WO2009059593A2 - Ai/si-gusslegierungen - Google Patents

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WO2009059593A2
WO2009059593A2 PCT/DE2008/001818 DE2008001818W WO2009059593A2 WO 2009059593 A2 WO2009059593 A2 WO 2009059593A2 DE 2008001818 W DE2008001818 W DE 2008001818W WO 2009059593 A2 WO2009059593 A2 WO 2009059593A2
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alloy
mold
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Andreas Hennings
Andreas BÜHRIG-POLACZEK
Lars WÜRKER
Klaus Greven
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Ksm Castings Gmbh
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Publication date
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C1/00—Making non-ferrous alloys
    • C22C1/06—Making non-ferrous alloys with the use of special agents for refining or deoxidising
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C21/00—Alloys based on aluminium
    • C22C21/02—Alloys based on aluminium with silicon as the next major constituent

Definitions

  • the invention relates to aluminum casting alloys, in particular for chassis applications.
  • Hypoeutectic Al alloys with a Si content of between 7 and 12% by weight are generally used for this purpose.
  • AISiI 1Mg In gravity die casting the alloy AISiI 1Mg is used, in low pressure die casting the alloy AISi7Mg.
  • Si-poor AISiMg alloys which are distinguished from the abovementioned common AISi casting alloys by significantly improved mechanical properties, are known from WO 2007/025528 A2.
  • the present invention seeks to improve Si-poor Al alloys in terms of their mechanical properties.
  • Si 2.5 to 3.3, preferably 2.7 to 3.1 wt.%
  • Mg 0.2 to 0.7, preferably 0.3 to 0.6 wt%
  • Fe ⁇ 0.18, preferably 0.05 to 0.16 wt%
  • Mn ⁇ 0.5, preferably 0.05 to 0.4 wt%
  • Sr ⁇ 0.03, preferably 0.01 to 0.03 wt%
  • Other ⁇ 0.1 wt% and additionally containing Cr in an amount increasing the strength of the alloy as another alloying ingredient, each supplemented with Al at 100% by weight.
  • Si 2.5 to 3.3, preferably 2.7 to 3.1 wt.%
  • Mg 0.2 to 0.7, preferably 0.3 to 0.6 wt%
  • Fe ⁇ 0.18, preferably 0.05 to 0.16 wt%
  • Mn ⁇ 0.5, preferably 0.05 to 0.4 wt%
  • Such Al casting alloy is stronger, tougher and more ductile than the prior art.
  • the preferably alloying of Cr in the stated order of magnitude leads to a further significant improvement in the mechanical properties, which are already recorded in the casting state, but in particular after solution heat treatment and, if appropriate, aging.
  • the alloys according to the invention may contain production-related impurities, e.g. Pb, Ni, Zn, etc., as are well known to those skilled in the art.
  • An advantageous embodiment of the invention provides that in addition CuNi is contained by simultaneous alloying as a further alloying ingredient. It has been found that sole additions of copper or nickel do not lead to significant improvements in mechanical properties.
  • the simultaneous alloying of copper and nickel opens up new possibilities for the use of the alloy, especially in the area outside the chassis for temperature-stressed components, preferably for applications close to the engine.
  • the alloys according to the invention have an improved strength-elongation ratio compared with known Al casting alloys.
  • a permanent mold casting method is basically suitable. Due to the very good mechanical properties of highly stressed workpieces, components or parts, gravity die casting and low-pressure die casting are particularly suitable as production methods.
  • pressure-assisted casting for example, the low-pressure counter-pressure casting (CPC) method, semi-solid casting and other pressure-assisted casting methods such as the squeeze casting, casting forging (Cobapress) or automated low pressure sand casting, resulting from the good Cast structure better mechanical techno- logical properties.
  • CPC process counter-pressure die casting process
  • the alloy is grain-fined.
  • grain finer are added to the alloy.
  • Grain refining is a melt treatment, the term "grain refining" being understood to mean an artificial increase in the microbial count in the melt, which is caused by introducing and distributing foreign nuclei.
  • a better feeding capacity is achieved by improved mass feeding, improved mold filling and flowability, a reduction of susceptibility to porosity and heat cracking, and thus increased ductility, as well as a better surface finish of the casting alloy.
  • T4 one-stage tempering treatment
  • T5 one-stage tempering treatment
  • An increase in the strength of the castings can be achieved advantageously by quenching the still hot castings in water instead of slow cooling in the air.
  • the castability enables one of the large defects, known as blowholes, to be free, and on the other hand, the microstructure is positively influenced in such a way that the number of internal grooves which reduce the elongation at break is minimized.
  • Mold fillability also improves with the present invention of Cr.
  • the invention also relates to the use of Al-casting alloys according to one of the preceding claims for workpieces, components or parts for or of chassis parts of motor vehicles.
  • the alloy of the invention has been found to be particularly suitable.
  • the low pressure counter-pressure die casting (CPC) method is used as a preferred method for producing such more stressed components.
  • Aluminum cast components for chassis applications must be distinguished above all by properties such as high strength, high elongation at break and corrosion resistance.
  • Typical requirements for AI cast parts in the chassis for example for a suspension console cast in AISiHMg using gravity die casting (Volkswagen PQ 24), are:
  • Al alloys with copper contents above 1 wt .-% are unsuitable because of their susceptibility to corrosion in the chassis.
  • copper contents of up to 1% by weight can increase the strength at room and higher temperatures and have acceptable casting properties in hot casting (heat-susceptibility) [S. Baltes 2003]. Therefore, copper contents below 1 wt% are considered for an alloy to be developed.
  • Al alloys that contain silver, although they have outstanding strength properties.
  • Aluminum-lithium based alloys are also foreseeable for cost reasons and because of their problematic processing capability. The same applies to rare earths (RE), unless they are added in small quantities for finishing purposes.
  • RE rare earths
  • the alloy groups Al-Zn-Mg and Al-Mg-Si are prohibited. The former tend to high corrosion and unpredictable brittle fracture, which is an exclusion criterion for suspension applications.
  • AIMgSi alloys have excellent corrosion resistance [VAW-IMCO 2004], their strength and processing properties are lower than those of AISi alloys.
  • AISi alloys with silicon contents below 7% by weight are unsuitable for casting processing due to their solidification morphology and are therefore not standardized according to DIN-EN 1706.
  • Alloys with 5 wt% Si content (AISi ⁇ Mg) were removed from the standard in 1986 because they have significantly lower casting properties and lower strengths than AISi7Mg.
  • Low Si content AISi alloys have only been sporadically investigated in fundamental research on their solidification morphology and casting technological properties to represent property trends of common AISi castings [W. Patterson, H. Brand 1960; W. Patterson, S. Engler 1961; S. Engler, L. Heinrichs 1973; S. Engler, R. Ellerbrok 1975; Engler, G. Schleiting 1978]. These publications provide a solid foundation for the continued alloying of AISi castings in this research project.
  • New, partially pressure-assisted casting processes such as low-pressure counter-pressure casting, also tend to favor the use of poorly pourable casting Alloys.
  • the use of numerical simulation allows a better understanding of the solidification steering of a casting. Since the use of numerical simulation, "rules of thumb" for the design of casting molds have largely been superseded.A flexible, component-appropriate design is now facilitated.For the shape both more precise heaters and cooling systems and new mold materials are available With these advances, new methods of process control such as plant automation, online X-ray inspection or tomography are available, allowing for tighter tolerances with better casting quality to question previous views on the castability of AISi alloys with low Si contents.
  • a second, material-technical starting point for the comprehensive alloy development are, in addition to a reduction of the silicon content, mechanisms of hardening by addition of further elements and targeted phase control.
  • Accompanying orientation in addition to thermodynamic modeling and consideration of metallurgical fundamentals, is the consideration of other casting alloys (AISi7Mg), especially of Al wrought alloys.
  • Figure 0.1 shows: Methodology of the tripartite alloy development and the tools used to shorten the development time in parallel.
  • Work package A is a time-efficient estimation of potential for the development of high strength aluminum alloys for continuous casting based on the reduction of the silicon content of AISi alloys.
  • the Si content of cast tensile bars is systematically reduced by up to 3% by weight of Si to provide a first indication of the effects on as-cast and post-mechanical properties
  • sample casings are performed in the CPC process in order to obtain a primary impression of the general castability of Si-poor Al alloys in pressure-assisted casting processes.
  • the transferability of properties in the tensile bar to component properties in industrially manufactured castings is examined. "Thermodynamic modeling" is left out in package A. Therefore, the experimental approach is empirical and the heat treatment parameters are not yet targeted.
  • Tension rod (Franz and Dietz mold): 5 Variants: Si varies, 0.2% by weight Mg CPC method: 3 Variants: AISi3MgO, 3; AISi5MgO, 3; AISi5MgO, 3CuO, 2 mech. Properties in the cast state (F) and partly after T6 heat treatment (WB); Metallography, visual and X-ray inspection of the components
  • Mg content 0.6 and 1 wt% Cu content: 0; 0.5 and 1 wt .-% mech.
  • PQ 46 CPC: Conditions: casting condition F, after solution annealing, T6 mech. Properties, curing curves for heat treatment, visual u. X-ray inspection of components, metallography, analytics (EDX, porosity, DAS, phase components) Work package C2: AISi3,3MgO, 6
  • F T6, Visual & Electronic X-ray inspection of components, metallography, analytics (porosity, DAS)
  • step B4 an alloying-specific processing window (element boundaries) is concentrated for the AISi3MgO alloy 6, newly developed in this work.
  • the influence of other alloying constituents such as Ni, Cu and Ni, Cr is also examined under the aspect of heat resistance.
  • work package C the field testing takes place in the industrial casting process.
  • an optimal process window of the innovative alloy is opened with regard to processability and tolerance ranges in the respective casting process, as well as their chemical specifications with regard to achievable mechanical properties.
  • the use of refiners and Sr finishing is also being investigated.
  • Part of work section C is also the testing of the target alloy AISi3Mg in die casting.
  • alloy development has progressed so far that the newly developed casting alloy is generally considered to be operational due to its promising property profile for applications in gravity die casting and low-pressure counter-pressure casting.
  • the alloys are initially investigated at the Foundry Institute of the RWTH Aachen in principle geometries for casting tension rods ("French mold” Fig. 0.2 and Fig. 0.3) and for determining casting properties (eg "casting spiral” Fig. 0.4) by gravity die casting.
  • Preliminary studies show that the results of the so-called “French mold” correlate better with those of the so-called “Dietz mold” with the elongation properties of real chill casting components.
  • selected alloys are produced by casting with "real components", in industrial series production by gravity die casting (PQ 24) and in low-pressure counter-pressure casting (CPC) (PQ 46) at KSM Castings GmbH, Kloth-Senking Metallg denerei, Hildesheim, Germany.
  • PQ 24 gravity die casting
  • CPC low-pressure counter-pressure casting
  • step sample the cold chamber die casting process is used to allow a process-specific demarcation of the developed alloy for the most important permanent casting processes.
  • the developed alloy AISi3Mg is tested for its suitability for the die casting process.
  • the alloy is tested under the process variants casting temperature and holding pressure during die casting.
  • the sample geometry of a step plate offers the possibility of estimating casting technological properties in die casting.
  • the step plates are produced on a cold chamber die casting machine Bühler 630-SC at the Foundry Institute of the RWTH Aachen.
  • the tool is composed of two vertical mold halves. These each consist of a mold frame, which allows the modular use of principle geometries, and the actual use of tools in the step geometry ( Figure 0.5).
  • the sample geometry of different wall thicknesses is imaged by the movable mold half; The gate and the run are located in the solid half of the mold, which houses the casting chamber (Fig. 0.6).
  • Figure 0.2 shows: two-part French mold
  • Figure 0.3 shows: cast "French tie rod” with sprue, gate and peiser
  • Figure 0.4 shows: Shown is a sketch of the newly designed spiral mold mold.
  • the upper mold half (left) contains an opening for the usable sprue of cold-box bonded sand, ventilation holes and heating cooling channels.
  • the lower mold half (right) represents the spiral geometry and the Arrangement of the heating cooling channels.
  • the markings along the spiral geometry correspond to a cm dimension.
  • Fig. 0.5 shows: On the left is the movable and on the right the solid half of the die of the step sample.
  • the principle geometry is by a in the
  • Figure 0.6 shows: The sketch shows the principle geometry of the step sample with three different wall thicknesses (5, 4, 3 mm) with gate, runner and lateral
  • the step plate has DIN A4 size.
  • step plates Since the influence of wall thickness on casting technology and mechanical properties in die casting is considerable, subsequent production of flat tensile specimens of different component wall thicknesses follows from the step plates.
  • the inserted step plate offers the possibility of casting three different wall thicknesses (5, 4, 3 mm). In tensile tests, tensile strength, yield strength and elongation at break are determined.
  • Flow lengths in a casting spiral are determined for the alloys to be investigated.
  • the casting spiral used here is a newly designed steel mold (Fig. 0.4), which is tempered by a regulated oil circuit.
  • the filling of the casting spiral is carried out as a further innovation of the experimental arrangement with a manipulator arm in order to obtain a better reproducibility of the results.
  • the so-called "stud sample” ( Figure 0.7) is used as an innovation in the experimental set-up compared to older tests.
  • This sample is filled by an automated ladle dosing system.
  • This research project uses the stud sample to investigate the influences of alloy variants of AISi3Mg.
  • the FFV is determined depending on the content of grain refining agent and on the metallostatic pressure level. These results are used to estimate casting properties in gravity chill casting.
  • results of the stud sample are not transferable, since significantly higher pressures on the mold filling act here. Accordingly, the alloys here have a significantly improved mold filling capacity.
  • Chassis console PQ 24 and wheel carrier PQ 46 as real components After pre-development in the casting laboratory, selected alloy variants of the alloy AISi3MgO, 6 developed in this work are tested for their possible application in the real component when casting a PQ24 landing gear console and a PQ46 wheel carrier.
  • Figure 0.7 shows: Sketched is the mold geometry of the "stud sample" for
  • Figure 0.8 shows: PQ24 suspension console in the processed state.
  • Fig. 0.9 shows: PQ46 wheel carrier, in the upper area, the feeding sprue, which has a small dimension according to the casting process, can be seen
  • the chassis console PQ24 (VW Polo, Skoda Fabia, Audi A2) of Volkswagen AG, shown in Figure 0.8, is manufactured by gravity die casting.
  • the casting temperature during the tests is a maximum of 750 ° C.
  • a partial task of the investigations undertaken is to determine the effects of quenching in cold water on the properties of the castings.
  • the wheel carrier PQ46 (VW Passat, Skoda Süperb) from Volkswagen AG, shown in Figure 0.9, is cast on a low-pressure counterpressure casting machine of the company CPC as part of the work with alloy variants of AISi3Mg.
  • thermodynamic modeling tool used in the research is the Thermo-Calc-Classic TCC program and its Windows-based, more user-friendly version TCW [Thermo-Calc 2006].
  • the program makes it possible to determine phases, their formation temperatures and phase proportions of alloys under thermodynamic equilibrium conditions (slow cooling) and in the imbalance of Scheilgulliver. Due to the high cooling rates in continuous casting processes, they solidify in thermodynamic imbalance, which is why the Scheil model is used.
  • the data basis for these studies used for modeling AISi base alloys is the database COST2 "Light Alloys Database v2.1 1998/2003" for aluminum and light metal materials.
  • thermo-Calc in the estimation of emerging phases and their proportions in the cast structure of the new alloys to be developed. For example, maximum levels of strength promoting constituents in AISi alloys such as Mg and resulting Mg-containing phases can be determined. The same applies to the alloying of Cr, Cu, Ni and Cu and Ni. It can also be determined to what extent alloying elements must be limited in order to minimize Fe-containing or other interference phases.
  • thermo-Calc calculated formation temperatures of phases are used to optimize the temperature parameters of the heat treatments. An example is shown in Figure 0.10, for AISi3MgO.6CrO, 3. Results of small phase shares or in narrow ranges occurring phases such as intermetallic phases are to be questioned more precisely.
  • the commercial database module COST2 is currently not yet able to take into account changes in morphology due to the thermodynamic modeling of emerging phases, as well as changes in the morphology of alloying elements of the grain fining and finishing agents.
  • Figure 0.10 shows a state diagram of the phase components according to Scheil, which form as a function of the temperature, for AISi3MgO, 6CrO, 3.
  • Figure 0.11 shows: Microstructure with phase description of a thin-walled, air-cooled PIS46 sample of AISi3Mg in the as-cast state.
  • Figure 0.12 shows: Microstructure with phase description of a PIS46 sample from AISi3Mg after a T6 heat treatment
  • Figure 0.13 shows: Non-grain texture of alloy AISi3MgO, 6, Barker color etch
  • Figure 0.14 shows: grain texture of the AISi3MgO alloy, 6, color etching according to Barker with 150 ppm AIT ⁇ 5B1
  • the AISi alloy developed in this work is based, on the one hand, on lowering the silicon content to between 1 and 7% by weight of Si and, on the other hand, on utilizing the strength-increasing effect of magnesium.
  • both the magnesium contents are varied, as well as the influence of Fe contamination and the targeted addition of Alloy elements such as Cu, CuNi, Ni and Cr examined, as well as the effect of treatment of the melt (refining, refining, purge gas treatment).
  • the newly developed AISi casting alloy should have the highest possible yield strength.
  • the objective is to harden the alloy to be developed. In AISi alloys, this is commonly achieved by adding Mg. Then the platy-needle phase ß-Mg 2 Si can occur in the cast structure ( Figure 0.11). This is largely dissolved by solution annealing, which absorbs magnesium from the ⁇ -mixed crystal, where it remains in forced solution after quenching. The remaining Si increases the proportion of electrical silicon.
  • the alloys are hardenable after solution annealing as a result of formation of the intermetallic phase ⁇ "and ⁇ '-Mg 2 Si after aging in hypoeutectic Mg-containing AISi alloys with the additional presence of iron (impurity) which is often polygonal-branched Chinese type ⁇ phase (AleMg 3 FeSJe) and causes a reduced elongation at break.
  • the Si-poor AISiMg alloys cast in this work have ⁇ -phase (Al 8 Mg 3 FeSi 6 ) as well as needle-like Fe-ß-phase (Al 5 FeSi) throughout the microstructure.
  • Chinese script-like ⁇ -Fe phase (AI 8 Fe 2 Si, Ah 2 15 (Mn, Fe) 3 SII 2) is not observed in the studied AlSiMg samples. This is due to the fact that the presence of magnesium rather the morphologically similar ⁇ -phase (Al 8 Mg 3 FeSJe) is formed. If the ⁇ phase is finely pronounced, its effect on the strength properties is more favorable than the ⁇ phase.
  • the unwanted ⁇ phase can be further transformed from its polygonal-edged or branched morphology into a rounded, spheroidal shape by heat treatment, which can slightly reduce the drop in elongation at break ( Figure 0.11 and Figure 0.12, p. XVI).
  • the iron compound ⁇ -Al 5 FeSi represents the most common and unfavorable morphology of Fe-containing phases in AISi alloys.
  • this phase also has a casting-technological influence on shrinkage porosity, since pre-eutectic precipitation of ⁇ -phase is able to hinder make-up by melt [AM Samuel et al. 2001].
  • an increased occurrence of ⁇ -phase compared to ⁇ -phase is due to the stoichiometric composition of the phases, since less Si is contained in ⁇ -phase.
  • the proportion of ⁇ phase shifts in favor of the ⁇ phase. This relationship can be actuated for AISi3Mg.
  • the extent and proportions of the different Fe phases in AISi alloys are significantly influenced by the base content of Fe and Mg and by small amounts of selectively alloyed elements (Mn, Sr, Cr) or a heat treatment.
  • a positive influence of Sr can not be determined from the experiments, as Sr also causes no measurable refinement of the electric Si due to the low content of the electric phase. Therefore, Sr alloys are being dispensed with for the low-Si alloy being developed. Attempts to alloy Mn also have no significant positive influence on the suppression of the ⁇ -phase. On the other hand, a positive influence is found in the alloying of Cr, which is also measurable in the mechanical properties of cast samples.
  • the flowability of AISiI MgO, 6 decreases with increasing silicon content to AISi3MgO, 6 and increases again from AISi5MgO, 6. In chill casting, the flowability for AISi3MgO, 6 is lowest.
  • the flow lengths of AISi3Mg0.3 with content of grain refining agent was determined as a function of increasing magnesium content to 0.6 wt .-% and increasing the casting temperature at 0.6% by weight of Mg.
  • the flow length decreases with increasing magnesium content up to AISi3Mg0.6 and increases with constant composition with increased pouring temperature (pouring span). An increased magnesium content thus adversely affects the solidification morphology, which is why the melt can not flow sufficiently far.
  • An increase in the casting temperature prevents premature solidification and ensures better flow lengths.
  • Higher grain refining has a significant positive effect on the flowability of an AISi3MgO, 6 alloy.
  • As a recommendation for the practical application of AISi3MgO, 6 alloy it can be deduced that inferior flowability in mold or low pressure backpressure casting can be compensated by increased grain refining or an increase in casting margin.
  • An increase in the pouring margin is due to the higher proportion of Al primary phase and lower proportion eutectic phase compared to alloys with increased Si content for AISi3MgO, 6 a more significant influence on the processability.
  • the alloy With AISi3MgO, 6, low-pressure counter-pressure casting and, in the case of appropriate precautionary measures, technical components can be manufactured without any problem from a casting technology point of view in gravity die casting.
  • the alloy is not suitable due to insufficient processing and casting technology properties such as adhesive tendency of the alloy and in particular cracking.
  • AISi alloys having different low Si contents of from 1 to 7% by weight, Mg contents of up to 1% by weight, Cu contents of up to 1% by weight were investigated.
  • the influence of the interference element Fe was determined.
  • Test series with principle geometries and real cast components were supported by thermodynamic modeling. Thus, a detailed property profile for the casting technological and mechanical properties in relation to the microstructure could be created.
  • the basic alloy AISi3MgO, 6 was identified as the alloy with the best property portfolio and a process window for the Alloy composition defining elemental content limits and heat treatment as the basis of a patent pending alloy specification.
  • Si 2.7 to 3.3, preferably 2.5 to 3.1 wt.%
  • Mg 0.3 to 0.7, preferably 0.25 to 0.65 wt%
  • Fe ⁇ 0.18, preferably 0.05 to 0.16 wt%
  • Mn ⁇ 0.5, preferably 0.05 to 0.4 wt%
  • AISi3MgO, 6 achieves very favorable component properties with tensile strengths of more than 370 MPa, yield strengths of more than 300 MPa with a simultaneously high breaking elongation of 11% ( Figure 0.15).
  • the tensile strength can be increased by about 40 MPa and the yield strength by about 35 MPa, with a simultaneous increase in elongation of 3%.
  • a comprehensive microstructure analysis in various heat treatment states shows that the structure of the castings made of AISi3MgO, 6 independent of the respective casting processes and alloy additions, mainly consists of five phases.
  • the strength-increasing Mg 2 Si phase and a ⁇ -Al 8 Si 6 Mg 3 Fe phase similar in their behavior to Si are characteristic ( Figure 0.11 and Figure 0.12, page VI).
  • the mechanical properties negatively influencing excretion type ß-AI 5 FeSi indicates the necessary control of the lowest possible iron content of the developed alloy.
  • a strong grain refining is essential for good processability of the alloy (Fig. 0.13 and Fig. 0.14, p. VI).
  • refining the eutectic can be dispensed with.
  • BiId 0.17 shows: Mechanical properties of French tensile bars of the alloys AISi3Mg0.6 (base) and additions of 0.3 wt .-% Cu and 1 to 1.5 wt .-%, Ni 1.5 after T6 heat treatment in a hot tensile test at 200 0 C Figure 0.18: Mechanical properties of the alloys AISi3Mg0.6Cr0.1 - 0.7 determined after a T6 heat treatment in the French tensile bar.
  • the aim of this work is, in accordance with the future requirements of chassis components, to design a high-performance cast aluminum alloy that is economical even in industrial mass production using modern methods of alloy development whose profile of properties is superior to that of today's Al casting alloys.
  • the development will be tested and characterized in industrial permanent casting processes.
  • Molded materials in contrast to sand casting or investment casting materials, have a high thermal conductivity. Highest casts can only be achieved in molds, which at the same time offer good thermal shock resistance, extensive freedom from distortion, low expansion and high thermal conductivity. Heat storage capacity and heat diffusion capacity are highly dependent on the molding material.
  • the hot work steel 1.2344 whose properties are shown in Figure 2.1, is commonly used, as in the present work [MAGMA 2001].
  • the molding material has a strong influence on the solidification. Accordingly, a faster cooling of the casting is achieved at high thermal conductivity of the mold. During solidification, an edge shell quickly forms on the mold wall and the microstructure forms fine.
  • Figure 2.1 shows: Thermophysical data of the hot working steel used for molds in this work 1.2344 [MAGMA 2001]
  • the heat to be delivered by the casting is:
  • V -P (L + C 0 -AT) t
  • the heat balance and thus the solidification time in the permanent mold is determined by the cooling of the mold because of the relatively high heat diffusion capacity.
  • cooling cooling channels
  • suitable mold geometry cooling ribs
  • the solidification time can be reduced [PR Sahm et al. 1998a]. If the melt is cooled too quickly, undesired effects such as cold runs and unfilled mold areas occur. Therefore, it is customary to preheat the dies to 250 0 C to 450 0 C. Fine tuning of the temperature balance of the mold can be achieved by applying heat insulating ("white”) or thermally conductive ("black”) sizing.
  • Table 2.1 shows an overview of the sizing systems used in this work and their properties.
  • Chill casting mainly processes light and heavy metals, but mainly aluminum alloys. About one third of German aluminum casting production is produced by gravity die casting. Gravity chill casting refers to casting into a permanent mold, with no further forces being exerted on the melt during mold filling and solidification other than gravity [P. R. Sahm et al. 1998a].
  • the process steps of gravity die casting are shown in Figure 2.2.
  • the type of construction can vary greatly. For example, both simple folding molds and highly automated casting carousels (Fig. 2.3) and rotary table systems are used.
  • the casting system of a mold shows significant differences to a sand mold. In order to realize only small temperature losses during mold filling despite the high cooling effect of the mold, the sprue and gate system is significantly larger in size than for sand casting. However, the cross-sections must not be too large, since turbulence and tearing of the pouring stream can occur when oversized.
  • a further development of gravity die casting is the so-called tilting process (Figure 2.4), whereby the mold is tilted by up to 90 ° during casting. This reduces the drop height and thus the risk of turbulence when filling the mold.
  • Figure 2.2 shows: process steps of the gravity die casting process, [KSM,
  • Figure 2.3 shows: Schematic structure of a fully automated six station
  • the low-pressure casting process is understood to mean casting arrangements in which the molten metal from the furnace is pressure-controlled controlled from below by means of a riser pipe and pressed from below into the attached casting mold.
  • the upward movement of the melt is effected according to the gas pressure principle, i. acting on the bath surface pressure (0.3 to 0.6 bar) promotes the liquid metal calmed into the mold.
  • the mold filling with melt can be supported by the generation of a negative pressure in the mold.
  • the casting furnace and mold form a closed unit, usually connected by a ceramic riser.
  • the casting furnace which is normally used only for keeping warm, holds a larger amount of melt, so that the casting can be done quickly and without interruptions. Due to the characteristic arrangement of furnace, riser and mold a directional solidification is achieved. This eliminates expensive gate and feed systems [P.R. Sahm et al. 1998a].
  • Low pressure back pressure casting is a refinement of conventional ND techniques.
  • the CPC method uses horizontally divided molds, which are arranged above the furnace chamber and are connected to it via ceramic riser pipes.
  • Figure 2.5 shows the process steps and the structure of the CPC procedure.
  • the decisive difference to the conventional ND process is that not only the furnace, but also the mold can be pressurized. Before the mold is filled, the oven and mold chamber are under the same pressure (2-7 bar). The actual mold filling takes place by setting a differential pressure between furnace and mold space of approx. 300 to 1000 mbar (Fig. 2.6). The melt rises into the mold and fills the cavity. After mold filling, the mold cavity is suddenly vented, and the maximum supply pressure from the oven cavity is available [L. Würker, T.
  • Figure 2.5 shows: Process steps of the CPC process and schematic structure of the plant [KSM 2005].
  • Figure 2.6 shows: Pressure curve during a casting cycle in the CPC process:
  • Figure 2.7 shows: with the alloy AISi7MgO, 3 achievable mechanical
  • the die casting process is the fastest casting technology manufacturing process and is suitable for the rational production of large series. Die castings are usually thin-walled, which results in a very rapid solidification and thus a pronounced fine cast structure. Other positive features of die castings are great dimensional accuracy and extraordinar surface finish.
  • metals with a low melting point are usually processed. Most commonly aluminum, zinc and magnesium are cast. Since due to process-related causes (air bubbles and cold runs), the strength potentials of high-strength alloys are not fully exhaustible, usually inexpensive and easily castable secondary alloys are used. Another advantage of the remelt alloys lies in their relatively high iron content, which prevents sticking in the mold.
  • Typical aluminum die casting alloys are GD-AISi12 and GD-AISi8Cu3-4.
  • magnesium die casting materials GD-MgAI9Zn1 accounts for the largest share. This alloy is often used for complicated low weight components.
  • Die casting is characterized in that molten metal is pressed by high hydraulic or pneumatic energy at high speeds of up to 150 m / s in magnesium casting in a mold.
  • the pressure which is used during the mold filling for the melt transport is maintained or increased during the solidification of the casting [P. R. Sahm et al. 1998a].
  • the die casting processes are classified into hot and cold chamber processes, [M. Schlotterbeck 2001]. This classification refers to the structural integration of the casting chamber. In hot chamber machines, the casting chamber is located directly in the molten bath, which is why the process for aluminum casting is unsuitable due to the high aggressiveness of the Al melt compared to iron materials. The dosage of the casting metal takes place automatically.
  • Figure 2.9 shows: Procedure for cold chamber die casting: dosing, flow phase, mold filling, holding phase [D. Kahn 2000].
  • the melt is added manually or by machine from a separate furnace.
  • a three-phase casting process as shown in Figure 2.9, has become popular. After the dosing process, the melt is pushed in the casting chamber in front of the gate of the molding tool in a first slow flow phase with piston speeds between 0.2 to 0.5 m / s.
  • a parabolic velocity profile of the piston with linear acceleration is selected for the casting piston, in a second phase the metal is at a piston speed of 3 to 7 m / s
  • the metal is at a piston speed of 3 to 7 m / s
  • the third phase is used to re-densify the melt, for which a high speed is quickly reached
  • the dosing quantity should be sufficiently large, so that sufficient pressure can be applied over the press residue [A. Flesch 2002].
  • Die casting also called “squeeze casting” is a combination of die casting and forging [Y. Kaneko 1980]
  • Squeeze casting is a combination of die casting and forging [Y. Kaneko 1980]
  • the key feature is casting into a mold followed by pressurization of the melt and maintenance of pressure and contact between casting and mold (reduced air gap formation) until the end of solidification.
  • This process enables the casting and solidification of a fine microstructure that is free of grafts and solidification without significant microporosity direct Squeeze casting; it is applied via an external press stamp, from the indirect squeeze casting.
  • the solidification pressure here is between 17.5 and 175 MPa and is therefore already at the minimum pressure about 150 times higher than in low-pressure casting [H. Kaufmann 1995].
  • the method is also qualitatively suitable for the production of Al chassis components, but disadvantageous over other methods are increased investment costs in a production cell with a relatively limited component spectrum.
  • MR Ghomashchi, A. Vikhrov 2000 see the process therefore more suitable for the production of highly complex and thin-walled castings in large quantities, such.
  • the Cobapress process is based on forging a cast aluminum blank [G. Ie Borgne et al. 1998].
  • the casting produced as a preform by tilting chill casting is homogenized in the tunnel kiln and then the final shaping and compaction takes place on the turned component in a hot forging process. This is followed by a heat treatment [Coba 2005].
  • the geometric variability of the components is thereby limited in comparison to other casting methods.
  • the French method has good mechanical properties in the automotive industry so far, especially in medium quantities application examples, eg. B. in the chassis of the Chevrolet Corvette C5, as well as occasional use in higher quantities, eg. B. a hinge holder for the rear axle (PSAmaschine 406) and in the rear axle of AUDI A6 [Saint Jean Ind.
  • Shrinkage and gas porosity which are formed by solidification morphology and as a result of the process or component design in castings, can be minimized by hot isostatic pressing, or eliminated in the ideal state.
  • HIP shows fatigue strength at a lower characteristic distribution than in the original cast condition, significantly increases elongation and slightly improves tensile strength.
  • HIP is usually performed for AISi alloys prior to heat treatment by exposing castings to a hydrostatic force on the casting surface by means of a pressurized gas at elevated temperature [MM Diem 2002]. Basically, the success of hot isostatic pressing depends to a large extent on the location and initial nature of the porosity.
  • HIP is characterized by plastic flow via primary creep and subsequent diffusion-marked creep mechanisms (Nabarro-Herring and Coble creep [G. Gottstein 1998a]) for the diffusion bonding of isolated porosity and resulting optimal material density [J. Great 1992a; HV Atkinson, S. Davies 2000]. If, however, oxide-contaminated pores are compressed in the HIP, pore compaction by the oxide skin results in a surface material separation, which under certain circumstances has a detrimental effect on the fatigue strength of a material than a round gas pore in the microstructure.
  • Al casting alloys are in principle in their substitutability by the modulus of elasticity of about 79 GPa (AISi7MgO, 3 T6) in comparison to other conventional materials in the chassis at a disadvantage, such.
  • Aluminum casting alloys are therefore becoming more and more important compared to the classic Fe-C materials cast iron and cast steel in lightweight construction solutions in the automotive industry and for increasing functional integration with the associated substitution of forged components and welded constructions.
  • Usual partially contradictory or dichotomous decision criteria for the selection of materials in automotive mass production are extended according to W. Potthoff and I. Bogner 1990:
  • the selection of the material class, the alloy and the production process thus represents a multi-layered decision problem and depends primarily on achievable mechanical-technological properties in relation to the unit labor costs.
  • the use of Al materials and the choice of the casting process are also largely determined by the casting technology properties of the alloy (process capability).
  • the casting technology properties of an alloy have a decisive influence on the general manufacturability, the mechanical performance of the component and the casting quality.
  • the castability of an alloy is essentially determined by its solidification morphology (see Section 2.2.2), its flowability and mold filling capacity, as well as by solidification time, heat removal and shrinkage [S. Hasse 2001].
  • Forged aluminum chassis parts are commonly found in the corrosion resistant alloys EN-AW-6063 (AIMgO, 5Si1), the higher strength material (AIMgISiCu) [H. Lowak, K. Vollrath 2001] or the alloy EN-AW-6082 (AISiIMgMn) manufactured [WW Adolf 2001], but offer lower geometry complexity at mostly higher tooling costs than cast components.
  • Table 2.2 gives an overview of AI wrought alloys with high mechanical properties, which in principle also represent an ambitious "benchmarking" for the development and modification of cast alloys with higher strength properties.
  • Figure 2.10 shows: Schematic structure of the Al cast (left) and wrought alloys (right) according to the main chemical composition [G manerei Verlag, 1998].
  • Aluminum casting alloys (Figure 2.10 left) are classified according to European standards DIN EN 1676 and DIN EN 1706. It is only through its alloys that aluminum acquires technical significance as a cast material, since even slight additions of alloying elements bring about a significant improvement in the mechanical and processing properties.
  • Table 2.3 An overview of the most common Al casting alloys and their mechanical properties in different casting processes is given in Table 2.3.
  • Al casting alloys which are inefficient due to a content of noble metals (Al-Si-Ag) or a rare earth content (Al-Li, RE) are not applicable due to high melt reactivity in large-scale automobile casting despite excellent strength properties are not considered here .
  • High-strength Al-casting alloys can be divided into two classes (hardenable or natural-hard) due to their hardening mechanisms.
  • Table 2.3 The most common Al cast alloys and their mechanical properties are shown in different casting processes [according to VAW-IMCO 2004].
  • the class of hardenable casting alloys is mainly based on the hypoeutectic systems Al-Si-Mg, Al-Si-Cu (solid and ductile) and Al-Cu (higher solid, less ductile). It represents the alloy class considered in this work (see also section 2.2.3). If Mg or Cu are alloyed to Al-Si base alloys or Mg to Al-Cu base alloys, the alloys can be hardened by the formation of intermetallic precipitates Mg 2 Si or Al 2 Cu.
  • the Al-Si system is discussed in detail in Section 2.2.3. By different heat treatments (see Section 2.2.5), properties can be set specifically that variably represent a compromise to the resolution of the apparent dilemma between high tensile strength or high elongation at break.
  • the scope of application of the casting alloys of this group are high-quality construction components in sand and permanent casting, primarily with safety component character.
  • AICu alloys is in the range of 0% to about 53 wt .-% copper content, a simple elekticians subsystem with a eutectic at 33.2 wt .-% Cu and 547 ° C before ( Figure 2.11).
  • the maximum solubility of the copper in the solid Al is 5.7% by weight, and decreases with decreasing temperature. If the solubility limit has exceeded during cooling, Al 2 Cu precipitates form. This process plays an important role in the heat treatment because it allows a significant increase in (warm) strength. In the coexistence of Cu and Mg, quenched castings even have a self-curing effect.
  • the technical Al-Cu alloys contain max.
  • Al-Cu alloys have a large solidification interval and therefore susceptibility to shrinkage porosity and hot cracks.
  • Another disadvantage of the alloys of this group in addition to their low elongation at break their poor corrosion resistance, which excludes an insert in the chassis.
  • alloys have good tensile strength and ductility already shortly after casting without subsequent heat treatment, as a result of which a cost saving can be achieved. Special importance of these alloys in die casting, since there due to process-related gas porosity and for reasons of a possible component distortion traditionally a heat treatment of the components is avoided as far as possible.
  • Major alloy systems are Al-Mg-Si and Al-Zn-Mg.
  • Figure 2.11 shows: Section from the binary phase diagram Al-Cu, [P.R. Sahm et al. 1998b after L.F Mondolfo 1976].
  • Figure 2.12 shows: Section from the binary phase diagram Al-Mg [P.R. Sahm
  • Figure 2.13 Binary phase diagram Al-Zn, [P.R. Sahm et al. 1998b after L.F.
  • AIMg5Si2 with properties between 150 and 200 MPa yield strength, with strains between 8 and 15%, has the largest application [U. Hielscher et al. 1998; G. Trenda, A. Kraly 2005].
  • AIMg- cast alloys normally comprise 3 to 10 wt .-% Mg.
  • the AIMg- phase diagram ( Figure 2.12) shows that 34.5 wt .-% magnesium and 450 0 C, a eutectic of aluminum and the intermetallic compound Al 8 Mg 5 forms. At the eutectic temperature, the maximum solubility of Mg in solid Al is 17.4% by weight, at 100 ° C. it is only about 2% by weight ( Figure 2.12).
  • Si or Cu are also alloyed in addition to Mg, the alloys are self-curable by the formation of Mg 2 Si or Al 2 CuMg precipitates.
  • a common alloying of Mg and Zn causes by the excretion of Al 2 Zn 3 Mg 3 particles self-curing, which is particularly advantageous for example in die casting.
  • the alloy is also sufficiently resistant to corrosion in chassis applications because the silicon contained in the alloy suppresses the formation of the AI 2 Mg 3 phase responsible for intergranular or stress corrosion cracking [K. Greven 2004].
  • the AIMg castings are particularly susceptible to hot cracks and shrinkage porosities, making AlMg alloys unsuitable for mold or sand casting.
  • Conventional AlZn casting alloys contain about 4 to 7 wt% Zn and 0.3 to 0.7 wt% Mg.
  • the eutectic point is 94.5% Zn and 382 ° C.
  • the particularly high solubility of 31, 5 wt .-% of Zn at 275 ° C in the solid ⁇ -AI increases with decreasing temperature constantly so that at 100 0 C for about 3 are only soluble wt .-% Zn.
  • the entire Zn content in the Al mixed crystal remains dissolved and is not present as a separate phase.
  • AlZnMg alloys causes a common alloying Zn and Mg self-hardening due to excretion of Mg 2 Zn or Al 2 Mg 3 Zn 3 particles.
  • these components are prone to spontaneous brittle fracture and are therefore not suitable for chassis applications.
  • casting-technological properties summarizes the flowability, the feeding capacity and voids behavior, the hot tear sensitivity as well as the mold filling capacity [P.R. Sahm et al., 1998c].
  • the classification "smooth-walled, coarse-walled, spongy and mushy” refers to the nature of dendritic growth during solidification, and among the aluminum materials, only high-purity aluminum and the eutectic alloys (AISiI 2.5) belong to the type "A" (smooth-walled).
  • the hypoeutectic AISi alloys generally solidify in the manner of "C” (spongy), the higher the content of Si, starting from Al99.9, in hypoeutectic alloys ⁇ 12.5% by weight Si, the higher the endogenous part of the solidification (coarse to mushy) When approaching the eutectic content from 7% by weight, the exogenous part comes back into force again [S.
  • AlMg alloys solidify globulitically after the Mixed form of "D and E” (mushy to peel-forming).
  • AICu cast alloys (0.5% - 30% by weight Cu) are intermediate types between sponge and mushy solidification.
  • the solidification morphology is determined not only by the alloy but also by the casting method used. Higher solidification rates shift the solidification type in an "exogenous" direction, eg from a spongy to a roughened type.
  • shell-forming solidification types have better flowability and feedability and thus promote the formation of macro-shrinkage Types are more likely to reduce the flowability and feeding capacity of the melt, which favors finely distributed microporosity in the component as well as susceptibility to hot cracking (Figure 2.15).
  • Figure 2.14 shows: Schematic representation of the five solidification types, each at two consecutive times [W. Patterson and S. Engler 1961]
  • Figure 2.15 shows: The picture explains the mechanism of hot cracking u. the influencing forces during solidification. Warm cracks can only occur during solidification.
  • Figure 2.16 shows: Sketched is the mold geometry of the "stud sample” for
  • Figure 2.17 shows: A cast "stud sample” is shown The gap width above the height between the columns is used for the mathematical determination of the FFV.
  • the Fill Form Factor is the ability of a melt to conform to the contours of the mold cavity. Decisive for this ability are the physical properties in the molten state.
  • the mold filling capacity is dependent on the viscosity of the melt, which in turn is temperature dependent. High casting spans delay the onset of solidification and the melt can penetrate even the smallest areas of the mold.
  • the mold filling capacity is also dependent on the surface tension of the melt, since melts with high surface tension badly wet the mold contour and thus also mimic the picture [W. Patterson, H. Brand 1960]. Above a transition temperature T ü of the melt, the mold filling capacity depends only on the surface tension as the material value and the metallostatic pressure as the external influence.
  • the FFV is determined by pouring the so-called "stud sample” ( Figure 2.16)
  • the cast sample ( Figure 2.17) is evaluated by calculation, as explained in Section 3.3.3 of this paper.
  • Figure 2.18 shows: binary Al-Si phase diagram [P.R. Sahm et al. 1998b after L.F Mondolfo 1976]
  • the solubility of Si in the solid Al mixed crystal is 57.7% by weight for 577 ° C.
  • the solubility drops sharply with decreasing temperature, so that at 300 ° C. it is only about 0.07% by weight (Figure 2.18).
  • sub-eutectic casting alloys initially form an Al-primary phase, the ⁇ -mixed crystal, which can be shaped to be globally compact in dendritic or grain refinement. Below 577 ° C, the eutectic phase composed of Al and Si separates out as the second phase.
  • the fineness and shape of the ⁇ -mixed crystals ultimately determine the strength of an AISi alloy by their influence on the feeding capacity and the resulting microporosity and hot cracking susceptibility [VAW- IMCO 2004; Aluminum Rheinfelden 1995]. Therefore, chemical grain refiners are added to the AISi alloys (see Section 2.2.4), which makes the ⁇ -mixed crystal dendritic-compact due to more grain boundaries. Indirectly, a finer ⁇ -mixed crystal thus has a positive influence on the Characterization of the mechanical properties, because possible porosity is reduced [QT Fang, DA Granger 1989] and diffusion paths during a heat treatment become shorter [T. Kattamis 1982].
  • the structure contains, in addition to ⁇ -mixed crystals as the primary phase, a eutectic phase of partially coupled solidified Al-Si eutectic.
  • This differs from AISi cast alloys of AISi wrought alloys in which electrical silicon would severely impede solid formability.
  • the casting properties of the Al-Si alloys depend strongly on the proportion of the electrical phase in the resulting microstructure and thus on the silicon content. With increasing Si content up to the electrical composition improves the flow and feeding capacity. Due to the combination of good strength values and excellent castability, the near-eutectic alloys (Si> 7% by weight) are the main representatives of Al-Si castings.
  • AISi alloys with a lower silicon content than 5 wt .-% have poor casting properties, so that, except in a few exceptional cases such as basic investigations, technically have not been used.
  • the morphology of silicon in the elicatory phase can be differentiated into three variants [X. G. Chen 1990]:
  • the manifestation of the morphology depends both on any chemical upgrading (see Section 2.2.4) and on the solidification conditions and on the possible heat treatment (see Section 2.2.5) by spheroide Impression of eutectic silicon.
  • the morphology of silicon also has a considerable influence on the strength of a casting alloy and can also increase strength in the case of granular and coarse-lamellar forms, weakening the skin, inducing risk, but also enhancing the resilience in case of refined and spheroidal shaping as a dispersant in the material matrix.
  • Refined eutectic or spheroidal fine Si particles increase the strength according to the Orowan mechanism (by-pass of particles by dislocations) (see Section 2.2.5).
  • a fine electrical structure favors the re-dissolution of Mg 2 Si precipitated on eutectic grain boundaries (diffusion of Mg back into the ⁇ solid solution) for Mg as an alloy constituent in solution annealing by short diffusion paths [E. Dark 1965].
  • the eutectic silicon has a significant influence on the mechanical properties in its morphological and quantitative properties at room temperature [H. Uncle 1963; A. Saigal, JT Berry 1987]. It has been shown that the fracture of an AISi alloy can be divided into three phases [A. Gangulee, J. Gurland 1967; RM Voigt, RD Bye 1991; Surappa et al. 1986]:
  • Positive-acting intermetallic phases are usually produced and influenced in AISi alloys by addition of Mg or Cu and subsequent heat treatment after casting. In the as-cast condition, they usually occur as Chinese-type precipitates: Mg 2 Si (kfz, Zintl phase [R. Pöttgen, RD Hoffmann 2004]) and Al 2 Cu (kfz [G. Gottstein 1998d, e]).
  • Mg 2 Si kfz, Zintl phase [R. Pöttgen, RD Hoffmann 2004]
  • Al 2 Cu kfz [G. Gottstein 1998d, e]
  • the positive influence on the mechanical properties is due to the mechanism of precipitation hardening [G. Gottstein 1998e].
  • the heat treatment and precipitation hardening by ß-Mg 2 Si and 6-Al 2 Cu ( ⁇ phase, tetragonal) is discussed in more detail in Section 2.2.5.
  • Undesirable intermetallic precipitates are mainly iron-containing stoichiometric compounds, which are usually present at grain boundaries in coarse, morphologically unfavorable form and thus adversely affect the mechanical properties. These include the iron-containing phases Al 6 (Mn 1 Fe), Al 3 Fe, ⁇ -Al (Mn 1 Fe) Si, ß-AIFeSi (Al 5 FeSi) and ⁇ -AIMgFeSi (Al 8 Si 6 Mg 3 Fe) and their sub-groupings. Their formation and expression depends on the chemical composition of the melt (eg Mg content), to a large extent on the cooling conditions (stable or imbalanced solidification according to Scheil) and the possible subsequent heat treatment (see Section 2.2.5). Copper-containing interference phases in AISi alloys are AICuMg (S phase, Laves type) and AICuMgSi (H or Q phase).
  • AISi alloys usually contain other alloying constituents such as Mg, Cu, Ni, Mn, Cr, Ti or B as well as impurities such as Fe, which can exert significant influence on microstructure and properties on themselves forming phases. In most cases, one or two more of these elements in a relatively high concentration as well as a variety of other elements (impurities) in low concentrations alloy component. Thus, technical casting alloys may not be considered as binary systems, but as ternary or higher value systems whose composition forms a complex multi-substance system. Compared to the binary systems, a number of new phases are formed, solubility limits change and the transition temperatures are shifted. The representation of complex ternary systems can only be spatial or projected in two dimensions as an isothermal section.
  • Figure 2.19 shows the projection of the liquidus temperatures of the three-material system Al-Si-Mg. Low Si and Mg contents are located in the lower left area.
  • Figure 2.20 shows the projection of the solidus temperatures of this ternary system. Temperatures drop with increasing levels of silicon and magnesium. In comparison, the three-material system Al-Si-Cu is shown.
  • Figure 2.21 also shows the projection of the liquidus temperatures. For alloys with low Si and Cu contents, the lower right corner is relevant.
  • a four-substance system can no longer be represented in the plane; only simplified representations are possible, as shown in Figure 2.22 for the Al-Si-Mg-Fe system and Figure 2.23 for the Al-Si-Mg-Cu system.
  • Figure 2.19 shows: The ternary system Al-Si-Mg: projection of the liquidus temperatures, [ASM 1998].
  • Figure 2.20 shows: The ternary system Al-Si-Mg: projection of solidus temperatures, [ASM 1998].
  • BiId 2.21 shows: The ternary system Al-Si-Cu: projection of the
  • Figure 2.22 shows: existence areas of intermetallic phases in AISi alloys with
  • Figure 2.23 shows: existence areas of intermetallic phases in AISi alloys with
  • thermophysical databases based on the Calphad method [L. Kaufman, H. Bernstein 1970], developed as Thermo-Calc, DICTRA, ChemSage, Lukas [U. R. Kattner 1997], PANDAT [S. L. Chen et al. 2003; C. Ravi, C. Wolverton 2005] or Alstruc [A. L. Dons 2003].
  • Thermo-Calc makes it possible to computationally determine phase formation, chemical composition, segregation and fractions in the microstructure if the databases are correspondingly resilient [U. Hecht et al. 2004].
  • the program used in this work is "Thermo-Calc”.
  • the grain refining is a melt treatment which causes a modification of the ⁇ -mixed crystal.
  • a coarse dendritic ⁇ -mixed crystal is formed whose grain size is determined by the casting temperature and cooling rate (heat removal).
  • the term "grain refining" is understood to mean an artificial increase in the number of microorganisms in the melt, which is caused by the introduction and distribution of foreign nuclei High microbial counts lead to a fine, approximately globulitic microstructure when the grain boundaries meet.
  • Alloy AISi3Mg the Al-Si cast alloy refinement usually results in a finer formation of:
  • the finely formed, mostly globulitic microstructure of grain-fused castings has significant advantages over the coarse grained, non-grain-smoothed cast structure. Fine tuning is particularly useful for hot-crack sensitive Al-Si alloys and Al-Mg, Al-Cu alloys.
  • Figure 2.24 shows: Non-grain texture of the alloy AISi3MgO, 6, color etching according to Barker
  • Figure 2.25 shows: grain texture of the AISi3MgO alloy, 6, color etching according to Barker with 150 ppm AIT ⁇ 5B1
  • High Ti contents in relation to B are to be regarded as critical since technical AISi alloys usually already contain more than 0.04 wt.% Ti, which has no influence on the microstructural fineness, but the formation of the mixed oxide (Al 1 Ti) B 2 promotes. Excessive amounts of boron can also adversely affect agglomeration and sedimentation [H. Koch 2000].
