 gebildet ist, eine Oberfläche 12 auf, die wenig oder keine plastische Verformung enthält, die durch das Verfahren 100 in Form von α-Aluminium-Matrixmaterial verursacht wird, das sich auf der Oberfläche 12 des Gegenstandes 10 befindet.
Die ausführliche Beschreibung sowie die Zeichnungen oder Figuren unterstützen und beschreiben viele Aspekte der vorliegenden Offenbarung. Während bestimmte Aspekte im Detail beschrieben wurden, existieren verschiedene alternative Aspekte in den beigefügten Ansprüchen. Es versteht sich ferner, dass jedes der oben beschriebenen Konzepte allein oder in Kombination mit irgendeinem oder allen anderen oben beschriebenen Konzepten verwendet werden kann. Obwohl Beispiele offenbart wurden, würden Fachleute auf diesem Gebiet erkennen, dass bestimmte Modifikationen in den Umfang dieser Offenbarung fallen würden. Aus diesem Grund sollten die folgenden Patentansprüche untersucht werden, um den wahren Umfang und Inhalt dieser Offenbarung zu bestimmen.

Claims

Verfahren zum Polieren eines Gegenstandes, umfassend eine Aluminiumlegierung, das Verfahren umfassend: das Planschleifen einer Oberfläche des Gegenstandes; das Feinschleifen der Oberfläche des Gegenstandes mit einer Vielzahl von ersten Diamantsplittern mit einer ersten Diamantsplittergröße; das Diamantpolieren der Oberfläche des Gegenstands mit einer Vielzahl von zweiten Diamantsplittern mit einer zweiten Diamantsplittergröße, wobei die zweite Diamantsplittergröße kleiner als die erste Diamantsplittergröße ist; und das Feinschleifen der Oberfläche des Gegenstandes mit einer Suspension, die Kieselsol und eine Ätzsubstanz enthält, wobei die Ätzsubstanz einen höheren pH-Wert als der pH-Wert von Kieselsol aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, worin die Ätzsubstanz in der Suspension in einer Menge von etwa 0,5 Gewichtsprozent bis etwa 3 Gewichtsprozent vorhanden ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin die Ätzsubstanz mindestens eines von Kaliumhydroxid und Natriumhydroxid umfasst.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin die Ätzsubstanz Kaliumhydroxid umfasst.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin die Ätzsubstanz in der Suspension in einer Menge von etwa 2 Gewichtsprozent vorhanden ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend das Bereitstellen der ersten Vielzahl von Diamantsplittern in einem ersten Diamantsuspensionsschmiermittel und das Bereitstellen der zweiten Vielzahl von Diamantsplittern in einem zweiten Diamantsuspensionsschmiermittel, wobei die erste Diamantsplittergröße etwa 9 µm beträgt und die zweite Diamantsplittergröße ungefähr 3 µm beträgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin der Schritt des Planschleifens mit einem Schleifmittel mit einer Körnung im Bereich von etwa 200 bis etwa 500 Körnung durchgeführt wird, wobei das Verfahren ferner das Durchführen des Schritts des Planschleifens für etwa 2 Minuten, das Durchführen des Schritts des Feinschleifens für etwa 4 Minuten, das Durchführen des Schritts des Diamantpolierens für etwa 4 Minuten und das Durchführen des Schritts des Feinpolierens für etwa 1 Minute umfasst.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend das Analysieren der Oberfläche, um den Kontrast innerhalb von Siliziumpartikeln und zwischen Siliziumpartikeln und Aluminium zu identifizieren.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin der Schritt des Feinpolierens das Entfernen von α-Aluminium-Matrixmaterial von der Oberfläche beinhaltet.
Gegenstand, umfassend eine Aluminium-Silizium-Legierung, gebildet durch das Verfahren nach Anspruch 2.