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2024 | Buch

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Leichtbau durch Legierungsentwicklung

Erweiterung des Einsatzspektrums hochfester Aluminium-Strukturgussteile durch duktilitätsoptimierte Eigenschaften

verfasst von: Marius Kohlhepp

Verlag: Springer Fachmedien Wiesbaden

Enthalten in: Springer Professional "Wirtschaft+Technik" , Springer Professional "Technik"

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Über dieses Buch

Strukturgussbauteile aus Aluminium nehmen in Zeiten der Elektromobilität und immer weiter steigender Fahrzeuggewichte einen hohen Stellenwert in der Automobilindustrie ein. Besonders hochfeste Legierungen bieten dabei die Möglichkeit, Wandstärke zu reduzieren, den Leichtbau voranzutreiben und wertvolle Ressourcen zu schonen. Diese weisen dabei allerdings zumeist einen spröden Charakter auf, wodurch ihr Einsatzspektrum stark begrenzt ist.

Das Ziel dieses Buches ist es, die Verformbarkeit hochfester Aluminium-Silizium-Druckgusslegierungen zu verbessern, ohne sonstige Eigenschaften negativ zu beeinträchtigen. Hierzu wird ein umfassendes Grundverständnis zur Reduktion intermetallischer Phasen geschaffen, sowie die Rolle unterschiedlichster Legierungselemente bei der Entstehung von Formkleben und ihr Einfluss auf Gießbarkeit, Festigkeit und Duktilität analysiert.

Auf Basis der erarbeiteten Erkenntnisse wird eine optimierte Strukturgusslegierung vorgestellt, welche bis zu 40 % höhere Bruchdehnungen erreicht und ein Vordringen in bisher unerreichte Festigkeiten eröffnet.

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter

Kapitel 1. Einleitung und Motivation

Zusammenfassung

Das Thema Umwelt-/Klimaschutz ist im Laufe der letzten Jahre zu einem der wichtigsten Ziele globaler Politik aufgestiegen. Um den Gewichtsanstieg der resultierenden Elektromobiltätswende zu kompensieren, ist der Leichtbau bedeutender denn je geworden. Gerade das Leichtmetall Aluminium nimmt hierbei durch seine hervorragenden Eigenschaften bereits seit Jahrzenten eine führende Rolle ein. Da die notwendige Wandstärke und damit das Gewicht automobiler Bauteile unmittelbar mit der Festigkeit der verwendeten Legierung zusammenhängen, bieten hochfeste Druckgusslegierungen die Möglichkeit massiver Gewichtsersparnisse, gerade bei sehr großen Gussbauteilen. Besonders die Duktilität dieser hochfesten Legierungen bietet jedoch Optimierungspotential.

Marius Kohlhepp

Kapitel 2. Grundlagen

Zusammenfassung

Die Entwicklung neuer Legierungen ist immer auf die Optimierung eines spezifischen Eigenschaftsprofils der Legierung fokussiert und stellt zugleich immer einen Kompromiss zwischen den einzelnen Anforderungen dar. Daher soll im Folgenden zunächst näher auf das Druckgussverfahren selbst sowie das AlSiMg-Legierungssystem eingegangen werden. Anschließend folgen mit der Betrachtung der Gießbarkeit und des Formklebens die wichtigsten Legierungseigenschaften für die Herstellung. Die genauere Analyse der Wärmebehandlung soll ein Verständnis für die Einstellung gewünschter Materialeigenschaften nachfolgend zum Gießprozess schaffen. Zuletzt werden die Einflüsse auf die mechanischen Eigenschaften diskutiert, die das gewünschte Eigenschaftsprofil der Legierung abrunden.

Marius Kohlhepp

Kapitel 3. Experimentelle Methodik

Zusammenfassung

Im Rahmen dieser Arbeit wurden unterschiedlichste experimentelle Methoden verwendet, welche nachfolgend in systematischer Reihenfolge näher erläutert werden sollen. Zunächst wurden thermodynamische Berechnungen durchgeführt, bevor die eigentliche Herstellung des Versuchsmaterials erfolgte. Anschließend soll auf Untersuchungen im Gussverfahren eingegangen werden, bevor die Wärmebehandlung und die nachfolgenden Prüfungen der gegossenen Versuchsmaterialien den Abschluss bilden.

Marius Kohlhepp

Kapitel 4. Analyse des Formklebeverhaltens

Zusammenfassung

Nahezu alle gängige Aluminium-Druckgusslegierungen enthalten höhere Mengen an Mangan. Dies dient zum einen dazu, die nadelförmige β-Al₅FeSi-Phase in eine für die Duktilität weniger schädliche α-Al₁₅(Fe,Mn)₃Si₂-Phase umzuwandeln, und zum anderen zur Vermeidung von Formkleben. Hohe Mangangehalte resultieren jedoch in einer deutlich reduzierten Duktilität, welche im Bereich des Strukturgusses ein breiteres Einsatzfeld hochfester Legierungen begrenzt. Zur Reduktion des Mangangehalts und damit der duktilitätsmindernden Sprödphasen ist somit eine alternative Methode zur Reduktion des Formklebens vonnöten.