  • Grain refining with AlTiB master alloys is particularly effective for alloys with high content of ⁇ -mixed crystal (low Si contents).
  • Figure 2.26 shows the influence of the Si content with AITi5B1 on grain refining. It can be seen that in the range of 1% to 3% Si content, grain refining is most effective, as confirmed by studies by JA Spittle et al. Confirmed and intensively researched in 1997 [BJ McKay, P. Schumacher 2004]. The process occurs at higher Si content above 3 wt .-% under certain process conditions (high temperature, high free Ti concentration, long holding times in the oven).
  • Figure 2.26 shows: Influence of the silicon content on the grain refining of AISi alloy with an AITi5B1 pre-alloy [VAW-IMCO 2004].
  • Figure 2.27 shows: Si poisoning as a function of the Si content at constant grain refining conditions according to [P. Schumacher 2003, JA Spittle et al.1997]
  • Fig. 2.28 shows: Grain sizes of Al and AISi alloys precipitated with 200 ppm AITi5B1 as a function of the holding time in the furnace after treatment, [S. Kori et al. 1999].
  • AlTiC refiners as used with AITi6C0.1 and AITi3C0.15 in wrought alloys show no acceptable results for AISi cast alloys.
  • Zirconium-containing grain refiners are also unsuitable for AISi alloys since they react with Al and ausseigern as sludge in the oven.
  • Figure 2.29 shows: structural modifications of the Al-Si eutectic [P.R. Sahm et al.
  • Figure 2.30 shows: basic types of elec- trode grains in AISi alloys [X. G.
  • Figure 2.31 shows: The three basic types of eutectic (SEM images different.
  • the eutectic silicon is usually in the form of coarse, randomly distributed, angular crystals (granular form), which interrupt the matrix of ⁇ -mixed crystal and reduce the ductility of the material.
  • the lamellar formation characterized by radiatively arranged, needle-shaped Si crystals gives a more ductile AlSi material, but because of its spongy solidification is difficult to shed and tends to formation of micro-shrinkers.
  • the refined modification Si is in the form of finely distributed, rounded rods, (Figs. 2.30, 2.31).
  • refining The addition of third elements which promote formation of the refined modification is referred to as refining. Positive effects of a refinement are:
  • the elements of the groups I (Li, Na, K, Rb, Cs) and IIa (Be, Mg, Ca, Sr, Cd, Ba) and some elements of the groups IM-VI (Sb, As, Se, Cd, Nd, Ga, La, Ce, Pr) [W. Thiele, E. Bis 1966; S. Berovici 1980; G. Trenda, A. Kraly 2005].
  • Many of these elements are rare (RE), so that they are questionable because of cost aspects (La, Ce) or their high reactivity (Li); others are highly toxic (Be 1 Cs). Therefore, technically only Na, Sr and Sb prevailed, as small addition amounts of them achieve the desired finishing state.
  • the classic finishing agent is sodium, which, when incorporated as metallic sodium or sodium-containing salt in the AlSi melt, has a strong finishing effect. All AISi alloys (hypoeutectic, eutectic and hypereutectic) can be finished even with large wall thicknesses and slow cooling. The disadvantage is that a sodium treatment of the melt after about 30 min. dies down and loses its effect. In addition, dross formation, reduction of fluidity and increased cleaning costs of the furnaces are unfavorable [K. Alker 1972]. Sodium finishing is therefore usually used only in thick-walled castings and sand casting.
  • Strontium finishing is usually carried out with AlSr master alloys (3% -14% by weight of Sr), with the 3% master alloy being the simplest incorporation into an alloy which is often already pre-refined by the AI supplier.
  • the Sr-finishing also known as long-term refinement, offers a considerably longer duration of action of several hours and is even partially resistant to remelting.
  • the refining effect of Sr is lower than Na, especially at low cooling rates [K. Alker, U. Hielscher 1972]. Therefore, it is mainly used in mold and low pressure casting.
  • Another positive effect of the Sr addition is that higher (over 200 ppm) Sr fractions lead to the formation of the unwanted iron-containing intermetallic precipitates ( ⁇ -Al 5 FeSi) and thus to increased ductility.
  • Antimony has a comparable effect to Sr but is resistant to remelting so that the alloy is permanently refined [G. Nagel, R. Portalier 1980]. Antimony refinement is mainly used in France. The problem, however, is that alloys containing both Sb and phosphorus can not be further refined with Na or Sr due to interactions [N. Handiak et al. 1987]. Mixing AI castings in the scrap cycle and recycling can cause significant problems with Al secondary alloys, so avoid using Sb.
  • Another negative effect of larger Sr and Na contents may be the increased hydrogen solubility of the Al melt due to the morphology change of the oxide skin on refined melts and the increased tendency to gas porosity [F.-J. Klinkenberg 1998].
  • Numerous recent studies investigate the effect of refinement on porosity formation in hypoeutectic AISi alloys [p. D. McDonald et al. 2004; L. Lu et al. 2004; C.M. Dinnis et al. 2004; J. P. Anson 2000].
  • Aluminum is a non-noble element and therefore shows a high oxygen affinity. Since the density of the resulting oxides barely differs from the density of the Al melt, they get into the mold with the liquid metal and lead there to faulty casting. Oxides occur in many shapes and sizes and are by different measures such as avoiding tearing of the pouring stream during mold filling as flushing in the component too bypass. Quiet mold filling is thus of great importance, which is especially true in low-pressure casting or low-pressure counter-pressure casting. Generally speaking, Groboxide can be easily removed by filtering (eg with ceramic inserts, wire or glass silk filters).
  • Figure 2.32 shows: Temperature dependence of water solubility in different Al-Si alloys at 1 bar hydrogen pressure, [P. Lutze, J. Ruge 1990].
  • Figure 2.33 shows: Different gas outlet arrangements for purge hydrogen degassing a) Introducer, b) Impeller, [PR Sahm et al. 1998b].
  • Forming gas a special mixture of 70% argon and 30% hydrogen, is occasionally used as the purge gas for gravity feed components that are difficult to feed.
  • Such targeted introduction of hydrogen into the melt favors the mold filling otherwise non-pourable components and thus runs counter to a conventional impeller treatment.
  • small, controlled, distributed hydrogen bubbles are formed whose volumes serve to supply the gas, thus preventing the formation of voids and shrinkage pores.
  • such a purge gas treatment also cleans the melt of oxide contaminants. If controlled by hydrogen only in the form of fine, well-distributed bubbles in the solidified structure, it exerts no negative component-relevant influence on the physical properties of the Al-Kokillengussbaumaschinemaschinemaschinener.
  • D density index [%]
  • d a density of the sample solidified to atmospheric pressure
  • d u density of the sample at reduced pressure (80 mbar) solidifies.
  • melts with density index values greater than 4% are considered to be contaminated in mold casting.
  • the density index is not only influenced by the hydrogen content, but it is also dependent on impurities such as oxides. Therefore, although the exact hydrogen content can not be measured with this method of measurement, However, this method is sufficient to obtain a quick qualitative statement about the melt quality.
  • Chemical analysis of the composition of a melt Spectral analysis is the most common way of checking the chemical composition of aluminum alloys.
  • the principle of spectral analysis is based on the so-called optical emission spectrometry.
  • sample material is vaporized by arc or spark discharge, and the liberated atoms and ions are excited to emit radiation. Via a light guide, the emitted radiation is directed to the optical systems, where it is decomposed into individual spectral components.
  • the most appropriate line for each application is measured using a photomultiplier tube.
  • the radiation intensity is proportional to the concentration of the element in the sample, it is internally processed and compared with the calibration data stored in the device. The results can then be made available directly online as concentration percentages [Spectro 2004].
  • the chemical compositions of the alloys of this work at the foundry institute are determined by a Spectromax instrument from Spectro.
  • Figure 2.35 shows: If an offset cuts an excretion (top), the particle shears off (center) and an antiphase boundary arises (bottom), [G. Gottstein
  • Figure 2.36 shows: Schematic strength increase with the particle size up to the ideal particle radius ro (kelly-fine mechanism), then decrease in strength
  • Figure 2.37 shows: Discharge or elimination levels during the retrieval in
  • Figure 2.38 shows: Sub-steps of curing and segregation or
  • the first coherent phases that are formed are typically segregated zones of the size of a few atomic layers and are referred to as Gunier-Preston zones (GP) [G. Gottstein 1998e].
  • GP Gunier-Preston zones
  • these are GP1 and GP2, in AICuMg alloys GP1, GP2 or GPB and in Al-Si-Mg GP [E. Zschech1996].
  • thermally activated diffusion leads to a decrease in the number of coherent phases and to the formation of metastable, partially coherent phases.
  • Al-Cu these are: ⁇ 1 (Al 2 Cu), in Al-Cu-Mg: ⁇ 1 and S 1 (Al 2 CuMg), and in Al-Si-Mg: ⁇ ", ⁇ 1 (Mg 2 Si ) [C. Ravi, C. Wolverton 2004].
  • the heat treatment to cure AISi cast alloys consists of three
  • Steps solution annealing, quenching, aging.
  • the solution annealing brings the hardening elements in the ⁇ -mixed crystal into a forced solution and compensates for concentration differences within the mixed crystal. Since the solubility of the ⁇ -mixed crystal increases with temperature, the solution annealing temperature should be as high as possible. To avoid casting deformation, it is in practice about 15 ° C below the melting temperature of the lowest melting alloy components. In pure AlSi alloys initially the Eutetikum 2 Si melts at 577 ° C ( ⁇ + Si) in magnesium-containing alloys at 555 ° C, the Mg phase and in copper-containing alloys at 507 0 C, the Al 2 Cu phase on. Table 2.4 shows the elektician reactions and formation temperatures of the solution annealing temperature crucial phases for AISiMg alloys and AISiCuMg alloys.
  • the annealing time depends not only on the alloy, but also on the nature of the structure and thus on the casting process. Since the hardening constituents dissolve more quickly in a fine structure due to diffusion, shorter solution annealing times of up to 16 h are selected for thin-walled chill casting (usually between 4 and 10 h), for thick-walled sand casting. S. Shivkumar et al. 1989; F. Paray, JE Gruzleski 1996 point out that in die casting of AISi7Mg the duration of solution annealing is significantly lower than Reducible for one hour, if Si and Mg are evenly distributed in the ⁇ -mixed crystal.
  • a variant of the heat treatment in AISi alloys which is less aimed at hardening by the intermetallic phase Mg 2 Si, but aims primarily at molding the unrefined or refined electrical silicon, is the so-called short-time heat treatment (SST) [E. Ogris et al. 2002, 2003].
  • SST short-time heat treatment
  • An indentation of the eutectic silicon are found [V. - with a short-term solution annealing at 540 0 C can in AISi7Mg after a few minutes (30 minutes 3) Paramo et al. 2000, G. Trenda 2005].
  • An SST treatment is suitable for die casting, thixoforming or thin-walled chill casting, as it allows the components to be rapidly brought to the solution annealing temperature.
  • the rapid cooling prevents the diffusion and thereby the re-separation of dissolved alloy constituents during quenching and produces a supersaturated aluminum mixed crystal.
  • the coldest possible water should be used while moving the components in the cooling basin.
  • the water must not be warmer than 60 0 C, because otherwise the increased risk of insulating vapor bubble formation and thus a slowdown of the cooling consists.
  • the transport from the annealing furnace to the quenching basin must be carried out as quickly as possible (depending on the thickness of the component 5 - 20 s).
  • Each delay (precooling time), namely, by unfavorable precipitation processes adversely affect the final quality values (mechanical properties, corrosion resistance).
  • the outsourcing eliminates the forced state of the supersaturated solution alloying elements.
  • the first stage of segregation separation is the precipitation of coherent metastable phases.
  • the second stage of segregation is the precipitation of partially coherent phases, which show only partial agreement with the lattice structure of the ⁇ -mixed crystal. These partially coherent phases are also metastable phases.
  • the final stage of segregation is the elimination of incoherent phases. These are usually the indissoluble equilibrium phases.
  • Auslageremperaturen for AISi alloys are between 160 0 C and 200 0 C.
  • the aging temperature and time are particularly important.
  • Figures 2.39 to 2.40 show an example of the course of the mechanical characteristics as a function of the aging time and temperature for the alloy GK-AISiIOMg. It can be seen that the tensile strength, the yield strength and the Brinell hardness increase. The values of the elongation at break only rise considerably (between 2 to 4 hours), but fall off sharply thereafter. The strength values reach their maximum values after 4 to 8 hours depending on the aging temperature and reduce slowly on further aging (aging). If too high aging temperature is selected, for. B. 200 0 C, so overaging occurs very early and there are no high strength values as obtained at lower aging temperatures. Furthermore, there are indications that achieving optimal strength values is also favored by a subsequent as fast as possible subsequent solution aging [Solution Rheinfelden 1995].
  • Figure 2.39 shows: Tensile strength of the alloy GK-AISiIOMg at different aging temperatures, [VAW-IMCO 2004].
  • Figure 2.40 shows: yield strength of alloy GK-AISiIOMg at different aging temperatures, [VAW-IMCO 2004].
  • Aluminum cast components for chassis applications must be distinguished above all by properties such as high strength, high elongation at break and corrosion resistance.
  • Typical requirements for AI cast parts for gravity die casting with AISiHMg in the chassis are:
  • a priori Al alloys are excluded with copper contents above 1 wt .-% (all AICu alloys, AISi alloys with> 1 wt .-% Cu), since the susceptibility to corrosion makes them appear to be unsuitable in the chassis.
  • an unfavorable solidification morphology (spongy / mushy) has an effect in Al alloys with a higher copper content, which results in a high susceptibility to hot cracking and microporosity. Therefore, these alloys generally have lower elongations at break than AISi alloys. This contradicts studies by G. Keshavaram et al.
  • the alloy groups Al-Zn-Mg and Al-Mg-Si are prohibited.
  • the former tend to high corrosion and unpredictable brittle fracture, which is an exclusion criterion for suspension applications.
  • chassis parts due to their safety character, a component failure may only be announced by deformation and slow crack growth.
  • AlMgSi alloys have excellent corrosion resistance [VAW-IMCO 2004], their strength and processing properties are lower than AISi alloys.
  • the hypoeutectic AISi alloy system has been extensively researched for casting applications for 7 wt% Si and higher alloys. Strengthening alloying components and effect of higher silicon content, Mg or Cu alloying and process effects are known. The same applies to limiting factors such as the morphology of the primary and eutectic phases, to the influence of Fe-containing intermetallic phases and the influence of the Si content on cast-technological properties. companies.
  • the corrosion behavior of AISi cast materials is largely independent of the silicon content [A. Bjorgum et al. 2005].
  • Another favorable starting point for AISi-based alloy development is that due to the extensive experience with this material group, acceptance for new developments in alloy engineering in the casting customer market is more likely than for completely new alloy systems.
  • AISi alloys with silicon contents below 7% by weight are unsuitable for casting processing due to their solidification morphology and are therefore not standardized according to DIN-EN 1706.
  • Alloys with 5% by weight Si content (AISi ⁇ Mg) were removed from the standard in 1986, because they have significantly lower casting properties and lower solid conductivities than AISi7Mg.
  • Low Si content AISi alloys have only been sporadically investigated in fundamental research, as by S. Engler and W. Patterson, on solidification morphology and casting technological properties to represent property trends of common AISi castings [W. Patterson, H. Brand 1960; W. Patterson, S. Engler 1961; S. Engler, L. Heinrichs 1973; S. Engler, R. Ellerbrok 1975; Engler, G. Schleiting 1978]. These publications provide a solid foundation for the continued alloying of AISi castings in this research project.
  • alloys with reduced Si content appear to be interesting for alloy development of high-strength aluminum alloys in this work.
  • New, partially pressure-assisted casting processes such as low-pressure counter-pressure casting, also favor the use of alloys that are difficult to cast.
  • the use of numerical simulation provides a better understanding of the solidification steering of a casting. Old "rules of thumb” for the design of molds with regard to their heat balance and the casting system and with regard to flow and feeding effect of the Castings are largely obsolete since the use of numerical simulation. A flexible component-corresponding design is facilitated. In terms of shape, both more precise heaters and cooling systems and new mold materials (special steels, TZM, Mo, W) are available.
  • a second, material-technical starting point for the holistic alloy development are, in addition to a reduction of the silicon content, mechanisms of hardening and targeted phase control.
  • flanking orientation gives consideration to other casting alloys (AISi7Mg), in particular to AI wrought alloys.
  • alloy development was mainly based on the accidental observation of new phases in materials, some of which were unintentionally caused by the contamination of alloys or by erroneous experiments.
  • duralumin material E. Zschech 1996
  • cast iron with spheroidal graphite E. Piwowarsky 1951
  • These materials usually had new phases or interesting properties. Therefore, their formation and the targeted influence on the training of the phases were explored, which led to completely new classes of materials.
  • FIG. 3.1 schematically presents the tools used in AI alloy development in this work. The details of alloy development will be discussed below.
  • Figure 3.1 shows: The methodology of the tripartite alloy development and the tools used for the development time is shown.
  • CPC method mech. Properties in the cast state (F) and partly after T6 heat treatment (WB);
  • Mg content 0.6 and 1 wt%
  • Cu content O; 0.5 and 1 wt .-% mech.
  • Properties Molding condition (F), solution annealing and aging (T6)
  • PQ 46 CPC: Conditions: F, after solution annealing, T6 mech. Properties, curing curves for heat treatment, visual u. X-ray inspection of components, metallography, analytics (EDX, porosity, DAS, phase components) Work package C2: AISi3,3MgO, 6
  • AITi5B1 TiBAlloy, argon purging, purge gas flushing
  • Work package A is a time-efficient estimation of potential for the development of high strength aluminum alloys for continuous casting based on the reduction of the silicon content of AISi alloys.
  • AISi7Mg the Si content of cast tensile bars is systematically reduced to 3% by weight of Si in order to gain initial information about the effects on mechanical properties in the cast state and after heat treatments.
  • sample casings are performed in the CPC process in order to obtain a primary impression of the general castability of Si-poor Al alloys in pressure-assisted casting processes.
  • the transferability of properties in the tensile bar to component properties in industrially manufactured castings is examined. "Thermodynamic modeling" is still left out in package A. Therefore, the experimental approach is empirically derived from the alloy AISi7Mg and the heat treatment parameters have not yet been selected in a targeted way.
  • work package B is decided to continue and further systemize work on a laboratory scale.
  • the AISi alloy spectrum to be investigated shall be described in B2 and B3 are extended up to the AI wrought alloys. Primarily, the flow properties and the Si influence on the mechanical properties are to be determined. As additional experimental parameters, higher Mg contents are selected (0.6 and 1% by weight).
  • the work is supported in parallel by the use of thermodynamic modeling to optimize the magnesium content and determine the boundary conditions of a heat treatment (B1).
  • the influence of Cu contents below 1 wt .-% is included in the working sections B2 and B3.
  • B4 already concentrates on the newly developed alloy AISi3MgO, 6.
  • Work B5 follows in the implementation on the work package C, but logically belongs to Part B, since only laboratory experiments take place. In B5, the influence of other alloying constituents such as Cr, Ni, CuNi is also examined under the aspect of the alloy's heat resistance.
  • work package C the field testing takes place in the industrial casting process.
  • an optimal process window of the innovative alloy is opened, with regard to processability and tolerance ranges in the respective casting process, as well as their chemical specifications regarding achievable mechanical properties (C1).
  • C2 also examines the use of grain refining agents and Sr finishing.
  • Part of work phase C3 is also the testing of the target alloy AISi3Mg in die casting. At the end of this work phase, alloy development has progressed so far that, due to its promising property profile, the newly developed casting alloy is generally considered fit for applications in gravity die casting and low-pressure counter-pressure casting.
  • the alloys are investigated in different casting processes both in basic geometries as well as on castings of "real components" from industrial series production.
  • the basic investigations of alloy development are found in the smelting laboratories of the Foundry Institute of the RWTH Aachen (Gl) and the joint materials testing and analysis department of Gl and ACCESS eV Tests of the alloys on the component in the industrial casting process are carried out at KSM Castings GmbH, Kloth-Senking Metallg corderei, Hildesheim.
  • Figure 3.2 shows: two-piece "Dietz mold"
  • Figure 3.4 shows: two-part French mold
  • Figure 3.5 shows: cast "French tie rod” with sprue, bleed and
  • the simulation results confirm the assumption of a better feed of the tension rods in the French mold.
  • the Dietz mold leads to porosities which are located in the region of the stress zones of the tension rods for the cold tensile test.
  • the Dietz tensile specimens do not crack at these predicted weak points but quite conventionally at the tensile bar center.
  • round rods can be manufactured according to DIN 50125 (B10). If tensile bars are to be examined in the heat-treated state, then a separation of the gate and feeder takes place only after the heat treatment in order to counteract a possible sample distortion. The Round tensile specimens are cut from the separated casting blank to a dimension of 10 mm diameter and threaded on the head.
  • Figure 3.6 shows: Simulation of mold filling in the "Dietz die” for tensile bars with MAGMAsoft ®
  • Figure 3.7 shows: Simulation of the mold filling in the "French Tension Bar Chill"
  • step plate Production of flat tensile specimens in die casting (step plate)
  • the developed alloy AISi3Mg is examined for its suitability for the die casting process.
  • the alloy is tested under the process variants casting temperature and holding pressure during die casting.
  • the sample geometry of a step plate offers the possibility of estimating casting technological properties in die casting.
  • a later production of flat tensile tests of different component wall thicknesses from the step plate is given.
  • the step plates are produced on a cold chamber die casting machine Bühler 630-SC (Fig. 3.8) at the Foundry Institute of the RWTH Aachen.
  • Figure 3.8 shows: The picture shows a real-time controlled cold chamber die casting machine type Bühler H-630 SC, as used at the foundry institute for casting the step sample used in this work.
  • the tool is composed of two vertical mold halves. These each consist of a mold frame, which allows the modular use of principle geometries, and the actual use of tools in the step geometry ( Figure 3.9).
  • the sample geometry of different wall thicknesses is imaged by the movable mold half; Gating and casting are in the solid mold, which receives the casting chamber.
  • both mold halves contain heating-cooling channels for temperature control of the tool.
  • the movable mold half also has mechanical ejector pins for component removal from the mold.
  • the sample itself consists of a gate, runner, step plate and side overflow beans (Figure 3.10). These overflow beans are used for mold venting and relocation of any porosity from the component.
  • Figure 3.9 shows: On the left is the movable and on the right the solid mold half of the mold for die casting the step sample.
  • the principle geometry is represented by a mold insert inserted into the tool frame.
  • Figure 3.10 shows: The sketch shows the principle geometry of the step sample with three different wall thicknesses (5, 4, 3 mm) with gate, runner and side overflow beans of the mold.
  • the step plate has DIN A4 size.
  • the filling of the filling chamber is done by dosing via a manipulator arm. Since the movement sequence of the manipulator arm is controlled by the die casting machine, the mold filling process can begin immediately after the filling process of the casting chamber. In the experiments, about 20 to 30 step samples are poured off for each test setting.
  • the inserted step plate offers the possibility of casting three different wall thicknesses (5, 4, 3 mm).
  • the last five cast step samples per machine setting are marked, x-rayed and photographed.
  • a first visual impression of the plate surface can be found at the foundry with a X-ray scanner further information about the internal nature of the plates and the spatial arrangement of porosity or warm cracks can be obtained.
  • the flow lengths are determined in a casting spiral in accordance with the VDG data sheet.
  • the alloys are melted in a resistance furnace synthetic from AI99.99, AISi7MgO, 3, AISi53, Mg99.9 and other alloying ingredients in smaller quantities and with grain refining agent.
  • the casting spiral is a redesigned steel mold ( Figure 3.11, 3.12), which is supported by a controlled oil circulation at a constant temperature of about 250 0 C.
  • the mold consists of a lower part, in which the spiral geometry is located, and of an upper part, in which ventilation slots are integrated.
  • Figure 3.11 shows: A sketch of the newly designed spiral mold mold is shown.
  • the upper mold half (left) contains an opening for the insertable sprue, vent holes and heating / cooling channels.
  • the lower mold half (right) represents the spiral geometry with cm dimension and the arrangement of the heating cooling channels.
  • Figure 3.12 shows: Hinged mold casting spiral with connected oil heater and discarded metallic sprue BiId 3.13 shows: Experimental setup at the foundry institute for the determination of
  • Figure 3.14 shows: Filling process of the ladle with the help of the manipulator arm
  • Figure 3.15 shows that the casting into the casting spiral takes place via a sand sprue
  • the manipulator spoon avoids fluctuations by the caster when filling the mold.
  • the filling of the casting coil is carried out as an innovation in our experimental setup with a manipulator arm in order to obtain a better reproducibility of the results.
  • the manipulator arm fills the bucket (Fig. 3.14), conveys the melt to the steel mold and pours the melt into the casting spiral (Fig. 3.15). After filling and solidifying, the upper part is folded up. Now, the flow length can be determined and compared with the lengths of the other alloys. For each alloy, four casts are made in the spiral to obtain a meaningful mean.
  • the so-called stud sample ( Figures 2.16 and 2.17) is used as described in Section 2.2.2 [p. Engler, R. Ellerbrok 1975].
  • the mold is provided with an insulating boron nitride sizing and preheated to 250 0 C.
  • the geometry of the sample is quite vulnerable to variations in filling by the caster.
  • this sample is also filled via an automated ladle dosing system.
  • the sample geometry must be available at a time span between 1 and 2 s, otherwise the samples should be excluded from the evaluation.
  • the stud sample is used to demonstrate the effects of Alloy variants of AISi3Mg.
  • the FFV is determined as a function of the content of grain refining agent and as a function of the metallostatic pressure level. These results are used to estimate casting properties in gravity chill casting.
  • the stud sample is not applicable, or the results from the gravity chill casting are not transferable, since significantly higher pressures act on the mold filling. Accordingly, the alloys here have a significantly improved mold filling capacity.
  • AISi alloys below 5% by weight in mold are generally considered as non-pourable.
  • Figure 3.16 shows: The FFV is determined as follows.
  • Chassis console and wheel carrier as real components
  • alloys for their possible application in real component variants of the developed in this work are alloy AISi3MgO, 6 for casting a landing gear console PQ24 and a wheel carrier PQ46 in the KSM Castings GmbH, Kloth-Senking metal foundry, Hildesheim , tested.
  • the chassis console PQ24 (VW Polo, Skoda Fabia, Audi A2) of Volkswagen AG, shown in Figure 3.18, is manufactured by gravity die casting. The experiments take place on a horizontal directional hand pouring system equipped with multi-circuit cooling.
  • Figure 3.19 shows the complete casting plant. It consists of a movable clamping unit with ejector plates, a fixed one Closing unit, a tempering device and a control panel. The entire casting unit also includes a "Westomat" ceiling-heated resistance furnace, which, however, is not used in the experiments described here due to the need for frequent alloy modifications Cooling of the casting is also opened in.
  • Hydraulics also ensure that the casting is removed from the mold after ejection of the mold by means of ejector pins
  • a tempering system ensures a constant mold temperature The mold temperature of greater than 400 ° C prevails before the first casting achieved by preheating with gas burners.
  • the mold shown in Fig. 3.20 is designed in such a way that a left and a right console can be produced simultaneously in one casting.
  • the weight of a complete casting from two consoles with pouring system is about 9 kg, whereas a single console weighs 2.1 kg when machined.
  • Ring-shaped partial geometries of the castings are represented by metallic cores, which are inserted into the mold cavity.
  • a ceramic filter inserted into the pouring channel helps to remove oxides and calm mold filling.
  • Figure 3.18 shows: PQ24 landing gear console in the edited state.
  • FIG.19 shows: The used in this work for the production of PQ24 castings
  • Figure 3.20 shows: Mold of PQ24 castings. In the lower area are
  • FIG.21 shows: Treatment of the melt takes place by impellers.
  • Figure 3.22 shows: PQ46 wheel carrier, in the upper area, the feeding sprue, which has a small dimension according to the casting process, can be seen.
  • BiId 3.23 shows: low-pressure backpressure casting machine used to manufacture PQ46 parts.
  • test melts are transferred from the smelting furnace to transport pans and then impellert with forming gas (Fig. 3.21).
  • the pan is transported to the hand pouring station where the melt is manually removed with a ladle and poured into the mold.
  • the melt temperature is on delivery of the pan 750 0 C.
  • the casting is stopped when the melt temperature drops to 700 0 C.
  • a sub-task of the investigations is to determine the effects of quenching in cold water on the physical properties of the castings. For this purpose, every second casting grape is immersed and cooled in a large water basin next to the casting plant.
  • the wheel carrier PQ46 (VW Passat, Skoda Superb) of Volkswagen AG shown in Figure 3.22 is cast on a low-pressure counterpressure casting machine as part of the work with alloy variants from AISi3Mg.
  • the main components of the casting plant (Fig. 3.23) are a casting furnace, a horizontally filled mold, clamping unit, pressure accumulator, control and a manipulator arm.
  • the mold consists of four separate cavities, so that simultaneous casting of two left and two right wheel carriers is possible (Fig. 3.24).
  • the mold is connected to the casting furnace by four ceramic riser pipes ( Figure 3.25).
  • the molten metal prepared in the furnace is transported in a ladle to the casting plant, where it is transferred to the extended casting furnace.
  • the melt is brought to the desired pouring temperature (750 0 C) and impellert with argon.
  • the furnace is transported from the processing station via a rail system to the work station and coupled to the casting unit. Gas burners are used to heat the mold to operating temperature before the first casting process (Figure 3.26).
  • a complete production cycle is described in picture sequence 2.5.
  • the casting cycle begins process-related with the increase in pressure in both the furnace and in the mold space, the furnace pressure is slowly increased and thus the mold is calmed filled.
  • Figure 3.24 shows: Four-part mold of the PQ46 castings
  • Figure 3.25 shows: ceramic riser pipes through which the melt flows into the mold
  • Figure 3.26 shows: Preheating the mold for PQ46 castings with the help of a
  • Figure 3.27 shows: Removal of the castings from the mold by means of a manipulator arm
  • the pressure difference is further increased and kept constant at a high level, which prevents the formation of volume defects and accelerates the solidification of the castings.
  • the mold opens and with the removal of the four wheel carriers by a manipulator arm, the casting cycle is completed (Fig. 3.27). Before the start of a new cycle, the mold halves are cleaned and sized with compressed air as needed.
  • the heat treatment (solution annealing and aging) of the samples takes place in an electrically heated convection oven.
  • This furnace type offers the possibility to regulate the temperature homogeneously, which at the high solution annealing temperatures (480 - 540 0 C) of large Meaning is.
  • the correspondingly varied temperature and time parameters of the heat treatment are, for reasons of clarity, if assigned in the work, in each case assigned to the descriptions of the corresponding test series in Section 4 of the work.
  • the quenching of the bundled for better handling in a wire basket samples takes place in a standing directly next to the oven pool. This allows a quick transport between the furnace and the basin and thus leads to good quenching effect.
  • the basket is moved in the bath and care is taken that the water temperature, starting from the room temperature, does not exceed the limit of 60 ° C.
  • the solution annealing follows at lower temperatures between 140 0 C to 180 0 C and varied periods of time.
  • samples are taken from both the heat treated tensile specimen geometries and the real cast components and machined mechanically to the necessary tensile testing dimensions (see Section 3.3.5).
  • thermodynamic modeling tool used in the research is the Thermo-Calc-Classic TCC program and its Windows-based, more user-friendly version TCW [Thermo-Calc 2006].
  • the program makes it possible to determine phases, their formation temperatures and phase proportions of alloys under thermodynamic equilibrium conditions (slow cooling) and in the imbalance of Scheilgulliver. Due to the high cooling rates in continuous casting processes, they solidify in thermodynamic imbalance, which is why the Scheil model is used.
  • the data basis for these studies used for modeling AISi base alloys is the database COST2 "Light Alloys Database v2.1 1998/2003" for aluminum and light metal materials. Bills are only sufficiently large if the database provided by DTA and DSC measurements is sufficiently reliable [SG Fries, B. Sundman 2005]. For calculations of the state diagrams of alloy compositions, extrapolation is made between the stored data for creating the desired state diagram.
  • the COST2 database contains the solubility limits for 192 different light metal phases and comprises 19 elements: Al, B, C, Ce, Cr, Cu, Fe, Li, Mg, Mn, N, Nd, Ni, Si, Sn, V, Y, Zn, Zr.
  • the database for common Al alloys and the varied in this work elements such as Al, Si, Cu, Mg, Fe, Mn, Cr, Ni deposited sufficiently well.
  • the temperature-dependent areas of existence of phases and their phase proportions of the alloys to be investigated can be predicted quite accurately.
  • the results of small phase fractions or phases in narrow ranges such as intermetallic phases or alloys that are more "exotic" are more in question, however, and it is advisable to compare the modeling of phase fractions with metallographic sections before starting comprehensive modeling Commercial Database Module COST2 is currently unable to thermodynamically model emerging phases in grain refining and refinement, and would need to significantly refine Thermo-Calc's comprehensive database modules or other modeling programs that incorporate those elements.
  • thermo-Calc in the estimation of emerging phases and their proportions in the cast structure of the new alloys to be developed. For example, maximum levels of strength promoting constituents in AISi alloys such as Mg and resulting Mg-containing phases can be determined. The same applies to the alloying of Cu, Cr, Ni and Cu and Ni. It can also be determined to what extent alloying elements must be limited in order to Fe-containing or other interference phases minimize.
  • thermo-Calc calculated formation temperatures of phases are used to optimize the temperature parameters of the heat treatments.
  • the chemical composition of melts and melt quality The chemical composition of the molten alloys is calculated at the foundry institute by means of a self-created generic program.
  • the Kloth-Senking metal foundry uses a commercial program.
  • the chemical composition is adjusted by the combination of individual pure and master alloys.
  • the chemical composition of the melts is monitored with a spectrometer, the hydrogen content is checked with the vacuum density sample as described in Section 2.2.4. Cooling curves of the test melts are recorded metrologically with the "Phaselab" system from OCC for thermal analysis, or measured directly in the tensile bar ( Figure 3.28) and documented.
  • the diameter for tensile specimens from the principle geometries in the relevant tensile test area is 10 mm at a test length of 55 mm.
  • the thread of the clamping heads is M14. Because of other clamping tongs of the tensile testing machine for hot tensile tests a diameter of 8 mm is selected, with 48 mm test length and thread diameter M 12.
  • FIG.28 shows: The sampling of the tension bar is done below the
  • Threading can be a setting of the samples in the clamping jaws of
  • the sample is taken from step plates, which were previously illuminated in an X-ray chamber. From heat-cracked and non-porous plates, 5 samples are taken for different wall thicknesses and process variants and fabricated into flat tensile specimens while maintaining the casting skin, which has a considerable influence on the strength properties of die-cast parts. The samples are clamped for the flat tensile test with appropriate clamping tongs, but otherwise the mechanical properties are determined as for round tensile specimens.
  • the castability of the AISi alloy variants and the developed alloy AISi3Mg is also assessed by the castings produced on industrial production machines.
  • these are "French tensile specimens" and PQ24 chassis beams, PQ46 low pressure counter-pressure casting and step plates for cold chamber die casting, to find out whether the selected alloys and alloy variants are also under typical production conditions of the series faultless castings in the respective methods are suitable.
  • the following measures are carried out:
  • the castings are checked for signs of casting defects.
  • the entire surface of the casting and the casting system is viewed with the eye from different angles. In particular, cold runs, areas that are not completely filled and warm cracks are detected.
  • the color penetration process clearly shows any cracks, wrinkles caused by cold runs, pores and other surface defects of the castings.
  • Suitable test equipment penetrates the surface defects.
  • the crack test is carried out in an industrial plant in the Kloth-Senking metal foundry. After cleaning the test area, the fluorescent penetrant remaining in the defects is clearly displayed by means of UV rays. For step plates, this can be done at the foundry institute with conventional spraying, with which first a colorant and then a developer are applied. After washing the casting, the remaining agent reveals surface defects by pink color.
  • Photographs made using light and scanning electron microscopy at the Foundry Institute will be used for further investigations.
  • the mean dendrite arm distances (DAS) or the grain sizes which characterize the fineness of the microstructure are determined.
  • Selected samples of PQ 24, PQ 46 castings and French tensile bars are determined by means of a computer program of the company Aquinto in the Kloth-Senking metal foundry is subjected to a porosity measurement by photographing and analyzing metallographically ground and polished surfaces of samples with a magnification of 20x, measuring surface area, porosity, object density and maximum defect expansion.
  • the AISi alloy developed in this work is based, on the one hand, on lowering the silicon content to between 1 and 7% by weight of Si and, on the other hand, on utilizing the strength-increasing effect of magnesium.
  • both the magnesium contents are varied, the influence of Fe contamination and the targeted addition of alloying elements such as Cu, CuNi, Ni and Cr are investigated, as well as the effect of melt treatment (refining, refining, purge gas treatment).
  • the newly developed AISi casting alloy should have the highest possible yield strength.
  • the stated objective is to harden the alloy to be developed. In AISi alloys, this is commonly achieved by adding magnesium (see section 2.2.3 of the paper). After addition of Mg, the Chinese text-like polygon-branched phase ⁇ - occurs in the cast structure. Mg 2 Si on. This is largely resolved by solution annealing. The magnesium is taken up by the ⁇ -mixed crystal and remains in forced solution after quenching. The remaining Si accordingly increases the proportion of electrical silicon.
  • the alloys can be hardened after solution annealing by the methods described in Sections 2.2.3 and 2.2.5 as a result of formation of the intermetallic phase ⁇ "and P -Mg 2 Si after aging.
  • a first orientation for the alloy development takes place on the alloy AISi7Mg.
  • This alloy is widely used under two classifications, the AISi7MgO, 3-alloy (A 356) and its higher-magnesium version AISi7MgO, 6 (A357) [VAW-IMCO 2004].
  • the variant with a higher Mg content shows better mechanical properties with regard to tensile strength and yield strength, but has a lower elongation.
  • iron contaminated Mg-containing hypoeutectic AISi alloys forms in the simultaneous presence of Fe and Mg often relatively coarse, edged polygonal branched ⁇ -phase (Chinese script).
  • MgAI- Spinels as well as those introduced by turbulent mold filling, sometimes serve as nucleating agents in AISi alloys with iron impurities to form primary ⁇ -Fe, Ot-Al 8 Fe 2 Si or Ot-Al 15 (Fe 1 Mn) 3 Si 2 in the vicinity eutectic AISi alloys [L. Bburgerud et al. 1990].
  • Figure 4.1 shows: Increasing elongation at break with decreasing Si content, despite decreasing strength and yield strength, is an attractive profile for hardening AISi3 by heat treatment.
  • the increase in magnesium content is based on thermodynamic modeling with Thermo-Calc.
  • the modeling program calculates the maximum solubility of magnesium in Al alloys of different Si contents and the composition-dependent temperatures for the formation of the phases.
  • the maximum Solubility for Mg in the thermodynamic equilibrium is independent of the Si content of the AISi alloy in the ⁇ -mixed crystal 0.6 wt .-% Mg. If the Mg content exceeds this critical limit, Mg 2 Si and in the presence of Fe with ⁇ phase are more likely to be precipitated with Mg-containing Chinese writing since the Al mixed crystal is supersaturated even under optimum solution heat treatment.
  • Figure 4.2 to Figure 4.7 shows the phase fraction [mole fraction] versus temperature [ 0 C] for the alloys AISi5, AISi3 and AISiI: in Figures 4.2, 4.4 and 4.6 for equilibrium solidification and in Figures 4.3, 4.5 and Figure 4.7 in the thermodynamic imbalance according to Scheil.
  • the proportion of precipitated Mg 2 Si in equilibrium is higher than with rapid solidification in imbalance, because less Mg remains forcibly dissolved in the Al mixed crystal.
  • Figure 4.3 shows: Thermo-Calc modeling of the alloy AISi5MgO, 6 according to Scheil.
  • Figure 4.4 shows: Thermo-Calc modeling of the alloy AISi3MgO, 6 at
  • Figure 4.5 shows: Thermo-Calc modeling of the alloy AISi3MgO, 6 according to Scheil.
  • Figure 4.6 shows: Thermo-Calc modeling of the alloy AISiI MgO, 6 at
  • Figure 4.7 shows: Thermo-Calc modeling of the alloy AISiI MgO, 6 according to Scheil.
  • Figure 4.8 shows: Thermo-Calc modeling of the alloy AISi3Mg1 at
  • Figure 4.9 shows: Thermo-Calc modeling of the alloy AISi3Mg1 according to Scheil.
  • Figure 4.10 shows the influence of high Mg contents (0.6 and 1 wt%) on the mechanical properties of the alloys AISi3Mg, AISi2Mg and AISiIMg after a T6 heat treatment.
  • Exceeding a critical Mg content of more than 0.6% by weight has a negative influence on the mechanical properties in hypoeutectic alloys. However, the tolerance for this increases the lower the Si content is.
  • an Mg content of 1 wt% shows even an improvement in properties over 0.6 wt%.
  • Fig. 4.10 shows: Mechanical characteristics of "French tensile specimens" after a T6 heat treatment, for the alloys AISi3, AISi2 and AISiI Mg contents of 0.6% and 1% by weight are chosen.
  • Table 4.1 Resulting phases and formation temperatures of the alloys AISiI, AISi2, AISi3, AISi5 for Mg contents of 0.6 u. 1 wt .-% in equilibrium by Thermo-Calc.
  • Table 4.2 Resulting phases and formation temperatures of the alloys AISiI, AISi2, AISi3, AISi5 for Mg contents of 0.6% and 1% by weight calculated according to Scheil with Thermo-Calc. The color highlighted marking stands for the temperature under which there is no liquid phase.
  • a Mg content of 0.6% by weight is selected for the target alloy AISi3Mg during testing in the real component (work package C).
  • Oxide inclusions are usually responsible for crack initiation and component failure of AISi alloy cast components. However, if these are not present, it is often iron-containing phases that give rise to component failure [JF Knott et al. 2000]. Iron impurities form undesirable stoichiometric phases between Al, Si, Fe and optionally also Mg, which reduce the component properties. This is favored by the similarly large atomic radius of Si and Fe [LF Mondolfo 1990]. Therefore, prevention of Fe-containing phases in these alloys is of great importance. If this is not possible due to Fe constituents in the Al master alloys, at least a controlled incorporation in Fe morphologies should be sought, which are less damaging to the fibers [V. Voje, A. L Dons 2001].
  • the iron content is deliberately lowered to increase mechanical properties, such as substitution of Mn for low tendency to adhere and of Mg to the hardenability (AISi ⁇ MgMn "Silafont 36") [H. Koch et al., 2000, H. Koch 2004] ,
  • the Si-poor AISiMg alloys cast in this work have ⁇ -phase as well as ⁇ -phase in the microstructure ( Figure 4.11).
  • the extent and proportions of the different Fe phases in AISi alloys are significantly influenced by the base content of Fe and Mg and by small amounts of selectively alloyed elements (Mn, Sr, Cr) or a heat treatment (Figure 4.12).
  • Figure 4.11 shows: Microstructure with phase description of a thin-walled air cooled PQ46 sample of AISi3Mg in the as-cast state.
  • Figure 4.12 shows: Microstructure with phase description of a PQ46 sample from AISi3Mg after a T6 heat treatment.
  • the Chinese script type ⁇ -Fe phase (Al 8 Fe 2 Si, Ali 2 -5 (Mn, Fe) 3Sii-2) is not observed in the AISiMg samples tested. This is due to the fact that the presence of magnesium rather the morphologically similar ⁇ - Phase (Al 8 Mg 3 FeSi 6 ) is formed. If the ⁇ phase is finely pronounced, its effect on the strength properties is more favorable than the ⁇ phase.
  • the occurrence of the Mg-containing ⁇ phase, its relation to the ⁇ phase and its occurrence as a function of Mg content and cooling rate has already been discussed in Section 4.1 (variation of the magnesium content).
  • the platy-polygonal (appearing in acicular pattern 4.12 needlelike) iron compound ß-Al 5 FeSi represents the most common and unfavorable morphology of Fe-containing phases in AISi alloys.
  • this phase also has an influence on shrinkage porosity, since the pre-eutectic excretion of ⁇ -phase can hinder a make-up by melt [AM Samuel et al. 2001].
  • Figure 4.13 shows a micrograph of a PQ46 sample from AISi3MgO, 6-B (+ Sr) im
  • Figure 4.14 shows a micrograph of a thick-walled PQ46 sample from AISi3MgO, 6-B
  • Figure 4.15 shows a micrograph of a PQ46 sample from AISi3MgO, 6-B (+ Sr, + Mn) in
  • Figure 4.16 shows the micrograph of a thin-walled PQ46 sample of AISi3MgO, 6-B (+ Sr, + Mn) after a T6 heat treatment
  • the most effective for influencing Fe phases is manganese, which is added according to the content of Fe.
  • the needle-.beta.-form is the polyhedral squat chinese script form of ⁇ -Fe phase (Al 12-15 (Mn 1 Fe) S Si I-2) to be preferred which, when a Mn / Fe ratio of> 0.5 to 0.8 [LA Narayanan 1994; AM Samuel et al. 2001]. Higher Mn contents in turn have a negative effect on the elongation of AISi alloys [H. Koch 2004], which stands out particularly in the solution-annealed state.
  • the low-iron alloy AISi3MgO, 6-D is also added to Mn for its processing in die casting (work package C3).
  • work package C3 Here is not a forging of the ß-phase, but only a reduction in the tendency to stick desired.
  • a low Mn content of 0.2% by weight does not have a decisively positive effect on the processing properties in die casting. Possibly, a higher Mn content is advantageous in terms of lower tendency to stick.
  • Chromium has a similar effect as Mn [DA Granger 1991] through the formation of (Cr 1 Fe) 4 Si -J Ali 3 .
  • Figures 4.17 and 4.18 show micrographs of an AISi3MgO.6CrO.7 alloy, in the as-cast state and in the state after heat treatment.
  • the micrograph of the sample in the cast state shows no abnormalities in comparison to that of the base alloy AISi3Mg-B.
  • the precipitated silicon here is also slightly rounded and is not affected by the chromium content, although CrSi 2 precipitates appear stoichiometrically conceivable.
  • the iron content partly due to the master alloy, is well above the solubility limit of 0.04%. This increased content of iron can be seen in the corresponding micrographs by needle-like ß- and polyhedral molded ⁇ -iron precipitates.
  • composition of the various structural constituents suggests that the chromium is dissolved in the aluminum mixed crystal and is present in the structure in conjunction with the iron as (Cr 1 Fe) Al 7 .
  • a chromium content of 0.7% precipitations can be found by EDX analysis, which can demonstrably consist of the intermetallic phases Al 7 Cr, AInCr 2 - and Al ⁇ Cr 2 .
  • Figure 4.17 shows: Microstructure of AISi3Mg0.6Cr0.7 as cast at 500-fold
  • Figure 4.18 shows the micrograph of AISi3Mg0.6Cr0.7 in the heat-treated state at 500x magnification.
  • the assignments of the former composition are made via EDX analysis.
  • Cobalt causes a transfer of the ⁇ phase in the Chinese script-like phase (Co 1 Fe) 2 AIg.
  • additional amounts of the same amount as Fe are required, and the ductility of the alloy is lowered [SS Sreeja Kumari et al. 2002]. Therefore, Co as an alloying additive in this research project does not represent an alternative to Mn or Cr with respect to the requirements of chassis parts.
  • Beryllium also works by forming a Chinese script-type phase BeSiFe 2 Al 8 instead of ⁇ -phase in AISi alloys [S. Murali et al. 1994; Y. Wang, Y. Xiong 2000]. Because of its high toxicity, only very small loading levels are possible. Therefore, adding Be to this work is not considered in principle.
  • the presence of the ß-phase is still clearly visible on the micrographs.
  • the desired transfer of the bulky needles from the ß-phase into a more favorable morphology is not carried out to a satisfactory extent. Only a slight rounding of the needle tips can be detected. In some cases, fractionation of the needles into smaller particles, especially in zones of coarser texture, can be observed. On the elongated expression of the precipitates in thin-walled parts of the component, the heat treatment has no effect.
  • the mold filling capacity (FFV) drops sharply in 1961 starting from pure Al, undergoes a relative maximum at 2% by weight of Si and continues to fall to a minimum value of 8% by weight of Si which it increases again to the electrical composition ( Figure 4.20).
  • the relative maximum at 2% by weight leads the researchers back to the course of the reciprocal surface tension and to the reciprocal kinematic viscosity of the AISi melts.
  • the AISi2 alloy in sand casting exhibits an approximately comparable FFV as AlSi ⁇ ( Figure 4.21), S. Engler and R. Ellerbrok 1974.
  • Figure 4.19 shows: flowability of the Al alloys up to 25% by weight of Si at different superheating above the liquidus temperature in a graphite mold according to W. Patterson, H. Brand 1960.
  • Figure 4.20 shows: FFV, reciprocal viscosity and surface tension at different Si contents, W. Patterson and S. Engler 1961.
  • Alloy AISi3 in sand casting has a better mold filling capacity than AlSi ⁇
  • Figure 4.22 shows: The FFV determined by the stud sample differs for
  • the FFV has a relative for sand casting at 3 wt .-%
  • Fig. 4.23 a-b shows: Ground samples of the cast alloy AISi as a function of the pouring span fe after different times U quenched and the resulting shift of the solidification morphology, S. Engler, G. Schleiting 1978.
  • the considerations are taken into account in reducing the silicon content in work package A from AISi7Mg to AISi3Mg and in work package B2 from AISi3Mg to AISiIMg to determine the mechanical and casting properties.
  • the target alloy AISi3MgO, 6-A is defined below after laboratory testing.
  • Working package C the alloys AISi3MgO, 6-A and AISi3MgO, 6-B are examined under different aspects: first of all their casting processability in chill casting on the basis of the French.
  • Tension rod and the PQ 24 component, in the CPC method using the PQ 46 component and in work package C3 as AISi3MgO, 6-D in the die casting method based on the step sample are used as a reference standard for the casting technological properties (processability of the alloy).
  • the standardized sample geometries for chill casting as well as the samples produced in the individual processes from the alloy AISi7Mg (A356) are used.
  • Figure 4.24 shows the investigations from work package B1 for determining the flowability for AISi alloys with different Si contents. Were determined at a constant mold temperature of 250 0 C and more constant
  • Figure 4.24 shows: AISi3MgO, 6 has the lowest flowability of AISi alloys below 7% by weight Si, determined with the heated steel mold casting spiral. The alloys are grain-refined with AIT ⁇ 5B1.
  • Figure 4.25 shows: The influence of the Mg content and the pouring temperature on the flowability of AISi3Mg after grain refining with AITi5B1 is evident. The Ti content is doubled compared to the test series shown in Fig. 4.24, which is reflected in an increase in the flow length of 190 mm in Fig. 4.24 to 480 mm in Fig. 4.25.
  • melt temperature of 760 0 C (ie different superheating for the different alloys) the leaked flow lengths in a heated steel mold casting spiral, as described in chapter 3.3.3.
  • Transport cools the melt, so that the temperature of the melt during casting in the spiral is up to 80 0 C lower.
  • All melts are grain-fined with the master alloy AITi5B1, with a titanium content of about 150 ppm is set. Shown is the respective average of four measurements.
  • Figure 4.25 shows the flow lengths of AISi3Mg0.3 with a doubled content of grain refining agent as a function of an increasing magnesium content with indication of the casting temperature. 5 casting spirals were poured off and the result was averaged out. It can be seen that the flow lengths decrease with increasing magnesium content up to AISi3Mg0.6 and increase with AISi3Mg0.6 at constant composition with increased casting temperature (casting range). This means that an increased magnesium content adversely affects the solidification morphology and therefore the melt can not flow sufficiently far in the spiral. Increasing the casting temperature prevents premature solidification and ensures a further flow length.
  • the topic grain refining is intensively reflected in section 4.4.1. A comparison of Figures 4.24 and 4.25 shows how positively a higher grain refining affects the flowability of a AISi3MgO, 6 alloy.
  • 6-alloy can be derived from the fact that a lower flow capacity in Kokillen- or low-pressure counter-pressure casting may be compensated by increased grain refining or an increase in the casting margin, but this may have a negative impact on the Warmrissan knitkeit the alloy can affect.
  • Cooling curve of AISi3MgO, 6 determined with the French mold Figure 4.26 shows the cooling curve of AISi3MgO, 3, determined with the French mold. This confirms the previous thermodynamic modeling of AISi3MgO, 6.
  • Figure 4.26 shows: Shown is the cooling curve for the alloy AISi3MgO, 6 over time. The results are in close approximation with the thermodynamic modeling in Figure 4.4 and Figure 4.5. The cooling curves are closer in time in Tension rod and feeder, which is typical for a sponge-mushy endogenous solidification.
  • thermodynamic models are given in Figure 4.4 and Figure 4.5, as well as their most important statements for the solidification in Table 4.1, and Table 4.2.
  • the cooling curve corroborates the results from Figure 4.24 and illustrates why the flowability of AISi3MgO, 6 at the same casting temperature (ie for AISi3MgO, 6 with lower superheat over liquidus temperature) is significantly lower than for the endogenous shell-forming alloy AISi7MgO, 3.
  • the sponge-mushy, endogenously solidifying alloy AISi3MgO, 6 shows a homogeneous temperature field in the mold cavity (tensile bar and feeder), since the melt solidifies outwardly from the interior after edge shell formation.
  • AISi7MgO, 3 is more suitable than AISi3MgO, 6, under the same boundary conditions (casting temperature, melt treatment).
  • the Si content is varied in smaller steps between 2.5 and 3.5% by weight, and in addition to the mechanical properties, the fluidity, the mold filling capacity and the dimensional tear behavior (ring sample) are investigated by means of presented basic geometries to determine an optimal working window of the target alloy with respect to its casting technological properties.
  • the PQ 24 consoles to specification AISi3MgO, 6-A produced in work package C1 generally have a visually flawless appearance. However, casting defects can be found in about 50% of the castings. These defects are reproducible and identical in their location and extent for all defective parts. In the angular areas far away from the gate there are often "flow-line” air pockets ( Figure 4.27), which are only detectable on the surface.
  • X-ray fluoroscopy shows that all the castings examined are free from serious internal defects such as big holes and inclusions.
  • a void with a diameter of about 2 mm is observed in a single case (Fig. 4.29). Voids can not be completely avoided due to the process, but in this case the voids are within a processing allowance, which is why it is not critical.
  • the cast PQ 46 wheel carriers are largely free of surface defects. However, in about 30% of the parts from work package C1, cold running phenomena occur at a locally reproducible point (Fig. 4.30). The faulty point lies on a thin-walled component edge. The reason for this is due to casting parameters that are not adapted to the alloy. An increased casting temperature and correctly adjusted temperature control of the mold are able to avoid this type of error. Thus, sufficient flow and formability of the alloy AISi3MgO, 6 is given for the PQ 46 component.
  • Figure 4.27 shows: Flow-like air entrapment on an angled thin-walled
  • Figure 4.28 shows: Cold running on a thin-walled edge of a PQ24 casting
  • Figure 4.29 shows: A blowhole with a size of less than 2 mm in a thin-walled area of a PQ24 casting that is away from the gate is within a component requirement.
  • Figure 4.30 shows: at the front of the picture, cold running on a thin-walled edge of a
  • Figure 4.31 shows: The crack test shows flawless surfaces of PQ46-
  • Figure 4.32 shows: Cavities approximately 4mm in size near the sprue of a PQ46 casting. It lies within the component requirement, since the voids in the
  • the alloy is also Fe-poor (Fe ⁇ 01, 14 wt%) to avoid Fe-containing beta phase.
  • the alloy is added with 0.15-0.25 wt% Mg and 0.7-1.0 wt% Mn to increase the strength.
  • AISi9MgMn with 0.5 to 0.8 wt .-% Mn
  • an increased Mn content The authors report acceptable casting properties in die casting (better than for AIMgSiMn), but these are not detailed and doubtful from the results presented here with the AISi3MgO, 6 alloy ,
  • Table 4.3 compares the specification of the alloy AISi4MgO, 2 according to the above authors and the specification of the alloy for chassis applications developed in this work [PCT / DE2006 / 001525].
  • the alloy AISi3MgO, 6 is primarily tested in the tests for suitability for die casting and is related to the experience with AISi4MgO, 2. At the same time a clear material-process differentiation to the developed alloy AISi3MgO, 6, which is used for the casting of Chassis vehicles, which are poured mainly by gravity die casting and the low-pressure counter-pressure casting process.
  • the test geometry is a DIN A4 stepped sample with three different wall thicknesses.
  • the wall thicknesses of the sample are 5mm, 4mm and 3mm. Representative of many die-cast components, it is possible to make a statement about the flowability, hot cracking and tendency to adhere of an alloy to this step geometry.
  • a melt treatment with the grain refining agent AITi5B1 is carried out analogously to the investigations in the mold casting method and dispenses with Sr finishing due to the rapid solidification in pressure casting and the low Si content of the alloy.
  • Table 4.3 The chemical specifications [% by weight] of the die cast alloy AISi4MgMn according to [F. Cosse, J.-P. Perrier 2003; S. Brusethaug, JS Maeland 2004a; 2004b], the alloy AISi3MgO, 6 developed in this work for chassis applications [PCT / DE2006 / 001525] and its alloy variant AISi3MgO, 6.
  • Table 4.4 selected machine settings of the Bühler H 630-SC die casting machine for the tests with the alloy AISi3MgO, 6 by die casting
  • the step sample is sufficiently filled at all machine settings used (Table 4.4), but the alloy has a significant tendency to form hot cracks. With the setting D at a back pressure of 1000 bar, the hot cracks can be prevented. However, this setting is not suitable for technical use because it would result in an insufficiently short service life of the diecasting tool.
  • Figure 4.33 a, b show an example of a step sample from test series B and the associated X-ray image next to it.
  • the hot cracks are clearly visible and can be found especially in the thinner part (3 - 4 mm) of the step sample. the.
  • Large cracks are continuous, ie they are already visible to the naked eye. Smaller and finer cracks can only be found by X-ray analysis. This analysis is important in addition to the assessment of the warm cracking ability, in order to determine the range from which the flat tensile specimens are subsequently separated out.
  • Figure 4.34 shows an example of a torn flat tensile specimen of 5 mm thickness with corresponding fracture structure.
  • Figure 4.33 a- b shows: The images show a) a step sample (left 3 mm, center 4 mm and right 5 mm wall thickness) with the corresponding X-ray image (b).
  • Wall thickness from 4 to 5 mm.
  • Figure 4.34 shows: Torn flat tensile specimen with 5mm wall thickness with a view of the
  • Figure 4.36 shows that although the yield strength for 4 mm and 5 mm wall thickness is the same, it decreases when the pouring temperature is increased, whereas an increase in the holding pressure exerts only minor influence. The elongation behaves contrary to the tensile strength and yield strength.
  • the elongation increases considerably with increasing casting temperature and increasing emphasis. For die casting it is typical that the sample with thinner wall thickness (4 mm) shows better stretch properties than the thicker (5 mm) image 4:37.
  • One explanation for the increase in elongation is a denser structure (less porosity and hot cracks) due to the steeper temperature gradients between the melt and mold and the increased post-pressure.
  • the properties for thin-walled die castings (4 mm wall thickness more favorable than 5 mm) are better than for thick-walled ones in order to obtain defect-free components, since the influence of the forming edge shell on thin-walled samples is more pronounced on the elongation at break.
  • Figure 4.35 shows: Tensile strength of the alloy AISi3Mg0.6, determined from flat tensile specimens of a step plate geometry in the die casting method according to Table 4.4.
  • Figure 4.36 shows: Yield strength of the alloy AISi3Mg0.6, determined from flat tensile specimens of a step plate geometry in the die casting process for various forming, casting temperatures and holding pressures according to Table 4.4.
  • Figure 4.37 shows: Elongation at break of the alloy AISi3Mg0.6, determined from flat tensile specimens of a step plate geometry in the die casting process for various forming, casting temperatures and holding pressures.
  • a change in the solidification morphology depending on the wall thickness in thinner-walled component areas in favor of exogenous shell formation can be ruled out in the case of these small wall thickness differences.
  • JS Maeland 2004a; 2004b are given for die cast flat tensile specimens of AISi4MgMn with a wall thickness of 2.5 mm as cast as mechanical properties: strength (R m : 220 - 230 N / mm 2 ), yield strength (R p0 , 2 : 95 - 105 N / mm 2 ), elongation (A 5 : 16-20%).
  • both alloys have a slightly lower potential compared with, for example, their significantly lower elongation at break strength and yield strength and poor casting properties due to their relatively high elongation at fracture properties in the cast state.
  • a heat treatment of the low-Si alloys will not bring any further advantages compared to Silafont 36, but will only approximate the property profiles in the worst case During the heat treatment, the plates distort significantly and they tend to form blisters due to trapped porosity and hot cracks, therefore a further examination of the AISi3MgO, 6 alloy in die casting has been abandoned. Mechanical properties of AISi3MgO, 6 in the "French tie rod"
  • Si-poor AISiMg alloys exhibit slightly decreasing strengths with a decreasing Si content, but with a significantly increasing elongation at break.
  • Figure 4.1 the mechanical properties in the cast condition for AISi alloys of 3 to 7 wt.% Si with a constant Mg content of 0.2 wt.% Determined with the French tensile bar in gravity casting have already been presented and discussed.
  • the alloy variant AISi3MgO, 6-B.2 proves to be the optimum alloy in terms of high strength and yield strength at maximum elongation, followed by variants A and C.
  • the variant AISi3MgO, 6-A with The largest content of Comfeinungsstoff proves to achieve optimum mechanical properties regarding optimal.
  • This study emphasizes the importance of increased grain refinement already recommended in Chapter 4.3.2, Figure 4.25, there in relation to obtaining a good flow length for AISi3MgO, 3. It should be noted, however, that the maximum level of comfort usually has upper limits.
  • Figure 4.39 and Figure 4.40 show a comparison of the alloy AISi3MgO, 6-B, cast in low-pressure counter-pressure casting (PQ 46) and gravity die casting (PQ 24 and French chill). The graphics confirm the positive effect of quenching in water against cooling in air while leaving the components in the cast state ( Figure 4.39). After a T6 heat treatment, however, the influence of the cooling of the casting is relativized (Fig. 4.40).
  • the heat treatment has been selected uniformly, but is not yet based on an optimized T6 heat treatment as in Fig. 4.38, since the measurement series C1 took place before the test series B4. This explains uniformly lower maximum values for the characteristic values in C1 compared to B4 determined in the "French mold".
  • the quality advantage of the low-pressure counter-pressure casting method compared to gravity die casting, especially with regard to the elongation at break values is clearly visible.
  • elongation at break is reduced in favor of higher strength and yield strength.
  • the property profile in low-pressure counter-pressure casting illustrates the improvement with AISi3MgO, 6 compared to CPC casting with AISi7Mg.
  • the alloy AISi3MgO, 6 also shows an attractive property profile for the gravity die casting process, since the high elongation at fracture in the cast state may give rise to new applications and the good strength properties at lower elongation after heat treatment seem interesting. From both graphs it can be seen that the heat treatment causes a harmonization of the component properties, which then manifests itself in smaller scatter bands (error bars) of the component properties. Likewise, in Figures 4.39 and 4.40 it can be seen that the French Tension Rod is a suitable sample form to assess the strength properties and, to a lesser extent, the yield strengths of real gravity gravity die cast components.
  • Figure 4.39 shows: Comparison of the mechanical properties of the tensile specimens from AISi3.3MgO, 6-B as cast, cast in different processes (PQ 46: CPC method, PQ 24, "French tensile bar", gravity die casting)
  • Figure 4.40 shows: Comparison The mechanical properties of the tensile specimens of AISi3,3MgO, 6-B, cast in different processes (PQ 46: CPC process, PQ 24, "French tensile bar”: gravity die casting) after a uniform not yet optimized T6 heat treatment
  • Figure 4.41 shows : The picture shows the optimum mechanical characteristics achieved with the alloy AISi3MgO, 6, compared to the values obtained in practice for AISi7Mg and AISiHMg for gravity die casting.
  • BiId 4.42 shows: The picture shows the optimum mechanical characteristics achieved with the alloy AISi3MgO, 6 compared to the values for low-pressure counter-pressure casting achieved in practice with AISi7Mg.
  • the best properties obtained in gravity die casting with AISi3MgO, 6-B are: strength (R m : 326 N / mm 2 ), yield strength (R p o, 2: 279 N / mm 2 ) and elongation (A : 4.3%); or in low-pressure counter-pressure casting: strength (R m : 377 N / mm 2 ), yield strength (R p o, 2: 304 N / mm 2 ) and elongation (A: 11, 3%).
  • the molding tools, components and process parameters during casting are designed to meet the requirements of standard cast alloys. If these manipulated variables are appropriately adapted to the requirements of AISi3MgO, 6, a further increase in the mechanical parameters as well as a better casting technology representation of the castings (eg with regard to cold runs, etc.) are likely to be feasible.
  • micrographs with 200 and 1000x magnification are considered.
  • the fineness of the microstructure (dendrites) in micrographs with a magnification of 1000x, the evaluation of individual phases can be evaluated.
  • the texture fineness is expressed by the mean dendrite arm spacing (DAS).
  • Fig. 4.43 Fig. 20Ox
  • Fig. 4.44 Fig. 1000x
  • Fig. 4.11 in Fig. 4.2 show the structure of a sample from the thin-walled area of a PQ46 cast as cast.
  • the eutectic located between the dendrite arms has the characteristics of sufficient refinement.
  • the eutectic mixture is built up through five different phases.
  • the slower cooling in the thick-walled area of the same casting leads to a significant coarsening of the microstructure.
  • the DAS value here is 31.95 ⁇ m.
  • the components of the elektician phase are coarser pronounced.
  • Even in the thick-walled region, the eutectic Si can be characterized as fine.
  • the structure of the water-quenched casting does not differ from that of the air-cooled castings. This is due to the fact that the structure of the castings already in the mold during solidification pronounced and later rapid quenching can no longer affect the formation of the phases. A deterrent only leads to the freezing of the solution states, such.
  • B. the solubility limits of Mg in the ⁇ -phase of the Al mixed crystal.
  • Figure 4.43 shows a micrograph of a thin-walled, air-cooled PQ 46 sample of AISi3MgO, 6 as cast
  • Figure 4.44 shows: Microstructure with phase description of a thick-walled air-cooled PQ 46 sample of AISi3MgO, 6 as cast
  • Figure 4.45 shows a micrograph of a thick-walled, air-cooled PQ46 sample as cast
  • Figure 4.46 shows a micrograph of a PQ24 sample cooled in air
  • Figure 4.47 shows a micrograph of a PQ24 sample cooled in air
  • Figure 4.48 shows: Micrograph of a PQ46 sample from AISi3MgO, 6 after a T5
  • Figure 4.48 shows the structure of a PQ46 sample after a T5 heat treatment (quenching, aging).
  • the microstructure shows no significant differences to the corresponding sample in the cast state. This is understandable, since during aging only a precipitation process takes place in the ⁇ -mixed crystal.
  • the strength-increasing Mg 2 Si particles leaving the supersaturated ⁇ -mixed crystal are not recognizable by the light microscope because of their very small size.
  • a modified treatment the T6-5 short-time heat treatment (see Section 2.2.5, "SST").
  • the samples are short, for 5 minutes at 540 0 C, annealed, then quenched and aged.
  • the short annealing already leads to Forming of the edged polygonal eutectic Si
  • the fine rounded precipitates are clearly visible in Figure 4.49 using the example of a PQ46 sample.
  • a longer solution annealing time leads to the dissolution of the eutectic conglomerate because of the high temperature-enhanced diffusivity (thermal activation).
  • the eutectic is thus separated into aluminum and silicon rich phases. This leads to coarsening and complete rounding (spheroidization) of the former eutectic silicon.
  • the grain boundaries between the individual dendrites also dissolve and the ⁇ -aluminum forms a coherent matrix.
  • the effect of a T6 heat treatment on the alloy AISi3MgO, 6 can be seen on the micrographs in Figure 4.12, Figure 4.50-4.52. In the microstructure differences for the casting processes (PQ 46 and PQ 24) are no longer detectable.
  • Figure 4.49 shows: Micrograph of a PQ 46 sample from AISi3MgO, 6 after a 5 minute short-time heat treatment
  • Figure 4.50 shows: Micrograph of a PQ 46 sample from AISi3MgO, 6 after T6 heat treatment
  • Figure 4.51 shows: Micrograph of a PQ 46 sample from AISi3MgO, 6 after T6 heat treatment with phase labels
  • Figure 4.52 shows: Micrograph of a PQ 24 sample from AISi3MgO, 6 after T6 heat treatment
  • Figure 4.53 shows an SEM image of the cast structure of a PQ46 sample in a cast condition under 1000x magnification.
  • the Mg 2 Si phase is black between the dendrite arms in the elektica mixture in relatively coarse form well distributed well noticeable. As previously described, it is completely dissolved in the aluminum matrix by a T6 heat treatment and precipitates there in the form of very fine particles.
  • the condition after completion of the T6 heat treatment is shown in Fig. 4.54 under 1000x magnification. There are no traces of Mg 2 Si in the former eutectic. As can be seen in Fig.
  • the precipitate with a size of approx. 0.1 - 0.3 ⁇ m is embedded in the matrix of the Al mixed crystal and is uniformly present.
  • This expression of Mg 2 Si leads to precipitation hardening and a significant increase in the strength of the material.
  • BiId 4.54 shows: SEM image of a PQ 46 sample from AISi3MgO, 6 ⁇ m
  • Fig. 4.55 shows: SEM image of a PQ 46 sample in the solution-blasted T6
  • Gray is the eutectic
  • Figure 4.56 shows: The SEM image under 11400 magnification shows the very small Mg 2 Si precipitates, in the image no longer sharply resolved and than
  • the effect of T6 heat treatment is presented in Figure 4.57.
  • the Al mixed crystal in this case contains 0.43% Mg and 0.59% Si. This is explained by the fact that the very small Mg 2 Si precipitates in the matrix are so finely distributed that they can no longer be recognized as independent phases and are interpreted in the EDX measurement as part of the mixed crystal.
  • Rounded Si particles with spectrum 6 are also marked in the image and the ⁇ -phase particles (Al 8 SJeMg 3 Fe), which appear similar in their morphology, can be recognized as spectrum 2.
  • the white ß (AI 5 FeSi) needles marked with spectrum 1 continue to exist in unchanged form.
  • Figure 4.58 and Figure 4.59 finally show EDX-created element distribution mappings of an AISi3MgO, 6 as-cast sample and after T6 heat treatment under high magnification (marking bar equals 60 ⁇ m). They illustrate the diffusion processes that took place during the heat treatment. The change in the Si-rich phase from the reticular eutectic to isolated precipitates is particularly striking.
  • Figure 4.57 shows: Results of the EDX analysis of a PQ46 sample from AISi3MgO, 6 as cast.
  • the highlighted spectra 2, 3, 7 can be clearly assigned chemical compositions.
  • Figure 4.58 shows: The picture shows the results of the EDX analysis of a heat-treated sample from a French tensile bar. The highlighted spectra 1, 2, 5, 6 can be clearly chemical
  • compositions are assigned.
  • Fig. 4.58a shows: SEM image of an AISi3MgO, 6-sample as cast,
  • FIG.58.b shows: Al-mapping; AI appears light gray.
  • Figure 4.58.C shows: Si mapping; Si appears white to gray.
  • FIG.58.d shows: Mg-mapping; Mg appears white. In some strong Mg-
  • Fig. 4.59a shows: SEM image of an AISi3MgO, 6 sample after a T6
  • FIG.59.b shows: Al-mapping; AI appears light gray.
  • FIG.59.C shows: Si mapping; Si appears white.
  • Enrichments can also be detected by Fe.
  • a highly effective refinement is thus to be regarded as essential for the casting processing of AISi3MgO, 6.
  • the content of AITJ5B1 as grain refiner should be chosen above the usual levels for AISi7Mg.
  • purge gas treatment can usually be dispensed with, since the pressure on the melt is maintained until the component has completely solidified. Possibly forming in the solidification gas porosity is suppressed. Therefore, here is waived an investigation.
  • the alloy contains at least five of the following alloy constituents:
  • Si 2.7 to 3.3, preferably 2.5 to 3.1 wt.%
  • Mg 0.3 to 0.7, preferably 0.25 to 0.65 wt%
  • Fe ⁇ 0.18, preferably 0.05 to 0.16 wt%
  • Mn ⁇ 0.5, preferably 0.05 to 0.4 wt%
  • the alloys based on this composition are characterized in that they are subjected to a heat treatment in order to obtain optimum strength properties.
  • the cast components are solution annealed between 500 to 540 0 C for 2 to 10 hours.
  • the solution annealing is followed by tempering of the parts between 150 to 180 ° C. for 3 up to 10 hours.
  • the alloy is characterized in that it is grain-refined.
  • Chromium influences the appearance of the Fe-containing phases of AISi alloys, as discussed in Section 4.2, which anticipates the stated contents.
  • Cr is alloyed to effect precipitation hardening.
  • the influence of Cr in AISi cast alloys on casting properties has been poorly documented and not quantified in the past. It is usually called generalization as negative.
  • Figure 4.60 shows: Thermocalc models for the alloy AISi3MgO, 6CuO, 5 in equilibrium (left) and Scheil (right) are shown as examples. In the picture on the right, the theta phase Al 2 Cu formed at 500 ° C. is shown.
  • the formation temperatures change only slightly, but forms in the presence of Cu, the low-melting, ausseigernde on grain boundaries theta phase Al 2 Cu.
  • the heat treatment parameters are derived as follows: two-stage solution annealing based on Backerud et al. 1990 with 2h at 485 ° C and 2h at 500 0 C, aging 8 h at 160 0 C. Due to the necessarily low solution annealing temperature, the full potential of the Mg alloying component can not be developed, which is reflected in the strength properties negative.
  • the mechanical characteristics of Cu alloyed AISi3MgO, 6, AISi2MgO, 6 and AISH MgO, 6 at room temperature are below those of Cu-free alloys after heat treatment.
  • the tensile strength R m is 30 N / mm 2 lower on average at about 250 N / mm 2 and the elongation A5 is about 1% lower than in the Cu-free reference alloys , Thus, the decrease in elongation is less than originally expected.
  • the tensile strength is equal to that of 0.5 wt%. Only the elongation A5 is lower by up to 2%.
  • F.-J. Feikus et al. 2001 are the mechanical properties of these new alloys with up to 0.5 wt .-% Ni compared to AISi7Mg and AISi7MgCu0.5 after a T6 heat treatment in hot tensile test at 200 0 C before.
  • the authors state that for AISi7MgCuNiFe the tensile strength is increased by about 70 MPa to 280 MPa compared to AISi7Mg.
  • the yield strength is 255 MPa 1 compared to a gain of about 65 MPa. This is accompanied by a significant drop in elongation. The elongation is more than half lower than for the alloys AISi7Mg and AISi7MgCu0.5.
  • Figure 4.61 shows a micrograph of the resulting microstructure of AISi3MgO.6Ni1 as cast and in Figure 4.62 after heat treatment.
  • the eutectic silicon is precipitated in a somewhat coarser form than without nickel addition.
  • the eutectic phase does not appear finely structured even in the casting state.
  • the eutectic Si forms during the heat treatment in the thick rounded morphology described for AISi3MgO, 6.
  • Mg 2 Si precipitates appear embedded in the eutectic of the cast structure before heat treatment between the Al dendrites.
  • Figure 4.61 shows: Microstructure of AISi3MgO.6Ni1 in the casting condition with characteristic phase designation
  • Figure 4.62 shows: Micrograph of AISi3MgO.6Ni1 in the state after
  • Figure 4.63 shows: Microstructure of AISi3MgO.6CuO.3Ni1.5 in the cast state with
  • Figure 4.64 shows: Micrograph of AISi3MgO.6CuO.3Ni1.5 in the state after
  • a further phase with a similar morphology can be determined in addition to the roundish-shaped and relatively evenly distributed silicon.
  • This component of the eutectic phase is, according to EDX analysis, represented by a mixture of Ni-containing phases of different compositions (NiAl 3 , FeNiAl 9, Al (Cu) FeNi). In some areas, larger nests of the Ni-containing phase are present. These could be the reason for the lower mechanical properties compared to AISi3MgO, 6 observed in this series of experiments, by acting as an additional disturbance phase. It is difficult to accumulate Cu and Fe impurities via the Ni master alloy.
  • CM Styles and PAS Reed 2000 make intermetallic FeNiAlg phases next to coarse Si particles a significant cause of crack initiation, leading to component failure in hypereutectic AISiCuNiMg alloys (piston alloys). This suggests that FeNiAlg phases are also negative in the low Si-containing alloy.
  • Figure 4.63 and 4.64 show exemplary microstructures of the copper-nickel test series in the cast state and after heat treatment. Coarse silicon precipitates, needle-like ⁇ -iron precipitates and thick precipitates of the compositions FeNiAI 9 and AICuFeNi can be seen in the casting state.
  • Figure 4.65 shows: Mechanical properties after T6 heat treatment at RT of a reference alloy AISi3Mg0.6 and Ni contents of 1.0; 1.3 and 1.5% by weight of Ni
  • Figure 4.65 shows the mechanical properties of various AISi3MgO, 6A Ni-containing compositions in the heat-treated T6 state.
  • different nickel contents after heat treatment do not exert any significant influence on the strengths, but rather on the elongation at break.
  • the elongation at break decreases with increasing nickel content.
  • an increase in tensile strength from comparatively low 165 MPa to 290 MPa is measurable and is thus approximately comparable to the tensile strength of the AISi3MgO, 6-A reference alloy.
  • the yield strength increases by heat treatment by about 100 MPa to about 205 MPa.
  • the elongation at break drops below 4%.
  • the yield strength is at a constant level of about 195 MPa.
  • the elongation at break decreases with increasing Ni content from comparatively high 14% without CuNi addition to values between 5.4% and 4.1%.
  • Figure 4.66 shows: Mechanical properties of French tensile bars of the alloys AISi3Mg0.6 (base) and additions of 0.3% by weight of Cu and 1 to 1.5% by weight of Ni 1.5 after T6 heat treatment in the tensile test at room temperature
  • Figure 4.67 shows: Mechanical properties of French tensile bars of the alloys AISi3Mg0.6 (basis) and additions of 0.3 wt .-% Cu and 1 to 1, 5 wt .-% Ni 1.5 after T6 heat treatment in the hot tensile test at 200 0 C.
  • the flowability of the alloys with Ni and CuNi is significantly lower, as shown in Figure 4.68 for CuNi. Without additives, a flow length of approx. 520 mm, with additions of approx. 310 to 330 mm, is determined. The Cu content does not change the flow length. The flowability is lowest for a Ni content of 1 wt%. The mold filling capacity is slightly lower for Ni content than for AISi3MgO, 6, slightly higher for CuNi content.
  • Figure 4.68 shows: Flow-length measurement of the alloys AISi3Mg0.6 and AISi3MgO.6CuO.3Ni1 -1.5
  • Chromium is a constituent of some aluminum wrought alloys (see Table 2.2). There chromium contents of usually 0.1% to 0.4 wt .-% cause an improved response of forged components to a homogenization heat treatment with simultaneous limitation of recrystallization and grain growth [KBM 1996].
  • the exact Metallurgical mechanisms of action of Cr in AISi alloys have not yet been adequately investigated, in particular in their effect on casting alloys. In general, Cr is considered undesirable in cast alloys because it significantly increases the susceptibility to hot cracking.
  • the addition of chromium in Al-wrought alloys results in improved elongation at break and increased resistance to stress corrosion cracking of the components. This advantage is especially important for forged chassis components made of AI wrought alloys and also represents a testable approach to improving the properties of cast components.
  • an alloy AISi3MgO, 6 is alloyed with chromium in work package B5.
  • a thermodynamic modeling is performed at the beginning.
  • Figure 4.69 shows a section from the quasi-steady-state equilibrium state diagram AISi3MgO, 6- Cr
  • Figure 4.70 shows a diagram according to Scheil showing the phases that separate out in their proportions as a function of the temperature for AISi3MgO, 6CrO, 3.
  • Figure 4.69 shows: section through the equilibrium state diagram of the quasi-binary system AISi3MgO, 6-Cr.
  • the due to their crystal structure with The phase designated "FCC_A1" is the aluminum mixed crystal, the phase denoted “diamond” is Al 7 Cr 2 .
  • Figure 4.70 shows: State diagram of the phase components according to Scheil, which form as a function of the temperature, for AISi3MgO, 6CrO, 3
  • a T6 heat treatment of the tensile specimens further improves strength properties.
  • Figure 4.72 shows that the tensile strength is above 300 MPa from a chromium content of 0.3%.
  • the yield strength is initially at 225 MPa, but then drops to 215 MPa at a chromium content of 0.7%.
  • the elongation at break increases from 4.5% to 10.8%. Since the mechanical properties in this first series of tests reach significantly higher values than a comparison-cast AISi3MgO, 6-base alloy, it seems possible to further increase the tensile strength and yield strength at the expense of elongation at break by optimizing the alloy composition and heat treatment parameters. Since the Cr master alloy has undesirable iron impurities, the iron content of the total alloy produced should be kept as low as possible.
  • Figure 4.71 shows: Mechanical properties of the alloys AISi3Mg0.6Cr0.1 - 0.7 determined in the cast condition in the French tensile bar
  • Figure 4.72 shows: Mechanical properties of the alloys AISi3Mg0.6Cr0.1 - 0.7 determined after a T6 heat treatment in the French tensile bar.
  • the flowability of the Cr-containing alloy is determined using the casting spiral. The results of the measurements are shown in Figure 4.73. As the Cr content increases, the flowability of the melt decreases and is well below AISi3MgO, 6, comparable to the Ni-containing alloys. Therefore, the alloy is recommended for pressurized casting rather than gravity die casting.
  • Figure 4.73 shows: flow lengths of the alloy AISi3Mg0.6 at additions of 0.1 - 0.7 wt .-% Cr
  • AISiMg for chassis applications: AISi3MgO, 6
  • AISi3MgO 6
  • AISi alloys having different low Si contents of 1 to 7% by weight, Mg contents of up to 1% by weight and Cu contents of up to 1% by weight were investigated.
  • the influence of the interference element Fe was determined. Test series with principle geometries and real cast components were supported by thermodynamic modeling.
  • the base alloy AISi3MgO, 6 has been identified as an alloy with the best property portfolio and has defined a process window for alloy composition, element content limits and ideal heat treatment, which is the basis of a patent-pending alloy specification.
  • the difference in mechanical properties for the two casting methods indicates that the maximum achievable mechanical characteristics are not only dependent on the alloy used and the possible impurities, but also significantly on the process-related parameters, such as pressure support in low-pressure counter-pressure casting, structural fineness and phase morphology, and Microstructural defects such as gas bubbles and oxides are determined.
  • a comprehensive microstructure analysis in different heat treatment states shows that the structure of the castings made of AISi3MgO, 6 depends on the respective castings.
  • process and alloying additives consists mainly of five phases independently.
  • the strength-increasing Mg 2 Si phase and a ⁇ -Al 8 Si 6 Mg 3 Fe phase similar in their behavior to the Si are characteristic.
  • excretion type ß-AI 5 FeSi which adversely affects the mechanical properties, points to the need to control the lowest possible iron content of the alloy developed.
  • phase formation and action mechanisms of enhancing the properties of AISiMg alloys by alloying chromium and increasing the heat resistance of Cu and in particular CuNi should continue to penetrate scientifically.
  • the main result of this work is the new low Si-containing AISiMg casting alloy AISi3MgO, 6 for chassis applications, which features excellent casting properties in low-pressure counter-pressure casting as well as good processibility in gravity die-casting.
  • Mechanical properties of heat-treated components from the industrial process in the CPC process are: tensile strength> 370 MPa, yield strength> 300 MPa at 11% elongation. In gravity die casting, the properties are lower, but represent an improvement over common alloys such as AISi7Mg and AISiI 1Mg. Further potential is provided by optimizing the processing, such as grain tempering and heat treatment.
  • Alker "Processing of Al-Si alloys by
  • Aluminum-Rheinfelden Aluminum-Rheinfelden: "Hüttenaluminium 1995 Gusslegtechniken”, Aluminum Rheinfelden GmbH, 7/1995, p. 18f

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Leichtmetalllegierung.

Description

Al-Gusslegierungen
Die Erfindung bezieht sich auf Aluminium-Gusslegierungen, insbesondere für Fahrwerksanwendungen.
Hierfür werden im Allgemeinen untereutektische AI-Legierungen mit einem Si- Gehalt zwischen 7 und 12 Gew.-% angewendet. Im Schwerkraft-Kokillenguss wird häufig die Legierung AISiI 1Mg, im Niederdruck-Kokillenguss die Legierung AISi7Mg eingesetzt.
Si-arme AISiMg-Legierungen, die sich gegenüber den oben genannten gängigen AISi-Gusslegierungen durch deutlich verbesserte mechanische Eigenschaften auszeichnen, sind aus der WO 2007/025528 A2 bekannt.
Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, Si-arme AI-Legierungen hinsichtlich ihrer mechanischen Eigenschaften zu verbessern.
Dies wird gemäß der Erfindung durch eine Al-Gusslegierung erzielt, die mindestens fünf der nachfolgend angeführten Legierungsbestandteile
Si: 2,5 bis 3,3, vorzugsweise 2,7 bis 3,1 Gew.-%
Mg: 0,2 bis 0,7, vorzugsweise 0,3 bis 0,6 Gew.-%
Fe: < 0, 18, vorzugsweise 0,05 bis 0, 16 Gew.-%
Mn: < 0,5, vorzugsweise 0,05 bis 0,4 Gew.-%
Ti: < 0,1 , vorzugsweise 0,01 bis 0,08 Gew.-%
Sr: < 0,03, vorzugsweise 0,01 bis 0,03 Gew.-% Sonstige: < 0,1 Gew.-% und zusätzlich Cr in einer die Festigkeit der Legierung steigernden Menge als weiteren Legierungsbestandteil enthält, jeweils zu 100 Gew.-% mit AI ergänzt.
Dies wird gemäß der Erfindung auch durch eine AI-Gusslegierung erzielt, die zumindest fünf der nachfolgend angeführten Legierungsbestandteile
Si: 2,5 bis 3,3, vorzugsweise 2,7 bis 3,1 Gew.-%
Mg: 0,2 bis 0,7, vorzugsweise 0,3 bis 0,6 Gew.-%
Fe: < 0,18, vorzugsweise 0,05 bis 0,16 Gew.-%
Mn: < 0,5, vorzugsweise 0,05 bis 0,4 Gew.-%
Ti: < 0,1 , vorzugsweise 0,01 bis 0,08 Gew.-%
Sr: < 0,03, vorzugsweise 0,01 bis 0,03 Gew.-%
Cr: 0,3 bis 1 ,3, vorzugsweise 0,4 bis 1 ,0, besonders bevorzugt 0,5 bis 0,8 Gew.-% Sonstige: < 0,1 Gew.-% enthält, und jeweils zu 100 Gew.-% mit AI ergänzt ist.
Eine solche AI-Gusslegierung ist gegenüber dem Stand der Technik stärker, zäher und duktiler.
Das vorzugsweise Zulegieren von Cr in der genannten Größenordnung führt zu einer weiteren signifikanten Verbesserung der mechanischen Eigenschaften, die bereits im Gusszustand, insbesondere jedoch nach Lösungsglühen und gegebenenfalls Auslagern, zu verzeichnen ist.
Insbesondere hat sich gezeigt, dass durch solche Chromzusätze unerwünschte Eisenausscheidungen bereits im Gusszustand in eine günstigere Morphologie überführt werden können. Für Fahrwerksanwendungen, insbesondere für radführende Bauteile, ergeben sich so insgesamt erhöhte mechanische Kennwerte.
Die erfindungsgemäßen Legierungen können herstellungsbedingte Verunreinigungen, z.B. Pb, Ni, Zn etc., enthalten, wie sie dem Fachmann allgemein bekannt sind.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass zusätzlich CuNi durch gleichzeitiges Zulegieren als weiterer Legierungsbestandteil enthalten ist. Es hat sich gezeigt, dass alleinige Kupfer- oder Nickelzusätze zu keinen signifikanten Verbesserungen der mechanischen Eigenschaften führen. Das gleichzeitige Zulegieren von Kupfer und Nickel eröffnet jedoch neue Möglichkeiten der Anwendung der Legierung, insbesondere im Bereich außerhalb des Fahrwerks für temperaturbelastete Bauteile, vorzugsweise für motornahe Applikationen.
Die erfindungsgemäßen Legierungen weisen ein gegenüber bekannten Al- Gusslegierungen verbessertes Festigkeits-Dehnungsverhältnis auf.
Als Fertigungsverfahren für Werkstücke, Bauteile oder Teile für beziehungsweise von insbesondere Fahrwerksteilen von Kraftfahrzeugen aus der erfindungsgemäßen Gusslegierung ist grundsätzlich ein Dauerformgießverfahren geeignet. Aufgrund der sehr guten mechanischen Eigenschaften bei hochbeanspruchten Werkstücken, Bauteilen oder Teilen eignen sich besonders der Schwerkraft- Kokillenguss und der Niederdruck-Kokillenguss als Fertigungsverfahren. Insbesondere bei druckunterstützten Gießverfahren, beispielsweise das Niederdruck-Gegendruck-Gießverfahren (CPC-Verfahren), Semi-Solid-Gießverfahren sowie andere druckunterstützte Gießverfahren wie das Squeeze-Casting, Gießschmieden (Cobapress) oder Formanlagen-automatisierter Niederdruck- Sandguss, ergeben sich aus dem guten Gussgefüge bessere mechanisch techno- logische Eigenschaften. Besonders bevorzugt ist hierbei das Gegendruck- Kokillengießverfahren (CPC-Verfahren).
Es kann weiterhin vorteilhaft sein, wenn die Legierung korngefeint ist. Hierzu werdn der Legierung so genannte Kornfeiner zugegeben. Kornfeinung ist eine Schmelzebehandlung, wobei unter dem Begriff "Kornfeinung" eine künstliche Erhöhung der Keimzahl in der Schmelze verstanden wird, die durch Einbringen und Verteilen von Fremdkeimen hervorgerufen wird. Dadurch wird insbesondere eine bessere Speisungsfähigkeit durch verbesserte Massenspeisung, eine verbesserte Formfüllungs- und Fließfähigkeit, eine Verringerung von Porositätsanfälligkeit und Warmrissneigung und eine dadurch erhöhte Duktilität sowie eine bessere Oberflächenbeschaffenheit der Gusslegierung erreicht.
Um die oben genannten Vorteile zu erzielen oder noch weiter zu entwickeln, ist es vorteilhaft, wenn die gegossenen Bauteile wärmebehandelt werden, insbesondere mit folgenden Parametern:
Lösungsglühen 490 bis 5400C für 1 bis 10h Anlassen 150 bis 2000C für 1 bis 10h
Für manche Anwendungsfälle kann es aber auch vorteilhaft sein, lediglich eine einstufige Anlassbehandlung vorzunehmen, allgemein bekannt als beispielsweise T4, T5 oder 0.
Eine Festigkeitssteigerung der Gusstücke kann vorteilhaft durch Abschrecken der noch heißen Gussstücke in Wasser anstelle langsamer Abkühlung an der Luft erreicht werden.
Neben den bereits genannten Vorteilen, die Bauteile aus Legierungen gemäß der Erfindung aufweisen, kommt noch hinzu, dass wegen der fehlenden Legierungs- bestandteile Cu und Zn die Korrosionsbeständigkeit bedeutend erhöht wird. Das Produkt ist auch relativ preiswert, weil keine dasselbe verteuernden Legierungszusätze, wie z.B. SE-Metalle, verwendet werden, es kann die übliche Schmelzbehandlung angewendet werden und es bedarf keines besonderen Aufwandes zur Kreislauftrennung. Ebenso wird aus Kostengründen vorzugsweise kein Ag als Legierungsbestandteil verwendet.
Es ist auch ein vorzügliches Festigkeits-Dehnungsverhältnis bei vorzüglicher Gießbarkeit vorhanden. Die Gießbarkeit ermöglicht zum einen ein von großen Fehlern, bekannt als Lunker, freies Gussstück, zum anderen wird die Mikrostruktur in einer solchen Weise positiv beeinflusst, dass die Anzahl innerer Kerben, die die Bruchdehnung verringern, möglichst gering gehalten wird.
Das Formfüllungsvermögen verbessert sich ebenfalls bei der erfindungsgemäßen Anwesenheit von Cr.
Die Erfindung betrifft außerdem die Verwendung von Al-Gusslegierungen nach einem der vorhergehenden Ansprüche für Werkstücke, Bauteile oder Teile für beziehungsweise von Fahrwerksteilen von Kraftfahrzeugen. Insbesondere für stärker beanspruchte Komponenten, wie Radträger oder Schwenklager hat sich die erfindungsgemäße Legierung als besonders geeignet herausgestellt. Als bevorzugtes Verfahren zur Herstellung solcher stärker beanspruchter Komponenten wird das Niederdruck-Gegendruck-Kokillengießverfahren (CPC-Verfahren) verwendet.
Beispiel
Zur Ermittlung der mechanischen Eigenschaften der Legierung AISi3Mg0.6Cr0.7 wird ein so genannter "Französischer Zugstab" nach DIN 50125 in der so genannten "Französischen Kokille" im Schwerkraft-Kokillengießverfahren gegossen. Anschließend erfolgt eine Wärmebehandlung T6, wobei der Anschnitt und der Spei- ser erst nach der Wärmebehandlung abgetrennt werden, um einen möglichen Probenverzug entgegenzuwirken. Ermittelt werden die mechanischen Eigenschaften Zugfestigkeit Rm, Streckgrenze Rp0,2 und Bruchdehnung A5 nach DIN10002.
Nach einer T6-Wärmebehandlung kann eine Steigerung der Bruchdehnung um 3 % - Punkte festgestellt werden, die mit einer Erhöhung der Zugfestigkeit um ca. 37 MPa einhergeht. Die Streckgrenze weist hierbei ein gleich bleibend hohes Niveau auf.
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Weiterbildungen und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung werden im Folgenden offenbart. Der Offenbarungsgehalt ergibt sich auch aus der nachveröffentlichten Dissertation "Legierungsentwicklung für hochfesten Aluminiumguss in Dauerformgießverfahren für Fahrwerksanwendungen", Andreas G. R. Hennings, RWTH Aachen Gießerei-Institut, Forschung, Entwicklung, Ergebnisse, Band 56. Der Offenbarungsgehalt dieser Dissertation, welche der prioritätsbegründenden Anmeldung DE 10 2007 053 159 entspricht, wird durch ausdrücklichen Verweis als zum Gegenstand der vorliegenden Anmeldung gehörig in diese aufgenommen. 0.1 Einleitung und Motivation Aluminium im Automobil und Fahrwerk
Die ständig steigenden Anforderungen an Komfort, Sicherheit und Treibstoffmini- mierung setzen die Automobilproduzenten unter immer stärkerem Innovationsdruck. Von besonderer Bedeutung für die Treibstoffeinsparung ist die Reduzierung des Fahrzeuggewichtes. Nach dem heutigen Stand ist dies im Auto nur durch höhere Bauteilintegration und den Einsatz von Leichtbauwerkstoffen wie Aluminium und Magnesium zu erreichen. Die Notwendigkeit einer Gewichtsreduzierung für ungefederte Massen bei gleichzeitigen Forderungen wie Fahrdynamik und Komfort kommt im Fahrwerk verstärkt zum tragen, wobei das Gewicht der Radführung im Wesentlichen durch die maximale Achslast und Fahrdynamik bestimmt wird [V. Berkefeld et al. 1994]. Gegossene Leichtmetallkonstruktionen bieten im Fahrwerk nach Angaben von Automobilherstellern und Zulieferern Potenzial für Gewichtseinsparungen zwischen 25 % und 35 % gegenüber Fe-Guss oder Stahl-Schmiedebauteilen [M. Menge et al. 2005; P. Hutmann, S. Kalke 1998; K. Heeß, F. Söffge 1998; H. Friedrich 2002]. Im Gegensatz zu Schweißkonstruktionen liegt bei Aluminiumguss eine im gesamten Bauteil einheitliche Werkstoff- und Gefügestruktur vor ohne die beim Schweißen häufig auftretenden Spannungsrisse und Gefügeveränderungen [E. Neuwirth 2005]. Weitere Triebkraft für den Einsatz von Al-Guss liegt in der erhöhten Bauteil- und Funktionsintegration, die der Guss gegenüber gefügten und geschmiedeten - Konstruktionen bietet.
Motivation und Ziel der Arbeit
Aufgrund der exzellenten mechanischen Eigenschaften bei hochbeanspruchten Fahrwerksteilen eignen sich besonders Schwerkraft-Kokillenguss und Niederdruck-Kokillenguss als Fertigungsverfahren. Ein weiterer Vorteil besteht in der nahezu unbegrenzten Gestaltungsfreiheit. Mit dem Kokillengießverfahren lassen sich Bauteile in Integralbauweise [E. Neuwirth 2005] mit extremen Wanddickenunterschieden und komplizierten Innenkonturen wie Verrippungen und Gewinden herstellen. Infolge der speziellen Anforderungen an das Gießen von Fahrwerksbauteilen als Kompromiss zwischen maximalen mechanischen Eigenschaften und Gießbarkeit haben sich traditionell untereutektische AI- Legierungen mit einem Si-Gehalt zwischen sieben und zwölf Gewichtsprozent (AlSi-System) für solche Anwendungen durchgesetzt. Im Schwerkraft-Kokillenguss wird häufig die Legierung AISiHMg, im Niederdruck-Kokillenguss die Legierung AISi7Mg eingesetzt.
Während der letzten Jahre wurden gängige Gießverfahren optimiert und Sondergießverfahren entwickelt, wie z. B. das Niederdruck-Gegendruck-Gießverfahren (CPC-Verfahren) sowie andere druckunterstützte Gießverfahren wie das Squeeze- Casting und Gießschmieden (Cobapress). Ebenfalls wurden eine stärkere Prozessdurchdringung und -Verbesserung durch den Einzug numerischer Simulation und neuer Methoden der Analytik ermöglicht. Zudem wurden die Reinheit von Legierungen, ihre schmelzmetallurgische Prozessführung und Qualitätskontrollen verbessert. Diesen Neuerungen wird aber bisher nur unzureichend Rechnung getragen bei der Entwicklung von speziell auf die neuen Verfahren zugeschnittenen Aluminium-Legierungen. Da die Einsatzmöglichkeiten der gängigen Leichmetalllegierungen wegen stetig steigender Anforderungen jedoch begrenzt erscheinen, müssen für zukünftige Anwendungen stärkere, zähere und duktilere Aluminiumlegierungen entwickelt werden.
Ziel dieser Arbeit ist es, gemäß den zukünftigen Anforderungen an Fahrwerksbauteile, eine auch im industriellen Großserienverfahren wirtschaftliche hochfeste Aluminium-Gusslegierung unter Nutzung moderner Methoden der Legierungsentwicklung zu entwerfen, deren Eigenschaftsprofil demjenigen heutiger Al-Gusslegierungen überlegen ist. Die Entwicklung soll in industriellen Dauerformgießverfahren erprobt und charakterisiert werden. 0.2 Anforderungen an Aluminium-Gussbauteile für das Fahrwerk
Aluminium-Gussbauteile für Fahrwerksanwendungen müssen sich vor allem durch Eigenschaften wie hohe Festigkeit, hohe Bruchdehnung und Korrosionsbeständigkeit auszeichnen. Typische Anforderungen für AI-Gussteile im Fahrwerk, beispielsweise für eine im Schwerkraft-Kokillenguss mit AISiHMg gegossene Fahrwerkskonsole (Volkswagen PQ 24), sind:
• Zugfestigkeit Rm über 270 MPa und Streckgrenze Rp0,2 über 180 MPa,
• Bruchdehnung A5 über 7 %,
• Betriebsfestigkeit: 70 MPa bei 106 Lastwechseln,
• gute Korrosionsbeständigkeit.
Für stärker beanspruchte Komponenten wie Radträger und Schwenklager, die entsprechend den bereits einleitend vorgestellten Verfahren von Niederdruck-Gegendruckgießen, Squeeze-Casting oder Cobapress hergestellt werden, verlangt man Kennwerte bis zu Rm >300 MPa, Rp0,2 >240 MPa1 A5 >7 %.
Über die geschilderten Bauteileigenschaften hinaus sind weiter steigende Anforderungen an AI-Kokillengussbauteile zu erwarten. Die Arbeit zielt dementsprechend auf die Entwicklung von Al-Basislegierungen für Dauerformgussanwendungen zur Einstellung signifikant höherer mechanischer Bauteileigenschaften, insbesondere der Streckgrenze. Aus diesen Anforderungen ergeben sich die angestrebten Zielvorgaben für die innovative AI-Legierung:
• maximale Streckgrenze, orientiert an Al-Knetlegierungen,
• Bruchdehnung A5 oberhalb von 7%,
• E-Modul ca. 70 GPa,
• gute Korrosions- und Temperaturbeständigkeit,
• gute Gießeigenschaften im Dauerformguss,
• reproduzierbare Qualität (Prozesssicherheit) und Prüfbarkeit ,
• niedrige Kosten und leichte Verfügbarkeit der Legierung. 0.3 Strategie zur Entwicklung einer hochfesten Al-Gusslegierung
In eine grundsätzliche Abschätzung zur Auswahl eines zu entwickelnden Legierungssystems geht zunächst die Betrachtung etablierter AI-Knetlegierungen und AI-Gusslegierungen ein, bzw. die Beurteilung ihrer Eigenschaften in Bezug auf die in Abschnitt 0.2 definierten Parameter. Primär erfolgt eine Bewertung gemäß allgemeiner Kriterien wie Korrosionsbeständigkeit und preisgünstiger Verfügbarkeit von Legierungen.
AI-Legierungen mit Kupfergehalten über 1 Gew.-% sind wegen ihrer Korrosionsanfälligkeit im Fahrwerk ungeeignet. In AISi-Legierungen können Kupfergehalte bis zu 1 Gew.-% bei Raum- und höheren Temperaturen festig- keitssteigernd sein und im Dauerformguss akzeptable Gießeigenschaften (Warmsissigsanfälligkeit) besitzen [S. Baltes 2003]. Daher werden Kupfergehalte unter 1 Gew.-% für eine zu entwickelnde Legierung mit berücksichtigt.