Marius Kohlhepp

Kapitel 5. Analyse der Fließfähigkeit

Zusammenfassung

Neben der Formklebeneigung stellt die Fließfähigkeit eine wichtige Eigenschaft für die Gießbarkeit und somit Produzierbarkeit von Aluminiumdruckgusslegierungen dar. Üblicherweise kommen daher bei gängigen Legierungen höhere Mengen an Silizium zum Einsatz, welches durch sein eutektisches System und weitere vorteilhafte Eigenschaften die Gießbarkeit maßgeblich beeinflusst. Gleichzeitig bilden die Siliziumpartikel des eutektischen Zweiphasengebiets durch ihre spröde Charakteristik eine Hauptquelle für Mikrorisse und dadurch frühes Versagen des Werkstoffs. Während die Betrachtung der mechanischen Kennwerte in einem gesonderten Kapitel erfolgt, soll in diesem Kapitel die Auswirkung auf die Fließfähigkeit näher betrachtet werden. Gleichzeitig sollen weitere Legierungselemente untersucht werden, mit deren Hilfe eventuell eine Verbesserung der Fließfähigkeit möglich wäre.

Marius Kohlhepp

Kapitel 6. Analyse der Mikrostruktur und mechanischen Eigenschaften

Zusammenfassung

Während die vorherigen Kapitel die Legierungszusammensetzung hinsichtlich der Herstellbarkeit im Druckgießverfahren untersucht haben, soll in diesem Kapitel der Einfluss der verschiedenen Legierungselemente auf das Materialgefüge, die mechanischen Kennwerte und damit die Stanznietbarkeit des Materials betrachtet werden. Hierzu soll zunächst die Referenzlegierungen charakterisiert werden, um einen Vergleichsgrundlage zu schaffen. Anschließend wird der Einfluss der Elemente untersucht, welche vorrangig zur Reduktion des Formklebens eingesetzt werden. Zuletzt soll die Möglichkeit zur Verbesserung der mechanischen Kennwerte mittels Kornfeinung untersucht werden.

Marius Kohlhepp

Kapitel 7. Optimieren der Zusammensetzung

Zusammenfassung

Während die bisherigen Kapitel den Einfluss der Legierungszusammensetzung auf einzelne Eigenschaften gesondert betrachtet haben, sollen in diesem Kapitel die bisherigen Erkenntnisse zusammengeführt werden. So sollen Legierungsvarianten definiert werden, welche sowohl eine hohe Gießbarkeit, geringe Formklebeneigung als auch eine hohe Duktilität im gewünschten Festigkeitsfenster aufweisen. Diese werden anschließend im realen Druckgussprozess an Serienbauteilen auf ihre Eignung kontrolliert und verifiziert.

Marius Kohlhepp

Kapitel 8. Zusammenfassung

Zusammenfassung

Das Ziel dieser Arbeit war es, durch gezielte Legierungsentwicklung die Duktilität einer hochfesten Aluminium-Druckgusslegierung bei gleichbleibender Festigkeit zu steigern, ohne sonstige Eigenschaften negativ zu beeinträchtigen. Zur Steigerung der Duktilität war es daher notwendig den Anteil spröder Phasen im Gefüge einer typischen AlSi10MnMg-Legierung zu identifizieren und zu minimieren. Hierbei haben sich vor allem die eutektischen Siliziumkristalle und die Al(Fe,Mn)Si-Phasen als kritisch erwiesen. Die Menge dieser Phasen wurde durch eine geschickte Kombination aus Chrom, Mangan und Molybdän minimiert, wodurch es möglich war bei gleichbleibender Festigkeit die Bruchdehnung um 40 % zu steigern.

Marius Kohlhepp

Kapitel 9. Summary

Zusammenfassung

The aim of this work was to increase the ductility of a high-strength aluminum die casting alloy by alloy development while maintaining the same strength without negatively affecting other properties. To increase ductility, it was therefore necessary to identify and minimize the proportion of brittle phases in the microstructure of a typical AlSi10MnMg alloy. In this context, the eutectic silicon crystals and the Al(Fe,Mn)Si phases in particular proved to be critical. The amount of these phases was minimized by a clever combination of chromium, manganese and molybdenum, which made it possible to increase the elongation at break by 40 % while maintaining the same strength.

Marius Kohlhepp

Backmatter

Titel: Leichtbau durch Legierungsentwicklung
verfasst von: Marius Kohlhepp
Verlag: Springer Fachmedien Wiesbaden
Electronic ISBN: 978-3-658-44558-4
Print ISBN: 978-3-658-44557-7
DOI: https://doi.org/10.1007/978-3-658-44558-4

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