Kostenaspekte führen zum Ausschluss von AI-Legierungen, die Silber enthalten, obwohl sie herausragende Festigkeitseigenschaften aufweisen. Von Legierungen auf Aluminium-Lithium-Basis ist ebenfalls aus Kostengründen und wegen ihrer problematischen Verarbeitungsmöglichkeit abzusehen. Gleiches gilt für seltene Erden (RE), sofern sie nicht in kleinen Mengen zu Veredelungszwecken zugegeben werden. Ebenso verbieten sich die Legierungsgruppen Al-Zn-Mg und Al- Mg-Si. Erstere neigen zu hoher Korrosion und unvorhersehbarem Sprödbruch, welcher für Fahrwerksanwendungen ein Ausschlusskriterium darstellt. AIMgSi- Legierungen besitzen zwar ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit [VAW-IMCO 2004], ihre Festigkeits- und Verarbeitungseigenschaften liegen jedoch unter denen von AISi-Legierungen.
Infolge dieser Eingrenzungen rückt das bereits etablierte System Al-Si für eine weitere Legierungsentwicklung in den Fokus dieser Arbeit. Das System unter- eutektischer AISi-Legierungen ist, mit Hinblick auf Gussanwendungen für Legierungen mit 7 Gew.-% Si und mehr, umfassend erforscht. Festigungssteigernde Legierungsbestandteile und Wirkung von höherem Silizium- Gehalt, Mg- oder Cu-Zulegierung sowie Verfahrenseinflüsse sind bekannt. Gleiches gilt für begrenzende Faktoren wie Morphologie von primärer und elektischer Phase, für den Einfluss von Fe-haltigen intermetallischen Phasen und den Einfluss des Si-Gehaltes auf gießtechnologische Eigenschaften. Das Korrosionsverhalten von AISi-Gusswerkstoffen ist weitgehend unabhängig vom Siliziumgehalt [A. Bjorgum et al. 2005]. Ein weiterer günstiger Ansatzpunkt für Legierungsentwicklung auf AISi-Basis ist, dass aufgrund der umfassenden Erfahrung mit dieser Werkstoffgruppe eine Akzeptanz für legierungstechnische Neuentwicklungen am Gusskundenmarkt eher gegeben ist als für komplett neu zu etablierende Legierungssysteme.
Gemeinhin gelten AISi-Legierungen mit Silizium-Gehalten unter 7 Gew.-% aufgrund ihrer Erstarrungsmorphologie als ungeeignet zur gießtechnischen Verarbeitung und sind dementsprechend nach DIN-EN 1706 nicht genormt. Legierungen mit 5 Gew.-% Si-Gehalt (AISiδMg) wurden im Jahr 1986 aus der Norm gestrichen, da sie erheblich schlechtere Gießeigenschaften und geringere Festigkeiten als AISi7Mg aufweisen. AISi-Legierungen mit geringen Si-Gehalten sind nur vereinzelt in grundlegenden Forschungsarbeiten bezüglich ihrer Erstarrungsmorphologie und gießtechnologischen Eigenschaften untersucht worden, um Eigenschaftstendenzen gängiger AISi-Gusswerkstoffe darzustellen [W. Patterson, H. Brand 1960; W. Patterson, S. Engler 1961; S. Engler, L. Heinrichs 1973; S. Engler, R. Ellerbrok 1975; S. Engler, G. Schleiting 1978]. Diese Veröffentlichungen stellen eine solide Grundlage für eine anknüpfende Legierungsentwicklung von AISi-Gusswerkstoffen in diesem Forschungsvorhaben dar.
Neue, teilweise druckunterstützte Gießverfahren wie das Niederdruck-Gegendruckgießen begünstigen den Einsatz auch tendenziell schlecht vergießbarer Legierungen. Der Einsatz von numerischer Simulation ermöglicht ein besseres Verstehen der Erstarrungslenkung eines Gussteils. „Faustregeln" zur Auslegung von Gussformen gelten seit dem Einsatz von numerischer Simulation weitgehend als überholt. Eine flexible bauteilentsprechende Auslegung ist nunmehr erleichtert. Die Form betreffend stehen sowohl präzisere Heizungen und Kühlsysteme, als auch neue Kokillenwerkstoffe zur Verfügung. Im Schmelzbetrieb sind ebenfalls verbesserte Grundwerkstoffe als Einsatzmaterial erhältlich. Die Methoden der Schmelzereinigung und -behandlung wurden ebenfalls verbessert. Mit diesen Fortschritten einhergehend stehen neue Methoden der Prozesskontrolle wie Anlagenautomatisierung, Online-Röntgenprüfung oder Tomographie zur Verfügung, welche engere Toleranzbereiche bei besserer Gussqualität zulassen. Vor diesem Hintergrund erscheint es sinnvoll, die bisherigen Ansichten über die Vergießbarkeit von AISi-Legierungen mit geringen Si-Gehalten zu hinterfragen.
Ein zweiter, werkstofftechnischer Anknüpfungspunkt für die umfassende Legierungsentwicklung sind neben einer Senkung des Siliziumgehalts Mechanismen der Aushärtung durch Zulegieren weiterer Elemente und gezielte Phasenbeeinflussung. Flankierende Orientierung gibt, neben thermodynamischer Modellierung und Berücksichtigung metallkundlicher Grundlagen, die Betrachtung anderer Gusslegierungen (AISi7Mg), wie vor allem von Al-Knetlegierungen.
0.4 Methodik der Legierungsentwicklung
Eine systematische Legierungsentwicklung erfolgte in der Vergangenheit zumeist in der Übertragung bekannter werkstoffkundlicher Phänomene auf andere Werkstoffgruppen und breiter experimenteller Erprobung mit ausführlichen Messreihen. Diese empirische Arbeitsweise bringt zwar den Vorteil einer umfassenden Datenbasis, hat aber den Nachteil eines hohen Aufwands an Entwicklungszeit und Blindleistung durch nicht zielführende Entwicklungen. Mehr Effizienz verspricht Legierungsentwicklung, die sich zusätzlich zum notwendigen Experiment an Prinzipbauteilen im Labor parallel an realen Bauteilen im Industrieprozess stützt und hochauflösende Analytik zur Gefüge- und Defektcharakterisierung nutzt. Eine zukünftige wissensbasierte Legierungsentwicklung geschieht verstärkt durch den Einsatz von thermodynamischer Modellierung, unter Berücksichtigung der Kinetik im Werkstoff (Thermo-Calc, DICTRA), und einer jetzt noch aufwändigen simulativen Gefügemodellierung (z. B. Einsatz von MICRESS) [A. Bührig-Polaczek et al. 2005]. Bild 0.1 stellt die zur AI-Legierungsentwicklung in dieser Arbeit genutzten Werkzeuge schematisch vor. Auf die Details der Legierungsentwicklung wird im Folgenden eingegangen.
Bild 0.1 zeigt: Methodik der zur Verkürzung der Entwicklungszeit zeitlich parallel erfolgenden dreigliedrigen Legierungsentwicklung und die dabei genutzten Werkzeuge.
0.5 Ablauf der Legierungsentwicklung
Die Legierungsentwicklung untergliedert sich in drei umfassende Arbeitspakete (Tabelle 0.1), die zur Verkürzung der Entwicklungszeit für ihre Unterabschnitte teilweise parallel ablaufen:
• A: Voruntersuchungen und Potenzialabschätzung,
• B: Laboruntersuchungen und Entwicklung,
• C: Gießerei-Erprobung und Optimierung der Ziellegierung.
Arbeitspaket A dient der zeitlich effizienten Potenzialabschätzung für die Entwicklung hochfester Aluminium-Legierungen für Dauerformgießverfahren, basierend auf der Verringerung des Siliziumgehalts von AISi-Legierungen. Ausgehend von AISi7Mg wird der Si-Gehalt beim Gießen von Zugstäben systematisch bis 3 Gew.-% Si reduziert, um einen ersten Aufschluss über die Auswirkungen auf die mechanischen Eigenschaften im Gusszustand und nach Wärmebehandlungen zu erlangen. Des Weiteren werden mit einer Si-armen AISi- Legierung Probeabgüsse im CPC-Verfahren durchgeführt, um einen primären Eindruck über die generelle Gießbarkeit Si-armer AI-Legierungen in druckunterstützten Gießverfahren zu erhalten. Zudem wird die Übertragbarkeit von Eigenschaften im Zugstab auf Bauteileigenschaften im industriell gefertigten Gussteil untersucht. In Paket A bleibt „Thermodynamische Modellierung" noch ausgespart. Daher ist der Versuchsansatz empirisch und die Wärmebehandlungsparameter sind noch nicht zielgerichtet gewählt.
Für Arbeitspaket B wird entschieden, die Arbeiten im Labormaßstab fortzusetzen und weiter zu systematisieren. Das zu untersuchende AISi-Legierungsspektrum wird hierzu bis zu den Al-Knetlegierungen (1 Gew.-% Si) hin erweitert. Vornehmlich sollen die Fließeigenschaften und der Si-Einfluss auf mechanische Eigenschaften ermittelt werden. Als zusätzliche Versuchparameter werden höhere Mg-Gehalte gewählt (0,6 und 1 Gew.-%) und unter Einbeziehung des Eisengehalts und der Interaktion der Elemente betrachtet. Unterstützt werden die Arbeiten zeitlich parallel durch den Einsatz von thermodynamischer Modellierung zur Optimierung des Magnesium-Gehalts und zur Bestimmung der Randbedingungen einer Wärmebehandlung. Weiterführend wird der Einfluss von Cu- Gehalten unter 1 Gew.-% aufgenommen.
Tabelle 0.1: Versuchsplan der Legierungsentwicklung
Arbeitspaket A : „ Voruntersuchungen " mit: AISi7Mg; AISiβMg; AISiδMg; AISi4Mg; AISi3Mg
Zugstab (Franz.- u. Dietz-Kokille): 5 Varianten: Si variiert, 0,2 Gew.-% Mg CPC-Verfahren: 3 Varianten: AISi3MgO,3; AISi5MgO,3; AISi5MgO,3CuO,2 mech. Eigenschaften im Gusszustand (F) und teilweise nach T6-Wärmebehandlung (WB); Metallographie, Sicht- u. Röntgenprüfung der Bauteile
Arbeitspaket B: „Labor-Erprobung" im Schwerkraft-Kokillengießen am Französischen Zugstab
Arbeitspaket BI: AISI7 - AISH thermodynamische Modellierung: Variation Si-Gehalt, zusätzlich variabler Mg-, Cu-Gehalt gießtechnologische Eigenschaften: Fließvermögen
Arbeitspaket B2: AISi3Mg; AISi2Mg; AISHMg
Franz. Zugstab: 18 Legierungsvarianten:
Mg-Gehalt: 0,6 und 1 Gew.-% Cu-Gehalt: 0; 0,5 und 1 Gew.-% mech. Eigenschaften: Gusszustand (F), Lösungsglühen + Auslagern (T6) Metallographie, Analytik (REM)
Arbeitspaket B3: AISi5MgO,6; AISi3MgO,6; AISi2MgO,6; AISH MgO, 6
AISi3MgO,6CuO,6
Franz. Zugstab: 5 Legierungsvarianten mech. Eigenschaften: (F), (T6) bei Optimierung der WB gegenüber B2; Metallographie, Analytik (REM, EDX)
Arbeitspaket B4: AISi2,7MgO,6 - AISi3,3MgO,6
Franz. Zugstab: 3 Legierungsspez. mit Si-Gehalt (2,7; 3,0; 3,3 Gew.% Si)
Einfluss des AITi5B1 -Gehalts auf AISi3MgO,6 gießtechnologische Eigenschaften: Formfüllungsvermögen, Warmrissanfälligkeit mech. Eigenschaften: F, T6 (B2)
Arbeitspaket BS: AISi3MgO,6 + weitere Legierungselemente thermodynamische Modellierung, je 3 Varianten in folgenden Spezifikationen:
Franz. Zugstab: Ni (1; 1,3; 1,5 Gew.-%)
Ni (1; 1 ,3; 1,5 Gew.-%) + 0,3 Gew.-% Cu
Cr (0,1 ; 0,3; 0,5; 0,7 Gew.-%) gießtechnologische Eigenschaften: Fließvermögen, Formfüllungsvermögen mech. Eigenschaften: (F), Lösungsglühen (LG), (T6) bei RT und für Cu-haltige Leg. 2000C
Metallographie, Analytik (REM, DAS)
Arbeitepaket C „ Gießerei-Erprobung" auf Seriengießanlagen
Arbeitspaket CI: AISi3MgO,6
Franz. Zugstab 3 Proben-Varianten (franz. Zugstab als Referenz zu B4):
PQ 24 (Schwerkraft-Kokille) jeweils Abkühlung an Luft sowie Abschrecken:
PQ 46 (CPC): Zustände: Gusszustand F, nach Lösungsglühen, T6 mech. Eigenschaften, Aushärtungskurven zur Wärmebehandlung, Sicht- u. Röntgenprüfung der Bauteile, Metallographie, Analytik (EDX, Porosität, DAS, Phasenanteile) Arbeitspaket C2: AISi3,3MgO,6
PQ 24 (Schwerkraft-Kokille): 4 Schmelzebehandlungs-Varianten:
AITi5B1 , TiBAlloy, Argon-Spülung, Formiergasspülung PQ 46 (CPC): 3 Schmelzebehandlungs-Varianten:
AITi5B1+ Sr-veredelt; AITJ5B1+ Sr-veredelt+ Mn, TiBAlloy mech. Eigenschaften: F, T6 , Sicht- u. Röntgenprüfung der Bauteile, Metallographie, Analytik (Porosität, DAS)
Arbeitspaket C3: AISi3MgO,6
Stufenplatte (Druckgießen) 4 unterschiedliche Versuchsprofile bzgl. Kombination von
Schmelze- und Formtemperatur und Nachdruck gießtechnologische Eigenschaften: Warmrissigkeit, Ausformbarkeit mech. Eigenschaften: F, Versuch einer WB Sicht- u. Röntgenprüfung der Bauteile, Metallographie
Gegen Ende des Arbeitsschritts B4 erfolgt eine Konzentrierung auf ein legierungsspezifisches Verarbeitungsfenster (Elementgrenzen) für die im Rahmen dieser Arbeit neu entwickelte Legierung AISi3MgO,6. In der Durchführung zeitlich auf das Arbeitspaket C folgend, aber logisch zu Teil B gehörend, da nur Laborexperimente stattfinden, wird in Arbeitspaket B5 der Einfluss weiterer Legierungsbestandteile wie Ni, Cu und Ni, Cr auch unter dem Aspekt der Warmfestigkeit untersucht.
In Arbeitspaket C erfolgt die Felderprobung im industriellen Gießprozess. Während der Gießerei-Erprobung wird ein optimales Prozessfenster der innovativen Legierung eröffnet, bezüglich der Verarbeitbarkeit und der Toleranzbereiche im jeweiligen Gießverfahren, sowie ihrer chemischen Spezifikationen hinsichtlich erzielbarer mechanischer Eigenschaften. Neben der Definition von Legierungsspezifikationen wird auch der Einsatz von Komfeinungsmitteln und einer Sr-Veredelung untersucht. Bestandteil von Arbeitsabschnitt C ist zudem die Erprobung der Ziellegierung AISi3Mg im Druckgießen. Zum Ende dieser Arbeitsphase ist die Legierungsentwicklung so weit voran geschritten, dass die neu entwickelte Gusslegierung aufgrund ihres vielversprechenden Eigenschaftsprofils für Anwendungen im Schwerkraft-Kokillengießen und Niederdruck-Gegendruck-Gießverfahren grundsätzlich als einsatzfähig angesehen wird. Als Abschluss der Arbeit werden weitere Wege zur Eigenschaftsverbesserung der neuen Legierung AISi3MgO,6 durch Zulegieren von Cr, Ni und CuNi erprobt. Eine weitere Verbesserung der Festigkeit und Dehnung von AISi3MgO,6 kann ein Zusatz von Chrom bewirken und die Warmfestigkeit kann durch einen Legierungszusatz von Kupfer und Nickel verbessert werden.
0.6 Gießverfahren, Prinzipgeometrien, Bauteile Gießverfahren
Die Legierungen werden am Gießerei-Institut der RWTH Aachen zunächst in Prinzipgeometrien zum Gießen von Zugstäben („Französische Kokille" Bild 0.2 und Bild 0.3) und zur Bestimmung gießtechnologischer Eigenschaften (z. B. „Gießspirale" Bild 0.4) im Schwerkraft-Kokillengießverfahren untersucht. In Voruntersuchungen zeigt sich, dass die Ergebnisse der sog. „Französischen Kokille" besser als die der sog. „Dietz-Kokille" mit den Dehnungseigenschaften realer Kokillengussbauteile korrelieren. Zudem werden ausgewählte Legierungen anhand von Abgüssen mit „Realbauteilen", in industrieller Serienproduktion im Schwerkraft-Kokillengießverfahren (PQ 24) sowie im Niederdruck-Gegendruck- Gießverfahren (CPC) (PQ 46) in der KSM Castings GmbH, Kloth-Senking Metallgießerei, Hildesheim, hergestellt und anschließend analytisch am Gießerei-Institut bewertet. In einem prinzipiellen Anwendungsfall wird das Kaltkammer-Druckgießverfahren („Stufenprobe") genutzt, um eine verfahrensspezifische Abgrenzung der entwickelten Legierung für die wichtigsten Dauerformgießverfahren zu ermöglichen.
Rundzugproben im Schwerkraft-Kokillengießverfahren
Zur Ermittlung der mechanischen Eigenschaften von Legierungen und ihrer Spezifikationen werden Rundzugproben nach DIN 50125 (B10) in der sog. „Französischen Kokille" gegossen, Bild 0.2 und Bild 0.3. Es erfolgt eine vergleichende Bewertung zur „Dietz-Kokille" und Proben aus Funktionsbauteilen, die eine gute Übertragbarkeit von Kennwerten aus Experimenten mit der „Französischen Kokille" zum industriellen Prozess bestätigt. Neben der Ermittlung von mechani- schen Eigenschaften (Rm; Rp0,2; A5) dienen diese Proben auch durch Anfertigung von metallographischen Schliffen zur Gefügecharakterisierung. Sollen Zugstäbe im wärmebehandelten Zustand untersucht werden, so erfolgt ein Abtrennen des Anschnitts und Speisers erst nach der Wärmebehandlung, um einem möglichen Probenverzug entgegenzuwirken.
Flachzugproben im Druckgießen (Stufenplatte)
In Arbeitspaket C wird die entwickelte Legierung AISi3Mg auf ihre Eignung für das Druckgießverfahren untersucht. In diesen Experimenten wird die Legierung unter den Prozessvarianten Gießtemperatur und Nachdruck beim Druckgießen geprüft. Die Probengeometrie einer Stufenplatte bietet die Möglichkeit der Abschätzung von gießtechnologischen Eigenschaften im Druckgießen.
Die Stufenplatten werden auf einer Kaltkammer-Druckgießmaschine Bühler 630- SC am Gießerei-Institut der RWTH Aachen hergestellt. Das Werkzeug ist aus zwei vertikalen Formhälften zusammengesetzt. Diese bestehen jeweils aus einem Formrahmen, der das modulare Einsetzen von Prinzipgeometrien ermöglicht, und dem eigentlichen Werkzeugeinsatz der Stufengeometrie (Bild 0.5). Die Probengeometrie unterschiedlicher Wandstärken wird dabei von der beweglichen Formhälfte abgebildet; Anschnitt und Gießlauf liegen in der festen Formhälfte, welche die Gießkammer aufnimmt (Bild 0.6).
Bild 0.2 zeigt: zweiteilige Französische Kokille
Bild 0.3 zeigt: gegossener „Französicher Zugstab" mit Einguss, Anschnitt und peiser
Bild 0.4 zeigt: Dargestellt ist eine Skizze der neu entworfenen Gießspiralen- Kokille. Die obere Formhälfte (links) enthält eine Öffnung für den einsetzbaren Einguss aus Cold-Box-gebundenem Sand, Entlüftungsbohrungen und Heiz- Kühlkanäle. Die untere Formhälfte (rechts) stellt die Spiralgeometrie dar und die Anordnung der Heiz-Kühlkanäle. Die Markierungen entlang der Spiralgeometrie entsprechen einer cm-Bemaßung.
Bild 0.5 zeigt: Dargestellt ist links die bewegliche und rechts die feste Formhälfte der Druckgießform der Stufenprobe. Die Prinzipgeometrie wird durch einen in den
Werkzeugrahmen eingesetzten Formeinsatz abgebildet.
Bild 0.6 zeigt: Die Skizze zeigt die Prinzipgeometrie der Stufenprobe mit drei unterschiedlichen Wandstärken (5, 4, 3 mm) mit Anschnitt, Gießlauf und seitlichen
Überlaufbohnen der Form. Die Stufenplatte hat DIN A4-Größe.
Da der Wanddickeneinfluss auf die gießtechnologischen und mechanischen Eigenschaften im Druckgießen erheblich ist, folgt eine spätere Fertigung von Flachzugproben unterschiedlicher Bauteilwandstärken aus den Stufenplatten. Die eingesetzte Stufenplatte bietet die Möglichkeit des Gießens von drei unterschiedlichen Wandstärken (5, 4, 3 mm). In Zugversuchen werden Zugfestigkeit, Streckgrenze und Bruchdehnung ermittelt.
Bestimmung des Fließvermögens von Legierungen
Für die zu untersuchenden Legierungen werden Fließlängen in einer Gießspirale ermittelt. Die hier verwendete Gießspirale ist eine neu entworfene Stahlkokille (Bild 0.4), die durch einen geregelten Ölkreislauf temperiert wird. Gegenüber früheren Experimenten wird die Befüllung der Gießspirale als weitere Neuerung der Versuchsanordnung mit einem Manipulatorarm durchgeführt, um eine bessere Reproduzierbarkeit der Ergebnisse zu erlangen.
Formfüllungsvermögen
Zur Ermittlung des Formfüllungsvermögens (FFV) wird die sog. „Bolzenprobe" (Bild 0.7) verwendet. Als Neuerung im Versuchsaufbau gegenüber älteren Untersuchungen wird auch diese Probe über eine automatisierte Schöpflöffeldosierung gefüllt. In diesem Forschungsprojekt wird die Bolzenprobe verwendet, um die Einflüsse von Legierungsvarianten von AISi3Mg nachzuweisen. Das FFV wird in Abhängigkeit des Gehalts an Kornfeinungsmittel und in Abhängigkeit der metallostatischen Druckhöhe bestimmt. Diese Ergebnisse dienen zur Einschätzung der gießtechnologischen Eigenschaften im Schwerkraft-Kokillenguss. Zur Bestimmung des FFV in druckunterstützten Dauerformgießverfahren wie dem CPC-Verfahren sind Ergebnisse der Bolzenprobe nicht übertragbar, da hier deutlich höhere Drücke auf die Formfüllung wirken. Dementsprechend weisen die Legierungen hier ein erheblich verbessertes Formfüllungsvermögen auf.
Fahrwerkskonsole PQ 24 und Radträger PQ 46 als reale Bauteile Nach Vorentwicklung im Gießlabor werden ausgewählte Legierungsvarianten der in dieser Arbeit entwickelten Legierung AISi3MgO,6 auf ihre mögliche Anwendung im realen Bauteil beim Gießen einer Fahrwerkskonsole PQ24 und eines Radträgers PQ46 erprobt.
Bild 0.7 zeigt: Skizziert ist die Kokillengeometrie der „Bolzenprobe" zur
Bestimmung des Formfüllungvermögens (FFV) von Gusslegierungen, [S. Engler,
R. Ellerbrok 1975].
Bild 0.8 zeigt: PQ24-Fahrwerkskonsole im bearbeiteten Zustand.
Bild 0.9 zeigt: PQ46-Radträger, im oberem Bereich ist der dem Gießverfahren entsprechend, klein dimensionierte speisende Anguss erkennbar
Die auf Bild 0.8 dargestellte Fahrwerkskonsole PQ24 (VW Polo, Skoda Fabia, Audi A2) der Volkswagen AG wird im Schwerkraft-Kokillengießverfahren gefertigt. Als ein wichtiges Ergebnis der Voruntersuchungen in Arbeitspaket A ist anzumerken.dass bei tieferen Temperaturen als 7000C das Fertigen von fehlerfreien Gussstücken aufgrund der schlechten Gießeigenschaften (Fließvermögen) der AISi3-Schmelzen nicht möglich ist. Die Gießtemperatur während der Versuche beträgt maximal 7500C. Eine Teilaufgabe der angestellten Untersuchungen ist es, die Auswirkungen eines Abschreckens in kaltem Wasser auf die Eigenschaften der Gussteile zu bestimmen. Der in Bild 0.9 dargestellte Radträger PQ46 (VW Passat, Skoda Süperb) der Volkswagen AG wird im Rahmen der Arbeit mit Legierungsvarianten von AISi3Mg auf einer Niederdruck-Gegendruck-Gießanlage der Fa. CPC gegossen.
0.7 Thermodynamische Modellierung
Das im Rahmen der Forschungsarbeit eingesetzte Werkzeug der thermodynami- schen Modellierung ist das Programm Thermo-Calc-Classic TCC und seine auf Windows basierende anwendungsfreundlichere Version TCW [Thermo-Calc 2006]. Das Programm ermöglicht es, Phasen, ihre Bildungstemperaturen und Phasenanteile von Legierungen unter thermodynamischen Gleichgewichtsbedingungen (langsame Abkühlung) und im Ungleichgewicht nach Scheil- Gulliver zu bestimmen. Aufgrund der hohen Abkühlraten in Dauerformgießverfahren erstarren in ihnen Legierungen im thermodynamischen Ungleichgewicht, weshalb die Modellierungen nach Scheil durchgeführt werden. Die für Modellierungen von AISi-Basislegierungen genutzte Datengrundlage dieser Untersuchungen ist die Datenbank COST2 „Light Alloys Database v2.1 1998/2003" für Aluminium- und Leichtmetallwerkstoffe.
Explizit zum Einsatz kommt Thermo-Calc in dieser Arbeit bei der Abschätzung entstehender Phasen und ihrer Anteile im Gussgefüge der neu zu entwickelnden Legierungen. So können zum Beispiel maximale Gehalte von Festigkeit fördernden Bestandteilen in AISi-Legierungen wie Mg und entstehende Mg-haltige Phasen bestimmt werden. Gleiches gilt für das Zulegieren von Cr, Cu, Ni sowie Cu und Ni. Ebenfalls kann ermittelt werden, in welchem Umfang Legierungselemente eingegrenzt werden müssen, um Fe-haltige oder andere Störphasen zu minimieren. Zudem werden durch Thermo-Calc berechnete Bildungstemperaturen von Phasen herangezogen, um die Temperaturparameter der Wärmebehandlungen zu optimieren. Ein Beispiel zeigt Bild 0.10, für AISi3MgO.6CrO,3. Ergebnisse kleiner Phasenanteile oder in engen Bereichen auftretende Phasen wie intermetallische Phasen sind genauer zu hinterfragen. Es empfiehlt sich, vor Beginn umfassender Modellierungen, in exemplarischen Fällen die Ergebnisse von Phasenanteilsberechnungen mit metallographischen Schliffen zu vergleichen. Das kommerzielle Datenbank-Modul COST2 ist momentan noch nicht fähig, über eine thermodynamische Modellierung von entstehenden Phasen hinaus, auch Morphologieänderungen durch Legierungselemente der Korn- feinungs- und Veredelungsmittel mit zu berücksichtigen.
Bild 0.10 zeigt: Zustandsdiagramm der sich in Abhängigkeit der Temperatur bildenden Phasenanteile nach Scheil für AISi3MgO,6CrO,3.
0.8 Charakterisierung der Proben Untersuchungen zur Gießbarkeit
Unter Anwendung der in Abschnitt 0.6 beschriebenen Werkzeuge werden weitere Untersuchungen zur gießtechnischen Verarbeitung der Legierungen durchgeführt. Die Gussbauteile werden visuell auf äußere Anzeichen von Gießfehlern überprüft. Speziell werden dabei Kaltläufe, nicht vollständig gefüllte Bereiche und Warmrisse aufgespürt. In einer Prüfkabine wird das gesamte Volumen der Gussstücke mit Röntgenstrahlen durchleuchtet. Mit Hilfe dieser Prüfmethode können Volumenfehler im Inneren mit einer Mindestausdehnung von minimal 1 mm erkannt und ihre genaue Lage beschrieben werden. Das Farbeindringprüfverfahren zeigt eventuelle Risse, Falten durch Kaltläufe, Poren und weitere Oberflächenfehler der Gussstücke.
Metallographie und Analytik
Um Zusammenhänge, welche die mechanischen Eigenschaften beeinflussen, zu verstehen, müssen Proben metallographisch und analytisch untersucht werden. Die geschliffenen und polierten Proben werden unter einem mit einer Digitalkamera ausgestatteten Lichtmikroskop der Fa. Zeiss untersucht (Bild 11 und Bild 12). Einige Proben werden einer speziellen Farbätzung (modifizierte Ätzung nach Barker) unterzogen, die eine bessere Auflösung und Unterscheidung einzelner Körner der Primärphase von AI-Legierungen zulässt (Bild 13 und Bild 14). Um die chemische Zusammensetzung der das Gefüge bildenden Phasen zu bestimmen, erfolgt an ausgewählten Proben eine ortsaufgelöste chemische Analyse (EDX) im Rasterelektronenmikroskop. Hierdurch können sowohl chemische Zusammensetzungen einzelner Phasenanteile, chemische Veränderungen innerhalb von Phasen (Seigerungen), bzw. chemische Verteilungen einzelner Elemente in einem Messfeld („Field-Scan") erfasst werden. Das verwendete Raster-Elektronenmikroskop ist vom Typ „Zeiss Gemini 1550". Unter Zuhilfenahme des digitalen Bildanalysensystems (IBAS „Zeiss KS400" werden die mittleren Dendritenarmabstände (DAS) bzw. die Korngrößen bestimmt, welche die Feinheit des Gefüges kennzeichnen.
Bild 0.11 zeigt: Gefügebild mit Phasenbeschreibung einer dünnwandigen an Luft abgekühlten PQ46-Probe aus AISi3Mg im Gusszustand.
Bild 0.12 zeigt: Gefügebild mit Phasenbeschreibung einer PQ46-Probe aus AISi3Mg nach einer T6-Wärmebehandlung
Bild 0.13 zeigt: Nicht korngefeintes Gefüge der Legierung AISi3MgO,6, Farbätzung nach Barker
Bild 0.14 zeigt: Mit 150 ppm AITΪ5B1 korngefeintes Gefüge der Legierung AISi3MgO,6, Farbätzung nach Barker
0.9 Modifikation von AISi-Legierungen und experimentelle Untersuchung
Die AISi-Legierung, die in dieser Arbeit entwickelt wird, basiert einerseits auf einem Absenken des Silizium-Gehalts auf einen Anteil zwischen 1 und 7 Gew.-% Si und andererseits auf der Nutzung der Festigkeit steigernden Wirkung von Magnesium. Somit werden sowohl die Magnesium-Gehalte variiert, als auch der Einfluss von Verunreinigung durch Fe und gezielter Zugabe von Legierungselementen wie Cu, CuNi, Ni und Cr untersucht, sowie die Auswirkung von Behandlung der Schmelze (Komfeinung, Veredelung, Spülgasbehandlung).
Variation des Magnesiumgehaltes
Die neu zu entwickelnde AISi-Gusslegierung soll eine möglichst hohe Streckgrenze aufweisen. Zielsetzung ist es, die zu entwickelnde Legierung auszuhärten. In AISi-Legierungen wird dies gemeinhin durch einen Mg-Zusatz erzielt. Dann kann im Gussgefüge die plattig-nadelige Phase ß-Mg2Si auf (Bild 0.11) auftreten. Diese wird durch Lösungsglühen größtenteils wieder aufgelöst, das Magnesium vom α-Mischkristall aufgenommen, wo es nach Abschrecken in Zwangslösung bleibt. Das zurückbleibende Si erhöht den Anteil elektischen Siliziums. Die Legierungen sind nach dem Lösungsglühen infolge Bildung der intermetallischen Phase ß" und ß'-Mg2Si nach Auslagerung aushärtbar. In untereutektischen Mg-haltigen AISi-Legierungen bildet sich bei zusätzlicher Anwesenheit von Eisen (Verunreinigung) die oft polygon-verzweigt Chinesenschrift-artige π-Phase (AIeMg3FeSJe) und bewirkt eine verringerte Bruchdehnung.
Eine Erhöhung des Magnesiumgehalts stützt sich auf die thermodynamische Modellierung mit Theimo-Calc. Im Rahmen der Modellierung wird bestätigt, dass die maximale Löslichkeit für Mg im thermodynamischen Gleichgewicht unabhängig vom Si-Gehalt der AISi-Legierung im α-Mischkristall 0,6 Gew.-% Mg beträgt. Überschreitet der Mg-Gehalt diese Sättigungsgrenze, so ist verstärkt mit Mg2Si- Ausscheidungen und bei Anwesenheit von Fe mit π-Phasen zu rechnen. In den Modellierungen wird verdeutlicht, dass der Anteil von ausgeschiedenem Mg2Si im Gleichgewicht höher ist als bei rascher Erstarrung im Ungleichgewicht, weil weniger Mg im AI-Mischkristall zwangsgelöst bleibt. Dies begründet den Effekt, dass in Dauerformgießverfahren erstarrte AISiMg-Gussteile schneller auf ein Lösungsglühen ansprechen als z. B. im Sandguss langsam erstarrte Gussstücke. Ebenfalls erklärt dies metallurgisch die festigkeitssteigernde Wirkung eines Abschreckens noch heißer Gussstücke in Wasser. Vergleicht man Modellierungen von AISi5MgO,6, AISi3MgO,6 und AISiI MgO,6, so ist überdies erkennbar, dass der Anteil an ausgeschiedenem Mg2Si in der Legierung mit niedrigerem Si-Gehalt geringer ist. Mit einer Absenkung des Si-Gehalts sinkt der Anteil eutektischer Phase im Gefüge und zugleich steigt der Anteil an primärem α-Mischkristall und somit auch die Kapazität, einen höheren Gesamtanteil an Mg in der Legierung aufzunehmen. Es besteht eine höhere Toleranzgrenze bezüglich des Mg-Ge- haltes, bevor es zu unerwünschten Ausscheidungen kommt. Dies hat bei Absenkung des Si-Gehalts eine Verringerung der Bildungsneigung von Chinesenschrift- artigen Mg- und MgFe-Ausscheidungen zur Folge. Berücksichtigt man zudem einen geringen Mg-Abbrand im Schmelzbetrieb, erscheint eine leichte Überscheitung des Mg-Gehalts von 0,6 Gew.-% in AISi3Mg bei der Schmelzeerstellung als durchaus akzeptabel.
Einfluss des Eisengehaltes
Die in dieser Arbeit vergossenen Si-armen AISiMg-Legierungen weisen im Gusszustand durchweg π-Phase (AI8Mg3FeSi6), wie auch nadelig-plattige Fe-ß- Phase (AI5FeSi) im Gefüge auf. Chinesenschrift-artige α-Fe-Phase (AI8Fe2Si, Ah2- 15(Mn,Fe)3Sii-2) wird bei den untersuchten AISiMg-Proben nicht beobachtet. Dies liegt darin begründet, dass sich durch die Anwesenheit von Magnesium eher die morphologisch ähnliche π-Phase (AI8Mg3FeSJe) ausbildet. Ist die π-Phase fein ausgeprägt, gilt sie in ihrer Wirkung auf die Festigkeitseigenschaften günstiger als die ß-Phase. Die unerwünschte π-Phase kann jedoch weiter durch Wärmebehandlung von ihrer polygon-kantigen, bzw. verzweigten Morphologie in eine abgerundete, spheroide Form überführt werden, was den Abfall an Bruchdehnung geringfügig mildern kann (Bild 0.11 und Bild 0.12, S. XVI).
Die Eisenverbindung ß-AI5FeSi stellt die häufigste und ungünstigste Morphologie Fe-haltiger Phasen in AISi-Legierungen dar. Je höher der Anteil von Fe in der Legierung, desto stärker ist das Auftreten der sich teilweise bereits vor dem AISi- Eutektikum ausscheidenden Phase. Somit hat diese Phase auch einen gießtechnologischen Einfluss auf Schrumpfungsporosität, da voreutektische Ausscheidung von ß-Phase eine Nachspeisung durch Schmelze zu behindern vermag [A. M. Samuel et al. 2001]. In niedrig Si- und Mg-haltigen AISiMg- Legierungen ist ein vermehrtes Auftreten von ß-Phase gegenüber π-Phase durch die stöchiometrische Zusammensetzung der Phasen bedingt, da in ß-Phase weniger Si enthalten ist. Mit steigendem Mg-Gehalt verschiebt sich der Anteil ß- Phase zugunsten der π-Phase. Dieser Zusammenhang kann für AISi3Mg betätigt werden.
Die Ausprägung und Anteile der unterschiedlichen Fe-Phasen in AISi-Legierungen werden wesentlich vom Grundgehalt an Fe und Mg und von in kleinen Mengen gezielt zulegierten Elementen (Mn, Sr, Cr) oder einer Wärmebehandlung beeinflusst. Ein positiver Einfluss von Sr kann anhand der Versuche nicht festgestellt werden, wie Sr auch ob des geringen Gehaltes an elektischer Phase keine messbare Veredelung des elektischen Si bewirkt. Daher wird von Sr- Legieren für die entwickelte Si-arme Legierung Abstand genommen. Versuche zum Zulegieren von Mn ergeben ebenfalls keinen deutlich positiven Einfluss auf die Unterdrückung der ß-Phase. Positiven Einfluss zeigt hingegen ein Zulegieren von Cr, was auch in den mechanischen Eigenschaften gegossener Proben messbar wird. Interessant ist der Umstand, dass mit zunehmendem Chromgehalt bereits im Gusszustand die ß-Eisenausscheidungen zugunsten der polyedrischen π-(AI8Mg3FeSi6) Phase fehlen. Das Auftreten eingeformter π-Phase im Gusszustand bei Cr-Bestandteil der Legierung bestätigt die Ergebnisse einer Untersuchung von S. Murali, K. S. Raman et al. 1994. Bei einem Cr-Gehalt von 0,7 Gew.-% Cr wird nach der Wärmebehandlung keine ß-Phase mehr nachgewiesen. Bei einem Chromgehalt von 0.7 % lassen sich über EDX-Analyse Ausscheidungen finden, die nachweislich aus den intermetallischen Phasen AI7Cr- , AInCr2- sowie AI13Cr2 bestehen können.
Das Auftreten der ß-Phase trotz des relativ geringen Eisengehalts von <0,1 Gew.- % ist mit der Seigerung des Eisens in der Restschmelze während der Erstarrung zu erklären. Da das Gefüge der AISi3MgO,6-Legierungsgruppe (im Vergleich zu AISi7) nur wenig Eutektikum enthält, wird der gesamte Eisengehalt in einem kleineren Volumen angereichert, was zur Überschreitung der Bildungsgrenze der AI5FeSi Phase und zur Entstehung der sperrigen Nadeln führt. Somit kommt einer Kontrolle des Fe-Gehalts in AISi3MgO,6-Legierung ohne Legierungszusätze Sr, Mo1 Cr, Co oder Be eine höhere Bedeutung zu als in einer AISi7Mg-Legierung mit A357-Spezifikation .
Absenkung des Si-Gehaltes
Gemäß der gießtechnologischen Eigenschaften und in Abschnitt 0.3 angeführten gießtechnologischen Fortschritte erscheint in Arbeitspaket B eine systematische Untersuchung der Legierungen, insbesondere im Intervall von 1- 5 Gew.-% Si, als sinnvoll. Da der Kokillenguss von Fahrwerksteilen (insbesondere bei Schwenklagern) oft dickwandig ist, ist eine Vorhersage zum FFV und bezüglich des Warmrissverhaltens nicht ohne Versuche am Bauteil möglich. Experimentell wird weiter untersucht, inwieweit sich Druckunterstützung während der Erstarrung positiv auswirkt.
Voruntersuchungen aus Arbeitspaket A unterstreichen ein zunehmendes Potenzial zur Steigerung der Legierungsfestigkeit bei sinkendem Si-Gehalt und gleichem Mg-Bestandteil. Zugproben der Legierungen weisen im Gusszustand eine erheblich gesteigerte Bruchdehnung bei leicht sinkender Festigkeit und Streckgrenze mit sinkendem Si-Gehalt auf. Bei einer Wärmebehandlung wird Dehnung zugunsten von Festigkeit und Streckgrenze abgebaut. Da für Sicherheitsbauteile zusätzlich zur hohen Streckgrenze eine hohe Bruchdehnung (>7 %) erwünscht ist, ist das Profil der Legierung AISi3MgO,2 und AISi4MgO,2 mit Bruchdehnungen von 10 % und mehr im Gusszustand ein geeigneter Ausgangspunkt. Als Forschungsschwerpunkt für das sich anschließende Arbeitspaket B erfolgt daher eine gezielte Erhöhung des Magnesiumgehalts und eine systematische Untersuchung von erzielbaren Eigenschaften durch Wärmebehandlung für AISi3 und AlSi4. Eine weitere Absenkung des Si-Gehaltes (AISi3Mg, AISi2Mg und AISiIMg) bei höheren Mg-Gehalten in Arbeitspaket B.2 bewirkt keinen weiteren positiven Einfluss auf die mechanischen Eigenschaften. Das ideale Eigenschaftsprofil einer Kombination aus Festigkeit und Dehnung im Gusszustand mit dem Ziel einer Aushärtung durch Mg-Zusatz und Wärmebehandlung liegt zwischen 2,5 und 3,5 Gew.-% Si, was in den Arbeitspaketen B3 und B4 eingegrenzt und spezifiziert wird.
Das Fließvermögen von AISiI MgO,6 nimmt mit steigendem Siliziumgehalt bis AISi3MgO,6 ab und steigt von AISi5MgO,6 wieder an. Im Kokillenguss ist das Fließvermögen für AISi3MgO,6 am niedrigsten. Die Fließlängen von AISi3Mg0.3 bei Gehalt an Kornfeinungsmittel wurde in Abhängigkeit steigenden Magnesiumgehalts bis 0,6 Gew.-% sowie Erhöhung der Gießtemperatur bei 0,6 Gew.- % Mg ermittelt. Die Fließlänge nimmt mit steigendem Magnesiumgehalt bis hin zu AISi3Mg0.6 ab und steigt bei konstanter Zusammensetzung mit erhöhter Gießtemperatur (Gießspanne). Ein erhöhter Magnesiumgehalt beeinflusst die Erstarrungsmorphologie also ungünstig, weshalb die Schmelze nicht ausreichend weit fließen kann. Eine Erhöhung der Gießtemperatur hindert die frühzeitige Erstarrung und sorgt für bessere Fließlängen. Eine höhere Kornfeinung wirkt sich in erheblichem Maß positiv auf das Fließvermögen einer AISi3MgO,6-Legierung aus. Als Empfehlung für die praktische Anwendung einer AISi3MgO,6-Legierung kann abgeleitet werden, dass ein schlechteres Fließvermögen im Kokillen- oder Niederdruck-Gegendruckgießen durch erhöhte Kornfeinung oder eine Erhöhung der Gießspanne kompensiert werden kann. Eine Erhöhung der Gießspanne bewirkt aufgrund des höheren Anteils an Al-Primärphase und geringerem Anteil eutektischer Phase gegenüber Legierungen mit erhöhtem Si-Anteil für AISi3MgO,6 einen in Relation stärkeren Einfluss auf die Verarbeitbarkeit. Mit AISi3MgO,6 lassen sich im Niederdruck-Gegendruckgießen problemlos und im Schwerkraft- Kokillengießen bei entsprechenden Vorkehrungen technische Bauteile aus gießtechnologischer Sicht einwandfrei herstellen. Für das Druckgießen dünnwandiger Bauteile eignet sich die Legierung aufgrund ungenügender Verarbeitungs- und gießtechnologischer Eigenschaften wie Klebneigung der Legierung und insbesondere Warmrissigkeit nicht.
0.10 Ergebniszusammenfassung und Ausblick für weitere wissenschaftliche Arbeiten mit AISi3MgO,6
Die vorliegende Arbeit präsentiert als Hauptergebnis die Entwicklung einer neuartigen Si-armen AISiMg-Legierung für Fahrwerksanwendungen: nämlich AISi3MgO,6 [PCT/DE2006/001525]. Diese zeichnet sich gegenüber gängigen AISi- Gusslegierungen durch deutlich verbesserte mechanische Eigenschaften aus. Die Anwendungserprobung in unterschiedlichen Gießverfahren wie dem Niederdruck- Gegendruck-Gießen, dem Schwerkraft-Kokillen-Gießen und eine Abgrenzung zum Druckgießen als weiterem Dauerformgießverfahren erlauben eine Orientierung für die zukünftige industrielle Fertigung.
Es wurden AISi-Legierungen mit unterschiedlich niedrigen Si-Gehalten von 1 bis 7 Gew.-%, Mg-Gehalten bis 1 Gew.- %, Cu-Gehalten bis 1 Gew.% untersucht. Außerdem wurde der Einfluss des Störelements Fe ermittelt. Versuchsreihen mit Prinzipgeometrien und realen Gussbauteilen wurden durch thermodynamische Modellierung gestützt. So konnte ein detailliertes Eigenschaftsprofil für die gießtechnologischen und mechanischen Eigenschaften in Relation zum Gefüge erstellt werden. Dabei wurde die Basis-Legierung AISi3MgO,6 als Legierung mit dem bestem Eigenschaftsportfolio identifiziert und ein Prozessfenster für die Legierungszusammenstellung, die Elementgehaltsgrenzen und Wärmebehandlung definiert, als Grundlage einer zum Patent angemeldeten Legierungsspezifikation.
Die Untersuchungen zeigen, dass die Legierung AISi3MgO,6 mit der nachfolgend angeführten Legierungsspezifikation ein deutliches Potential für Anwendungen im Fahrwerk besitzt:
• Si: 2,7 bis 3,3, vorzugsweise 2,5 bis 3,1 Gew.-%
• Mg: 0,3 bis 0,7, vorzugsweise 0,25 bis 0,65 Gew.-%
• Fe: < 0, 18, vorzugsweise 0,05 bis 0,16 Gew.-%
• Mn: < 0,5, vorzugsweise 0,05 bis 0,4 Gew.-%
• Ti: < 0,1, vorzugsweise 0,01 bis 0,08 Gew.-%
• Sr: <0,03, vorzugsweise 0,01 bis 0,03 Gew.-%
• Sonstige: <0,1 Gew.-%
• und jeweils zu 100 Gew.-% mit AI ergänzt.
Für das Niederdruck-Gegendruck-Verfahren (Serienbauteil PQ 46) werden mit AISi3MgO,6 sehr günstige Bauteileigenschaften mit Zugfestigkeiten über 370 MPa, Streckgrenzen über 300 MPa bei einer gleichzeitig hohen Bruchdehnung von 11 % erreicht, (Bild 0.15). Gegenüber der in diesem Verfahren üblicherweise verwendeten Legierung AISi7Mg (A356 / A357) können die Zugfestigkeit um ca. 40 MPa und die Streckgrenze um ca. 35 MPa gesteigert werden, bei gleichzeitigem Dehnungsanstieg um 3 %.
Für Schwerkraft-Kokillenguss (Serienbauteil PQ 24) wurden etwas geringere mechanische Eigenschaften erreicht (Rm=326 MPa, Rp0,2=280 MPa und A=4,3 %, Bild 0.16) die aber bzgl. Zugfestigkeit und Streckgrenze noch immer höher sind als der in Fahrwerksteilen verwendete Legierungstyp AISi11. Im Vergleich konnten eine Steigerung der Zugfestigkeit um 30 MPa und der Streckgrenze 55 MPa bei 1,5% verminderter Dehnung beobachtet werden. Die Bruchdehnung der PQ 46- Proben war im Allgemeinen etwa doppelt so hoch wie von PQ 24. Die Zugfestigkeit und Streckgrenze können im Vergleich zum Gusszustand noch durch eine geeignete Wärmebehandlung in ähnlicher Größenordnung gesteigert werden. Für die Einstellung der optimalen mechanischen Kennwerte der Gussteile erscheint bei AISi3MgO,6-B eine T6-Wärmebehandlung geeignet, deren Parameter im Rahmen des Forschungsprojektes ebenfalls verifiziert wurden.
Aus AISi3MgO,6 können mit den beiden Gießverfahren Niederdruck-Gegendruckgießen und Schwerkraft-Kokillengießen ohne erhöhten metallurgischen Aufwand fehlerfreie Gussteile erzeugt werden, was der allgemeinen Ansicht widerspricht, dass sich AISi-Bauteile mit weniger als 5 Gew.-% gusstechnisch industriell nicht herstellen lassen. Das Vergießen der Legierung AISi3Mg0.6 im Druckgießverfahren verlief dagegen nicht befriedigend, so dass der Werkstoff AISi3MgO,6 für dieses Verfahren ungeeignet ist.
Die positiven Beobachtungen an realen Bauteilen mit AISi3MgO,6 wurden durch begleitende Untersuchungen an Prinzipgeometrien quantifiziert. Dennoch ist die Gießbarkeit dieser Legierung allgemein schlechter als die der bisher in Dauerformgießverfahren verwendeten Legierungen AISi7Mg und AISi11. Bei einer optimierten Kornfeinung und an die Legierung angepassten Gießparametern, können die Gießeigenschaften jedoch verbessert und legierungsbedingte Defizite der Verarbeitbarkeit kompensiert werden.
Bild 0.15 zeigt: Das Bild stellt die optimalen mechanischen Kennwerte dar, welche mit der Legierung AISi3MgO,6 erzielt werden, gegenüber mit AISi7Mg in der Praxis erzielten Kennwerten für Niederdruck-Gegendruck-Gießen: AG = Gusszustand abgeschreckt, LG = nach Lösungsglühen, T6 = nach T6-Wärmebehandlung. Q gibt zum Vergleich den für AISi7Mg definierten Qualitätsindex an: Q = Rm + 150 log (A). BiId 0.16 zeigt: Das Bild stellt die optimalen mechanischen Kennwerte dar, welche mit der Legierung AISi3MgO,6 erzielt werden, gegenüber mit AISi7Mg und AISiHMg in der Praxis erzielten Kennwerten für Schwerkraft-Kokillenguss: AG = Gusszustand abgeschreckt, LG = nach Lösungsglühen, T6 = nach T6- Wärmebehandlung.
Eine umfassende Gefügeanalyse in unschiedlichen Wärmebehandlungszuständen zeigt, dass das Gefüge der Gussstücke aus AISi3MgO,6 von den jeweiligen Gießverfahren und Legierungszusätzen unabhängig hauptsächlich aus fünf Phasen besteht. Neben dem AI-Mischkristall und eutektischem Silizium sind die festigkeitssteigemde Mg2Si-Phase sowie eine in ihrem Verhalten dem Si ähnelnde π-AI8Si6Mg3Fe-Phase charakteristisch (Bild 0.11 und Bild 0.12, S. VI). Der ebenfalls im Zusammenhang mit den Zusätzen Mg und Cr diskutierte, die mechanischen Eigenschaften negativ beeinflussende Ausscheidungstyp ß- AI5FeSi, weist auf die notwendige Kontrolle eines möglichst niedrigen Eisengehaltes der entwickelten Legierung hin. Eine starke Kornfeinung ist zur guten Verarbeitbarkeit der Legierung unerlässlich (Bild 0.13 und Bild 0.14, S. VI). Auf eine Veredelung des Eutektikums hingegen kann verzichtet werden.
Anknüpfungspunkte für weitere wissenschaftliche Arbeiten mit AISi3MgO,6
Wichtig für die industrielle Anwendung von AISi3MgO,6 sind weiterführende Werkstoffprüfungen der mechanischen Eigenschaften wie Dauerfestigkeit, die Erstellung von Werkstoffermüdungskurven nach Wöhler und die Ermittlung des Einflusses der Temperaturbeanspruchung auf Bauteile des Gusswerkstoffes AISi3MgO,6. Wissenschaftlich interessant wäre ein vertiefter metallkundlicher Einstieg zur Analyse der Erscheinungsformen (kohärent / teilkohärent) der Mg2Si- Ausscheidungen in den gegossenen AISi3MgO,6-Proben. Für solche Untersuchungen wäre das hochpräzise Mikrosonde-Verfahren geeignet. Hieraus könnten genauere Empfehlungen zur Wärmebehandlung abgeleitet werden. Über die dargelegten Ergebnisse hinaus wurden weitere Untersuchungen für den Einsatz und die Weiterentwicklung der Legierung AISi3MgO,6 gewonnen. Diese Untersuchungen beinhalten Legierungsvarianten von AISi3Mg mit Kupfer-Anteil, Nickel-Anteil, Kupfer-Nickel-Anteil sowie mit Chrom-Anteil.
Einfluss von Kupfer, Kupfer-Nickel und Chrom auf AISi3MgO,6
Alleinige Kupfer- oder Nickelzusätze zu niedrig Si-haltigen AISi-Gusslegierungen zeigten in Versuchen bei Raumtemperatur keine signifikante Verbesserung der mechanischen Eigenschaften Ein gleichzeitiges Zulegieren von Kupfer und Nickel zu AISi3MgO,6 eröffnet jedoch neue Möglichkeiten der Anwendung des Legierungstyps im Bereich außerhalb des Fahrwerks für temperaturbelastete Bauteile wie z. B. motornahe Applikationen, wobei auf die in dieser Arbeit ausgewiesenen Grundlagen aufbaut werden kann. Die für AISi3MgO,6CuNi im Warmzugversuch beobachteten mechanischen Eigenschaften sind vergleichbar mit denen von AISi7MgCuNiFe und weisen auf das Potenzial dieses Werkstoffes hin (Bild 0.17). Ein Zulegieren von Chrom zu AISi3MgO,6 eröffnet die Möglichkeit einer weiteren signifikanten Verbesserung der mechanischen Eigenschaften, die bereits im Gusszustand, insbesondere jedoch nach Lösungsglühen und evtl. Auslagern, zu verzeichnen ist. In einer ersten Versuchsreihe am Französischen Zugstab wird nach einer T6-Wärmebehandlung eine Steigerung der Bruchdehnung um 3 % festgestellt, die mit einer Erhöhung der Zugfestigkeit um ca. 37 MPa einhergeht. Die Streckgrenze erweist ein gleich bleibend hohes Niveau (Bild 0.18). Das Formfüllungsvermögen verbessert sich bei Anwesenheit von Cr, wohingegen sich die Fließeigenschaften verschlechtern. Die Ergebnisse weisen zudem auf Wege, wie durch Chromzusätze unerwünschte Eisenausscheidungen bereits im Gusszustand in eine günstigere Morphologie überführt werden können. BiId 0.17 zeigt: Mechanische Eigenschaften von Französischen Zugstäben der Legierungen AISi3Mg0.6 (Basis) und Zusätzen von 0,3 Gew.-% Cu und 1 bis 1,5 Gew.-%, Ni 1.5 nach T6-Wärmebehandlung im Warmzugversuch bei 2000C Bild 0.18: Mechanische Eigenschaften der Legierungen AISi3Mg0.6Cr0.1 - 0.7 nach einer T6-Wärmebehandlung im Französischen Zugstab ermittelt.
Zukünftige Untersuchungen sollten ebenfalls reale Bauteile einschließen, in denen weiter erhöhte mechanische Kennwerte zu erwarten sind. Diese sollten umfassender erprobt werden, damit die Legierungsspezifikation für AISi3MgO,6 um eine chromhaltige Variante erweitert werden kann.
Zusätzlich erscheint eine umfassendere Überprüfung der Auswirkung von Cr- oder Mn-Gehalt in der AISiMgFe-Schmelze auf die Ausbildung Fe-haltiger Phasen (ß- AI5FeSi) im Gussgefüge vor dem Hintergrund metallkundlicher Wirkmechanismen bei der Phasenbildung wünschenswert. Dies gilt nicht nur für die AISi3Mg- Legierung, sondern allgemein für AISi-Gusslegierungen. Parallel zu dem ingenieurmäßigen, auf Gussteileigenschaften und Prozessfähigkeit abzielenden Ansatz wäre es für anknüpfende Arbeiten interessant, auf der Basis eines stärker theoretisch metallkundlich vertiefenden Ansatzes die Phasenbildung und Wirkmechanismen der Eigenschaftssteigerung von AISiMg-Legierungen durch Zulegieren von Chrom und die Steigerung der Warmfestigkeit durch Cu, insbesondere Cu und Ni1 weiter wissenschaftlich zu durchdringen.
1 Einleitung und Motivation
Aluminium im Automobil und Fahrwerk
Die stetig steigenden Anforderungen an Komfort, Sicherheit und Treibstoffminimie- rung setzen die Automobilproduzenten unter immer stärkerem Innovationsdruck. Von besonderer Bedeutung für Treibstoffeinsparung ist die Reduzierung des Fahrzeuggewichts. Nach dem heutigen Stand ist dies nur durch höhere Bauteilintegration und den Einsatz von Leichtbauwerkstoffen wie Aluminium und Magnesium zu erreichen. Nach Prognosen wird der Anteil von Aluminium in Mittelklassenfahrzeugen in Europa, der im Jahr 2005 unter 130 kg liegt, bis 2015 auf 220 kg / PKW ansteigen [U. Jürgens, H.-R. Meißner 2001]. Die Produktionsleistung der deutschen Gießereiindustrie betrug im Jahr 2003: 3.858.0001 Eisen- und Stahl-, 677.061 t Aluminium- sowie ca. 26.0001 Magnesiumguss [G. Wolf, P. Haensel 2005]. Davon entfallen rund 50 % der Eisengusswerkstoffe und etwa 73 % des Leichtmetallgusses auf den Automobilbau, von dem in der BRD nahezu jeder siebte Arbeitsplatz direkt oder indirekt abhängig ist [F. Sturz 2003]. Gegenwärtig nehmen Chassis, Karosserie- und Fahrwerksteile anteilig etwa 6 % des Aluminiumgusses im Automobil ein [D. Brungs, A. Mertz 2000], stellen aber mit deutlich vorhergesagter Steigerung bis 2010 den größten Wachstumsmarkt für Aluminium-Dauerformguss im Automobil dar [Mercer 2002]. Bei konsequentem Leichtbau mit Aluminium wird ein umsetzbares Gewichtseinsparungspotenzial von über 20 % am Gesamtfahrzeug prognostiziert [H. Wallentowitz et al. 2003]. Nach dem Einzug von Aluminium im Antriebsstrang (Power-Train: Motor, Getriebe) wurden während der letzten zehn Jahre in vielen Baugruppen wie Lenkgehäuse, Hilfsrahmen und Schwenklager teilweise geschweißte Stahl- und Eisenkonstruktionen durch gegossene Aluminiumteile verdrängt. Vorteilhaft ist eine im gesamten Bauteil einheitliche Werkstoff- und Gefügestruktur ohne eventuelle Spannungsrisse und Gefügeveränderungen, wie sie im Schweißen entstehen [E. Neuwirth 2005]. Weitere Triebkraft zum steigenden Einsatz von Al-Guss liegt in einer erhöhten Bauteil- und Funktionsintegration, welche Guss gegenüber gefügten und Schmiedekonstruktionen bietet. Die Forderung einer Gewichtsreduzierung für ungefederte Massen (Treibstoffverbrauch / Emissionsminimierung, Fahrdynamik, Komfort) wird im Fahrwerk verstärkt erhoben, wobei das Gewicht der Radführung im Wesentlichen durch die maximale Achslast und Fahrdynamik bestimmt wird [V. Berkefeld et al. 1994]. Gegossene Leichtmetallkonstruktionen bieten im Fahrwerk nach Angaben von Automobilherstellern und Zulieferern Potenzial für Gewichtseinsparungen zwischen 25 % und 35 % [M. Menge et al. 2005; P. Hutmann, S. Kalke 1998; K. Heeß, F. Söffge 1998; H. Friedrich 2002].
Motivation und Ziel der Arbeit
Das Gießen in metallische Dauerformen (Kokillen) hat sich für die Großserienproduktion von Leichtmetallbauteilen hervorragend bewährt. Dauerformgießverfahren wurden so weit perfektioniert, dass heute ein großes Spektrum an Fahrzeugbauteilen in hohen Stückzahlen mit dieser Technik prozesssicher hergestellt wird. Aufgrund der exzellenten mechanischen Eigenschaften eignen sich bei hochbeanspruchte Fahrwerksteile besonders Schwerkraft-Kokillenguss und Niederdruck-Kokillenguss. Ein weiterer Vorteil besteht in der nahezu unbegrenzten Gestaltungsfreiheit. Mit dem Kokillengießverfahren lassen sich Bauteile in Integralbauweise [E. Neuwirth 2005] mit extremen Wanddickenunterschieden und komplizierten Innenkonturen wie Verrippungen und Gewinden herstellen. Durch den Einsatz von Sandkernen können sogar teil- oder ganz geschlossene verwinkelte Hohlräume problemlos gegossen werden. Besonders vorteilhaft ist die durchgängige Automatisierbarkeit der Verfahren über Arbeitsvorbereitung, Gießen, Entformen, Entkernen bis hin zu Verputzen, Wärmebehandlung und Qualitätssicherung. Arbeitsintensive Prozessschritte werden so weit automatisiert, dass moderne Anlagen weitgehend ohne menschliche Hilfe schnell und zuverlässig produzieren können [L. Kniewallner et al. 2002 ; E. Neuwirth 2004].
Infolge der speziellen Anforderungen an das Gießen von Fahrwerksbauteilen als Kompromiss zwischen maximalen mechanischen Eigenschaften und Gießbarkeit haben sich traditionell untereutektische AI-Legierungen mit einem Si-Gehalt zwischen sieben und zwölf Gewichtsprozent (AlSi-System) für solche Anwendungen durchgesetzt. Im Schwerkraft-Kokillenguss wird häufig die Legierung AISiHMg, im Niederdruck-Kokillenguss die Legierung AISi7Mg eingesetzt. Während der letzten Jahre wurden gängige Gießverfahren optimiert und Sondergießverfahren entwickelt, wie z. B. das Niederdruck-Gegendruck-Gießverfahren (CPC-Verfahren), Semi-Solid-Gießverfahren sowie andere druckunterstützte Gießverfahren wie das Squeeze-Casting, Gießschmieden (Cobapress) oder Formanla- gen-automatisierter Niederdruck-Sandguss (LamiCast [L. Kniewallner, W. Menk 2003]). Ebenfalls wurden eine stärkere Prozessdurchdringung und -Verbesserung durch den Einzug numerischer Simulation und neuer Methoden der Analytik ermöglicht. Zudem wurden die Reinheit von Legierungen, ihre schmelzmetallurgische Prozessführung und Qualitätskontrollen verbessert. Diesen Neuerungen wird aber bisher nur unzureichend Rechnung getragen bei der Entwicklung von speziell auf die neuen Verfahren zugeschnittenen Aluminium- Legierungen. Da die Einsatzmöglichkeiten der gängigen Leichmetalllegierungen wegen stetig steigender Anforderungen jedoch begrenzt erscheinen, müssen zukünftig zwingend stärkere, zähere und duktilere Aluminiumlegierungen entwickelt werden.
Ziel dieser Arbeit ist es, gemäß den zukünftigen Anforderungen an Fahrwerksbauteile, eine auch im industriellen Großserienverfahren wirtschaftliche hochfeste Aluminium-Gusslegierung unter Nutzung moderner Methoden der Legierungsentwicklung zu entwerfen, deren Eigenschaftsprofil demjenigen heutiger AI-Gusslegierungen überlegen ist. Die Entwicklung soll in industriellen Dauerformgießverfahren erprobt und charakterisiert werden.
2 Stand der Technik
2.1 Verarbeitung von Aluminium in Dauerformgießverfahren
Im Vergleich zu Eisenguss zeichnet sich Aluminiumguss durch eine gute Herstellbarkeit in Dauerformen (Kokillen) aus. Gute Gießbarkeit, niedrige Gießtemperaturen, schnelle Randschalenbildung, Beherrschung des Angriffs der Aluminiumschmelze auf die Form und weitgehende Automatisierbarkeit ermöglichen eine hochproduktive Gussstückherstellung. Die Verfahrensgruppen des Dauerformgießens sind der Kokillenguss und der Druckguss [Aluminiumtaschenbuch 199Oa]. Hierunter fallen zahlreiche Sonderverfahren.
Kokillenwerkstoffe weisen im Gegensatz zu Sandguss- oder Feingussformstoffen eine hohe Wärmeleitfähigkeit auf. Höchste Abgusszahlen können nur in Kokillen erzielt werden, die gleichzeitig gute Temperaturwechselbeständigkeit, weitgehende Verzugsfreiheit, niedrige Ausdehnung und hohe Wärmeleitfähigkeit bieten. Wärmespeichervermögen und Wärmediffusionsvermögen sind stark vom Formstoffmaterial abhängig. Für Dauerformguss von Aluminium wird gängig, wie auch in vorliegender Arbeit, der Warmarbeitsstahl 1.2344 eingesetzt, dessen Eigenschaften in Bild 2.1 dargestellt sind [MAGMA 2001]. Das Formmaterial besitzt starken Einfluss auf die Erstarrung. Demnach wird bei hoher Wärmeleitfähigkeit der Kokille eine schnellere Abkühlung des Gussteils erreicht. Bei der Erstarrung entsteht rasch eine Randschale an der Formwand und das Gefüge bildet sich fein aus.
Bild 2.1 zeigt: Thermophysikalische Daten des in dieser Arbeit für Kokillen genutzten Warmarbeitsstahls 1.2344 [MAGMA 2001]
Aluminium und seine Legierungen weisen eine Erstarrungskontraktion auf, so dass nach Bildung einer Randschale diese schrumpft und sich von der Formwand abtrennt. Es entsteht ein Luftspalt. Der Spalt zwischen Randschale und Form wird zur bestimmenden Größe der Erstarrungsgeschwindigkeit. Die vom Gussstück abzugebende Wärme ist:
Q = v . p . {L + cp • AT) Q: abzuführende Wärme, V: Volumen, p: Dichte, cp: Wärmekapazität, AT : Überhitzung (Gießspanne) L: latente Wärme, Cp-AT : Überhitzungswärme
Die von der Kokille durch den Spalt aufgenommene Wärme ist: Q = a S t- (τMetall - TKokiUe ) α: Wärmeübergangskoeffizient, S: Kokillenoberfläche, t: Zeit, TMetaii: Schmelzetemp., TKθkiiie: Kokillentemp.
Damit ergibt sich für die Erstarrungszeit:
V -P(L + C0 -AT) t =
S a - (TMetall - TKokjlle )
Der Wärmehaushalt und somit die Erstarrungszeit in der Dauerform wird wegen des relativ hohen Wärmediffusionsvermögens von der Kühlung der Kokille bestimmt. Mit Hilfe von Kühlung (Kühlkanäle) oder geeigneter Kokillengeometrie (Kühlrippen) kann die Erstarrungszeit reduziert werden [P.R. Sahm et al. 1998a]. Bei zu schneller Abkühlung der Schmelze treten unerwünschte Effekte, wie Kaltläufe und nicht gefüllte Formbereiche auf. Daher ist es üblich, die Kokillen auf 2500C bis 4500C vorzuwärmen. Eine Feineinstellung des Temperaturhaushaltes der Form kann durch Aufbringen von wärmeisolierenden („weißen") oder wärmeleitenden („schwarzen") Schlichten erreicht werden. Durch das Auftragen einer Schlichte werden weiterhin ein direkter Kontakt zwischen Form und Schmelze und dadurch Verschleiß vermieden, eine einheitlich glatte Bauteiloberfläche erzielt sowie die Bauteilentnahme aus der Form erleichtert [K. M. Martinez et al. 1998; W. Hops, R. S. Kendrick 2004]. Tabelle 2.1 zeigt eine Übersicht der in dieser Arbeit verwendeten Schlichtesysteme und deren Eigenschaften. Tabelle 2.1: Die Tabelle zeigt im Al-Kokillenguss verwendete Schlichtesysteme und deren Eigenschaften.
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2.1.1 Schwerkraft-Kokillengießen
Im Kokillenguss werden neben Bunt- und Schwermetallen hauptsächlich Leichtmetalle, darunter vor allem Aluminiumlegierungen, verarbeitet. Etwa ein Drittel der deutschen Aluminiumgussproduktion wird im Schwerkraft- Kokillengießverfahren hergestellt. Als Schwerkraft-Kokillenguss wird das Gießen in eine Dauerform bezeichnet, wobei während der Formfüllung und Erstarrung außer der Schwerkraft keine weiteren Kräfte auf die Schmelze einwirken [P. R. Sahm et al. 1998a].
Die Prozessschritte des Schwerkraft-Kokillengießens sind in Bild 2.2 dargestellt. Die Art des Aufbaus kann dabei stark variieren. So finden sowohl einfache Klapp- Kokillen wie hochautomatisierte Gießkarusselle (Bild 2.3) und Rundtischanlagen Anwendung. Das Gießsystem einer Kokille zeigt wesentliche Unterschiede zu einer Sandform. Um trotz der hohen Kühlwirkung der Form nur geringe Temperaturverluste während der Formfüllung zu realisieren, wird das Einguss- und Anschnittsystem deutlich größer dimensioniert als für Sandguss. Die Querschnitte dürfen aber nicht zu groß sein, da bei einer Überdimensionierung Turbulenzen und ein Aufreißen des Gießstrahls auftreten können. Eine Weiterentwicklung des Schwerkraft- Kokillengießens ist das sog. Kippverfahren (Bild 2.4), wobei die Kokille während des Gießens um bis zu 90° gekippt wird. Dies verringert die Fallhöhe und damit die Turbulenzgefahr beim Füllen der Form.
Das Mitreißen von Luft durch zu hohe Schmelzegeschwindigkeit kann durch das Einsetzen von Filtern aus Keramikschäumen, Drahtsieben oder Glasseiden vermieden werden. Sie beruhigen gleichzeitig die Formfüllung und filtern die Verunreinigungen wie Oxidhäute und nichtmetallische Partikel aus dem Schmelzefluss aus.
2.1.2 Niederdruck-Kokillengießen und Niederdruck-Gegendruckgießen Niederdruck-Kokillengießen
Im Niederdruck-Gießverfahren werden ähnliche Werkstoffe wie im Kokillenguss vergossen. In Deutschland beträgt der Anteil des ND-Verfahrens anteilig am Al- Kokillenguss etwa 40 Prozent. Typische Erzeugnisse sind höherbelastbare Kurbelgehäuse und Felgen für Pkws. Für Magnesiumguss stellen die einfache Schmelzehandhabung und ein Schutz gegen Oxidation während des Gießens einen weiteren wesentlichen Vorteil dar. Geringe Mengen an Schwermetallen und Stählen werden ebenfalls im Niederdruckguss vergossen.
Bild 2.2 zeigt: Prozessschritte des Schwerkraft-Kokillengießverfahrens, [KSM,
2005]
Bild 2.3 zeigt: Schematischer Aufbau einer vollautomatisirten Sechsstationen
Gießkarussell-Anlage, [INDUGA, 2004] BiId 2.4 zeigt: Kipp-Kokillengießzelle am Gießerei-Institut der RWTH Aachen mit Widerstandsschmelzofen Manipulatorarm und Kipp-Kokillengießmaschine KMC 4 MBS Casting. Im Kipp-Kokillengießen hergestellte Bauteile können bessere mech. Eigenschaften aufweisen als im Schwerkraft-Kokillenguss. Gegenüber Niederdruckguss sind die Eigenschaften etwas geringer, aber die Produktivität ist höher.
Unter dem Niederdruckgießverfahren versteht man Gießanordnungen, bei denen die Metallschmelze aus dem Ofen mittels eines Steigrohrs druckunterstützt kontrolliert von unten her in die aufgesetzte Gießform gedrückt wird. Die Aufwärtsbewegung der Schmelze wird dabei nach dem Gasdruckprinzip bewirkt, d.h. ein auf die Badoberfläche wirkender Überdruck (0,3 bis 0,6 bar) fördert das flüssige Metall beruhigt in die Form. Die Formfüllung mit Schmelze kann dabei durch die Erzeugung eines Unterdrucks in der Form unterstützt werden.
Beim Niederdruck-Kokillenguss bilden Gießofen und Kokille eine geschlossene Einheit, in der Regel verbunden durch ein keramisches Steigrohr. Der normalerweise nur zum Warmhalten eingesetzte Gießofen hält eine größere Menge Schmelze bereit, so dass das Gießen zügig und ohne Unterbrechungen erfolgen kann. Durch die charakteristische Anordnung von Ofen, Steigrohr und Kokille wird eine gerichtete Erstarrung erzielt. Hierdurch entfallen aufwendige Anschnitt- und Speisersysteme [P.R. Sahm et al. 1998a].
Die wichtigsten Vorteile des Niederdruck-Kokillengießens gegenüber dem konventionellen Schwerkraft-Kokillengießen sind:
• bessere Gussqualität durch ruhige Formfüllung und gelenkte Erstarrung,
• Senkung der Produktionskosten durch speiser- und gießsystemloses Gießen,
• hervorragende Schweißbarkeit der Gussstücke aufgrund geringer Porosität, • mögliche Verarbeitung konventionell schwieriger gießbarer Legierungen,
• geringer Personalaufwand durch hohe Automatisierung des Prozesses.
Nachteile des Verfahrens liegen in den hohen Beschaffungskosten und im durch den permanenten Schmelzekontakt hervorgerufenen verstärkten Wartungsaufwand der Anlagen.
Niederdruck-Gegendruck-Gießverfahren (Counter-Pressure-Casting)
Das Niederdruck-Gegendruck-Gießverfahren (CPC) ist eine Weiterentwicklung der herkömmlichen ND-Verfahren. Das CPC-Verfahren verwendet horizontal geteilte Kokillen, die oberhalb des Ofenraums angeordnet sind und mit diesem über keramische Steigrohre verbunden sind. Bild 2.5 zeigt die Prozessschritte und den Aufbau des CPC-Verfahrens. Der entscheidende Unterschied zum herkömmlichen ND-Verfahren liegt darin, dass nicht nur der Ofen, sondern auch die Kokille mit Druck beaufschlagt werden kann. Vor der Formfüllung stehen Ofen- und Kokillenkammer unter demselben Druck (2-7 bar). Die eigentliche Formfüllung erfolgt durch Einstellung eines Differenzdruckes zwischen Ofen- und Kokillenraum von ca. 300 bis 1000 mbar (Bild 2.6). Dabei steigt die Schmelze in die Kokille und füllt die Kavität. Nach Formfüllung wird der Kokillenraum schlagartig entlüftet, und es steht der maximale Speisungsdruck aus dem Ofenraum zur Verfügung [L. Würker, T. Zeuner 2005]. Die Erstarrung erfolgt unter einer regelbaren Druckdifferenz. Einen umfassenden Überblick über das Verfahren gibt T. Zeuner 1998. Die Grundlagen für eine numerische Simulation des CPC-Prozesses mit der Simulationssoftware MAGMAsoft ® werden durch J. Popov et al. 1999 dargestellt.
Die unter Druck erfolgte schnelle Erstarrung führt zu verbesserten Gussstückeigenschaften bei kurzen Taktzeiten. Die nach der CPC-Art gegossenen Bauteile weisen ein sehr feines, dichtes Gefüge auf und Gasporosität wird unterdrückt. Somit können Bauteileigenschaften erzielt werden, die deutlich über denen anderer Gießverfahren liegen, wie exemplarisch in Bild 2.7 von L. Würker, T. Zeuner 2005 und G. Ruff et al. 2001 für AISi7MgO,3 gezeigt wird.
Bild 2.5 zeigt: Prozessschritte des CPC-Verfahrens und schematischer Aufbau der Anlage [KSM 2005].
Bild 2.6 zeigt: Druckverlauf während eines Gießzyklus beim CPC-Verfahren:
Absolutdruck (links), Differenzdruck (rechts). Die Höhe des zu Beginn des Zyklus aufgebrachten Systemdrucks bestimmt wesentlich die Bauteilgüte, [L. Würker, T.
Zeuner 2005].
Bild 2.7 zeigt: mit der Legierung AISi7MgO,3 erzielbare mechanische
Bauteileigenschaften von Fahrwerksteilen in unterschiedlichen Gießverfahren nach L. Würker, T. Zeuner 2005 (oben) und G. Ruff et al. 2001 (unten)
Bild 2.8 zeigt: erziehlbare Kostenvorteile des CPC-Verfahrens (A, B) gegenüber
Schwerkraft-Kokillenguss (C), [L. Würker, T. Zeuner 2005]
Es können verfahrensbedingt auch mehrere Gießnester gleichzeitig abgegossen werden, was die Ausbringung erheblich steigern kann (Bild. 2.8) Aus diesen Vorteilen heraus bietet sich das Verfahren als wirtschaftliche Alternative zum Schwerkraft-Kokillenguss in der Fertigung von hoch belastbaren Sicherheitsbauteilen an, wie sie vorwiegend im Fahrwerksbereich (Radträger, Schwenklager, Räder etc.) Verwendung finden.
2.1.3 Druckgießen
Das Druckgießverfahren ist das schnellste gießtechnische Fertigungsverfahren und eignet sich für eine rationelle Herstellung von Großserien. Druckgussteile sind meist dünnwandig, was eine sehr schnelle Erstarrung und dadurch ein ausgeprägt feines Gussgefüge zur Folge hat. Andere positive Eigenschaften der Druckgussteile sind große Maßgenauigkeit und vorzügliche Oberflächenbeschaffenheit. Im Druckguss werden zumeist Metalle mit niedrigem Schmelzpunkt verarbeitet. Am häufigsten werden Aluminium, Zink und Magnesium vergossen. Da wegen verfahrensbedingten Ursachen (Luftblasen und Kaltläufe) die Festigkeitspotenziale hochfester Legierungen nicht voll ausschöpfbar sind, werden meistens kostengünstige und gut gießbare Sekundärlegierungen angewendet. Ein weiterer Vorteil der Umschmelzlegierungen liegt in ihrem relativ hohen Eisengehalt, welcher die Klebneigung in der Form verhindert. Typische Aluminium-Druckgießlegierungen sind GD-AISi12 und GD-AISi8Cu3-4. Unter den Magnesium-Druckgießwerkstoffen hat GD-MgAI9Zn1 den größten Anteil. Diese Legierung findet oft für kompliziert gestaltete Bauteile mit niedrigem Gewicht Anwendung.
Druckguss ist dadurch gekennzeichnet, dass geschmolzenes Metall mittels hoher hydraulischer oder pneumatischer Energie mit hohen Geschwindigkeiten von bis zu 150 m/s bei Magnesiumguss in eine Kokille gepresst wird. Der Druck, der während der Formfüllung für den Schmelzetransport dient, wird während der Erstarrung des Gussstücks aufrechterhalten oder erhöht [P. R. Sahm et al. 1998a].
Die Druckgießverfahren werden in Warm- und Kaltkammerverfahren eingeteilt, [M. Schlotterbeck 2001]. Diese Einteilung bezieht sich auf die bautechnische Einbindung der Gießkammer. Bei Warmkammermaschinen befindet sich die Gießkammer direkt im Schmelzbad, weshalb das Verfahren f ür Aluminium- Guss aufgrund der hohen Aggressivität der AI-Schmelze gegenüber Eisenwerkstoffen ungeeignet ist. Die Dosierung des Gießmetalls erfolgt automatisch.
Bild 2.9 zeigt: Verfahrensablauf beim Kaltkammerdruckgießen: Dosieren, Vorlaufphase, Formfüllung, Nachdruckphase [D. Kahn 2000]. Beim Gießen von Aluminium auf Kaltkammermaschinen wird die Schmelze manuell oder maschinell aus einem getrennten Ofen zugegeben. Gängig hat sich ein dreiphasiger Gießprozess, wie in Bild 2.9 dargestellt, durchgesetzt. Nach dem Dosiervorgang wird in einer ersten langsamen Vorlaufphase mit Kolbengeschwindigkeiten zwischen 0,2 bis 0,5 m/s die Schmelze in der Gießkammer vor den Anschnitt des Formwerkzeugs geschoben. Zur Verringerung der Turbulenzen, die während des Zusammenschiebens der Schmelze entstehen, wird für den Gießkolben ein parabelförmiges Geschwindigkeitsprofil („para shot") des Kolbens mit linearer Beschleunigung gewählt. In einer zweiten Phase wird das Metall bei einer Kolbengeschwindigkeit von 3 bis 7 m/s beschleunigt und innerhalb einer sehr kurzen Füllzeit in die Kavität des Bauteils verdüst. Nach T. Schwartz 2001 entstehen im Anschnitt für Al-Druckguss Metallgeschwindigkeiten von bis zu 50 m/s. Die dritte Phase dient der Nachverdichtung der Schmelze, für welche sehr schnell ein hoher Druckaufbau erreicht wird. Hierzu ist die Dosiermenge ausreichend groß zu wählen, damit über den Pressrest noch genügend Nachdruck eingebracht werden kann [A. Flesch 2002].
Der erhebliche Nachteil des Druckgießens liegt in der Porositätsanfälligkeit der Gussteile. Während der schnellen Formfüllung wird Luft in die Form miteingeschleppt, welche im erstarrten Gussstück in Form von fein verteilten Blasen vorliegt. Wärmebehandlungen und Schweißen der Druckgussstücke sind daher, ausgenommen einiger Sonderverfahren wie Vakuumdruckgießen, nur erschwert möglich. Für wärmebehandelbare und schweißbare Strukturbauteile im Fahrwerk wie Achsträger mit hoher Duktilität wird daher zumeist vakuumunterstützter Druckguss gewählt [M. Wappelhorst et al. 2005]. Das Druckgießverfahren bietet sich für Komponenten an, bei denen Streckgrenzen bis 200 MPa ausreichen [M. Menge et al. 2005] und bei denen aufgrund von Bauteilgeometrie und Lastfall dünne Wandstärken realisierbar sind [F. F. Butz 1999]. Zum Gießen von Fahrwerksbauteilen wie Fahrwerksträger oder Schwenklager aus AI ist das konventionelle Druckgießverfahren ungeeignet wegen der Dickwandigkeit der Fahrwerksteile und Anfälligkeit für Porosität [M. Murakami et al. 1979].
2.1.4 Dauerform-Sondergießverfahren und heißisostatisches Pressen Semi-Solid- Technologien
Verwiesen werden soll hier ebenfalls auf die sogenannten Semi-Solid- Technologien. Am bekanntesten sind das sog. „Thixogießen" sowie dessen modernere Variante, das „Rheogießen". Einen weitreichenden Verfahrensüberblick gibt M. Fehlbier 2003. Bei dem aus dem Druckguss adaptierten Herstellungsprozess wird thixotropes teilerstarrtes Metall, das zu etwa 50 Prozent Festanteil aus festen Globuliten in Restschmelze (für AI aus globulitischer a -Phase und elektischer Schmelze) besteht in die Füllkammer einer Kaltkammerdruckgießmaschine gegeben und in ein Werkzeug verpresst. Die Anwendung des teilflüssigen (semi-solid) Einsatzmaterials ermöglicht höchste Druckdichtheit, ausgezeichnete Festigkeits- und ausgeprägt hohe Bruchdehnungswerte der Gussstücke. Das neue Verfahren konnte sich jedoch bisher mit wenigen Ausnahmen [B. Wendinger 2000] in der Herstellung von Fahr- werkskomponenten aus Gründen der Prozessstabilität und der Kosten nicht durchsetzen.
Flüssigpressgießen (Squeeze Casting)
Das auch „Squeeze Casting" genannte Pressgießen stellt eine Kombination von Drauerformgießen und Schmieden dar [Y. Kaneko 1980]. Einen umfassenden Überblick über das Verfahren und seine Varianten gibt R. W. Kaiser 2004. Wesentliches Merkmal ist das Gießen in eine Kokille mit anschließender Druckbeaufschlagung der Schmelze und Aufrechterhaltung des Druckes und des Kontakts zwischen Gussstück und Form (verminderte Luftspaltbildung) bis Ende der Erstarrung. Dieses Verfahren ermöglicht Speiser- und Anschnittsystem-loses Gießen und Erstarrung eines feinen Gefüges ohne wesentliche Mikroporosität. Wird dieser Druck unmittelbar vom Formwerkzeug aufgebracht, spricht man vom direkten Squeeze Casting; wird er über einen externen Presstempel aufgebracht, vom indirekten Squeeze Casting. Der Erstarrungsdruck liegt hierbei zwischen 17,5 und 175 MPa und ist somit schon beim Mindestdruck ca. 150 mal höher als beim Niederdruckgießen [H. Kaufmann 1995]. Das Verfahren eignet sich qualitativ auch zur Herstellung von Al-Fahrwerkskomponenten, nachteilig gegenüber anderen Verfahren sind jedoch erhöhte Investitionskosten in eine Produktionszelle bei relativ eingeschränktem Bauteilspektrum. M. R. Ghomashchi, A. Vikhrov 2000 sehen das Verfahren daher eher geeignet zur Fertigung hochkomplexer und dünnwandiger Gussteile in hohen Stückzahlen, wie z. B. großvolumiger Zylinderkurbelgehäuse.
Gießschmieden (Coule-Bascule-Presse ä chaud-Verfahren)
Das Cobapress-Verfahren basiert auf dem Schmieden eines gegossenen Aluminiumrohlings [G. Ie Borgne et al. 1998]. Das im Kipp-Kokillenguss als Vorform hergestellte Gussteil wird im Tunnelofen homogenisiert und anschließend erfolgt die Endformgebung und Verdichtung am gedrehten Bauteil in einem Warmpress-Schmiedeprozess. Im Anschluss geschieht eine Wärmebehandlung [Coba 2005]. Die geometrische Variabilität der Bauteile ist hierdurch im Vergleich zu anderen Gießverfahren eingeschränkt. Das französische Verfahren findet mit guten mechanischen Eigenschaften in der Autoindustrie bisher vor allem in mittleren Stückzahlen Anwendungsbeispiele, z. B. im Fahrwerk der Chevrolet Corvette C5, sowie gelegentliche Verwendung bei höheren Stückzahlen, z. B. einem Gelenkhalter für die Hinterachse (PSA Peugeot 406) und im Hinterachsträger des AUDI A6 [Saint Jean Ind. 2005]. Ob das Verfahren jedoch auch in Anbetracht mehrerer aufwändiger Prozessschritte und höherer Kosten [A. Stich, H.-G. Haldenwanger 1999] gegenüber anderen Verfahren, vor allem dem CPC-Gießverfahren, als wettbewerbsfähig bestehen kann, bleibt abzuwarten. heißisostatisches Pressen (HIP) von Guss
Schrumpfungs- und Gasporosität, welche erstarrungsmorphologisch sowie infolge des Verfahrens oder der Bauteilkonstruktion in Gussstücken entstehen, lassen sich durch heißisostatisches Pressen minimieren, bzw. im Idealzustand beseitigen. Nach M. Garat 1987 wird durch HIP bei geringerer Kennwertstreuung als im ursprünglichen Gusszustand die Dauerfestigkeit deutlich, die Dehnung signifikant und die Zugfestigkeit geringfügig zu verbessert. HIP wird für AISi- Legierungen gewöhnlich vor der Wärmebehandlung durchgeführt, indem Gussteile mittels eines druckbeaufschlagten Gases bei erhöhter Temperatur einer hydrostatischen Kraft auf der Gussoberfläche ausgesetzt werden [M. M. Diem 2002]. Grundsätzlich hängt der Erfolg eines heißisostatischen Pressens in hohem Maße von der Lage und Ausgangsbeschaffenheit der Porosität ab. Befinden sich abgeschlossene Hohlräume im Gussstück, welche frei von trennenden Belägen (z. B. Oxidhäuten, Fremdphaseneinschlüssen) sind, so kommt es beim HIP vom plastischen Fließen über primäres Kriechen und anschließende diffusionsgeprägte Kriechmechanismen (Nabarro-Herring- und Coble-Kriechen [G. Gottstein 1998a]) zur Diffusionsverschweißung isolierter Porosität und resultierend optimaler Werkstoffdichte [J. Groß 1992a; H. V. Atkinson, S. Davies 2000]. Werden jedoch oxidbehaftete Poren beim HIP verdichtet, so ergibt sich nach Porenverdichtung durch die Oxidhaut eine flächige Werkstofftrennung, die sich unter Umständen auf die Dauerfestigkeit eines Werkstoffes nachteiliger auswirkt als eine runde Gaspore im Gefüge. Die für kokillengegossene, heißisostatisch gepresste AISi-Legierungen erzielbaren mechanischen Eigenschaften sind geringer als diejenigen von im CPC-Verfahren hergestellten Proben [vergl. für AISi7MgO,3: L. Würker, T. Zeuner 2005, J. Groß 1992a, G. Schindelbacher et al. 2003]. Aufgrund eines hohen Anlagen- und Investitionsaufwandes sowie zusätzlicher Prozesskettenverlängerung erscheint das Verfahren eher geeignet für die Optimierung kleinerer Losgrößen mit hoher Wertschöpfung. Aufgrund der schwamm-/ breiartigen Erstarrungsmorphologie von schwer vergießbaren AI- oder TiAI- Legierungen können dies daher eher kleine Serien für Gusskomponenten in der Luftfahrtindustrie sein als große, unter höherem Kostendruck der Großserie stehende Stückzahlen von Baugruppen wie zum Beispiel des Automobilfahrwerks.
2.2 Hochfeste wirtschaftliche Aluminium-Legierungen
2.2.1 Aluminium Werkstoffe Kriterien zur Werkstoffauswahl
AI-Gusslegierungen sind in ihrer Ersetzbarkeit prinzipiell durch den Elastizitäts- Modul von ca. 79 GPa (AISi7MgO,3 T6) im Vergleich zu anderen üblichen Werkstoffen im Fahrwerk im Nachteil, wie z. B. Gusseisen (GJS-300) mit ca. 190 GPa und Schmiedestahl (11 V37) mit ca. 200 GPa für Schwenklager [A. Fatemi, M. Zoroufi 2004]. In einer Gesamtbetrachtung erfolgt jedoch eine Kompensation durch andere einleitend genannte vorteilhafte Eigenschaften. Aluminium- Gusslegierungen gewinnen daher gegenüber den klassischen Fe-C-Werkstoffen Eisenguss und Stahlguss im Zuge von Leichtbaulösungen der Automobilindustrie und zur steigenden Funktionsintegrierung bei einhergehender Substituierung von Schmiedebauteilen und Schweißkonstruktionen beständig an Bedeutung. Übliche teilweise gegenläufige oder dichotome Entscheidungskriterien für die Werkstoffauswahl in automobiler Großserienfertigung sind erweitert nach W. Potthoff und I. Bogner 1990:
• Festigkeit und Streckgrenze
• Zähigkeit
• Dauerermüdung
• Temperatur- und Korrosionsbeständigkeit
• Ver- und Bearbeitbarkeit
• Kosten und Verfügbarkeit von Legierung sowie Werkzeugstandzeiten
• Funktions-, Eigenschaftsintegration und Bauteil-Komplexität
• Gewicht von bewegten oder ungefederten Massen
• Möglichkeit zum Recyklen • reproduzierbare Qualität und Prüfbarkeit
Die Auswahl der Werkstoffklasse, der Legierung und des Produktionsverfahrens stellt somit ein vielschichtiges Entscheidungsproblem dar und hängt primär von erzielbaren mechanisch-technologischen Eigenschaften in Relation zu den Lohnstückkosten ab. Einsatz von AI-Werkstoffen und Wahl des Gießverfahrens jedoch sind ebenfalls in hohem Maße von den gießtechnologischen Eigenschaften der Legierung (Prozessfähigkeit) determiniert. Die gießtechnologischen Eigenschaften einer Legierung haben einen entscheidenden Einfluss auf die generelle Herstellbarkeit, die mechanische Leistungsfähigkeit des Bauteils und die Gussteilqualität. Die Vergießbarkeit einer Legierung ist wesentlich bestimmt von ihrer Erstarrungsmorphologie (siehe Abschnitt 2.2.2), ihrem Fließvermögen und ihrem Formfüllungsvermögen, sowie von Erstarrungszeit, Wärmeentzug und Schwindverhalten [S. Hasse 2001].
Gemeinhin wird aus Gründen der Verarbeitbarkeit daher zwischen Knetlegierungen und Gusslegierungen unterschieden, wie in Bild 2.10 dargestellt, wobei trotz Steigerung der Leistung von Gusslegierungen ihr mechanisches Eigenschaftsprofil in vielen Fällen noch nicht an das von Knetlegierungen heranreicht. Neue modifizierte Gießverfahren, insbesondere die in Kapitel 2.1.4 vorgestellten Sondergießverfahren, eröffnen hingegen die Möglichkeit, Lücken zwischen den Legierungsgruppen zu schmälern.
Aluminium-Knetlegierungen
Geschmiedete Aluminium-Fahrwerksteile werden gewöhnlich in den korrosionsbeständigen Legierungen EN-AW- 6063 (AIMgO,5Si1), dem höherfesten Werkstoff (AIMgISiCu) [H. Lowak, K. Vollrath 2001] oder der Legierung EN-AW- 6082 (AISiIMgMn) gefertigt [W. W. Adolf 2001], offerieren jedoch geringere Geometriekomplexität bei zumeist höheren Werkzeugkosten als gegossene Komponenten. Tabelle 2.2 gibt einen Überblick über AI-Knetlegierungen mit hohen mechanischen Eigenschaften, die prinzipiell auch für die Entwicklung und Modifikation von Gusslegierungen mit höheren Festigkeitseigenschaften ein ehrgeiziges „Benchmarking" darstellen.
Bild 2.10 zeigt: Schematischer Aufbau der Al-Guss- (links) und Knetlegierungen (rechts) nach chemischer Hauptzusammensetzung [Gießerei Verlag, 1998].
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2.2.2 Aluminium-Gusslegierungen
Aluminium-Gusslegierungen (Bild 2.10 links) werden nach den europäischen Normen DIN EN 1676 und DIN EN 1706 klassifiziert. Erst durch seine Legierungen erlangt Aluminium technische Bedeutung als Gusswerkstoff, da schon geringe Zusätze an Legierungselementen eine deutliche Verbesserung der mechanischen und Verarbeitungseigenschaften bewirken. Eine Übersicht über die gebräuchlichsten AI-Gusslegierungen und ihre mechanischen Eigenschaften in unterschiedlichen Gießverfahren gibt Tabelle 2.3. AI-Gusslegierungen, die wegen eines Gehalts an Edelmetallen (Al-Si-Ag) unwirtschaftlich oder eines Gehalts an Seltenen Erden (Al-Li, RE) zusätzlich aufgrund hoher Schmelzereaktivität in Großserie für Automobilguss trotz herausragender Festigkeitseigenschaften nicht anwendbar sind, werden hier nicht betrachtet. Höherfeste Al-Gusslegierungen können aufgrund ihrer Härtungsmechanismen in zwei Klassen (aushärtbar oder naturhart) eingeteilt werden.
Tabelle 2.3: Dargestellt sind die gängigsten Al-Gusslegierungen und ihre mechanischen Eigenschaften in unterschiedlichen Gießverfahren [nach VAW- IMCO 2004].
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Aushärtbare, feste und duktile Gusslegierungen
Die Klasse der aushärtbaren Gusslegierungen basiert vor allem auf den untereutektischen Systemen Al-Si-Mg, Al-Si-Cu (fest und duktil) sowie Al-Cu (höher fest, weniger duktil). Sie stellt die in dieser Arbeit schwerpunktartig betrachtete Legierungsklasse dar (siehe auch Abschnitt 2.2.3). Wenn zu Al-Si- Basislegierungen auch Mg oder Cu zulegiert werden, bzw. Mg zu Al-Cu- Basislegierungen, sind die Legierungen durch die Bildung von intermetallischen Ausscheidungen Mg2Si, bzw. AI2Cu aushärtbar. Auf das System Al-Si wird in Abschnitt 2.2.3 intensiv eingegangen. Durch unterschiedliche Wärmebehandlungen (siehe Abschnitt 2.2.5) lassen sich gezielt Eigenschaften einstellen, die variabel einen Kompromiss zur Auflösung des scheinbaren Dilemmas zwischen hoher Zugfestigkeit oder hoher Bruchdehnung darstellen. Anwendungsbereich der Gusslegierungen dieser Gruppe sind hochwertige Konstruktionsbauteile in Sand- und Dauerformgießverfahren, vorrangig auch mit Sicherheitsbauteilcharakter.
In AICu-Legierungen liegt im Bereich von 0 % bis ca. 53 Gew.-% Kupferanteil ein einfaches elektisches Teilsystem mit einem Eutektikum bei 33,2 Gew.-% Cu und 547°C vor (Bild 2.11). Bei dieser Temperatur beträgt die maximale Löslichkeit vom Kupfer im festen AI 5,7 Gew.-%, und nimmt mit sinkender Temperatur ab. Ist die Löslichkeitsgrenze während der Abkühlung übergeschritten, bilden sich AI2Cu- Ausscheidungen. Dieser Vorgang spielt bei der Wärmebehandlung eine wichtige Rolle, weil durch sie eine bedeutende Steigerung der (Warm-) Festigkeit möglich wird. Bei gleichzeitiger Anwesenheit von Cu und Mg tritt in abgeschreckten Gussteilen sogar ein Selbstaushärtungseffekt auf. Die technischen Al-Cu- Legierungen enthalten max. 4 Gew.-% Cu, da höhere Gehalte die Bruchdehnung deutlich beeinträchtigen. Die Al-Cu-Legierungen besitzen ein großes Erstarrungsintervall und daher Anfälligkeit für Schrumpfungsporosität und Warmrisse. Ein weiterer Nachteil der Legierungen dieser Gruppe ist neben ihrer geringen Bruchdehnung ihre schlechte Korrosionsbeständigkeit, wodurch sich ein Einsatz im Fahrwerk ausschließt.
Naturharte feste und duktile AI-Gusslegierungen
Diese Legierungen weisen eine gute Zugfestigkeit und Duktilität schon kurz nach dem Gießen ohne nachfolgende Wärmebehandlung auf, infolgedessen eine Kosteneinsparung erzielt werden kann. Besondere Bedeutung haben diese Legierungen im Druckguss, da dort wegen verfahrensbedingter Gasporosität und aus Gründen eines möglichen Bauteilverzugs traditionell eine Wärmebehandlung der Bauteile tunlichst vermieden wird. Hauptlegierungssysteme sind Al-Mg-Si und Al-Zn-Mg.
Bild 2.11 zeigt: Ausschnitt aus dem binären Phasendiagramm Al-Cu, [P.R. Sahm et al. 1998b nach L. F. Mondolfo 1976].
Bild 2.12 zeigt: Ausschnitt aus dem binären Phasendiagramm Al-Mg [P.R. Sahm
1998b et al. nach L. F. Mondolfo 1976].
Bild 2.13: binäres Phasendiagramm Al-Zn, [P.R. Sahm et al. 1998b nach L. F.
Mondolfo 1976]. Innerhalb der ersten Gruppe findet AIMg5Si2 mit Eigenschaften zwischen 150 und 200 MPa Streckgrenze bei Dehnungen zwischen 8 und 15 % die größte Anwendung [U. Hielscher et al. 1998; G. Trenda, A. Kraly 2005]. AIMg- Gusslegierungen enthalten üblicherweise 3 bis 10 Gew.-% Mg. Das AIMg- Phasendiagramm (Bild 2.12) zeigt, dass sich bei 34,5 Gew.-% Magnesiumgehalt und 4500C ein Eutektikum aus Aluminium und der intermetallischen Verbindung AI8Mg5 bildet. Bei der eutektischen Temperatur ist die maximale Löslichkeit von Mg im festen A1 17,4 Gew.-%, bei 1000C beträgt diese nur noch ca. 2 Gew.-% (Bild 2.12). Magnesium steigert bei zugleich abnehmender Bruchdehnung deutlich die Festigkeit und Härte der Aluminiumlegierungen. Wenn außer Mg auch Si oder Cu zulegiert werden, sind die Legierungen durch die Bildung von Mg2Si, bzw. AI2CuMg-Ausscheidungen selbstaushärtbar. Ein gemeinsames Zulegieren von Mg und Zn bewirkt durch die Ausscheidung von Al2Zn3Mg3-Partikeln Selbstaushärtung, die z.B. beim Druckguss besonders vorteilhaft ist. Die Legierung ist auch für Anwendungen im Fahrwerksbereich ausreichend korrosionsbeständig, da das in der Legierung enthaltene Silizium die Bildung der für interkristalline oder Spannungsrisskorrosion verantwortlichen Phase AI2Mg3 unterdrückt [K. Greven 2004]. Wegen eines großen Erstarrungsintervalls sind die AIMg- Gussteile jedoch besonders anfällig für Warmrisse und Schrumpfungsporositäten, weshalb AlMg-Legierungen für Kokillen- oder Sandguss ungeeignet sind.
Übliche AlZn-Gusslegierungen enthalten etwa 4 bis 7 Gew.-% Zn und 0,3 bis 0,7 Gew.-% Mg. Im Aluminium-Zink-System (Bild 2.13) liegt der eutektische Punkt bei 94,5% Zn und 382°C. Die besonders große Löslichkeit von 31 ,5 Gew.-% Zn bei 275°C im festen α-AI nimmt mit sinkender Temperatur ständig ab, so dass bei 1000C nur noch ca. 3 Gew.-% Zn löslich sind. In technischen AlZn-Werkstoffen bleibt der gesamte Zn-Gehalt im AI-Mischkristall gelöst und liegt nicht als getrennte Phase vor. In AlZnMg-Legierungen bewirkt ein gemeinsames Zulegieren von Zn und Mg infolge der Ausscheidung von Mg2Zn- oder Al2Mg3Zn3-Partikeln Selbstaushärtung. Diese Bauteile neigen jedoch zum spontanem Sprödbruch und sind daher für Fahrwerksanwendungen nicht geeignet.
Erstarrungsverhalten und gießtechnologische Eigenschaften
Neben den theoretisch erreichbaren mechanischen Eigenschaften sind die Gießeigenschaften einer Legierung das wichtigste Auswahlkriterium. Unter dem Begriff „Gießtechnologische Eigenschaften" werden die Fließfähigkeit, das Speisungsvermögen und Lunkerverhalten, die Warmrissempfindlichkeit sowie das Formfüllungsvermögen zusammengefasst [P. R. Sahm et al. 1998c].
Die gießtechnologischen Eigenschaften einer Legierung werden grundsätzlich von ihrem Erstarrungsverhalten, d. h. der Ausprägung ihrer Erstarrungsmorphologie bestimmt [S. Engler 1970; S. Engler, K. Göckmann 1974; S. Engler, G. Schleiting 1978]. Bild 2.14 zeigt die fünf grundsätzlichen Erstarrungstypen zu zwei aufeinander folgenden Zeitpunkten. Für die exogenen Erstarrungstypen beginnt die Erstarrung an der Formwand (stengeiförmige Kristalle), bei endogenen im Schmelzeinneren (es entstehen Globulite). Die Einteilung, „glattwandig, rauwandig, schwamm- und breiartig" bezieht sich auf die Art des dendritischen Wachstums während der Erstarrung. Unter den Aluminiumwerkstoffen gehören lediglich Reinstaluminium und die eutektischen Legierungen (AISiI 2,5) zum Typ ,A" (glattwandig). Die untereutektischen AISi-Legierungen erstarren in der Regel nach der Art „C" (schwammartig). Je höher der Gehalt an Si, ausgehend von AI99.9, in untereutektischen Legierungen <12,5 Gew. -% Si, ist, desto höher ist der endogene Anteil an der Erstarrung (rauwandig nach breiartig). Bei Annäherung an den eutektischen Gehalt ab 7 Gew,-% kommt der exogene Anteil wieder stärker zum Tragen [S. Engler, G. Schleiting 1978]. AlMg-Legierungen erstarren globulitisch nach der Mischform von „D und E" (breiartig bis schalenbildend). AICu-Gusslegierungen (0,5 %- 30 Gew.-% Cu) stellen Zwischentypen zwischen schwamm- und breiartiger Erstarrung dar. Die Erstarrungsmorphologie wird nicht allein durch die Legierung, sondern auch durch das angewendete Gießverfahren mitbestimmt. Höhere Erstarrungsgeschwindigkeiten verschieben den Erstarrungstyp in „exogener" Richtung, z. B. von schwammartiger in Richtung rau- wandiger Art. Vereinfachend kann gesagt werden, dass schalenbildende Erstarrungstypen bessere Fließ- und Speisungsvermögen haben und dadurch die Bildung von Makrolunkern fördern. Schwamm- und breiartigen Typen verringern eher die Fließfähigkeit und das Speisungsvermögen der Schmelze. Dadurch werden fein verteilte Mikroporosität im Bauteil wie auch Warmrissanfälligkeit (Bild 2.15) begünstigt.
Bild 2.14 zeigt: Schematische Darstellung der fünf Erstarrungstypen, jeweils zu zwei aufeinander folgenden Zeitpunkten [W. Patterson und S. Engler 1961]
Bild 2.15 zeigt: Das Bild erklärt den Mechanismus der Warmrissbildung u. die beeinflussenden Kräfte während der Erstarrung. Warmrisse können nur während der Erstarrung entstehen.
Bild 2.16 zeigt: Skizziert ist die Kokillengeometrie der „Bolzenprobe" zur
Bestimmung des Formfüllungvermögens (FFV) von Gusslegierungen, [S. Engler,
R. Ellerbrok 1975].
Bild 2.17 zeigt: Dargestellt ist eine gegossene „Bolzenprobe". Die Spaltweite über der Höhe zwischen den Säulen dient zur rechnerischen Bestimmung des FFV.
Unter dem Formfüllungsvermögen (FFV) wird die Fähigkeit einer Schmelze zur Anpassung an die Konturen des Formhohlraumes verstanden. Entscheidend für diese Fähigkeit sind die physikalischen Eigenschaften im schmelzflüssigen Zustand. Das Formfüllungsvermögen ist von der Viskosität der Schmelze abhängig, die wiederum temperaturabhängig ist. Durch hohe Gießspannen wird der Erstarrungsbeginn verzögert und die Schmelze kann selbst in kleinste Bereiche der Form eindringen. Das Formfüllungsvermögen ist ebenso von der Oberflächenspannung der Schmelze abhängig, da Schmelzen mit hoher Oberflächenspannung die Formkontur schlechter benetzen und somit auch schlechter abbilden [W. Patterson, H. Brand 1960]. Oberhalb einer Übergangstemperatur Tü der Schmelze ist das Formfüllungsvermögen nur von der Oberflächenspannung als Materialwert und dem metallostatischen Druck als äußerem Einfluss abhängig. Die Bestimmung des FFV erfolgt durch Abgießen der sog. „Bolzenprobe" (Bild 2.16). Die gegossene Probe (Bild 2.17) wird rechnerisch ausgewertet, wie in Abschnitt 3.3.3 der Arbeit dargelegt.
Bild 2.18 zeigt: binäres Al-Si-Phasendiagramm [P.R. Sahm et al. 1998b nach L. F. Mondolfo 1976]
2.2.3 Das Gussgefüge des Systems Al-Si und seiner Legierungen
Aluminium bildet mit Silizium bei 12,6 Gewichts-% Si ein bei 577°C schmelzendes Eutektikum. Die Löslichkeit von Si im festen AI-Mischkristall liegt für 577°C bei 1 ,65 Gew.-%. Die Löslichkeit sinkt mit fallender Temperatur stark ab, so dass sie bei 3000C nur etwa 0,07 Gew.-% beträgt (Bild 2.18). Untereutektische Gusslegierungen bilden bei ihrer Erstarrung zunächst eine Al-Primärphase, den α- Mischkristall, welcher dendritisch oder bei Kornfeinung auch globulitisch kompakt geformt sein kann. Unterhalb von 577°C scheidet sich als zweite Phase die aus AI und Si zusammengesetzte eutektische Phase aus.
Der a-Mischkristall
Die Feinheit und Form der α-Mischkristalle bestimmen über ihre Einwirkung auf das Speisungsvermögen und die daraus resultierende Mikroporosiät und Warmrissanfälligkeit letztendlich auch die Festigkeit einer AISi-Legierung [VAW- IMCO 2004; Aluminium Rheinfelden 1995]. Daher werden den AISi-Legierungen chemische Kornfeiner zugegeben (siehe Abschnitt 2.2.4), wodurch der α- Mischkristall wegen mehr Korngrenzen dendritisch-kompakt ausbildet wird. Indirekt bewirkt ein feinerer α-Mischkristall somit einen positiven Einfluss auf die Ausprägung der mechanischen Eigenschaften, weil mögliche Porosität gemindert wird [Q. T. Fang, D. A. Granger 1989] und Diffusionswege bei einer Wärmebehandlung kürzer werden [T. Kattamis 1982]. Eine steigende Zahl von Korngrenzen kann aber nicht unmittelbar gemäß der für einphasige Legierungen gültigen Hall-Petch-Beziehung über Behinderung der Versetzungsbewegungen [G. Gottstein 1998b] einem Fortschreiten von Rissen entgegenwirken [K. Müller 1996, D. Kube 2000], da andere Gefügebestandteile (Eutektikum, intermetallische Phasen) die Festigkeit gravierender beeinflussen. Dennoch werden die Feinheit der Al-Primärphase über den sogenannten lokalen sekundären Dendritenarmabstand (DAS) innerhalb des α-Mischkristalls [K. J. Oswalt, M. S. Misra 1981, H. M. Tensi, H. Fuchs 1983] oder für dendritisch-kompakt ausgeprägte Körner („dendrite cell") auch die Korngröße [R. E. Spear, G. R. Gardener 1963, C. H. Caceres, Q. G. Wang 1996] als Einflussfaktoren für die Gefügequalität wirksam [M. Drouzy et al. 1980; C. H. Caceres 2000a-d]. Gefügefeinheit, chemische Einflussfaktoren und Auslagerungskurven gehen ein in die mit hohem empirischen Aufwand erstellten Qualitäts-Index-Charts, wie sie vor allem für AISi7Mg gebräuchlich sind [C. H. Caceres 2000a-d; J. A. Taylor et al. 2000]. Sie werden zur Vorhersage von Bauteillebensdauer und Betriebsfestigkeit herangezogen [R. Minichmayr, W. Eichlseder 2003, W. Eichlseder 2004]. Solche für AISi7Mg korrigierten Indices sind jedoch nicht ohne weiteres auf andere AISi- Legierungen übertragbar. In dieser Arbeit wird der ursprünglich nach Drouzy et al. 1980 formulierte Qualitätsindex Q verwendet mit Rm = einheitsloser maximaler Zugfestigkeit, A5 = einheitsloser Bruchdehnung:
• Q = Rm + 150 log (A).
Dieser für die Legierung AISi7Mg entwickelte Index gilt nur bedingt für andere AISi-Legierungen. Angaben zum Qualitätsindex Q wurden in dieser Arbeit nach obiger Formel berechnet, sind aber nicht als quantitativ verlässlich, sondern rein qualitativ anzusehen und zum groben Vergleich in Diagrammen angeführt. Die eutektische Phase (Al-Si)
Ist der Si-Anteil in der Legierung größer als die jeweilige Löslichkeitsgrenze, dann enthält das Gefüge neben α-Mischkristallen als Primärphase eine eutektische Phase aus teilweise gekoppelt erstarrtem Al-Si-Eutektikum. Hierin unterscheiden sich AISi-Gusslegierungen von AISi- Knetlegierungen, in denen elektisches Silizium eine Umformbarkeit im Festen stark behindern würde. Die Gießeigenschaften der Al-Si-Legierungen hängen stark vom Anteil der elektischen Phase im entstehenden Gefüge und damit vom Siliziumanteil ab. Mit steigendem Si-Gehalt bis hin zur elektischen Zusammensetzung verbessert sich das Fließ- und Speisungsvermögen. Aufgrund der Kombination von guten Festigkeitswerten und ausgezeichneter Gießbarkeit sind die naheutektischen Legierungen (Si >7 Gew.-%) Hauptvertreter der Al-Si-Gusswerkstoffe. AISi- Legierungen mit niedrigerem Silizium-Gehalt als 5 Gew.-% besitzen schlechte Gießeigenschaften, so dass sie, außer in wenigen Ausnahmefällen wie Grundlagenuntersuchungen, technisch bisher nicht zum Einsatz gekommen sind.
Die Moφhologie des Siliziums der elektischen Phase kann in drei Ausprägungen differenziert werden [X. G. Chen 1990]:
• „körnig": teils polyedrisch, plattenförmiges (primäres) Silizium, teils regellos verteilte grobe stäbchenförmige Siliziumkristalle
• „lamellar": strahlig angeordnete, meist nadeiförmige Siliziumkristalle
• „verdedelt": sehr fein, teilweise gedrungen korallig ausgebildete Siliziumkristallstäbchen.
Die Ausprägung der Moφhologie hängt sowohl von einer eventuellen chemischen Veredelung (siehe Abschnitt 2.2.4) als auch von den Erstarrungsbedingungen und von der möglichen Wärmebehandlung (siehe Abschnitt 2.2.5) durch spheroide Einformung des eutektischen Siliziums ab. Darüber hinaus besitzt die Morphologie des Siliziums auch erheblichen Einfluss auf die Festigkeit einer Gusslegierung und kann bei körniger und grob-lamellarer Ausprägung gefügeschwächend, risseinleitend, aber bei verededelter und spheroider Einformung als Dispergid in der Werkstoffmatrix auch festigkeitssteigernd wirken. Veredeltes Eutektikum, bzw. spheroide feine Si-Partikel wirken entsprechend des Orowan-Mechanismus (Umgehung von Partikeln durch Versetzungen) festigkeitssteigernd (siehe Abschnitt 2.2.5). Die sphäroide Erscheinungsform ist nicht zu verwechseln mit Sphärolitenbildung von primärem Si [T. Herfurth, S. Engler 2000]. Die kritische Schubspannung nimmt zu mit abnehmendem Teilchenabstand und -radius r in Abhängigkeit des Volumenbruchteils f, also dem Dispersionsgrad f/r [G. Gottstein 1998c]. Die In-Situ-Festigkeit von körnigem elektischem Si beträgt ca. 200 MPa, wo hingegen unveredeltes spheroidiertes Si nach einer T6-Wärmebehandlung In- Situ-Festigkeiten zwischen 500 und 900 MPa besitzt [Nishido et al. 2004]. Feines elektisches Gefüge begünstigt für Mg als Legierungsbestandteil bei Lösungsglühen durch kurze Diffusionswege die Wiederauflösung von auf eutektischen Korngrenzen ausgeschiedenem Mg2Si (Diffusion des Mg zurück in den α- Mischkristall) [E. Dunkel 1965]. Das eutektische Silizium übt in seiner morphologischen und mengenmäßigen Ausprägung bei Raumtemperatur einen maßgeblichen Einfluss auf die mechanischen Eigenschaften aus [H. Unckel 1963; A. Saigal, J. T. Berry 1987]. Es wurde gezeigt, dass der Bruch einer AISi-Legierung in drei Phasen unterteilt werden kann [A. Gangulee, J. Gurland 1967; R.M. Voigt, R. D. Bye 1991; Surappa et al. 1986]:
• Rissinitiierung in Si-Partikeln,
• Rissausbildung bei weiterer Dehnung zu einer Kavität,
• Reißen der AI-Matrix zwischen den gebildeten Kavitäten. Bei niedrigen Si-Gehalten kommt der Einfluss des DAS bzw. der Korngröße des α- globulitischen Mischkristalls auf die mechanischen Eigenschaften nach E. Erginer und J. Gurland 1970 stärker zum Tragen als bei siliziumreicheren Legierungen.
In übereutektischen Legierungen und gelegentlich auch neben α-Mischkristall in naheutektischen Legierungen (Si <12,5 Gew.-%) auftretend, dann „anormale Erstarrung" genannt [Aluminiumtaschenbuch 1990b], erstarrt zunächst primäres Silizium in Form plattenförmiger hexagonaler Si-Kristalle. Die Verschleißbeständigkeit dieser Legierungen steigt, jedoch unterbrechen die Polyeder das Gefüge, wodurch die Festigkeit und Dehnung deutlich herabgesetzt werden.
Sekundäre intermetallische Phasen in AISi-Legierungen
In technischen AISi-Legierungen liegen teilweise gewünschte intermetallische, streng stöchiometrische Phasen wie bei Mg- oder Cu-Zulegierung vor. Außerdem gibt es unerwünschte intermetallische Phasen, die durch Fe-, Zn- oder Cu- Verunreinigungen hervorgerufen werden.
Positiv wirkende intermetallische Phasen werden in AISi-Legierungen zumeist über Zulegieren von Mg oder Cu und eine sich nach dem Gießen anschließende Wärmebehandlung erzeugt und beeinflusst. Im Gusszustand kommen sie zumeist als Chinesenschrift-artige Ausscheidungen vor: Mg2Si (kfz, Zintl-Phase [R. Pöttgen, R. D. Hoffmann 2004]) bzw. AI2Cu (kfz [G. Gottstein 1998d, e]). Der positive Einfluss auf die mechanischen Eigenschaften beruht auf dem Mechanismus der Ausscheidungshärtung [G. Gottstein 1998e]. Auf die Wärmebehandlung und Ausscheidungshärtung durch ß-Mg2Si und 6-AI2Cu (θ- Phase, tetragonal) wird in Abschnitt 2.2.5 vertiefend eingegangen. Unerwünschte intermetallische Ausscheidungen sind vor allem eisenhaltige stöchiometrische Verbindungen, die meist an Korngrenzen in grober, morphologisch ungünstiger Form vorliegen und so die mechanischen Eigenschaften negativ beeinflussen. Hierzu zählen die eisenhaltigen Phasen AI6(Mn1Fe), AI3Fe, α- AI(Mn1Fe)Si, ß-AIFeSi (AI5FeSi) und π-AIMgFeSi (AI8Si6Mg3Fe) sowie ihre Untergruppierungen. Ihre Entstehung und Ausprägung hängt von der chemischen Zusammensetzung der Schmelze (z. B. Mg-Gehalt), in hohem Maße von den Abkühlbedingungen (stabile oder Ungleichgewichtserstarrung nach Scheil) sowie der evtl. nachgeschalteten Wärmebehandlung ab (siehe Abschnitt 2.2.5). Kupferhaltige Störphasen in AISi-Legierungen sind AICuMg (S- Phase, Typ Laves) und AICuMgSi (H- oder Q-Phase).
Weitere mögliche intermetallische Phasen treten in technischen AISi-Legierungen durch Zugabe an Kornfeinungs- und Verdelungmittelmitteln auf. Das heißt, sie entstehen bei der gezielten Beeinflussung des α-Mischkristalls oder der eu- tektischen Phase während der Erstarrung. Hierzu zählen AI3Ti, TiB2, AISiTi (überschüssiger Keimbildner oder hoher Ti-Gehalt der Basislegierung) und AI4Sr sowie AISi2Sr (Nebenprodukte der Veredlung). Daher reichen einfache binäre Zustandsdiagramme nicht zur Vorhersage entstehender Phasen und Gefügeanteile aus, sondern es müssen komplexe Mehrstoffsysteme herangezogen werden.
Mehrphasendiagramme basierend auf dem System Al-Si
Gießtechnisch verwendete AISi-Legierungen enthalten zumeist noch weitere Legierungsbestandteile wie Mg, Cu, Ni, Mn, Cr, Ti oder B sowie Verunreinigungen wie Fe, die über sich zusätzlich bildende Phasen signifikanten Einfluss auf Gefüge und Eigenschaften ausüben können. Meist sind ein oder zwei weitere dieser Elemente in verhältnismäßig hoher Konzentration sowie eine Vielzahl anderer Elemente (Verunreinigungen) in niedrigen Konzentrationen Legierungsbestandteil. Somit dürfen technische Gusslegierungen nicht als Zweistoffsysteme, sondern als ternäre oder höherwertige Systeme angesehen werden, deren Zusammensetzung ein komplexes Mehrstoffsystem bildet. Im Vergleich zu den Zweistoffsystemen bildet sich eine Reihe neuer Phasen aus, Löslichkeitsgrenzen ändern sich und die Umwandlungstemperaturen werden verschoben. Die Darstellung komplexer ternärer Systeme kann nur räumlich erfolgen oder im Zweidimensionalen projiziert als isothermer Schnitt. Dementsprechend lassen sich die Existenzbereiche und Grenzen der Gleichgewichtsphasen als Funktion der Konzentration angeben [J. Hansen, F. Beiner 1974]. Darstellungen von über ternäre Systeme hinausgehenden Mehrkomponetensystemen sind nur noch über quasibinäre oder - ternäre Schnitte möglich. Schnitte durch die für diese Arbeit wichtigsten Mehrstoffsysteme sind im Folgenden dargestellt (Bild 2.19 - 2.23).
Bild 2.19 zeigt die Projektion der Liquidustemperaturen des Dreistoffsystems Al- Si-Mg. Niedrige Si- und Mg-Gehalte sind im unteren linken Bereich angesiedelt. Bild 2.20 zeigt die Projektion der Solidustemperaturen dieses Dreistoffsystems. Die Temperaturen sinken mit steigenden Gehalten von Silizium und Magnesium. Im Vergleich dazu wird das Dreistoffsystem Al-Si-Cu dargestellt. Hierbei handelt es sich in Bild 2.21 ebenfalls um die Projektion der Liquidustemperaturen. Für Legierungen mit niedrigen Si- und Cu-Gehalten ist die rechte untere Ecke relevant.
Ein Vierstoffsystem lässt sich nicht mehr in der Ebene darstellen; nur noch vereinfachte Darstellungen sind möglich, wie Bild 2.22 für das System Al-Si-Mg-Fe und Bild 2.23 für das System Al-Si-Mg-Cu zeigen.
Bild 2.19 zeigt: Das ternäre System Al-Si-Mg: Projektion der Liquidustemperaturen, [ASM 1998].
Bild 2.20 zeigt: Das ternäre System Al-Si-Mg: Projektion der Solidustemperaturen, [ASM 1998]. BiId 2.21 zeigt: Das ternäre System Al-Si-Cu: Projektion der
Liquidustemperaturen, [ASM 1998].
Bild 2.22 zeigt: Existenzbereiche intermetallischer Phasen in AISi-Legierungen mit
Fe und Mg (quartäres System) im quasi-ternären Schnitt, [A. L. Dons 2002]
Bild 2.23 zeigt: Existenzbereiche intermetallischer Phasen in AISi-Legierungen mit
Mg und Cu (vereinfachtes quartäres System), [A. L. Dons 2002]
Um diese komplexen Mehrstoffsysteme zu erfassen und darzustellen (thermodynamische Modellierung), sind thermophysikalische Datenbanken, die auf der Calphad-Methode [L. Kaufman, H. Bernstein 1970] basieren, entwickelt worden wie Thermo-Calc, DICTRA, ChemSage, Lukas [U. R. Kattner 1997], PANDAT [S. L. Chen et al. 2003; C. Ravi, C. Wolverton 2005] oder Alstruc [A. L. Dons 2003]. Diese ermöglichen es, Phasenentstehung, chemische Zusammensetzung, Seigerung und Anteile im Gefüge rechnerisch zu bestimmen, wenn die Datenbanken entsprechend belastbar sind [U. Hecht et al. 2004]. Das in dieser Arbeit eingesetzte Programm ist „Thermo-Calc".
2.2.4 Kornfeinung - Veredelung - Schmelzebehandlung Kornfeinung untereutektischer AISi-Legierungen
Die Kornfeinung ist eine Schmelzebehandlung, die eine Modifikation des α- Mischkristalls hervorruft. In unbehandelter Schmelze entsteht ein grober dendritischer α- Mischkristall, dessen Korngröße von Gießtemperatur und Abkühlgeschwindigkeit (Wärmeentzug) bestimmt wird. Unter dem Begriff „Kornfeinung" wird eine künstliche Erhöhung der Keimzahl in der Schmelze verstanden, die durch Einbringen und Verteilen von Fremdkeimen hervorgerufen wird. Hohe Keimzahl führt bei Aufeinandertreffen der Korngrenzen zu einem feinen annähernd globulitischen Gefüge. Einen guten Überblick über die Thematik geben W. Reif 1998 und H. Koch 2000. Wie in Bild 2.24 und Bild 2.25 für die in dieser Arbeit entwickelte Legierung AISi3Mg dargestellt, bewirkt die Komfeinung bei Al-Si- Gusslegierungen zumeist eine feinere Ausbildung von:
• Aluminium-Mischkristall in Form von kleineren kompakten Dendriten,
• elektischem Korn bestehend aus gekoppelt wachsendem AI und Si.
Die feinausgebildete meist globulitische Mikrostruktur korngefeinter Gussteile birgt wesentliche Vorteile gegenüber dem grobkörnigen, nicht korngefeinten Guss- gefüge. Komfeinung ist besonderes sinnvoll bei warmrissempfindlichen Al-Si- Legierungen und Al-Mg-, Al-Cu-Legierungen.
Die wichtigsten Vorteile sind:
• bessere Speisungsfähigkeit durch verbesserte Massenspeisung,
• verbesserte Formfüllungs- und Fließfähigkeit,
• Verringerung von Porositätsanfälligkeit und Warmrissneigung,
• dadurch erhöhte Duktilität,
• bessere Oberflächenbeschaffenheit.
Ein weiterer positiver Effekt von Komfeinung in AISi-Legierungen ist die feinere Ausprägung von sekundären intermetallischen AlFe-Verbindungen wie AI13Fe4, AI6Fe, AU.sFe, α-AIFeSi, die so gleichmäßiger über die Korngrenzen des α- Mischkristalls verteilt werden [P. Schumacher 2003; A. L. Greer et al. 2003].
Bild 2.24 zeigt: Nicht korngefeintes Gefüge der Legierung AISi3MgO,6, Farbätzung nach Barker
Bild 2.25 zeigt: Mit 150 ppm AITΪ5B1 korngefeintes Gefüge der Legierung AISi3MgO,6, Farbätzung nach Barker
Handelsübliche Kornfeinungsvorlegierungen wurden hauptsächlich für die Bedürfnisse in der Produktion von Knetlegierungen entwickelt [H. Koch 2000]. In der Praxis ist die dominierende Methode das Zulegieren einer AITiB- Vorlegierung in Draht- oder Waffelplattenform, deren häufigste Vorlegierungen vom Typ AITi5B1, AITi3B1 oder AITi5B0,2 somit nicht auf technische AI-Gusslegierungen mit Si- Gehalten zwischen 7 und 11 Gew.-% Si abgestimmt sind. Übliche Zugabemengen liegen zwischen 100 und 300 ppm. In neuerer Zeit werden weitere für Knetlegierungen entwickelte Kornfeiner AITiI ,2B0,5 mit variiertem Ti:B-Verhältnis 2,2:1 [W. A. Schneider et al. 2003; H. Koch 2000], die bessere Kornfeinungsergebnisse bei geringeren Zugabemengen erzielen, bzw. AITiI ,6B1 ,4 (TiBAIIoy®) für AISi-Gusslegierungen propagiert. AITiI , 6B1 ,4 soll bei Abwesenheit von Sr in der Legierung jedoch schlechtere Ergebnisse in Hinblick auf Warmrissigkeit als AITJ5B1 erzeugen [D. Boot et al. 2002]. Weitere aktuelle Arbeiten liegen im Bereich thermodynamischer Modellierung [P. Cooper et al. 2003; J. Gröbner et al. 2005]. Hohe Ti-Gehalte im Verhältnis zu B sind als kritisch anzusehen, da technische AISi-Legierungen gewöhnlich schon mehr als 0,04 Gew.-% Ti enthalten, welches keinen Einfluss auf die Gefügefeinheit nimmt, aber die Bildung des Mischoxids (AI1Ti)B2 fördert. Zu hohe Mengen Bor können sich ebenfalls negativ durch Agglomeration und Sedimentation auswirken [H. Koch 2000].
Die Kornfeinungswirkung wurde früher auf die intermetallische Verbindung TiB2 zurückgeführt, die unlöslich in Form von feinen Partikeln in der Schmelze vorliegen soll [A. Cibula 1951] oder auf die peritektische Reaktion: S + AI3Ti -> α- Al [J. Marcantonio, L F. Mondolfo 1971]. In neueren Untersuchungen [P. Schumacher 2003] wird die These vertreten, dass das freie Ti in der Schmelze durch die Bildung einer dünnen AI3Ti-Schicht für die Keimbildung entscheidend ist. Ohne diese ist Keimbildung nicht möglich. Freies überschüssiges Ti in der Schmelze führt somit zur Existenz von stöchiometrischem TiB2, welches als Substrat für AbTi wirkt [P. Schumacher et al. 1998]. Die sich bildende Schicht AI3Ti kann durch eine lokale peritektische Reaktion: Schmelze + AI3Ti -> α-AI eine Keimbildung bewirken.
Kornfeinung mit AlTiB-Vorlegierungen ist besonders wirksam bei Legierungen mit hohem Anteil des α-Mischkristalls (niedrige Si-Gehalte). Bild 2.26 zeigt den Einfluss des Si-Gehalts mit AITi5B1 auf die Kornfeinung. Es ist zu erkennen, dass in dem Bereich von 1 % bis 3 % Si-Gehalt die Kornfeinung am effektivsten ist, was durch Untersuchungen von J. A. Spittle et al. 1997 bestätigt und intensiv erforscht wurde [B. J. McKay, P. Schumacher 2004]. Der Vorgang tritt bei höherem Si- Gehalt über 3 Gew.-% unter bestimmten Verfahrensbedingungen auf (hohe Temperatur, hohe freie Ti-Konzentration, lange Haltezeiten im Ofen). Dieses „Si- Vergiftung" genannte Phänomen (Bild 2.27) wird auf den Keimbildungsmechanismus von AI auf Basaloberflächen von Boriden AI3Ti/AIB2 zurückgeführt und die Bildung von Si2Ti steht in direkter Konkurrenz zur Bildung von α-AI [P. Schumacher 2003].
Dies führt in der Gießerei-Praxis bei technischen AISi-Legierungen mit Si- Gehalten über 3 Gew.% nach Haltezeiten von mehr als einer halben Stunde zu einem Abklingen der Kornfeinungswirkung (Bild 2.28) [S. A. Kori et al. 1999]. In der Gießereipraxis empfiehlt es sich daher, oben erwähnte Randbedingungen zu vermeiden, bzw. deren Auftreten durch Zugabe von TiB2 entgegenzuwirken, um die freie Ti-Konzentration in der Schmelze zu senken [P. Schumacher 2003].
Bild 2.26 zeigt: Einfluss des Siliziumgehaltes auf die Kornfeinung von AISi- Legierung mit einer AITi5B1 -Vorlegierung [VAW-IMCO 2004]. Bild 2.27 zeigt: Si-Vergiftung in Abhängigkeit vom Si- Gehalt bei konstanten Kornfeinungsbedingungen nach [P. Schumacher 2003, J. A. Spittle et al.1997] Bild 2.28 zeigt: Korngrößen von mit 200 ppm AITi5B1 gefeinten AI- und AISi- Legierungen in Abhängigkeit der Haltezeit im Ofen nach Behandlung, [S. Kori et al. 1999]. Für AISi7 scheint die Anwesenheit von Mg in der Schmelze (ideal 0,2 Gew.-% Mg) eine Kornfeinung zu begünstigen, was vermutlich auf eine Herabsenkung der Oberflächenspannung der AI-Schmelze zurückzuführen ist [S. A. Kori et al. 1999]. In dieser Untersuchung führten Gehalte von 600 ppm AITΪ5B1 zu erheblich besseren Ergebnissen als die in der Praxis üblicherweise zugegebenen Gehalte zwischen 150 und 250 ppm, über denen es zum Ausseigern von Ti-Verbindungen kommen kann. Diese Schwerkraft-Sedimentation von Titan-Silizium-Aluminiden Ti(AI, Si)3 bei Ti-Gehalten über 0,12 Gew.-% in der Schmelze, deren Auftreten und Ursachen für AISi7Mg von B. Brosnan et al. 2002 beschrieben werden, darf nicht, wie häufig fälschlich angenommen, mit einer Si-Vergiftung verwechselt werden.
Es wird berichtet, dass Kornfeinung mit Ti-Vorlegierungen eine Wasserstoffaufnahme der Schmelze durch eine Veränderung der Oxidhaut verringert und die Anfälligkeit für Porosität im Bauteil so günstig beeinflusst [F.-J. Klinkenberg 1998].
AlTiC-Komfeiner, wie sie mit AITi6C0,1 und AITi3C0,15 in Knetlegierungen verwendet werden [F. Romankiewiecz 2000; P. Molodovan, G. Popescu 2004], zeigen bei AISi-Gusslegierungen keine akzeptablen Ergebnisse. Zirkonhaltige Kornfeiner sind für AISi-Legierungen ebenfalls ungeeignet, da sie mit AI reagieren und als Schlamm im Ofen ausseigern.
Eine aktuelle Untersuchung [Jun Wang et al. 2003] berichtet, aufbauend auf Vorarbeiten von T. F. Banamove 1965; T. Ohmi, M. Kudoh 1992; J. Zengyun 1995 und G. Shaokang et al. 1999, über die Möglichkeit einer Komfeinung von AISi7Mg durch das Mischen zweier unterschiedlich heißer Schmelzen direkt vor dem Abgießen und Gießen durch einen Refraktärfilter. Als ideale Schmelzentemperaturen werden 8000C bis 9500C und 600°C angeführt. Erklärt wird eine erzielte Kornfeinung durch Refraktäreinschlüsse (heterogene Keimbildung) und mit einer Vermehrung der intrinsischen Keime in der Schmelze. Beim Mischen der Schmelzen werden in der kalten Schmelze vorliegende größere Atom-Cluster keimwirksam. Gleichzeitig werden kleine Cluster in der heißen Schmelze durch den hohen Grad der Unterkühlung beim Mischen der heißen mit der kalten Schmelze als Keime wirksam. Der Filter bewirkt eine homogene Mischung der Schmelzen.
Veredelung untereutektischer AISi-Legierungen
Die Ausbildung der eutektische Phase beeinflusst die mechanischen, gießtechnischen, sowie die physikalischen Eigenschaften des Werkstoffs. Elektisches Silizium kann in den in Abschnitt 2.2.3 vorgestellten und in Bild 2.29 dargestellten Modifikationen vorliegen. Einen umfassenden Überblick über die thermophysikalischen und chemischen Grundlagen, sowie Wachstumstheorien zum Kristallwachstum von elektischem Silizium geben X. G. Chen 1990; K. Nogita et al. 2005.
Bild 2.29 zeigt: Gefügemodifikationen des Al-Si-Eutektikums [P.R. Sahm et al.
1998b]
Bild 2.30 zeigt: Grundtypen der elektischen Körner in AISi-Legierungen [X. G.
Chen 1990].
Bild 2.31 zeigt: Die drei Grundtypen des Eutektikums (REM-Aufnahmen untersch.
Vergrößerungen, Freiätzung des Si): links: unveredelt, Mitte: lamellar, rechts: veredelt. Die Unterschiede der Erscheinungsformen sind auf unterschiedliche
Wachstumsmodelle zurückzuführen, [X. G. Chen 1990].
Wenn die Schmelze nicht gezielt behandelt wird, liegt das eutektische Silizium meist in Form grober, regellos verteilter, kantiger Kristalle (körnige Form) vor, welche die Matrix des α-Mischkristalls unterbrechen und die Duktilität des Werkstoffs herabsetzen. Die durch strahlig angeordnete, nadeiförmige Si-Kristalle charakterisierte lamellare Ausbildung ergibt zwar einen duktileren AlSi-Werkstoff, der aber wegen seiner schwammartigen Erstarrung schwierig zu vergießen ist und zu Bildung von Mikrolunkern neigt. In der veredelten Modifikation liegt Si in Form von fein verteilten, abgerundeten Stäbchen vor, (Bilder 2.30, 2.31). Die Zugabe von Drittelementen, die eine Bildung der veredelten Modifikation begünstigen, wird als Veredelung bezeichnet. Positive Auswirkungen einer Veredelung sind:
• verbesserte Gießeigenschaften,
• erhöhte Duktilität,
• bessere Gussoberfläche und Bearbeitbarkeit (Zerspanbarkeit).
Chemisch veredelnd wirken insbesondere die Elemente der Gruppen I (Li, Na, K, Rb, Cs) und IIa (Be, Mg, Ca, Sr, Cd, Ba) sowie einige Elemente der Gruppen IM-VI (Sb, As, Se, Cd, Nd, Ga, La, Ce, Pr) [W. Thiele, E. Dunkel 1966; S. Berovici 1980; G. Trenda, A. Kraly 2005]. Viele dieser Elemente sind selten (RE), so dass sie aus Kostenaspekten (La, Ce) oder ihrer hohen Reaktivität (Li) wegen fragwürdig sind; andere sind hoch toxisch (Be1 Cs). Daher konnten sich technisch bisher nur Na, Sr und Sb durchsetzen, da kleine Zugabemengen davon den gewünschten Veredlungszustand erzielen.
Das klassische Veredelungsmittel ist Natrium, das, als metallisches Natrium oder natriumhaltiges Salz in die AlSi-Schmelze eingebracht, eine starke Veredlungswirkung aufweist. Sämtliche AISi-Legierungen (untereutektisch-, eutektisch und übereutektisch) lassen sich auch bei großen Wandstärken und langsamer Abkühlung veredeln. Nachteilig ist, dass eine Natriumbehandlung der Schmelze schon nach etwa 30 min. abklingt und ihre Wirkung verliert. Zudem sind Krätzebildung, Verringerung des Fließvermögens und verstärkter Reinigungsaufwand der Öfen ungünstig [K. Alker 1972]. Natriumveredlung wird heute daher zumeist nur bei dickwandigem Guss und Sandguss angewendet. Strontiumveredelung wird meist mit AlSr-Vorlegierungen (3 % - 14 Gew.-% Sr) durchgeführt, wobei die 3-prozentige Vorlegierung die einfachste Einbringung in eine, oftmals auch schon vom AI-Lieferanten vorveredelte Legierung darstellt. Die auch als Langzeitveredelung bekannte Sr-Veredelung bietet eine wesentlich längere Wirkungsdauer von mehreren Stunden und ist teilweise sogar umschmelzbeständig. Die Veredelungswirkung von Sr ist gegenüber Na geringer, speziell bei niedrigen Abkühlgeschwindigkeiten [K. Alker, U. Hielscher 1972]. Daher wird sie hauptsächlich bei Kokillen- und Niederdruckguss eingesetzt. Eine weitere positive Auswirkung der Sr-Zugabe ist, dass höhere (über 200ppm) Sr- Anteile zur Einformung der unerwünschten eisenhaltigen intermetallischen Ausscheidungen (ß-AI5FeSi) und dadurch zur erhöhten Duktilität führen.
Antimon besitzt eine mit Sr vergleichbare Veredlungswirkung, ist aber so umschmelzbeständig, dass eine Dauerveredlung der Legierung eintritt [G. Nagel, R. Portalier 1980]. Antimonveredlung findet vor allem in Frankreich Anwendung. Problematisch ist jedoch, dass sich Legierungen, die Sb wie auch Phosphor enthalten, aufgrund von Wechselwirkungen nicht weiter mit Na oder Sr veredeln lassen [N. Handiak et al. 1987]. Bei einer Mischung von AI-Gusswerkstoffen im Schrottkreislauf und Recycling kann dies bei Al-Sekundärlegierungen zu erheblichen Problemen führen, weshalb der Einsatz von Sb vermieden werden sollte.
Über eine veredelnde Wirkung durch kurzzeitige Überhitzung (15-30 min. bei 850- 9000C) einer AISi7MgO,6-Schmelze berichten W. Jie et al. 2003. Als weitere Möglichkeit für eine Veredelung führen P. L. Schaffer et al. 2004 das Überschreiten einer kritischen Konzentration von TiB2-Komfeiner in der Schmelze an.
Der Einfluss einer Veredelung wirkt sich bei unterschiedlichen Gießverfahren verschieden aus, da die Ausbildung des Siliziums direkt von der Erstarrungsgeschwindigkeit und dadurch vom Formmaterial und der Wanddicke des Gussstücks abhängt. Bei Druckguss- und dünnwandigen Kokillengussteilen ist die Auswirkung einer Veredelungsbehandlung geringer, da hier schon verfahrensbedingt durch hohe Abkühlraten ein sehr feines, teilweise veredeltes Gefüge vorliegt [K. Nogita et al. 2005]. Daher wird hier oftmals auf eine chemische Veredelung verzichtet. Auch bei stärker untereutektischen Al-Si-Legierungen fällt die Veredelungswirkung schwächer aus, weil der Gefügeanteil der zu feinenden elektischen Phase geringer ist und eine Veredelung daher die mechanischen Werkstoffeigenschaften nur in geringem Maße beeinflusst.
Bei einer Überdosierung von Veredelungsmitteln treten entlang der elektischen Körner unerwünschte sog. Überveredelungsbänder auf, die durch die Ansammlung eisenhaltiger Ausscheidungen die Gussqualität stark herabsetzen (Bild 2.29e, S. 39).
Eine weitere negative Auswirkung größerer Sr- und Na-Gehalte kann die verstärkte Wasserstofflöslichkeit der AI-Schmelze durch Morphologieveränderung der Oxidhaut auf veredelten Schmelzen und die hierdurch verstärkte Neigung zu Gasporosität darstellen [F.-J. Klinkenberg 1998]. Zahlreiche jüngere Arbeiten untersuchen den Einfluss von Veredelung auf Porositätsbildung in untereutektischen AISi-Legierungen [S. D. McDonald et al. 2004; L. Lu et al. 2004; C. M. Dinnis et al. 2004; J. P. Anson 2000].
Schmelzereinigung
Aluminium ist ein unedles Element und zeigt daher eine hohe Sauerstoffaffinität. Da sich die Dichte der so entstehenden Oxide kaum von der Dichte der AI- Schmelze unterscheidet, gelangen sie mit dem flüssigen Metall in die Gießform und führen dort zu fehlerhaftem Guss. Oxide treten in vielen Formen und Größen auf und sind durch unterschiedliche Maßnahmen wie Vermeidung eines Aufreißens des Gießstrahls bei Formfüllung als Einspülung im Bauteil zu umgehen. Ruhiger Formfüllung kommt somit hohe Bedeutung zu, was insbesondere beim Niederdruckgießen oder Niederdruck-Gegendruckgießen gegeben ist. Groboxide lassen sich allgemein leicht durch Filtern (z. B. mit Keramikeinlagen, Draht- oder Glasseidenfiltern) beseitigen.
Feinoxide und Wasserstoff werden dagegen durch die Einleitung von Spülgasen entfernt. Gase können dabei wie als Inertgas auf physikalischem Weg wie Argon, oder auf chemischem Weg wie Chlorgas funktionieren. Neben Oxiden ist Wasserstoff häufigste Ursache für Gussfehler. Die Wasserstofflöslichkeit in Aluminium ist stark temperaturabhängig und sinkt sprunghaft bei der Erstarrung (Bild 2.32). Diese Temperaturabhängigkeit führt dazu, dass sich Wasserstoff während der Abkühlung und Erstarrung des Metalls ausscheidet und in Form von Gasblasen als Porosität zurückbleibt. Um Gussfehlern vorzubeugen, werden unterschiedliche Maßnahmen zur Wasserstoff- und Oxidentfernung getroffen, die hier als Schmelzereinigung zusammengefasst sind.
Durch Gaseinleitung wird der Partialdruck des in der Schmelze atomar gelösten Wasserstoffs abgesenkt, so dass eine Wasserstoffdiffusion in die Gasblasen erfolgt. Die aufsteigenden Gasblasen haben auch einen Spüleffekt auf die oxidischen Verunreinigungen. Um die bestmögliche Wirkung zu erzielen, müssen die Gasblasen in feinverteilter Form in die Schmelze gebracht werden. Eine bewährte Methode hierfür ist die Anwendung rotierender Gasverteilungsköpfe, das sog. Impellern (Bild 2.33). In dieser Arbeit wurden Versuchsschmelzen vor dem Vergießen einer Spülgasbehandlung unterzogen, wobei im Industrieumfeld größere Schmelzemengen impellert, kleinere Schmelzemengen mit einer Tauchlanze (Bild 2.33) gereinigt wurden.
Bild 2.32 zeigt: Temperaturanhängigkeit der Wasser stofflöslichkeit in unterschiedlichen Al-Si-Legierungen bei 1 bar Wasserstoffdruck, [P. Lutze, J. Rüge 1990]. BiId 2.33 zeigt: Unterschiedliche Gasaustrittsanordnungen bei der Spülungs- Wasserstoffentgasung a) Einleitungslanze, b) lmpeller,[P. R. Sahm et al. 1998b].
Bei schwer speisbaren Kokillengussbauteilen wird als Spülgas gelegentlich Formiergas, eine spezielle Mischung aus 70% Argon und 30% Wasserstoff, verwendet. Derartiges gezieltes Einbringen von Wasserstoff in die Schmelze begünstigt die Formfüllung sonst nicht gießbarer Bauteile und läuft somit einer üblichen Impellerbehandlung entgegen. Während der Erstarrung bilden sich kleine, kontrolliert verteilte Wasserstoffblasen, deren Volumen der Dichtspeisung dienen und so der Entstehung von Lunkern und Schwindungsporen vorbeugen können. Gleichzeitig säubert eine solche Spülgasbehandlung die Schmelze ebenfalls von oxidischen Verunreinigungen. Wenn Wasserstoff kontrolliert ausschließlich in Form von feinen, gut verteilten Blasen im erstarrten Gefüge vorliegt, übt er keinen negativen bauteilrelevanten Einfluss auf die physikalischen Eigenschaften der Al-Kokillengussbauteile aus.
Überwachung der Al-Schmelzequalität
Einen Überblick über die Vielzahl der Methoden zur Überwachung der Al- Schmelzequalität geben X. G. Chen et al. 1992, 1993. Neuere Kontrollverfahren beruhen auf den dort vorgestellten physikalischen Prinzipien. Im Folgenden wird nur auf die in dieser Arbeit angewandten Kontrollverfahren eingegangen.
Kontrolle von Komfeinung und Veredelung mit thermischer Analyse Eine in Gießereien angewendete Methode zur Ermittlung von Phasenbildung [J. Tamminen 1988; R. I. Mackay, J. E. Gruzleski 1998] in Aluminiumlegierungen, welche sich zur Kontrolle einer Komfeinung und Veredelung eignet, ist die sogenannte „Thermische Analyse" [VDG 1998]. In kommerziellen Systemen werden Abkühlkurven mit hinterlegten Datenbanken korreliert, um im Schmelzbetrieb Aussagen über einen Erfolg von Komfeinung und Veredlung [W. Menk et al. 1992] geben zu können. Für neu zu entwickelnde Legierungen greift die thermische Analyse somit nicht, da sie erst kalibriert werden muss. In dieser Arbeit wurde das System mit einer Kalibrierung für die Legierung AISi7MgO,3 lediglich zum Erfassen von Abkühlkurven verwendet. Bei dem am Gießerei-Institut genutzen System „Phase-Lab" der Fa. OCC kann für technische Legierungen der Kornfeinungsgrad nach den Methoden „Kornfeinungsgrad Gb" [B. Günther, H. Jürgens 1984] und „Kornfeinungsgrad KF16" [W. Menk et al. 1992] ermittelt werden.
Kontrolle des Wasserstoffgehalts der Schmelze
Um den Wasserstoffgehalt einer AI-Schmelze zu charakterisieren, hat sich die „Unterdruck-Dichte-Probe" in der betrieblichen Gießereipraxis bewährt. Hierbei werden zwei Proben einer Schmelze in vorgewärmte Tiegel (Tnegei = 2000C) abgegossen, wobei eine Probe in Luftatmosphäre und die zweite Probe bei einem Unterdruck von 80 mbar erstarrt. Die Dichte beider Proben wird anschließend nach dem archimedischen Prinzip bestimmt. Mit Hilfe der Dichten beider erstarrten Proben kann ein Dichteindex ermittelt werden, der Rückschluss über die Qualität der Schmelze gibt [P. R. Sahm et. al. 1998b]:
%λ = d" ~ d" -ioo%
D: Dichteindex [%], da: Dichte der Probe an Atmosphärendruck erstarrt, du: Dichte der Probe bei Unterdruck (80 mbar) erstarrt.
In der Praxis werden Schmelzen mit Dichteindexwerten von mehr als 4% im Kokil- lenguss als verunreinigt betrachtet. Über Gehalten von 6% sind die Messergebnisse der Unterdruckdichteprobe stark schwankungsbehaftet. Der Dichteindex wird jedoch nicht nur vom Wasserstoffgehalt beeinflusst, sondern er ist auch von Verunreinigungen wie Oxiden abhängig. Daher kann mit diesem Messverfahren zwar nicht der genaue Wasserstoffgehalt gemessen werden, jedoch reicht dieses Verfahren aus, um eine schnelle qualitative Aussage über die Schmelzequalität zu erlangen.
Chemische Analyse der Zusammensetzung einer Schmelze Die Spektralanalyse ist die gängigste Art zur Überprüfung der chemischen Zusammensetzung von Aluminiumlegierungen. Das Prinzip der Spektralanalyse beruht auf der sogenannten optischen Emissionsspektrometrie. Im Funkenstand wird durch eine Bogen- oder Funkenentladung Probenmaterial verdampft und die freigesetzten Atome und Ionen werden zur Emission von Strahlung angeregt. Über einen Lichtleiter wird die emittierte Strahlung an die optischen Systeme gelenkt, wo sie in einzelne spektrale Komponenten zerlegt wird. Von den zahlreichen Wellenlängen, die jedes in der Probe enthaltene Element typischerweise emittiert, wird die für die jeweilige Applikation am besten geeignete Linie mit Hilfe eines Photomultipliers gemessen. Die Strahlungsintensität verhält sich proportional zur Konzentration des Elements in der Probe, sie wird intern weiterverarbeitet und mit den im Gerät gespeicherten Kalibra-tionsdaten verglichen. Die Ergebnisse können anschließend direkt als Konzentrationswerte in Prozent online zur Verfügung gestellt werden [Spectro 2004]. Die chemischen Zusammensetzungen der Legierungen dieser Arbeit am Gießerei-Institut werden durch ein Spectromax- Gerät der Fa. Spectro bestimmt.
2.2.5 Ausscheidungshärtung und Wärmebehandlung
Metallkundliche Grundlagen der Ausscheidungshärtung Der Mechanismus der Aushärtbarkeit von AICuMg-Legierungen (Duraluminium) wurde bereits 1906 von A. WiIm entdeckt [A. WiIm 1911]. Einen umfassenden aktuellen Überblick über die metallkundlichen Prozesse bei der Ausscheidungshärtung von AI-Knetlegierungen gibt E. Zschech 1996. Ausscheidungen, die sich bei Abkühlung eines homogenen Mischkristalls in einem Zweiphasengebiet bilden, vermögen zur Festigkeitssteigerung beitragen. Von der umgebenden Metallmatrix sind diese Ausscheidungen durch Phasengrenzen getrennt [G. Gottstein 1998e]. Ausscheidungen können mit kohärenten, teilkohärenten und inkohärenten Phasengrenzen vorliegen, Bild 2.34 [G. Gottstein 1998f]. Inkohärente Ausscheidungen wirken wie Dispergide und lassen sich mit dem Orowan-Mechanismus durch Versetzungen umgehen. Inkohärente Ausscheidungen sind aber zu groß, um Festigkeit steigernd zu wirken. Ein Aushärtungseffekt kann durch kohärente und teilkohärente Phasengrenzen erfolgen.
Durch Abschrecken des erstarrten Gussteils bzw. Lösungsglühen und Abschrecken wird ein übersättigter Mischkristall gebildet. Durch anschließende Auslagerung bei niedrigen oder mittleren Temperaturen entstehen metastabile Phasen mit kohärenten oder teilkohärenten Phasengrenzen. Die kristallographischen Ebenen und Richtungen der Matrix werden mit leichter Verzerrung fortgesetzt, Bild 2.34. Ausscheidungen dieser Ausprägungen können durch Versetzungen geschnitten werden (Kelly-Fine-Mechanismus).
Bewegt sich eine Versetzung durch eine kohärente oder teilkohärente Ausscheidung, so wird das Teilchen unter Bildung einer Antiphasengrenze (Bild 2.35) abgeschert. Die kritische Schubspannung τc zum Durchschneiden eines Teilchens nimmt ~ Vr zu, vermag jedoch nicht größer als die Orowan-Spannung (~1/r) werden, denn dann wird die Versetzung das Teilchen leichter umgehen als schneiden [G. Gottstein 1998e]. Somit gibt es einen optimalen Teilchenradius r0 für Ausscheidungen (Bild 2.36). Die Einstellung dieser Teilchengröße ist das Ziel einer Aushärtung durch Wärmebehandlung (Lösungsglühen und Auslagern). Metastabile Phasen sind grundsätzlich instabil, weil ihre freie Enthalpie höher ist als die der Gleichgewichtsphase (inkohärent). BiId 2.34 zeigt: Struktur von Phasengrenzflächen: a) kohärent, b) teilkohärent, c) inkohärent, [G. Gottstein 1998f].
Bild 2.35 zeigt: Schneidet eine Versetzung eine Ausscheidung (oben), so schert das Teilchen ab (Mitte) und eine Antiphasengrenze entsteht (unten), [G. Gottstein
1998e].
Bild 2.36 zeigt: Schematische Festigkeitszunahme mit der Teilchengröße bis zum idealen Teilchen-Radius ro (Kelly-Fine-Mechanismus), danach Festigkeitsabnahme
(Orowan-Mechanismus), [G. Gottstein 1998e].
Bild 2.37 zeigt: Entmischungs- bzw. Ausscheidungsstufen bei der Auslagerung in
Abhängigkeit von der Zeit und Temperatur, [H. Böhm 1968].
Bild 2.38 zeigt: Teilschritte der Aushärtung und Entmischungs- bzw.
Ausscheidungsstufen bei Auslagerung, [W. Schneider et al. 1990].
Die ersten sich bildenden kohärenten Phasen sind in der Regel entmischte Zonen mit der Größe weniger Atomlagen und werden als Gunier-Preston-Zonen (GP) bezeichnet [G. Gottstein 1998e]. In AICu-Legierungen sind dies GP1 und GP2, in AICuMg-Legierungen GP1 , GP2 oder GPB und in Al-Si-Mg GP [E. Zschech1996]. Thermisch aktivierte Diffusion führt jedoch zur Abnahme der Zahl kohärenter Phasen und zur Ausbildung metastabiler, teilkohärenter Phasen. In Al-Cu sind dies: θ1 (AI2Cu), in Al-Cu-Mg: θ1 und S1 (AI2CuMg), sowie in Al-Si-Mg: ß", ß1 (Mg2Si) [C. Ravi, C. Wolverton 2004].
Durch längere Auslagerungsdauer und zu hohe Auslagerungstemperatur (Bild 2.37) kommt es zu Ausscheidungsvergröberung (Ostwald-Reifung) unter Auflösung der kleineren Ausscheidungen und Bildung inkohärenter Ausscheidungen. Triebkraft hierzu ist eine thermisch aktivierte Verringerung der Grenzflächenenergie. Ist die optimale Teilchengröße überschritten, dann sinken die Festigkeitseigenschaften der Legierung. Diese unerwünschte Festigkeitsabnahme wird „Überalterung" genannt. Je nach System werden die inkohärenten Gleichgewichtsphasen θ, S oder ß gebildet. Diese vergröberten Phasen können durch Wärmebehandlung nicht wieder aufgelöst werden [M. Usta et al. 2004].
Wärmebehandlung von AISi-G usslegierungen
Die Wärmebehandlung zur Aushärtung von AISi-Gusslegierungen besteht aus drei
Schritten: Lösungsglühen, Abschrecken, Auslagern.
Lösungsglühen:
Durch das Lösungsglühen werden die aushärtenden Elemente im α-Mischkristall in eine Zwangslösung gebracht und Konzentrationsunterschiede innerhalb des Mischkristalls ausgeglichen. Da die Löslichkeit des α-Mischkristalls mit der Temperatur zunimmt, soll die Lösungsglühtemperatur möglichst hoch gewählt werden. Um eine Gussteildeformation zu vermeiden, liegt sie in der Praxis etwa 15°C unterhalb der Aufschmelztemperatur niedrigst schmelzender Legierungsbestandteile. In reinen AISi-Legierungen schmilzt bei 577°C zunächst das Eutetikum (α + Si), in Magnesium-haltigen Legierungen bei 555°C die Mg2Si- Phase und in Kupfer-haltigen Legierungen bei 5070C die AI2Cu-Phase auf. Tabelle 2.4 zeigt die elektischen Reaktionen und Bildungstemperaturen der über die Lösungsglühtemperatur entscheidenden Phasen für AISiMg-Legierungen und AISiCuMg-Legierungen.
Für AISiMg-Legierungen liegt die Lösungsglühtemperatur zwischen 520 0C und 535 0C. In diesem Temperaturbereich wird ein Sicherheitsabstand bis zum Aufschmelzen der niedrigst schmelzenden Phasen eingehalten. Für AISiCuMg-Legie- rungen wird als ideale Lösungsglühtemperatur 485 0C angegeben [R. Fuoco et al. 2002]. Es wird auf ein Zweistufen-Lösungsglühen hingewiesen, bei dem das Gussteil erst 2 Sunden bei 485 0C und anschließend 2 Stunden bei 500 0C geglüht wird. Durch diese Wärmebehandlung wurden wesentlich höhere Festigkeiten und Dehnungen als bei nur einstufigem Lösungsglühen bei 485 0C erreicht (Tabelle 2.5).
Tabelle 2.4: Reaktionen der primären und elektischen Erstarrung sowie
Bildungstemperaturen der Phasen für AISiMg- und AISiCuMg-Legierungen [nach L. Backerud et al. 1990].
Figure imgf000084_0001
Tabelle 2.5: Mechanische Eigenschaften einer Al-Si-Cu-Mg-Legierung (B319 mit ca. 7 %
Silizium) bei untersch. Wärmebehandlungen [L. Backerud et al. 1990; R. Fuoco, E. R. Correa 2002]
Figure imgf000084_0002
Die Glühzeit hängt nicht nur von der Legierung, sondern auch von der Beschaffenheit des Gefüges und dadurch vom Gießverfahren ab. Da die aushärtenden Bestandteile bei feinem Gefüge diffusionsbedingt schneller in Lösung gehen, werden bei dünnwandigem Kokillenguss kürzere (üblich zwischen 4 und 10 h), bei dickwandigem Sandguss längere Lösungsglühzeiten bis 16 h gewählt. S. Shivkumar et al. 1989; F. Paray, J. E. Gruzleski 1996 weisen darauf hin, dass bei Kokillenguss von AISi7Mg die Dauer des Lösungsglühens signifikant auf unter eine Stunde reduzierbar ist, wenn Si und Mg im α-Mischkristall gleichmäßig verteilt sind. Die Autoren zeigen, dass es bei AISi7Mg im Kokillenguss erwägenswert erscheint, eine Veredelung zu unterlassen, da diese auf die Ausprägung des Si nach dem Lösungsglühen nur geringen Einfluss besitzt. Es wird berichtet, dass ein teilweises Aufschmelzen der elektischen Phase eine Spheroidisierung bei AISi7Mg weiter begünstigt [S. Shivkumar et al. 1989; L. Purdon, F. J. Mayor 2004]. Des Weiteren wird zur Verkürzung des Lösungsglühens ein Ausformen des heißen Gussteils aus der Kokille („not knock out") und Abschrecken in kaltem Wasser propagiert [L. Purdon, F. J. Mayor 2004]. Inwieweit dies allerdings zu Bauteilverzug führt, wird nicht berücksichtigt. Bei enger werdenden Anforderungen an Maßtoleranzen müssen dieser Effekt wie auch irrevesible Volumenänderungen im Guss durch Wärmebehandlungen [H. Tensi, M. Wittmann 1993] beachtet werden.
Eine Variante der Wärmebehandlung bei AISi-Legierungen, die weniger auf eine Aushärtung durch die intermetallische Phase Mg2Si abzielt, sondern primär eine Einformung des unveredelten oder veredelten elektischen Siliziums bezweckt, ist die sogenannte Kurzzeitwärmebehandlung (SST) [E. Ogris et al. 2002, 2003]. Bei einem kurzzeitigen Lösungsglühen bei 5400C kann in AISi7Mg bereits nach wenigen Minuten (3 - 30 min) eine Einformung des eutektischen Siliziums festgestellt werden [V. Päramo et al. 2000, G. Trenda 2005]. Eine SST-Behandlung eignet sich für Druckguss, Thixoforming oder dünnwandigen Kokillenguss, da sich hierbei die Bauteile rasch auf Lösungsglühtemperatur bringen lassen.
Abschrecken:
Durch die schnelle Abkühlung wird beim Abschrecken die Diffusion und dadurch das Wiederausscheiden gelöster Legierungsbestandteile verhindert und ein übersättigter Aluminiummischkristall erzeugt. Für das Abschrecken soll möglichst kaltes Wasser (RT) unter Bewegung der Bauteile im Kühlbecken benutzt werden. Das Wasser darf dabei nicht wärmer als 600C sein, weil sonst die erhöhte Gefahr von isolierender Dampfblasenbildung und damit eine Verlangsamung der Abkühlung besteht. Der Transport vom Glühofen zum Abschreckbecken muss schnellstmöglich erfolgen (je nach Bauteildicke 5 - 20 s). Jede Verzögerung (Vorkühlzeit) beeinflusst nämlich durch sich fortsetzende Ausscheidungsvorgänge die Endgütewerte (mech. Eigenschaften, Korrosionsbeständigkeit) ungünstig.
Auslagerung:
Die Auslagerung beseitigt den Zwangszustand der in übersättigter Lösung befindlichen Legierungselemente. Als erste Stufe der Entmischung bei der Auslagerung kommt es zur Ausscheidung kohärenter metastabiler Phasen. Die zweite Stufe der Entmischung ist das Ausscheiden teilkohärenter Phasen, die nur teilweise Übereinstimmung mit der Gitterstruktur des α-Mischkristalls vorweisen. Diese teilkohärenten Phasen sind ebenfalls metastabile Phasen. Die letzte Stufe der Entmischung ist die Ausscheidung inkohärenter Phasen. Bei diesen handelt es sich in der Regel um die unauflösbaren Gleichgewichtsphasen.
Die Ausprägung der Ausscheidung (kohärent, teilkohärent und inkohärent) hängt von der Auslagerungszeit und -temperatur ab (Bild 2.37, S. 47). Kohärente Ausscheidungen treten bei kurzen Auslagerungszeiten und niedrigeren Temperaturen auf, wogegen inkohärente Ausscheidungen bei langen Auslagerungszeiten und hohen Temperaturen entstehen. Daraus folgt, dass sich bei einer Kaltaushärtung nur Ausscheidungen als kohärente Phasen bilden, während bei einer Warmauslagerung alle drei Phasentypen auftreten können. In Bild 2.38, S. 47, ist neben der Darstellung der Lösungsglühtemperatur im Zustandsdiagramm die Entstehung der unterschiedlichen Ausscheidungsarten dargestellt [W. Schneider et al. 1990].
Auslagerungstemperaturen für AISi-Legierungen liegen zwischen 160 0C und 200 0C. Dabei sind für das Einstellen der mechanischen Eigenschaften des Gussteils die Auslagerungstemperatur und -zeit besonders wichtig. Die Bilder 2.39 bis 2.40 zeigen exemplarisch den Verlauf der mechanischen Kennwerte in Abhängigkeit von der Auslagerungszeit und -temperatur für die Legierung GK-AISiIOMg. Es ist zu erkennen, dass die Zugfestigkeit, die Dehngrenze und die Brinellhärte zunehmen. Die Werte der Bruchdehnung steigen erst erheblich an (zwischen 2 bis 4 Stunden), fallen danach jedoch stark ab. Die Festigkeitswerte erreichen ihre Höchstwerte je nach Auslagerungstemperatur nach 4 bis 8 Stunden und verringern bei weiterem Auslagern (Überalterung) langsam. Wird eine zu hohe Auslagerungstemperatur gewählt, z. B. 200 0C, so tritt Überalterung schon sehr früh ein und es werden keine hohen Festigkeitswerte wie bei niedrigeren Auslagerungstemperaturen erzielt. Des Weiteren gibt es Hinweise darauf, dass ein Erreichen optimaler Festigkeitswerte auch durch ein dem Lösungsglühen möglichst zeitnah nachfolgendes Auslagern begünstigt wird [Aluminium Rheinfelden 1995].
Da die Ermittlung von Lösungsglüh- und Aushärtungskurven, welche den zeitlichen Einfluss einer Wärmebehandlung wiedergeben, in Abhängigkeit der chemischen Legierungsspezifikation sehr aufwändig ist, wird zukünftig verstärkt versucht, diese Aushärtungskurven zu modellieren. Für Knetlegierungen wurden erste Modellierungen bereits 1990 unternommen [H. R. Shercliff, M. F. Ashby 1990]. Ein frühes solches Modell für Gusslegierungen ist ALPROP der Fa. Hydro Aluminium [S. Brusethaug, Y. Langsrud 2000]. P. A. Rometsch und G. B. Schaffer 2001 stellen für AISi7Mg ein solches Modell vor, C. A. Gandin et al. 2002 für AICu5 und H. Rockenschaub et al. 2005 für AISiCu3(Fe).
Bild 2.39 zeigt: Zugfestigkeit der Legierung GK-AISiIOMg bei verschiedenen Auslagerungstemperaturen, [VAW-IMCO 2004].
Bild 2.40 zeigt: Streckgrenze der Legierung GK-AISiIOMg bei verschiedenen Auslagerungstemperaturen, [VAW-IMCO 2004]. Konzeption der Legierungsentwicklung
3.1 Anforderungen an Aluminium-Gussbauteile für das Fahrwerk
Aluminium-Gussbauteile für Fahrwerksanwendungen müssen sich vor allem durch Eigenschaften wie hohe Festigkeit, hohe Bruchdehnung und Korrosionsbeständigkeit auszeichnen. Typische Anforderungen für AI-Gussteile für Schwerkraft-Kokillenguss mit AISiHMg im Fahrwerk sind:
• Zugfestigkeit Rm über 270 MPa,
• Streckgrenze Rp0,2 über 180 MPa,
• Bruchdehnung A5 über 7 %,
• Betriebsfestigkeit: 70 MPa bei 106 Lastwechseln,
• gute Korrosionsbeständigkeit.
Etwas geringere Anforderungen werden von L. Kniewallner, K. Hornung 1998 für Trapezlenker berichtet. Für stärker beanspruchte Komponenten wie Radträger und Schwenklager, die entsprechend der in den einleitend vorgestellten Verfahren von Niederdruck-Gegendruckgießen, Squeeze-Casting oder Cobapress hergestellt werden, verlangt man Kennwerte bis zu Rm >300 MPa, Rp0,2 >240 MPa, A5 >7 %.
Über solche Bauteileigenschaften hinaus sind weiter steigende Anforderungen an AI-Kokillengussbauteile zu erwarten. Die Arbeit zielt dementsprechend auf die Entwicklung von AI-Basislegierungen für Dauerformgussanwendungen zur Einstellung signifikant höherer mechanischer Bauteileigenschaften, insbesondere der Streckgrenze. Aus diesen Anforderungen ergeben sich die angestrebten Zielvorgaben an die innovative AI-Legierung:
• maximale Streckgrenze, orientiert an Al-Knetlegierungen, • Bruchdehnung A5 oberhalb von 7%,
• E-Modul über 70 GPa (kaum beeinflussbar),
• gute Korrosions- und Temperaturbeständigkeit,
• gute Gießeigenschaften im Dauerformguss,
• reproduzierbare Qualität (Prozesssicherheit) und Prüfbarkeit ,
• niedrige Kosten und leichte Verfügbarkeit der Legierung.
3.2 Strategie zur Entwicklung einer hochfesten AI-Gusslegierung
Gemäß der gestellten Anforderungen zur Entwicklung einer hochfesten Al- Gusslegierung für Fahrwerksanwendungen erfolgt durch den Autor vorab eine konzeptionelle Auswahl eines erfolgversprechenden Legierungssystems. In eine solche grundsätzliche Abschätzung geht zunächst die Betrachtung etablierter Al- Knetlegierungen und AI-Gusslegierungen ein, bzw. die Beurteilung ihrer Eigenschaften in Bezug auf die in Abschnitt 3.1 definierten Parameter. Primär erfolgt eine Bewertung gemäß allgemeiner Kriterien wie Korrosionsbeständigkeit und preisgünstiger Verfügbarkeit von Legierungen.
A priori sind AI-Legierungen mit Kupfergehalten über 1 Gew.-% ausgeschlossen (sämtliche AICu-Legierungen, AISi-Legierungen mit >1 Gew.-% Cu), da die Korrosionsanfälligkeit sie im Fahrwerk als ungeeignet erscheinen lässt. Mit steigendem Kupfergehalt steigt zwar die Festigkeit, insbesondere auch die Warmfestigkeit erheblich, jedoch wirkt sich in AI-Legierungen mit höheren Kupferanteilen eine ungünstige Erstarrungsmorphologie (schwamm-/ breiartig) aus, was eine hohe Warmrissanfälligkeit und Mikroporosität zur Folge hat. Daher weisen diese Legierungen im Allgemeinen geringere Bruchdehnungen auf als AISi-Legierungen. Im Widerspruch hierzu stehen Untersuchungen von G. Keshavaram et al. 2000, die den Einsatz der Legierung AICuδMg (A206) für Schwenklager propagieren. Untersuchungen am Gießerei-Institut zeigen, dass Kupfergehalte bis zu 1 Gew.-% Cu in AISi-Legierungen festigkeitssteigernd sind für einen Einsatz bei Raum- und höheren Temperaturen und im Dauerformguss akzeptable Gießeigenschaften (Warmrissigkeit) besitzen [S. Baltes 2003]. Daher werden Kupfergehalte unter 1 Gew.-% für eine zu entwickelnde Legierung in der Arbeit mit berücksichtigt.
Kostenaspekte führen zum Ausschluss von AI-Legierungen, die Silber enthalten, obwohl sie herausragende Festigkeitseigenschaften aufweisen. Von Legierungen auf Aluminium-Lithium-Basis ist ebenfalls aus Kostengründen und wegen ihrer problematischen Verarbeitungsmöglichkeit (hohe Schmelzereaktivität) in diesem Forschungsprojekt abzusehen. Gleiches gilt für weitere seltene Erden (RE), sofern sie nicht in kleinen Mengen zu Veredelungszwecken zugegeben werden.
Ebenso verbieten sich die Legierungsgruppen Al-Zn-Mg und Al-Mg-Si. Erstere neigen zu hoher Korrosion und unvorhersehbarem Sprödbruch, welcher für Fahrwerksanwendungen ein Ausschlusskriterium darstellt. In Fahrwerksteilen darf sich aufgrund ihres Sicherheitscharakters ein Bauteilversagen nur durch Verformung und langsames Risswachstum ankündigen. AlMgSi-Legierungen besitzen zwar ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit [VAW-IMCO 2004], ihre Festigkeits- und Verarbeitungseigenschaften liegen jedoch unter denen von AISi- Legierungen.
Unter Berücksichtigung dieser Eingrenzungen rückt das bereits etablierte System Al-Si für eine weitere Legierungsentwicklung in den Fokus dieser Arbeit. Das System untereutektischer AISi-Legierungen ist, mit Hinblick auf Gussanwendungen für Legierungen mit 7 Gew.-% Si und mehr, umfassend erforscht. Festigungssteigernde Legierungsbestandteile und Wirkung von höherem Silizium-Gehalt, Mg- oder Cu-Zulegierung sowie Verfahrenseinflüsse sind bekannt. Gleiches gilt für begrenzende Faktoren wie der Morphologie von primärer und eutektischer Phase, für den Einfluss von Fe-haltigen intermetallischen Phasen und den Einfluss des Si-Gehaltes auf gießtechnologische Eigen- schaften. Das Korrosionsverhalten von AISi-Gusswerkstoffen ist weitgehend unabhängig vom Siliziumgehalt [A. Bjorgum et al. 2005]. Ein weiterer günstiger Ansatzpunkt für Legierungsentwicklung auf AISi-Basis ist, dass aufgrund der umfassenden Erfahrung mit dieser Werkstoffgruppe eine Akzeptanz für legierungstechnische Neuentwicklungen am Gusskundenmarkt eher gegeben ist als für komplett neu zu etablierende Legierungssysteme.
Gemeinhin gelten AISi-Legierungen mit Silizium-Gehalten unter 7 Gew.-% aufgrund ihrer Erstarrungsmorphologie als ungeeignet zur gießtechnischen Verarbeitung und sind dementsprechend nach DIN-EN 1706 nicht genormt. Legierungen mit 5 Gew.-% Si-Gehalt (AISiδMg) wurden im Jahr 1986 aus der Norm gestrichen, da sie erheblich schlechtere Gießeigenschaften und geringere Festigleiten als AISi7Mg aufweisen. AISi-Legierungen mit geringen Si-Gehalten sind nur vereinzelt in grundlegenden Forschungsarbeiten, wie von S. Engler und W. Patterson, bezüglich der Erstarrungsmorphologie und gießtechnologischen Eigenschaften untersucht worden, um Eigenschaftstendenzen gängiger AISi- Gusswerkstoffe darzustellen [W. Patterson, H. Brand 1960; W. Patterson, S. Engler 1961; S. Engler, L. Heinrichs 1973; S. Engler, R. Ellerbrok 1975; S. Engler, G. Schleiting 1978]. Diese Veröffentlichungen stellen eine solide Grundlage für eine anknüpfende Legierungsentwicklung von AISi-Gusswerkstoffen in diesem Forschungsvorhaben dar.
Auch aus weiteren Erwägungen erscheinen in dieser Arbeit Legierungen mit verringertem Si-Gehalt für eine Legierungsentwicklung von hochfesten Aluminium- Legierungen als interessant. Neue, teilweise druckunterstützte Gießverfahren wie das Niederdruck-Gegendruckgießen begünstigen den Einsatz auch tendenziell schlecht vergießbarer Legierungen. Der Einsatz von numerischer Simulation erbringt ein besseres Verstehen der Erstarrungslenkung eines Gussteils. Alte „Faustregeln" zur Auslegung von Gussformen bezüglich ihres Wärmehaushaltes und des Gießsystems und mit Hinblick auf Strömung und Speisungswirkung des Gussteils gelten seit dem Einsatz von numerischer Simulation weitgehend als überholt. Eine flexible bauteilentsprechende Auslegung ist erleichtert. Die Form betreffend stehen sowohl präzisere Heizungen und Kühlsysteme, als auch neue Kokillenwerkstoffe (Sonderstähle, TZM, Mo, W) zur Verfügung. Im Schmelzbetrieb sind ebenfalls verbesserte Grundwerkstoffe als Einsatzmaterial erhältlich. So sind Fe-arme Aluminium-Legierungen und wirkungsvollere Kornfeiner heute in großem Umfang zu günstigem Preis verfügbar. Die Methoden der Schmelzereinigung und -behandlung wurden ebenfalls verbessert. Mit diesen Fortschritten einhergehend stehen neue Methoden der Prozesskontrolle wie Anlagenautomatisierung, Online- Röntgenprüfung oder Tomographie zur Verfügung, welche engere Toleranzbereiche bei besserer Gussqualität zulassen. Vor diesem Hintergrund erscheint es dem Verfasser der Arbeit sinnvoll, bisherige Ansichten über die Vergießbarkeit von AISi-Legierungen mit geringen Si-Gehalten zu hinterfragen.
Ein zweiter, werkstofftechnischer Anknüpfungspunkt für die ganzheitliche Legierungsentwicklung sind neben einer Senkung des Siliziumgehalts Mechanismen der Aushärtung und gezielten Phasenbeeinflussung. Flankierende Orientierung gibt, neben thermodynamischer Modellierung und Berücksichtigung metallkundlicher Grundlagen, die Betrachtung anderer Gusslegierungen (AISi7Mg), wie vor allem von AI-Knetlegierungen.
3.3 Methodik der Legierungsentwicklung
3.3.1 Methodische Vorgehensweise zur innovativen Al- Legierungsentwicklung
In der Vergangenheit beruhte Legierungsentwicklung vor allem auf der zufälligen Beobachtung von neuen Phasen in Werkstoffen, die zum Teil unbeabsichtigt durch die Verunreinigung von Legierungen entstanden waren oder durch fehlgelaufene Experimente. Auf diese Weise sind zum Beispiel so bedeutsame Werkstoffe entdeckt worden wie der Duralumin-Werkstoff [E. Zschech 1996] oder das Gusseisen mit Kugelgraphit [E. Piwowarsky 1951]. Diese Werkstoffe wiesen gewöhnlich neue Phasen oder interessante Eigenschaften auf. Daher wurden ihre Entstehung und die gezielte Einflussnahme auf die Ausbildung der Phasen erforscht, was zu ganz neuen Werkstoffklassen führte.
Eine systematische Legierungsentwicklung erfolgte in der Vergangenheit zumeist in der Übertragung bekannter werkstoffkundlicher Phänomene auf andere Werkstoffgruppen und breiter experimenteller Erprobung mit ausführlichen Messreihen. Diese empirische Arbeitsweise bringt zwar den Vorteil einer umfassenden Datenbasis, hat aber den Nachteil eines hohen Aufwands an Entwicklungszeit und Blindleistung durch nicht zielführende Entwicklungen.
Mehr Effizienz verspricht Legierungsentwicklung, die sich zusätzlich zum notwendigen Experiment an Prinzipbauteilen im Labor an realen Bauteilen im Industrieprozess stützt und auf den Einsatz von hochauflösender Analytik zur Gefüge- und Defektcharakterisierung. So können mit dem Rasterelektronenmikroskop neben optischer Betrachtung auch lokale chemische Analysen durch EDX und flächenmäßige Messungen („Field-Scans" und Mappings) erfolgen, wie ebenso EBSD- Texturmessungen. Lichtstarke Polarisationsmikroskope erzeugen, auf farbgeätzte metallographische Schliffe angewendet, einen Mehrwert an Information wie auch computerunterstützte Bildanalysesysteme (IBAS) [E. Schaberger et al. 2000]. Die moderne Werkstoffentwicklung geht einher mit einer fortschrittlichen Analytik. Eine zukünftige wissensbasierte Legierungsentwicklung geschieht verstärkt durch den Einsatz von ther- modynamischer Modellierung, unter Berücksichtigung der Kinetik im Werkstoff (DICTRA), und einer jetzt noch aufwändigen simulativen Gefügemodellierung (z. B. Einsatz von MICRESS) [A. Bührig-Polaczek et al. 2005]. Angestrebt wird auf der Modellierungsebene eine zukünftige Verknüpfung der Mikro- und Makrosimulation der bei Gießprozessen und Wärmebehandlungen entstehenden Gefüge. Erst durch Koppelung dieser Modelle über Werkstoffeigenschafts-Modelle bis hin zur Modellierung des Bauteilversagens zu einer einheitlichen Simulationskette wird eine integrative Werkstoffmodellierung ermöglicht, was auch die Entwicklungszeiten für Gusswerkstoffe entscheidend verkürzt.
Bild 3.1 stellt die zur AI-Legierungsentwicklung in dieser Arbeit genutzten Werkzeuge schematisch vor. Auf die Details der Legierungsentwicklung wird im Folgenden eingegangen.
Bild 3.1 zeigt: Dargestellt sind die Methodik der zur Verkürzung der Entwicklungszeit zeitlich parallel erfolgenden dreigliedrigen Legierungsentwicklung und die dabei genutzten Werkzeuge.
3.3.2 Ablauf der Legierungsentwicklung
Die Legierungsentwicklung untergliedert sich, wie in Tabelle 3.1 dargestellt, in drei umfassende Arbeitspakete:
• A: Voruntersuchungen und Potenzialabschätzung,
• B: Laboruntersuchungen und Entwicklung,
• C: Gießerei-Erprobung und Optimierung der Ziellegierung.
Tabelle 3.1: Versuchsplan der Legierungsentwicklung
Arbeitspaket A: „ Voruntersuchungen" mit:
AISi7Mg; AISiβMg; AISiδMg; AISi4Mg; AISi3Mg
Zugstab (Franz.- u. Dietz- 5 Varianten: Si variiert, 0,2 Gew.-% Mg
Kokille): 3 Varianten: AISi3MgO,3; AISi5MgO,3; AISi5MgO,3CuO,2
CPC-Verfahren: mech. Eigenschaften im Gusszustand (F) und teilweise nach T6-Wärmebehandlung (WB);
Metallographie, Sicht- u. Röntgenprüfung der Bauteile Arbeitspaket B: „Labor-Erprobung" im Schwerkraft-Kokillengießen am
Französischen Zugstab
Arbeitspaket B1 : AISi7 - AISiI thermodynamische Modellierung: Variation Si-Gehalt, zusätzlich variabler Mg-, Cu-Gehalt gießtechnologische Eigenschaften: Fließvermögen
Arbeitspaket B2: AISi3Mg; AISi2Mg; AISiI Mg
Franz. Zugstab: 18 Legierungsvarianten:
Mg-Gehalt: 0,6 und 1 Gew.-% Cu-Gehalt: O; 0,5 und 1 Gew.-% mech. Eigenschaften: Gusszustand (F), Lösungsglühen und Auslagern (T6)
Metallographie, Analytik (REM)
Arbeitspaket B3: AISi5MgO,6; AISi3MgO,6; AISi2MgO,6; AISiI MgO,6
AISi3MgO,6CuO,6
Franz. Zugstab: 5 Legierungsvarianten mech. Eigenschaften: F, T6 (Optimierung der WB gegenüber B2);
Metallographie, Analytik (REM, EDX)
Arbeitspaket B4: AISi2JMgO,6 - AISi3,3MgO,6
Franz. Zugstab: 3 Legierungsspez. mit Si-Gehalt (2,7; 3,0; 3,3 Gew.% Si)
Einfluss des AITΪ5B1 -Gehalts auf AISi3MgO,6 gießtechnologische Eigenschaften: Formfüllungsvermögen, Warmrissanfälligkeit mech. Eigenschaften: F, T6 (B2)
Arbeitspaket B5: AISi3MgO,6 + weitere Legierungselemente thermodynamische Modellierung, je 3 Varianten in folgenden Spezifikationen: Franz. Zugstab: Ni (1 ; 1 ,3; 1 ,5 Gew.-%)
Ni (1 ; 1,3; 1 ,5 Gew.-%) + 0,3 Gew.-% Cu Cr (0,1; 0,3; 0,5; 0,7 Gew.-%) gießtechnologische Eigenschaften: Fließvermögen, Formfüllungsvermögen mech. Eigenschaften: F, LG, T6 bei RT und für Cu-haltige Leg. 2000C Metallographie, Analytik (REM, DAS)
Arbeitspaket C „Gießerei-Erprobung" auf Seriengießanlagen
Arbeitspaket C1: AISi3MgO,6
Franz. Zugstab 3 Proben-Varianten (franz. Zugstab als Referenz zu B4):
PQ 24 (Schwerkraft-Kokille) jeweils Abkühlung an Luft sowie Abschrecken:
PQ 46 (CPC): Zustände: F, nach Lösungsglühen, T6 mech. Eigenschaften, Aushärtungskurven zur Wärmebehandlung, Sicht- u. Röntgenprüfung der Bauteile, Metallographie, Analytik (EDX, Porosität, DAS, Phasenanteile) Arbeitspaket C2: AISi3,3MgO,6
PQ 24 (Schwerkraft-Kokille): 4 Schmelzebehandlungs-Varianten:
AITi5B1, TiBAlloy, Argon-Spülung, Formiergasspülung
PQ 46 (CPC): 3 Schmelzebehandlungs-Varianten:
AITΪ5B1+ Sr-veredelt; AITΪ5B1+ Sr-veredelt+ Mn, TiBAlloy mech. Eigenschaften: F, T6 ,
Sicht- u. Röntgenprüfung der Bauteile, Metallographie, Analytik (Porosität, DAS)
Arbeitspaket C3: AISi3MgO,6
Stufenplatte (Druckgießen) 4 unterschiedliche Versuchsprofile bzgl. Kombination von
Schmelze- und Formtemperatur und Nachdruck gießtechnologische Eigenschaften: Warmrissigkeit, Ausformbarkeit mech. Eigenschaften: F, Versuch einer WB Sicht- u. Röntgenprüfung der Bauteile, Metallographie
Arbeitspaket A dient der zeitlich effizienten Potenzialabschätzung für die Entwicklung hochfester Aluminium-Legierungen für Dauerformgießverfahren, basierend auf der Verringerung des Siliziumgehalts von AISi-Legierungen. Ausgehend von AISi7Mg wird der Si-Gehalt beim Gießen von Zugstäben systematisch bis 3 Gew.-% Si reduziert, um ersten Aufschluss über die Auswirkung auf mechanische Eigenschaften im Gusszustand und nach Wärmebehandlungen zu erlangen. Des Weiteren werden mit einer Si-armen AISi- Legierung Probeabgüsse im CPC-Verfahren durchgeführt, um einen primären Eindruck über die generelle Gießbarkeit Si-armer AI-Legierungen in druckunterstützten Gießverfahren zu erhalten. Zudem wird die Übertragbarkeit von Eigenschaften im Zugstab auf Bauteileigenschaften im industriell gefertigten Gussteil untersucht. In Paket A bleibt „Thermodynamische Modellierung" noch ausgespart. Daher ist der Versuchsansatz empirisch von der Legierung AISi7Mg abgeleitet und die Wärmebehandlungsparameter sind noch nicht zielgerichtet gewählt.
Basierend auf ermutigenden Ergebnissen in Arbeitspaket A bezüglich der mechanischen und gießtechnologischen Eigenschaften wird für Arbeitspaket B entschieden, die Arbeiten im Labormaßstab fortzusetzen und weiter zu systematisieren. Das zu untersuchende AISi-Legierungsspektrum soll hierzu in B2 und B3 bis zu den AI-Knetlegierungen hin erweitert werden. Vornehmlich sollen die Fließeigenschaften und der Si-Einfluss auf die mechanischen Eigenschaften ermittelt werden. Als zusätzliche Versuchparameter werden höhere Mg-Gehalte gewählt (0,6 und 1 Gew.-%). Unterstützt werden die Arbeiten zeitlich parallel durch den Einsatz von thermodynamischer Modellierung zur Optimierung des Magnesium-Gehalts und Bestimmung der Randbedingungen einer Wärmebehandlung (B1). Weiterführend wird der Einfluss von Cu-Gehalten unter 1 Gew.-% in die Arbeitsabschnitte B2 und B3 aufgenommen. Gegen Ende dieses Arbeitsschritts erfolgt in B4 bereits eine Konzentrierung auf die während dieser Arbeit neu entwickelte Legierung AISi3MgO,6. Arbeitsabschnitt B5 folgt in der Durchführung auf das Arbeitspaket C, gehört aber logisch zu Teil B, da nur Laborexperimente stattfinden. In B5 wird der Einfluss weiterer Legierungsbestandteile wie Cr, Ni, CuNi auch unter dem Aspekt der Warmfestigkeit der Legierung untersucht.
In Arbeitspaket C erfolgt die Felderprobung im industriellen Gießprozess. Während der Gießerei-Erprobung wird ein optimales Prozessfenster der innovativen Legierung eröffnet, bezüglich der Verarbeitbarkeit und der Toleranzbereiche im jeweiligen Gießverfahren, sowie ihrer chemischen Spezifikationen hinsichtlich erzielbarer mechanischer Eigenschaften (C1). Neben der Definition von Legierungsspezifikationen wird in C2 auch der Einsatz von Kornfeinungsmitteln und einer Sr-Veredelung untersucht. Bestandteil von Arbeitsabschnitt C3 ist zudem die Erprobung der Ziellegierung AISi3Mg im Druckgießen. Zum Ende dieser Arbeitsphase ist die Legierungsentwicklung so weit voran geschritten, dass die neu entwickelte Gusslegierung, aufgrund ihres vielversprechenden Eigenschaftsprofils, für Anwendungen im Schwerkraft-Kokillengießen und Niederdruck-Gegendruck-Gießverfahren grundsätzlich als einsatzfähig angesehen wird.
Die Diskussion der Ergebnisse der Legierungsentwicklung (Kapitel 4) folgt dem Versuchsplan (Tabelle 3.1) chronologisch in groben Zügen. Zugleich werden die Ergebnisse jedoch zur leichteren Übersichtlichkeit in einer strengeren hierarchischen Gliederung nach chemischer Zusammensetzung hinführend auf die entwickelte Ziellegierung AISi3MgO,6 gebündelt dargestellt.
3.3.3 Gießverfahren, Prinzipgeometrien, Bauteile
Die Legierungen werden in unterschiedlichen Gießverfahren sowohl in Prinzipgeometrien als auch anhand von Abgüssen von „Realbauteilen" aus der industriellen Serienproduktion untersucht. Die Prinzipuntersuchungen der Legierungsentwicklung finden in den Schmelzlaboratorien des Gießerei-Instituts der RWTH Aachen (Gl) und der gemeinsamen Werkstoffprüfung und Analytikabteilung von Gl und ACCESS e.V. statt. Erprobungen der Legierungen am Bauteil im industriellen Gießprozess werden in der KSM Castings GmbH, Kloth-Senking Metallgießerei, Hildesheim, durchgeführt.
Gießverfahren
In dieser Arbeit experimentell genutzte Fertigungsverfahren für Realbauteile sind das Schwerkraft-Kokillengießverfahren (auch für Prinzipbauteile angewandt) sowie das Niederdruck-Gegendruck-Gießverfahren (CPC). In einem prinzipiellen Anwendungsfall wird das Kaltkammer-Druckgießverfahren genutzt, um eine verfahrensspezifische Abgrenzung der entwickelten Legierung für die wichtigsten Dauerformgießverfahren vervollständigend zu ermöglichen.
Die Prinzipuntersuchungen werden mit den im Folgenden vorgestellten Versuchsgeometrien durchgeführt. Kokillen für Prinzipgeometrien werden auf 2500C vorgeheizt, sofern nicht anders angegeben. Sind sie nicht an ein öldurchflossenes Heiz- Kühlgerät angeschlossen, so werden sie nach fünfmaligem Gießen in kaltem Wasser abgeschreckt. Auf industriellen Anlagen gegossene Realbauteile werden unter den für Bauteile aus anderen Legierungen geltenden spezifischen Randbedingungen des Serienprozesses hergestellt. Prinzipgeometrien
Herstellung von Rundzugproben im Schwerkraft-Kokillengießverfahren Zur Ermittlung der mechanischen Eigenschaften von Legierungen und ihrer Spezifikationen werden Rundzugproben gegossen. Neben der Ermittlung von mechanischen Eigenschaften (Rm; Rp0,2; A5) dienen diese Proben auch teilweise zur Anfertigung von metallographischen Schliffen zur Gefügecharakterisierung. In Vorversuchen werden zunächst zwei unterschiedliche Kokillenformen zum Gießen von Zugstäben eingesetzt: die sog. „Dietz-Kokille" (Bild 3.2) und die sog. „Französische Kokille" (Bild 3.3, Bild 3.4). Beide Zugstab-Kokillen sind für Untersuchungen gebräuchlich. Ein eingehender Vergleich zeigt, dass die mechanischen Eigenschaften von Zugstäben aus der Dietz-Kokille (bis zu 10 %) geringer sind und geringfügig stärker streuen als bei Zugstäben aus der „Französischen Kokille" (Bild 3.5). Generell ergibt sich aus diesen Vorversuchen eine bessere Korrelierbarkeit der in Französischer Kokille gegossenen Zugstäbe mit real gegossenen Fahrwerksteilen. Festigkeit und Streckgrenze sind hier ähnlich, jedoch ist die Dehngrenze im Zugstab systematisch niedriger als im realen Bauteil. Zur Ursachenfindung wird eine Formfüllungs- und Erstarrungssimulation mit MAGMAsoft® für eine AISi7MgO,3-Legierung in beiden Zugstabkokillen durchgeführt.
Bild 3.2 zeigt: zweiteilige „Dietz-Kokille"
Bild 3.3 zeigt: gegossener „Dietz-Zugstab"
Bild 3.4 zeigt: zweiteilige Französische Kokille
Bild 3.5 zeigt: gegossener „Französierter Zugstab" mit Einguss, Anschnitt und
Speiser
Die Ergebnisse sind in Bild 3.6 und Bild 3.7, S. 65 dargestellt, wobei die Formfüllungsvorgänge genauer betrachtet werden. Die Simulation erfolgt unter folgenden Annahmen: Füllzeit: t = 2 s, Gießtemperatur Tcieß = 660 0C, Kokillentemperatur TFOΓTΠ = 260 0C. Bild 3.6 b) zeigt, dass am rechten Rand des Zugstabes in der Dietz-Kokille Lufteinschlüsse auftreten, da der Zugstab nicht gleichmäßig mit Schmelze gefüllt wird. Aus Bild 3.6 c) ist zu ersehen, wie sich die räumliche Ausprägung dieses Bereiches verringert, jedoch wird nach wie vor Luft eingeschlossen. Nach t ≥ 2000 ms sind Porositätsbereiche am rechten und linken Zugstabrand zu erkennen. Porosität am rechten Rand lässt sich eindeutig auf die vorher gebildeten Lufteinschlüsse zurückführen. Die Simulationsergebnisse bestätigen die Annahme einer besseren Speisung der Zugstäbe in der Französischen Kokille. Die Dietz-Kokille führt laut Formfüllungssimulation zu Porositäten, die sich im Bereich der Einspannungszonen der Zugstäbe für den Kaltzugversuch befinden. Jedoch reißen die Dietz-Zugproben nicht an diesen vorhergesagten Schwachstellen, sondern ganz konventionell in der Zugstabmitte.
In der Französischen Kokille sind in Bild 3.7 b) bei t = 900 ms Turbulenzen im Bereich von Anschnitt und Zugstab während der Formfüllung erkennbar. Hieraus können Oxideinschlüsse mit Porositäten resultieren. Bei weiterer Formfüllung Bild 3.7 c) (t = 1200 ms) ebben die Turbulenzen auf Grund der fortgeschrittenen Formfüllung ab. Nach t ≥ 3000 ms gilt: innerhalb des Zugstabes befinden sich zwei Stellen, die eine Wahrscheinlichkeit für Porosität am oberen Zugstabrand zeigen. Für Verbesserungen sollte in Erwägung gezogen werden, eventuell die Dicke des Anschnitts von 4,5 mm der Französischen Kokille zu vergrößern, um den Turbulenzen bei der Formfüllung entgegenzuwirken. Ein breiterer Steg zwischen Zugstab und Speiser könnte dazu möglicherweise beitragen, Porosität aus dieser Probe in den Speiser zu verlagern. In gegossenen Französischen Proben kann keine Porosität im Bereich des Zugstabes nachgewiesen werden. Demnach erscheinen Speiser und Anschnitt zum Stab als ausreichend dimensioniert.
Aus den gegossenen Proben können Rundzugstäbe nach DIN 50125 (B10) gefertigt werden. Sollen Zugstäbe im wärmebehandelten Zustand untersucht werden, so erfolgt ein Abtrennen des Anschnitts und Speisers erst nach der Wärmebehandlung, um einem möglichen Probenverzug entgegenzuwirken. Die Rundzugproben werden aus dem abgetrennten Gussstückrohling auf ein Maß von 10 mm Durchmesser abgedreht und am Kopf mit einem Gewinde versehen.
Bild 3.6 zeigt: Simulation der Formfüllung in der „Dietz-Kokille" für Zugstäbe mit MAGMAsoft®
Bild 3.7 zeigt: Simulation der Formfüllung in der „Französischen Zugstab-Kokille"
Herstellung von Flachzugproben im Druckgießen (Stufenplatte) In Arbeitspaket C3 wird die entwickelte Legierung AISi3Mg auf ihre Eignung für das Druckgießverfahren untersucht. In diesen Experimenten wird die Legierung unter den Prozessvarianten Gießtemperatur und Nachdruck beim Druckgießen geprüft. Die Probengeometrie einer Stufenplatte bietet die Möglichkeit der Abschätzung von gießtechnologischen Eigenschaften im Druckgießen. Auch eine spätere Fertigung von Flachzugproben unterschiedlicher Bauteilwandstärken aus der Stufenplatte ist gegeben. Die Stufenplatten werden auf einer Kaltkammer- Druckgießmaschine Bühler 630-SC (Bild 3.8) am Gießerei-Institut der RWTH Aachen hergestellt.
Bild 3.8 zeigt: Das Bild zeigt eine echtzeitgeregelte Kaltkammer-Druckgießmaschine Typ Bühler H-630 SC, wie sie am Gießerei-Institut zum Gießen der in dieser Arbeit verwendeten Stufenprobe genutzt wird.
Das Werkzeug ist aus zwei vertikalen Formhälften zusammengesetzt. Diese bestehen jeweils aus einem Formrahmen, der das modulare Einsetzen von Prinzipgeometrien ermöglicht, und dem eigentlichen Werkzeugeinsatz der Stufengeometrie (Bild 3.9). Die Probengeometrie unterschiedlicher Wandstärken wird dabei von der beweglichen Formhälfte abgebildet; Anschnitt und Gießlauf liegen in der festen Formhälfte, welche die Gießkammer aufnimmt. Ferner enthalten beide Formhälften Heiz-Kühlkanäle zur Temperierung des Werkzeugs. Die bewegliche Formhälfte hat zusätzlich mechanische Auswerferstifte zur Bauteilentnahme aus der Form.
Die Probe selbst besteht aus Anschnitt, Gießlauf, Stufenplatte und seitlich angebrachten Überlaufbohnen (Bild 3.10). Diese Überlaufbohnen dienen zur Formentlüftung und Verlagerung von eventueller Porosität aus dem Bauteil.
Bild 3.9 zeigt: Dargestellt ist links die bewegliche und rechts die feste Formhälfte der Form zum Druckgießen der Stufenprobe. Die Prinzipgeometrie wird durch einen in den Werkzeugrahmen eingesetzten Formeinsatz abgebildet.
Bild 3.10 zeigt: Die Skizze zeigt die Prinzipgeometrie der Stufenprobe mit drei unterschiedlichen Wandstärken (5, 4, 3 mm) mit Anschnitt, Gießlauf und seitlichen Überlaufbohnen der Form. Die Stufenplatte hat DIN A4-Größe.
Die Beschickung der Füllkammer erfolgt per Schöpflöffeldosierung über einen Manipulatorarm. Da der Bewegungsablauf des Manipulatorarms von der Druckgussmaschine aus gesteuert wird, kann nach dem Füllvorgang der Gießkammer unverzüglich der Formfüllungsprozess beginnen. In den Versuchen werden jeweils circa 20 bis 30 Stufenproben für jede Versuchseinstellung abgegossen.
Da der Wanddickeneinfluss auf die gießtechnologischen und mechanischen Eigenschaften im Druckgießen erheblich ist, bewährt sich eine vereinfachende Probengeometrie zur Untersuchung. Die eingesetzte Stufenplatte bietet die Möglichkeit des Gießens von drei unterschiedlichen Wandstärken (5, 4, 3 mm). Die jeweils letzten fünf abgegossenen Stufenproben pro Maschineneinstellung werden markiert, geröntgt und fotografiert. Neben einem ersten optischen Eindruck der Plattenoberfläche kann am Gießerei-Institut mit einem Röntgenscanner weitere Information über die innere Beschaffenheit der Platten und die räumliche Anordnung von Porosität oder Warmrissen gewonnen werden.
Aus diesen Platten werden jeweils vier Flachzugproben nach der DIN 50125- E5x16x50 aus der 4mm- und 5mm-Wanddicke herausgetrennt. In Zugversuchen werden Zugfestigkeit, Streckgrenze und Bruchdehnung ermittelt (siehe Abschnitt 3.3.5).
Bestimmung des Fließveπnögens von Legienjngen Für die zu untersuchenden Legierungen werden die Fließlängen in einer Gießspirale gemäß VDG-Merkblatt ermittelt. Dazu werden die Legierungen in einem Widerstandsofen synthetisch aus AI99.99, AISi7MgO,3, AISi53, Mg99,9 und weiteren Legierungsbestandteilen in kleineren Mengen und mit Kornfeinungsmittel erschmolzen. Die Gießspirale ist eine neu entworfene Stahlkokille (Bild 3.11, Bild 3.12), die durch einen geregelten Ölkreislauf auf einer konstanten Temperatur von ca. 250 0C gehalten wird. Die Kokille besteht aus einem Unterteil, in dem sich die Spiralgeometrie befindet, und aus einem Oberteil, in dem Lüftungsschlitze integriert sind. Da sich in Vorversuchen gezeigt hat, dass die Fließlängen mit Kokillen-Angusssystem nur sehr gering sind und sich somit die Fließlängen der unterschiedlichen Legierungen kaum unterscheiden, wird ein im Sand- Angusssystem verwendet, damit die Schmelze nicht schon im Anguss zu erstarren beginnt oder gar einfriert. Ein Speisungskanal sollte möglichst lange frei bleiben.
Bild 3.11 zeigt: Dargestellt ist eine Skizze der neu entworfenen Gießspiralen- Kokille. Die obere Formhälfte (links) enthält eine Öffnung für den einsetzbaren Einguss, Entlüftungsbohrungen und Heiz-Kühlkanäle. Die untere Formhälfte (rechts) stellt die Spiralgeometrie mit cm-Bemaßung dar sowie die Anordnung der Heiz-Kühlkanäle.
Bild 3.12 zeigt: Aufklappbare Kokillen-Gießspirale mit angeschlossener Ölheizung und verworfenem metallischem Anguss BiId 3.13 zeigt: Versuchsaufbau am Gießerei-Institut zur Bestimmung der
Fließlängen (von vorne nach hinten: Gießspirale, Manipulator und
Widerstandsofen).
Bild 3.14 zeigt: Befüllungsvorgang des Gießlöffels mit Hilfe des Manipulatorarmes
Bild 3.15 zeigt: Der Abguss in die Gießspirale erfolgt über ein Sand-Anguss-
System. Durch den Manipulatorlöffel werden Schwankungen durch den Gießer beim Füllen der Kokille vermieden.
Es werden daher Angüsse aus Sand verwendet, die im Cold-Box-Verfahren hergestellt werden. Bild 3.13 zeigt den Versuchsaufbau.
Gegenüber zu früheren Experimenten wird die Befüllung der Gießspirale als Neuerung in unserer Versuchsanordnung mit einem Manipulatorarm durchgeführt, um eine bessere Reproduzierbarkeit der Ergebnisse zu erlangen. Der Manipulatorarm befüllt den Löffel (Bild 3.14), fördert die Schmelze zur Stahlkokille und gießt die Schmelze in die Gießspirale (Bild 3.15). Nach dem Befüllen und Erstarren wird das Oberteil hochgeklappt. Nun kann die Fließlänge ermittelt und mit den Längen der anderen Legierungen verglichen werden. Für jede Legierung werden vier Abgüsse in die Spirale durchgeführt, um einen aussagekräftigen Mittelwert zu erhalten.
Formfüllungsvermögen
Zur Ermittlung des Formfüllungsvermögens wird, wie in Abschnitt 2.2.2 beschrieben, die sog. Bolzenprobe (Bilder 2.16 und 2.17) verwendet [S. Engler, R. Ellerbrok 1975]. Für Versuche in dieser Arbeit wird die Kokille mit einer isolierenden Bornitrid-Schlichte versehen und auf 2500C vorgeheizt. Die Probengeometrie ist recht anfällig für Schwankungseinflüsse der Füllung durch den Gießer. Als Neuerung im Versuchsaufbau wird auch diese Probe über eine automatisierte Schöpflöffeldosierung gefüllt. Die Probengeometrie muss in einer Zeit- spanne zwischen 1 und 2 s gefüllt sein, andernfalls sind die Proben von der Auswertung auszuschließen. Das Formfüllungsvermögen kann für die Gießtemperatur TG durch folgende Formel beschrieben werden mit: FFV Formfüllungsvermögen [cm'1], p: Dichte des flüssigen Metalls [g/cm3], g: Fallbeschleunigung [m/s2], h: metallostatische Druckhöhe [cm], σ: Oberflächenspannung [N/cm]): • FFV = (p g h) / (2 σ)
Die Auswertung der Probe erfolgt gemäß der Darstellung in Bild 3.16. Wegen der Relevanz für diese Forschungsarbeit sind in Bild 3.17 die Diagramme für AISi- Legierungen aus den genannten Publikationen zitiert, welche das FFV (oben) und den Beginn einer Kraftaufnahme durch die erstarrende Randschale (unten) bei konstanter Überhitzung der Schmelze darstellen. Der Zeitpunkt der Kraftaufnahme wird als die Zeit definiert, nach welcher dem seitlichen Eindringen eines dünnen Stifts in den Zylinder aus erstarrendem Metall ein messbarer Widerstand entgegengesetzt wird.
In diesem Forschungsprojekt wird die Bolzenprobe verwendet, um die Einflüsse von Legierungsvarianten von AISi3Mg nachzuweisen. Das FFV wird in Abhängigkeit des Gehalts an Kornfeinungsmittel und in Abhängigkeit der me- tallostatischen Druckhöhe bestimmt. Diese Ergebnisse dienen zur Einschätzung der gießtechnologischen Eigenschaften im Schwerkraft-Kokillenguss. Zur Bestimmung des FFV in druckunterstützten Dauerformgießverfahren wie dem CPC- Verfahren ist die Bolzenprobe nicht anwendbar, bzw. sind die Ergebnisse aus dem Schwerkraft-Kokillenguss nicht übertragbar, da hier deutlich höhere Drücke auf die Formfüllung wirken. Dementsprechend weisen die Legierungen hier ein erheblich verbessertes Formfüllungsvermögen auf. Nach den Untersuchungen in Bild 3.17 werden AISi-Legierungen unter 5 Gew.-% in Kokille gemeinhin als technisch nicht vergießbar angesehen. BiId 3.16 zeigt: Das FFV wird wie folgt bestimmt. Die Druckhöhe h = 0 wird an der Oberseite des erkalteten Gussstücks festgelegt. Die Einteilung weiterer Höhenmarkierrungen erfolgt in Abständen von 10 mm. Für jede Höhenmarke wird nun der Abstand zwischen den inneren Konturen ermittelt. Der aus dem Abstand 2x errechnete Wert von 1/d wird über die Druckhöhe in ein Diagramm (Bild 3.17) aufgetragen: R Bolzenradius, r Meniskusradius (2r = a), 2x gemessener Abstand zwischen den Messkanten, [S. Engler, R. Ellerbrok1975]. Bild 3.17 zeigt: Das obere Diagramm zeigt das FFV für AISi-Legierungen im Sand- und Kokillenguss. Das untere Diagramm zeigt den Beginn einer Kraftaufnahme von binären AISi-Legierungen. Die Gießspanne beträgt 1000C, [S. Engler, R. Ellerbrok 1975]. Ersichtlich ist, dass bei ca. 3 Gew.-% Si für Kokillenguss ein Minimum des Formfüllungsvermögens vorliegt, für Sandguss jedoch ein lokales Maximum. Für dickwandigen, ggf. druckunterstützten Kokillenguss in heißer Form wird als ein Ausgangspunkt für die Konzeption vorliegender Forschungsarbeit bei gleichzeitiger Kornfeinung ein FFV ähnlich dem von Sandguss vermutet.
Fahrwerkskonsole und Radträger als reale Bauteile
Nach vorausgehender Legierungsentwicklung am Gießerei-Institut und Auswahl von Legierungen auf ihre mögliche Anwendung im realen Bauteil werden Varianten der in dieser Arbeit entwickelten Legierung AISi3MgO,6 zum Gießen einer Fahrwerkskonsole PQ24 und eines Radträgers PQ46 in der KSM Castings GmbH, Kloth-Senking Metallgießerei, Hildesheim, erprobt.
Fahrwerkskonsole PQ24
Die auf Bild 3.18 dargestellte Fahrwerkskonsole PQ24 (VW Polo, Skoda Fabia, Audi A2) der Volkswagen AG wird im Schwerkraft-Kokillengießverfahren gefertigt. Die Versuche finden auf einer mit Mehrkreiskühlung ausgestatten, horizontal gerichteten Handgießanlage statt. Bild 3.19 zeigt die komplette Gießanlage. Sie besteht aus einer beweglichen Schließeinheit mit Auswerferplatten, einer festen Schließeinheit, einer Temperierungsvorrichtung und einem Steuerungspult. Zur gesamten Gießeinheit gehört auch ein deckenbeheizter Widerstands-Wannenofen des Typs „Westomat", der jedoch bei den hier beschriebenen Versuchen aufgrund der notwendigen häufigen Legierungsmodifikationen nicht zum Einsatz kommt. Mit Hilfe der hydraulischen Schließeinheit werden die Formhälften während des Gießvorgangs zusammengehalten und nach der Erstarrung und Abkühlung des Gussstücks geöffnet. Eine Hydraulik sorgt auch dafür, dass das Gussstück nach der Öffnung der Form mit Hilfe von Auswerferstiften aus der Kokille entnommen wird. Ein Temperierungssystem bewirkt eine konstante Temperatur der Form. Die Kokillentemperatur von größer 400 0C wird vor dem ersten Abguss durch die Vorheizung mit Gasbrennern erreicht.
Die in Bild 3.20 dargestellte Kokille ist so aufgebaut, dass gleichzeitig eine linke und eine rechte Konsole in einem Abguss produziert werden können. Das Gewicht eines kompletten Gusses aus zwei Konsolen mit Gießsystem beträgt etwa 9 kg, wogegen eine einzelne Konsole im bearbeiteten Zustand 2,1 kg wiegt. Ringförmige Teilgeometrien der Gussteile werden mit Hilfe von metallischen Kernen dargestellt, die in den Formhohlraum eingeschoben werden. Des Weiteren trägt ein in den Gießkanal eingesetzter Keramikfilter zur Entfernung von Oxiden und beruhigter Formfüllung bei.
Bild 3.18 zeigt: PQ24-Fahrwerkskonsole im bearbeiteten Zustand.
Bild 3.19 zeigt: Der in dieser Arbeit zur Fertigung von PQ24-Gussteilen genutzte
Handgießplatz mit Kokillengießmaschine, Dosierofen und Kühlbecken.
Bild 3.20 zeigt: Kokille der PQ24-Gussteile. Im unteren Bereich sind
Aussparungen für Schiebkerne erkennbar.
Bild 3.21 zeigt: Behandlung der Schmelze erfolgt durch Impellern.
Bild 3.22 zeigt: PQ46-Radträger, im oberem Bereich ist der dem Gießverfahren entsprechend, klein dimensionierte speisende Anguss erkennbar. BiId 3.23 zeigt: Niederdruck-Gegendruck-Gießanlage, die für die Fertigung der PQ46-Teile genutzt wird.
Die Versuchsschmelzen werden nach dem Erreichen der erwünschten Temperatur (7600C - 7800C) aus dem Schmelzofen in Transportpfannen überführt und anschließend mit Formiergas impellert (Bild 3.21). Nach der Schmelzebehandlung wird die Pfanne zum Handgießplatz transportiert, wo die Schmelze mit einer Gießkelle manuell entnommen und in die Kokille gegossen wird. Die Schmelzetemperatur beträgt bei Anlieferung der Pfanne 7500C. Das Gießen wird abgebrochen, wenn die Schmelzetemperatur auf 7000C absinkt. Eine Teilaufgabe der angestellten Untersuchungen ist es, die Auswirkungen eines Abschreckens in kaltem Wasser auf die physikalischen Eigenschaften der Gussteile zu bestimmen. Für diesen Zweck wird in einem großen Wasserbecken neben der Gießanlage jede zweite Gießtraube eingetaucht und bewegt abgekühlt.
Radträger PQ46
Der in Bild 3.22 dargestellte Radträger PQ46 (VW Passat, Skoda Süperb) der Volkswagen AG wird im Rahmen der Arbeit mit Legierungsvarianten von AISi3Mg auf einer Niederdruck-Gegendruck-Gießanlage gegossen. Die Hauptkomponenten der Gießanlage (Bild 3.23) sind Gießofen, eine horizontal gefüllte Kokille, Schließeinheit, Druckspeicher, Regelung und ein Manipulatorarm. Die Kokille besteht aus vier voneinander getrennten Kavitäten, so dass das gleichzeitige Gießen von je zwei linken und zwei rechten Radträgern ermöglicht wird (Bild 3.24). Die Kokille ist mit dem Gießofen durch vier keramische Steigrohre verbunden (Bild 3.25). Das im Schmelzofen vorbereitete flüssige Metall wird in einer Pfanne zur Gießanlage transportiert, wo es in den ausgefahrenen Gießofen umgefüllt wird. Anschließend wird die Schmelze auf die erwünschte Gießtemperatur (7500C) gebracht und mit Argon impellert. Nach der abgeschlossenen Schmelzereinigung mit einer Impellervorrichtung wird der Ofen vom Aufbereitungsplatz über ein Schienensystem zum Arbeitsplatz befördert und mit der Gießeinheit verkoppelt. Um die Kokille vor dem ersten Gießvorgang auf die Betriebstemperatur aufzuheizen, werden Gasbrenner genutzt (Bild 3.26).
Ein kompletter Produktionszyklus ist in der Bilderfolge 2.5 beschrieben. Der Gießzyklus beginnt verfahrensbedingt mit der Erhöhung des Drucks sowohl im Ofen- als auch im Kokillenraum, wobei der Ofendruck langsam erhöht und damit die Form beruhigt gefüllt wird.
Bild 3.24 zeigt: Vierteilige Kokille der PQ46-Gussstücke
Bild 3.25 zeigt: Keramische Steigrohre, durch welche die Schmelze in die Kokille strömt
Bild 3.26 zeigt: Vorheizung der Kokille für PQ46-Gussstücke mit Hilfe eines
Gasbrenners
Bild 3.27 zeigt: Entnahme der Gussstücke aus der Kokille mittels Manipulatorarm
Nach der Formfüllung über die Steigrohre von unten in die Kokille wird die Druckdifferenz weiter erhöht und auf einem hohen Niveau konstant gehalten, wodurch die Entstehung von Volumenfehlern verhindert und die Erstarrung der Gussteile beschleunigt wird. Nach der vollständigen Erstarrung öffnet sich die Form und mit der Entnahme der vier Radträger durch einen Manipulatorarm wird der Gießzyklus beendet (Bild 3.27). Vor dem Anfang eines neuen Zyklus werden die Kokillenhälften nach Bedarf mit Druckluft gereinigt und geschlichtet.
Wärmebehandlung
Die Wärmebehandlung (Lösungsglühen und Auslagern) der Proben (Prinzipgeometrien und reale Bauteile) erfolgt in einem elektrisch beheizten Umluftofen. Dieser Ofentyp bietet die Möglichkeit, die Temperatur homogen zu regeln, was bei den hohen Lösungsglühtemperaturen (480 - 5400C) von großer Bedeutung ist. Die entsprechend variierten Temperatur- und Zeitparameter der Wärmebehandlung sind aus Gründen der Übersichtlichkeit, sofern in der Arbeit genannt, jeweils den Beschreibungen der entsprechenden Versuchsreihen in Abschnitt 4 der Arbeit zugeordnet. Die Abschreckung der zur besseren Handhabung in einem Drahtkorb gebündelten Proben erfolgt in einem direkt neben dem Ofen stehenden Wasserbecken. Dies ermöglicht einen schnellen Transport zwischen Ofen und Becken und führt damit zu guter Abschreckwirkung. Dabei wird der Korb im Bad bewegt und darauf geachtet, dass die Wassertemperatur ausgehend von der Raumtemperatur die Grenze von 600C nicht überschreitet. Nach dem Lösungsglühen folgt das Auslagern bei niedrigeren Temperaturen zwischen 1400C bis 1800C und variierten Zeitspannen. Anschließend an ein Abschrecken der ausgelagerten Proben werden sowohl aus den wärmebehandelten Zugprobengeometrien als auch den realen Gussbauteilen Proben entnommen und mechanisch auf die notwendigen Maße für den Zugversuch bearbeitet (siehe Abschnitt 3.3.5).
3.3.4 Thermodynamische Modellierung
Das im Rahmen der Forschungsarbeit eingesetzte Werkzeug der thermodynami- schen Modellierung ist das Programm Thermo-Calc-Classic TCC und seine auf Windows basierende anwendungsfreundlichere Version TCW [Thermo-Calc 2006]. Das Programm ermöglicht es, Phasen, ihre Bildungstemperaturen und Phasenanteile von Legierungen unter thermodynamischen Gleichgewichtsbedingungen (langsame Abkühlung) und im Ungleichgewicht nach Scheil- Gulliver zu bestimmen. Aufgrund der hohen Abkühlraten in Dauerformgießverfahren erstarren in ihnen Legierungen im thermodynamischen Ungleichgewicht, weshalb die Modellierungen nach Scheil durchgeführt werden.
Die für Modellierungen von AISi-Basislegierungen genutzte Datengrundlage dieser Untersuchungen ist die Datenbank COST2 „Light Alloys Database v2.1 1998/2003" für Aluminium- und Leichtmetallwerkstoffe. Die Genauigkeit von Be- rechnungen ist nur hinreichend groß, wenn die durch DTA- und DSC-Messungen hinterlegte Datenbasis ausreichend verlässlich ist [S. G. Fries, B. Sundman 2005]. Für Berechnungen der Zustandsdiagramme von Legierungszusammensetzungen wird zwischen den hinterlegten Daten zum Erstellen des gewünschten Zu- standsdiagramms extrapoliert. Die COST2-Datenbank enthält die Löslichkeitsgrenzen für 192 unterschiedliche Leichtmetallphasen und umfasst 19 Elemente: AI, B, C, Ce, Cr, Cu, Fe, Li, Mg, Mn, N, Nd, Ni, Si, Sn, V, Y, Zn, Zr. Somit ist die Datenbank für gängige AI-Legierungen und die in dieser Arbeit variierten Elemente wie AI, Si, Cu, Mg, Fe, Mn, Cr, Ni ausreichend fundiert hinterlegt. Auf dieser Basis können die temperaturabhängigen Existenzbereiche von Phasen und ihre Phasenanteile der zu untersuchenden Legierungen recht genau vorhergesagt werden. Ergebnisse kleiner Phasenanteile oder in engen Bereichen auftretende Phasen wie intermetallische Phasen oder entsprechend der Legierungskomposition eher „exotische" Zusammensetzungen sind allerdings genauer zu hinterfragen. Es empfiehlt sich hierfür vor Beginn umfassender Modellierungen, in exemplarischen Fällen die Modellierung von Phasenanteilen mit metallographischen Schliffen zu vergleichen. Das kommerzielle Datenbank- Modul COST2 ist momentan noch nicht in der Lage, eine thermodynamische Modellierung von entstehenden Phasen bei Kornfeinung und Veredelung durchzuführen. Hierzu müssten auch umfassende Datenbanken-Module von Thermo-Calc oder anderen Modellierungsprogrammen, die entsprechenden Elemente enthalten, noch erheblich verfeinert werden.
Explizit zum Einsatz kommt Thermo-Calc in dieser Arbeit bei der Abschätzung entstehender Phasen und ihrer Anteile im Gussgefüge der neu zu entwickelnden Legierungen. So können zum Beispiel maximale Gehalte von Festigkeit fördernden Bestandteilen in AISi-Legierungen wie Mg und entstehende Mg-haltige Phasen bestimmt werden. Gleiches gilt für das Zulegieren von Cu, Cr, Ni sowie Cu und Ni. Ebenfalls kann ermittelt werden, in welchem Umfang Legierungselemente eingegrenzt werden müssen, um Fe-haltige oder andere Störphasen zu minimieren. Zudem werden durch Thermo-Calc berechnete Bildungstemperaturen von Phasen herangezogen, um die Temperaturparameter der Wärmebehandlungen zu optimieren.
Weiterhin wäre es möglich, über eine Schnittstelle im Mikrogefüge-Simulationspro- gramm MICRESS eine Mikrogefügemodellierung der Erstarrung von Gussgefügen, verbunden mit einer Optimierung der Wärmebehandlungsdauer die auf den Datenbanken von Thermocalc-DICTRA basiert, durchzuführen. Aufgrund des neuartigen Charakters der zu entwickelnden Legierung und wegen zu langer Rechenzeiten, muss auf die aufwändige Mikrogefügemodellierung in dieser Arbeit verzichtet werden.
3.3.5 Charakterisierung der Proben
Chemische Zusammensetzung der Schmelzen und Schmelzequalität Die chemische Zusammensetzung der erschmolzenen Legierungen wird am Gießerei-Institut mittels eines selbsterstellten Gattierungs-Programms berechnet. In der Kloth-Senking Metallgießerei wird ein kommerzielles Programm verwendet. Die chemische Zusammensetzung wird durch die Kombination einzelner Rein- und Vorlegierungen eingestellt. Überwacht werden die chemischen Zusammensetzungen der Schmelzen mit einem Spektrometer, der Wasserstoffgehalt wird mit der Unterdruck-Dichte-Probe kontrolliert, wie in Abschnitt 2.2.4 beschrieben. Abkühlkurven der Versuchsschmelzen werden messtechnisch mit dem System „Phaselab" der Fa. OCC zur Thermischen Analyse aufgezeichnet, bzw. direkt im Zugstab gemessen (Bild 3.28) und dokumentiert.
Bestimmung mechanischer Eigenschaften mit Rundzugproben und
Flachzugproben
Aus den mit Probegeometrien („Dietz-Kokille" und „französische Kokille") hergestellten Gussteilen und den Realbauteilen (PQ24 und PQ 46) werden Rundzugproben nach DIN 50125, bzw. EN 10002 durch Drehen hergestellt. Die Probenentnahmestellen für die Dietz-Kokille und französische Kokille sind aus Bild 3.28 ersichtlich. Mögliche Probenentnahmestellen im PQ24- und PQ46- Gussteil sind in Bild 3.29 und Bild 3.30 bezeichnet. Um ein eventuelles Setzen der Rundzugproben in der Einspannung während des Zugversuchs zu verhindern, was bei Zugproben mit glattem Einspannkopf gelegentlich auftritt, werden die Probenköpfe mit einem Gewinde versehen (Bild 3.31). Der Durchmesser für Zugproben aus den Prinzipgeometrien beträgt im für den Zugversuch relevanten Bereich 10 mm bei 55 mm Versuchslänge. Das Gewinde der Einspannköpfe ist M14. Wegen anderer Einspannzangen der Zerreißmaschine für Warmzugversuche wird ein Durchmesser von 8 mm gewählt, bei 48 mm Versuchslänge und Gewindedurchmesser M 12.
Bild 3.28 zeigt: Die Probenentnahme des Zugstabs erfolgt unterhalb des
Speisers.
Bild 3.29 zeigt: Dargestellt sind die drei in dieser Arbeit genutzten
Entnahmestellen für Zugstäbe aus dem PQ24-Gussteil
Bild 3.30 zeigt: Dargestellt sind die zwei in dieser Arbeit genutzten
Entnahmestellen für Zugstäbe aus dem PQ46-Gussteil
Bild 3.31 zeigt: Gewindezugproben (links d =5 mm aus realem Bauteil, rechts d
=10 mm aus „Franz. Kokille") zum Prüfen der mechanischen Eigenschaften. Das
Gewinde kann ein Setzen der Proben in den Einspannbacken der
Zerreißmaschine verhindern. Proben mit einem außermittigen „Kopfriss", wie rechts dargestellt, sind bezüglich ihrer Dehngrenze nicht auswertbar
Von Realbauteilen können aus geometrischen Gründen nur kleinere Proben entnommen werden und Zugproben mit 5 mm Durchmesser, 40 mm Zuglänge und M10 Gewindeeinspannung hergestellt werden. Zugfestigkeit, Streckgrenze und Bruchdehnung werden mit einer Zerreißmaschine Instron 8033 ermittelt. Gewöhnlich erfolgt dies bei Raumtemperatur, für einige Legierungsspezifikationen zusätzlich im Warmzugversuch bei 2000C. Um repräsentative Ergebnisse zu erhalten, werden jeweils vier Proben aus Prinzipzugstäben zerrissen. Von Realbauteilen werden jeweils 6 Proben zerrissen, da Probenergebnisse für kleinere Durchmesser aufgrund der geringeren Querschnittsfläche stärker Schwankungen unterliegen als größere. Zur statistischen Absicherung der Ergebnisse reicht diese Anzahl nicht, jedoch kann ein Trendergebnis gemäß üblicher Praxis als abgesichert gelten.
Für Druckgussproben erfolgt die Probenentnahme aus Stufenplatten, die zuvor in einer Röntgen-Kammer durchleuchtet wurden. Aus Warmriss- und porenfreien Platten werden für unterschiedliche Wandstärken und Prozessvarianten je 5 Proben entnommen und zu Flachzugproben gefertigt unter Beibehalten der Gusshaut, welche bei Druckgießteilen erheblichen Einfluss auf die Festigkeitseigenschaften besitzt. Die Proben werden für den Flachzugversuch mit entsprechenden Einspannzangen gespannt, ansonsten aber werden die mechanischen Eigenschaften wie für Rundzugproben ermittelt.
Untersuchungen zur Gießbarkeit
Neben den in Abschnitt 3.3.3 beschriebenen Prinzipgeometrien zur Messung gießtechnologischer Eigenschaften (Gießspiralen-Kokille und Bolzenprobe) wird eine Einschätzung der Gießbarkeit der AISi-Legierungsvarianten und der entwickelten Legierung AISi3Mg auch durch die auf industriellen Fertigungsmaschinen hergestellten Gussteile vorgenommen. Für das Schwerkraft-Kokillengießverfahren sind dies „Französische Zugproben" und Fahrwerksträger PQ24, für das Niederdruck-Gegendruckgießen Radträger PQ46 und für das Kaltkammer- Druckgießen Stufenplatten. Es soll herausgefunden werden, ob die ausgewählten Legierungen und Legierungsvarianten auch unter typischen Produktionsbedingungen der Serie für die Herstellung fehlerfreier Gussstücke im jeweiligen Verfahren geeignet sind. Um eine Aussage treffen zu können, werden folgende Maßnahmen durchgeführt:
Visuelle Beurteilung des Gussstückes
Nach der Abkühlung werden die Gussstücke auf äußere Anzeichen von Gießfehlern überprüft. Die gesamte Oberfläche des Gussstücks und des Gießsystems wird mit dem Auge aus unterschiedlichen Winkeln betrachtet. Speziell werden dabei Kaltläufe, nicht vollständig gefüllte Bereiche und Warmrisse erkannt.
Durchleuchtung
In einer geschlossenen Prüfkabine wird das gesamte Volumen der Gussstücke mit Röntgenstrahlen durchleuchtet. Mit Hilfe dieser Prüfmethode können Volumenfehler im Inneren mit einer Mindestausdehnung von 1 mm erkannt und ihre genaue Lage beschrieben werden.
Rissprüfung
Das Farbeindringverfahren zeigt eventuelle Risse, Falten durch Kaltläufe, Poren und weitere Oberflächenfehler der Gussstücke deutlich. Dabei dringen geeignete Prüfmittel in die Oberflächenfehler ein. Bei PQ 24- und PQ 46-Bauteilen erfolgt die Rissprüfung in einer industriellen Anlage in der Kloth-Senking Metallgießerei. Nach Reinigung der Prüffläche wird das in den Fehlern verbliebene fluoreszierende Eindringmittel mit Hilfe von UV-Strahlen deutlich zur Anzeige gebracht. Für Stufenplatten kann dies am Gießerei-Instituts mit herkömmlichen Sprühmitteln erfolgen, mit denen zunächst ein Farbmittel und anschließend ein Entwickler aufgebracht werden. Nach Waschen des Gussteils macht das verbliebene Mittel Oberflächenfehler durch Rosafärbung sichtbar.
Charakterisierung und Untersuchung der metallischen Gefüge Um Faktoren, welche die mechanischen Eigenschaften beeinflussen, zu verstehen, müssen Proben metallographisch und analytisch untersucht werden. Nur durch eine umfassende Gefügecharakterisierung (Phasen, -anteile, ihre Morphologie und Gefügedefekte) kann eine wissensfundierte Legierungsentwicklung betrieben werden und eine gezielte Einflussnahme auf die chemische Zusammensetzung im Prozess bewertet werden. Zur Beurteilung dienen:
Metallographische Schliffe und Lichtmikroskopie
Herausgetrennte Bereiche gegossener Proben werden in Kunststoff eingebettet und unter Gebrauch einer Maschine des Typs „Saphir 550" der Fa. ATM geschliffen und poliert. Die geschliffenen und polierten Proben werden danach unter einem mit einer Digitalkamera ausgestatteten Lichtmikroskop der Fa. Zeiss untersucht und ihr Gefüge dokumentiert. Einige Proben werden einer speziellen Farbätzung (modifizierte Ätzung nach Barker) unterzogen, die eine bessere Auflösung und Unterscheidung einzelner Körner der Primärphase von AI- Legierungen zulässt. Von jeder Probe werden Schliffbilder variabel bis zu maximal 1000-facher Vergrößerung angefertigt.
Raster-Elektronenmikroskopie und EDX-Analvse
Um die chemische Zusammensetzung der das Gefüge bildenden Phasen zu bestimmen, erfolgt an ausgewählten Proben metallographischer Schliffe eine ortsaufgelöste chemische Analyse (EDX-Analyse) im Raster-Elektronenmikroskop. Hierdurch können sowohl chemische Zusammensetzungen einzelner Phasenanteile, chemische Veränderungen innerhalb von Phasen (Seigerungen), bzw. chemische Verteilungen einzelner Elemente in einem Messfeld („Field-Scan") erfasst werden. Anhand einer graphischen Auswertung werden hinterher auch die Gefügeanteile der unterschiedlichen Phasen bestimmt. Das verwendete Raster- Elektronenmikroskop ist vom Typ „Zeiss Gemini 1550". Computerunterstützte Bildanalvse (IBAS)
Die mit Licht- und Raster-Elektronen-Mikroskopie am Gießerei-Institut gefertigten Aufnahmen werden für weitere Untersuchungen genutzt. Unter Zuhilfenahme des digitalen Bildanalysensystems „Zeiss KS400" werden auch die mittleren Dendritenarmabstände (DAS) bzw. die Korngrößen bestimmt, welche die Feinheit des Gefüges kennzeichnen. Ausgewählte Proben von PQ 24-, PQ 46- Gussstücken und französischer Zugstäbe werden mittels eines Computerprogramms der Fa. Aquinto in der Kloth-Senking Metallgießerei einer Porositätsmessung unterzogen. Dazu werden metallographisch geschliffene und polierte Oberflächen von Proben mit 20-facher Vergrößerung fotografiert und analytisch ausgewertet. Ermittelt werden dabei Messfläche, Porosität, Objektdichte und maximale Fehlerausdehnung.
4 Modifikation von AISi-Legierungen und experimentelle Untersuchung
Die AISi-Legierung, die in dieser Arbeit entwickelt wird, basiert einerseits auf einem Absenken des Silizium-Gehalts auf einen Anteil zwischen 1 und 7 Gew.-% Si und andererseits auf der Nutzung der Festigkeit steigernden Wirkung von Magnesium. Somit werden sowohl die Magnesium-Gehalte variiert, als auch der Einfluss von Verunreinigung durch Fe und gezielter Zugabe von Legierungselementen wie Cu, CuNi, Ni und Cr untersucht, sowie die Auswirkung von Behandlung der Schmelze (Komfeinung, Veredelung, Spülgasbehandlung).
4.1 Variation des Magnesiumgehaltes
Die neu zu entwickelnde AISi-Gusslegierung soll eine möglichst hohe Streckgrenze aufweisen. Vorgegebene Zielsetzung ist es, die zu entwickelnde Legierung auszuhärten. In AISi-Legierungen wird dies gemeinhin durch einen Zusatz von Magnesium erzielt (vergl. Abschnitt 2.2.3 der Arbeit). Nach Zusatz von Mg tritt im Gussgefüge die Chinesenschrift-artige polygon-verzweigte Phase ß- Mg2Si auf. Diese wird durch Lösungsglühen größtenteils wieder aufgelöst. Dabei wird das Magnesium vom α-Mischkristall aufgenommen und bleibt nach Abschrecken in Zwangslösung. Das zurückbleibende Si erhöht entsprechend den Anteil elektischen Siliziums. Die Legierungen sind nach dem Lösungsglühen durch die in Abschnitt 2.2.3 und 2.2.5 beschriebenen Methoden infolge Bildung der intermetallischen Phase ß" und P -Mg2Si nach Auslagerung aushärtbar.
Eine erste Orientierung für die Legierungsentwicklung erfolgt an der Legierung AISi7Mg. Diese Legierung ist unter zwei Klassifizierungen verbreitet, der AISi7MgO,3-Legierung (A 356) und ihrer Variante AISi7MgO,6 (A357) mit höherem Magnesium-Gehalt [VAW-IMCO 2004]. Die Variante mit höherem Mg-Gehalt zeigt bessere mechanische Kennwerte bezüglich Zugfestigkeit und Streckgrenze, besitzt aber eine geringere Dehnung. In üblicher Weise mit Eisen verunreinigten Mg-haltigen untereutektischen AISi-Legierungen bildet sich bei gleichzeitiger Anwesenheit von Fe und Mg die oft verhältnismäßig grobe, kantig-polygon verzweigte π-Phase (Chinesenschrift). Für Mg-Gehalte zwischen 0,4 % und 0,7 Gew.-% wird eine verstärkte Bildung der gefügeschwächenden π-Phase (AI8Mg3FeSi6) berichtet [C. H. Caceres et al. 1999]. Sie führt zwar zu besserer Festigkeit gegenüber der sich ohne Mg bildenden nadelig-plattigen Eisenverbindung ß-AI5FeSi, bewirkt aber eine verringerte Bruchdehnung [A. M. Samuel, F. H. Samuel 1997]. Die unerwünschte π-Phase kann durch Wärmebehandlung von ihrer polygon-kantigen Morphologie in eine abgerundete , spheroide Form überführt werden, was den Abfall an Bruchdehnung geringfügig mildern kann.
Das Absinken der Dehnung in naheutektischen Mg-haltigen Legierungen (AISiIOMg) und gelegentlich auch in AISi7Mg ist bei erhöhter Schmelztemperatur auch auf eine vermehrte Neigung der Schmelze zu Oxidation (AI2O3- und MgO- Bildung) zurückzuführen [X. Cao, J. Campbell 2003; J. F. Knott et al. 2000]. MgAI- Spinelle, wie auch durch turbulente Formfüllung eingeschleppte Oxide, dienen in AISi-Legierungen mit Eisenverunreinigungen gelegentlich als Keimbildner zur Ausbildung von primärem α-Fe, Ot-AI8Fe2Si oder Ot-AI15(Fe1Mn)3Si2 in nah- eutektischen AISi-Legierungen [L. Bäckerud et al.1990]. Generell ist in Mg-und Fe- haltigen AISi-Legierungen jedoch die Bildung der im Hinblick auf mechanische Eigenschaften günstigeren π-Phase gegenüber den α-Phasen bevorzugt [S. S. Sreeja Kumari et al. 2002]. Bei rasch erstarrten Gefügen und niedrigen Si- Gehalten treten die α-Phasen allerdings kaum auf.
Auf die Problematik des Eisengehaltes in AISi-Legierungen unter besonderer Berücksichtigung der nicht Mg-enthaltenden Phase ß-AI5FeSi für die entwickelte AISi3Mg-Legierung wird in Abschnitt 4.2. detailliert eingegangen. Es ist generell sinnvoll, für Kokillen- und Sandguss einen niedrigen Eisen-Gehalt in AISi- Legierungen anzustreben; für höher Mg-haltige Legierungen gilt dies in besonderem Maße.
Voruntersuchungen zum Mg-Einfluss in Si armen AI-Gusslegierungen
In dem Bemühen, eine eventuelle Bildung der π-Phase zu vermeiden, wird für die Untersuchungen zur Absenkung des Si-Gehalts in Arbeitspaket A „Voruntersuchungen" zunächst ein konstant niedriger Mg-Gehalt von 0,2 Gew.-% gewählt. Es werden Legierungen im Gusszustand und nach Wärmebehandlung auf ihre Festigkeitseigenschaften hin untersucht. Im Rahmen der Vorversuche ist die Wärmebehandlung für die variierten Si-Gehalte uneinheitlich gewählt (randomisiert innerhalb gängiger T6-Wärmebehandlungsspezifikationen). Primär soll so die Abhängigkeit vom Si-Gehalt auf mechanische Eigenschaften untersucht werden und sekundär ein erster Eindruck des Eigenschaftsspektrums durch Wärmebehandlung gewonnen werden. Da eine Auswertung der Wärmebehandlung somit weniger relevant ist, kann darauf verzichtet werden, ihre Ergebnisse im Einzelnen an dieser Stelle zu beschreiben. Genauere Untersuchungen werden in Folge in weiteren Arbeitspaketen angestellt und später beschrieben.
Die Ergebnisse der Voruntersuchungen unterstreichen jedoch, wie in Bild 4.1 dargestellt, ein zunehmendes Potenzial zur Steigerung der Legierungsfestigkeit durch Mg-Bestandteil bei sinkendem Si-Gehalt. Zugproben der Legierungen weisen, bei allerdings im ersten Ansatz enttäuschenden Gesamteigenschaften, im Gusszustand eine erheblich gesteigerte Bruchdehnung bei leicht sinkender Festigkeit und Streckgrenze mit sinkendem Si-Gehalt auf. Bei einer Wärmebehandlung wird Dehnung zugunsten von Festigkeit und Streckgrenze abgebaut. Da für Sicherheitsbauteile zusätzlich zu hoher Streckgrenze eine hohe Bruchdehnung (>7 %) erwünscht ist, scheint das Profil der Legierung AISi3MgO,2 und AISi4MgO,2 mit Bruchdehnungen von 10 % und mehr im Gusszustand für weitere Untersuchungen ein attraktiver Anknüpfungspunkt zu sein. Als Forschungsschwerpunkt für das sich anschließende Arbeitspaket B bietet sich daher eine gezielte Erhöhung des Magnesiumgehalts und eine systematische Untersuchung von erzielbaren Eigenschaften durch Wärmebehandlung für AISi3 und AISi4 an.
Bild 4.1 zeigt: Eine zunehmende Bruchdehnung mit sinkendem Si-Gehalt stellt trotz sinkender Festigkeit und Streckgrenze ein attraktives Profil für eine Aushärtung von AISi3 durch Wärmebehandlung dar.
Thermodynamische Modellierung zurmax. Löslichkeit von Mg in Si-armen AI-Gusslegierungen
Die Erhöhung des Magnesiumgehalts stützt sich auf thermodynamische Modellierung mit Thermo-Calc. Mit dem Modellierungsprogramm wird die maximale Löslichkeit von Magnesium in AI-Legierungen unterschiedlichen Si-Gehalts berechnet sowie die zusammensetzungsabhängigen Temperaturen für die Bildung der Phasen. Im Rahmen der Modellierung bestätigt sich, dass die maximale Löslichkeit für Mg im thermodynamischen Gleichgewicht unabhängig vom Si- Gehalt der AISi-Legierung im α-Mischkristall 0,6 Gew.-% Mg beträgt. Überschreitet der Mg-Gehalt diese kritische Grenze, so ist verstärkt mit Mg-haltigen Chinesenschrift-Ausscheidungen an Mg2Si und bei Anwesenheit von Fe mit π- Phase zu rechnen, da der AI-Mischkristall auch bei optimalem Lösungsglühen übersättigt ist. Exemplarisch ist in Bild 4.2 bis Bild 4.7 der Phasenanteil [Molenbruch] über der Temperatur [0C] für die Legierungen AISi5, AISi3 und AISiI dargestellt: in Bild 4.2, 4.4 und Bild 4.6 für die Gleichgewichtserstarrung und in Bild 4.3, 4.5 und Bild 4.7 im thermodynamischen Ungleichgewicht nach Scheil. Es ist erkennbar, dass der Anteil von ausgeschiedenem Mg2Si im Gleichgewicht höher ist als bei rascher Erstarrung im Ungleichgewicht, weil weniger Mg im AI- Mischkristall zwangsgelöst bleibt. Dies begründet den Effekt, dass in Dauerformgießverfahren erstarrte AISiMg-Gussteile schneller auf ein Lösungsglühen ansprechen als z. B. im Sandguss langsam erstarrte Gussstücke. Ebenfalls erklärt dies metallurgisch die festigkeitssteigernde Wirkung eines Abschreckens noch heißer Gussstücke in Wasser.
Vergleicht man die Modellierungen von AISi5MgO,6, AISi3MgO,6 und AISiI MgO,6, so ist überdies erkennbar, dass der Anteil an ausgeschiedenem Mg2Si in der Legierung mit niedrigerem Si-Gehalt geringer ist. Mit einer Absenkung des Si- Gehalts sinkt der Anteil elektischer Phase im Gefüge und zugleich steigt der Anteil an primärem α-Mischkristall und somit auch die Kapazität, einen höheren Gesamtanteil an Mg in der Legierung aufzunehmen. Es besteht eine höhere Toleranzgrenze bezüglich des Mg-Gehaltes, bevor es zu unerwünschten Ausscheidungen kommt. Dies hat bei Absenkung des Si-Gehalts eine Verringerung der Bildungsneigung von Chinesenschrift-artigen Mg- und MgFe- Ausscheidungen zur Folge. Bild 4.2 zeigt: Thermo-Calc-Modellierung der Legierung AISi5MgO,6 bei
Gleichgewichtserstarrung.
Bild 4.3 zeigt: Thermo-Calc-Modellierung der Legierung AISi5MgO,6 nach Scheil.
Bild 4.4 zeigt: Thermo-Calc-Modellierung der Legierung AISi3MgO,6 bei
Gleichgewichtserstarrung
Bild 4.5 zeigt: Thermo-Calc-Modellierung der Legierung AISi3MgO,6 nach Scheil.
Bild 4.6 zeigt: Thermo-Calc-Modellierung der Legierung AISiI MgO, 6 bei
Gleichgewichtserstarrung.
Bild 4.7 zeigt: Thermo-Calc-Modellierung der Legierung AISiI MgO,6 nach Scheil.
Bild 4.8 zeigt: Thermo-Calc-Modellierung der Legierung AISi3Mg1 bei
Gleichgewichtserstarrung.
Bild 4.9 zeigt: Thermo-Calc-Modellierung der Legierung AISi3Mg1 nach Scheil.
Im Gegensatz zur AISi7MgO,6 (A357), in welcher Mg-Gehalte von 0,4 bis 0,5 Gew.-% in der Praxis selten überschritten werden, kann die maximale Löslichkeit im AI-Mischkristall von 0,6 Gew.-% Mg in Legierungen mit weniger Si und bei rascher Abkühlung eher ausgeschöpft werden.
Berücksichtigt man zudem einen geringen Mg-Abbrand im Schmelzbetrieb, erscheint eine leichte Überscheitung des Mg-Gehalts von 0,6 Gew.-% in AISi3Mg bei Schmelzeerstellung als durchaus akzeptabel, wie auch der Umgang mit AISiMg-Knetlegierungen der 6000er Reihe belegt.
Vergleicht man eine AISi3Mg-Legierung mit 0,6 % (Bild 4.4 und 4.5) und 1 Gew.- % Mg (Bild 4.8 und 4.9), so wird deutlich, dass ein erhöhter Mg-Gehalt eine Absenkung der Liquidus- und Solidus- wie auch der eutekischen Bildungstemperatur für Al-Si zur Folge hat. Z. W. Chen et al. 2005 bestätigen dies sowie eine Erhöhung der Bildungstemperatur für Mg2Si über DTA-Messungen. Es wird jedoch ein kaum veränderter Anteil an Mg2Si-Phase ausgeschieden. Bildungstemperaturen der Phasen in Si-armen AISiMg-Legierungen Tabelle 4.1 führt die Bildungstemperaturen der Phasen für verschiedene Si- und Mg-Gehalte im Gleichgewicht an. Tabelle 4.2 zeigt die Bildungstemperaturen der Phasen für verschiedene Si- und Mg-Gehalte bei einer Erstarrung nach Scheil. Die markierte Temperatur stellt die Temperatur dar, bei deren Unterschreiten nur Festphase vorliegt. Sie markiert die thermische Obergrenze für Wärmebehandlungen von AISiMg-Legierungen.
Ein ff uss hoher Mg-Gehalte auf die mechanischen Eigenschaften von AISi- Legierung
Bild 4.10 zeigt den Einfluss hoher Mg-Gehalte (0,6 und 1 Gew.-%) auf die mechanischen Eigenschaften der Legierungen AISi3Mg, AISi2Mg und AISiIMg nach einer T6-Wärmebehandlung. Das Überschreiten eines kritischen Mg-Gehalts von mehr als 0,6 Gew.-% hat bei untereutektischen Legierungen negativen Einfluss auf die mechanischen Eigenschaften. Jedoch steigt die Toleranz hierfür, je niedriger der Si-Gehalt liegt. Bei AISiI zeigt ein Mg-Gehalt von 1 Gew.-% sogar eine Verbesserung der Eigenschaften gegenüber 0,6 Gew.-%.
Bild 4.10 zeigt: Dargestellt sind mechanische Kennwerte „Französischer Zugproben" nach einer T6-Wärmebehandlung. Für die Legierungen AISi3, AISi2 und AISiI sind Mg-Gehalte von 0,6 % und 1 Gew.-% gewählt.
Tabelle 4.1: Entstehende Phasen und Bildungstemperaturen der Legierungen AISiI , AISi2, AISi3, AISi5 für Mg-Gehalte von 0,6 u. 1 Gew.-% im Gleichgewicht nach Thermo-Calc.
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Tabelle 4.2: Entstehende Phasen und Bildungstemperaturen der Legierungen AISiI , AISi2, AISi3, AISi5 für Mg-Gehalte von 0,6 % und 1 Gew.-% im Ungleichgewicht nach Scheil mit Thermo-Calc berechnet. Die farbliche hinterlegte Markierung steht für die Temperatur unter der keine flüssige Phase vorliegt.
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Um die Phasenausprägung in Abhängigkeit der Wärmebehandlung und eine Verknüpfung von Mg- und Fe-Ausscheidungen und des Anteils an eutektischem Silizium einzubeziehen, erfolgt eine umfassende Diskussion der Mg-haltigen und Fe- haltigen Phasen am metallographischen Schliff unter dem Licht- und Rasterelektronenmikroskop abschließend in Abschnitt 4.3.5 der Arbeit. Dort werden Gefügeproben aus dem „Französischen Zugstab", aus der PQ 24 Fahrwerkskonsole und aus dem PQ46 Radträger gesamtheitlich unter dem Gesichtspunkt der Aushärtbarkeit sowohl im Gusszustand als auch nach Wärmebehandlung vergleichend betrachtet. Experimentell wird, wie unten ausgeführt, der Einfluss des Mg-Gehaltes auf die gießtechnologischen Eigenschaften (Fließlänge, Formfüllungsvermögen) für Gehalte zwischen 0,3 und 0,6 Gew.-% bestimmt. Aus Gründen der Übersichtlichkeit wird der Einfluss des Mg-Gehaltes in Abschnitt 4.3.4 im Kontext der Legierung AISi3MgO,6 diskutiert. Mit steigendem Mg-Gehalt sinkt die Fließfähigkeit deutlich, während auf das Formfüllungsvermögen kein Einfluss festgestellt wird.
Unter Auswertung der Ergebnisse aus Arbeitspaket B wird für die Ziellegierung AISi3Mg während der Erprobung im Realbauteil (Arbeitspaket C) ein Mg-Gehalt von 0,6 Gew.- % gewählt.
4.2 Einfluss des Eisengehalts und Beeinflussung Fe-haltiger Phasen durch Legierungsgehalt an Mg, Sr, Mn, Cr, Co, Be sowie Wärmebehandlung
Für eine Rissinitiierung und Bauteilversagen von Gussbauteilen aus AISi- Legierung sind zumeist Oxideinschlüsse verantwortlich. Liegen solche jedoch nicht vor, so sind es oftmals Eisen-haltige Phasen, von denen aus ein Bauteilversagen ausgeht [J. F. Knott et al. 2000]. Durch Eisen-Verunreinigungen bilden sich zwischen AI, Si, Fe und gegebenenfalls auch Mg unerwünschte, die Bauteileigenschaften mindernde stöchiometrische Phasen aus. Dies wird durch den ähnlich großen Atomradius von Si und Fe begünstigt [L. F. Mondolfo 1990]. Daher kommt einer Vermeidung Fe-haltiger Phasen in diesen Legierungen eine hohe Bedeutung zu. Falls dies aufgrund von Fe-Bestandteilen in den Al- Vorlegierungen nicht möglich ist, sollte zumindest eine kontrollierte Einformung in Fe-Morphologien angestrebt werden, die weniger gefügeschädigend sind [V. Voje, A. L Dons 2001]. Primäre Al-Vorlegierungen besitzen bereits nach der Elektrolyse geringe Eisengehalte von einigen Zehntel Gew.-% Fe. Üblich genormte Primär-Vorlegierungen höherer Qualität enthalten etwa 0,15 Gew.-% Fe. In Sekundär-Legierungen ist der Fe-Anteil generell erhöht. Reinere AISi-Legierungen waren in der Vergangenheit zumeist nur schwer unter erhöhten Kosten erhältlich. Nach dem Neubau mehrerer Aluminium-Elektrolysen sind seit wenigen Jahren aber auch reinere Legierungen zu vertretbaren Kosten in größeren Mengen verfügbar. Ein geringerer Fe-Gehalt wird mittlerweile selbst bei Druckgusslegierungen wie AISi9,5-11,5 angestrebt, in denen früher ein gewisser Eisen-Gehalt zur Verringerung der Klebneigung in der Druckgießform erwünscht war. Hier wird inzwischen der Eisen-Gehalt bewusst zur Steigerung mechanischer Eigenschaften gesenkt, wie etwa bei ersatzweisem Zulegieren von Mn für geringe Klebneigung und von Mg zur Aushärtbarkeit (AISiθMgMn „Silafont 36") [H. Koch et al. 2000, H. Koch 2004].
Die in dieser Arbeit vergossenen Si-armen AISiMg-Legierungen weisen im Gusszustand durchweg π-Phase, wie auch ß-Phase im Gefüge auf (Bild 4.11). Die Ausprägung und Anteile der unterschiedlichen Fe-Phasen in AISi-Legierungen werden wesentlich vom Grundgehalt an Fe und Mg und von in kleinen Mengen gezielt zulegierten Elementen (Mn, Sr, Cr) oder einer Wärmebehandlung (Bild 4.12) beeinflusst.
Bild 4.11 zeigt: Gefügebild mit Phasenbeschreibung einer dünnwandigen an Luft abgekühlten PQ46-Probe aus AISi3Mg im Gusszustand.
Bild 4.12 zeigt: Gefügebild mit Phasenbeschreibung einer PQ46-Probe aus AISi3Mg nach einer T6-Wärmebehandlung.
Die Chinesenschrift-artige α-Fe-Phase (AI8Fe2Si, Ali2-i5(Mn,Fe)3Sii-2) wird bei den untersuchten AISiMg-Proben nicht beobachtet. Dies liegt darin begründet, dass sich durch die Anwesenheit von Magnesium eher die morphologisch ähnliche π- Phase (AI8Mg3FeSi6) ausbildet. Ist die π-Phase fein ausgeprägt, gilt sie in ihrer Wirkung auf die Festigkeitseigenschaften günstiger als die ß-Phase. Das Auftreten der Mg-haltigen π-Phase, ihr Bezug zur ß-Phase sowie ihr Auftreten in Abhängigkeit von Mg-Gehalt und Abkühlrate wurde bereits im Abschnitt 4.1 (Variation des Magnesiumgehaltes) diskutiert.
Die plattig-polygone (im Schliffbild 4.12 nadelig erscheinende) Eisenverbindung ß-AI5FeSi stellt die häufigste und ungünstigste Morphologie Fe-haltiger Phasen in AISi-Legierungen dar. Je höher der Anteil von Fe in der Legierung, desto stärker ist das Auftreten der sich teilweise bereits vor dem AISi-Eutektikum ausscheidenden Phase. Somit hat diese Phase auch einen Einfluss auf Schrumpfungsporosität, da die voreutektische Ausscheidung von ß-Phase eine Nachspeisung durch Schmelze zu behindern vermag [A. M. Samuel et al. 2001]. In niedrig Si- und Mg-haltigen AISiMg-Legierungen ist ein vermehrtes Auftreten von ß-Phase gegenüber π-Phase durch die stöchiometrische Zusammensetzung der Phasen bedingt, da in ß-Phase weniger Si enthalten ist. Mit steigendem Mg- Gehalt verschiebt sich, wie in Abschnitt 4.1 dargelegt, der Anteil ß-Phase zugunsten der π-Phase. Dieser von J. A. Taylor et al. 2000 und P. A. Rometsch et al. 2001 für AISi7Mg beschriebene Zusammenhang kann für AISi3Mg betätigt werden. Weitere fördernde Faktoren zur Bildung von ß-Phase im Gussgefüge sind eine niedrige Abkühlrate sowie niedrige Mn- oder Cr-Gehalte [L. F. Mondolfo 1990]. Bei Auftreten von ß-Phase wird versucht, deren Morphologie von ihrer nadeligen Ausprägung zugunsten weniger gefügeschädlichen Formen zu beeinflussen. Dies kann durch Zulegieren von Sr, Mn, Be, Cr, Ni, Co oder Mo geschehen [D. L. Colwell, R. J. Kissling 1961].
A. M. Samuel, F. H. Samuel 1997 und C. Villeneuve, F. H. Samuel 1999 berichten in ihren Publikationen von einem positiver Änderung der ß-Phasen-Morpohologie durch Zulegieren von geringen Mengen (< 350 ppm) Strontium. Sr bewirkt eine Fragmentierung von ß-Phase in kleinere gedrungenere Nadeln, was eine weitere Einformung der Nadeln bei Wärmebehandlung begünstigen kann. Der Wirkmechanismus wird von M. H. Mulazimoglu et al. 1997 erklärt als eine Blockierung der Diffusion von Si in die sich bildende α-Fe-Phase (AI8Fe2Si), wodurch eine Bildung von ß-AI5FeSi unterbunden wird. Die α-Fe-Phase wird stabilisiert [M. H. Mulazimoglu et al. 1996, 1997].
Ein positiver Einfluss von Sr auf die ß-Phase kann in der Versuchsreihe C3 der durchgeführten Experimente für den Gusszustand und nach Wärmebehandlung zwar nicht bestätigt, jedoch auch nicht ausgeschlossen werden. Versuche mit einem Sr-Gehalt von 80-140 ppm Sr zeigen im Arbeitspaket C2 im Gusszustand (Bild 4.13, 4.15) und nach Wärmebehandlung (Bild 4.14, 4.16) keinen deutlichen Einfluss auf die Eisenverunreinigungen. Eventuell ist der Sr-Gehalt zu niedrig gewählt für eine effektive Beeinflussung der ß-Phase. Der gewählte Sr-Gehalt orientiert sich jedoch an der gegenüber AISi7 geringeren Menge des potenziell durch Sr zu veredelnden AISi-Eutektikums in AISi3. Eine Wirkung von Sr auf die Fe-Phasen in der Legierung AISi3MgO,6 wird in dieser Arbeit nicht vertiefend untersucht, da aufgrund des geringen Si- und Fe-Gehalts und hoher Abkühlrate bewusst auf eine Sr-Veredelung der elektischen Phase verzichtet werden soll. Eine ökonomisch sinnvolle Einsparung von Veredelungsmittel wird höher gewichtet als ein möglicherweise metallurgisch positiver Einfluss.
Bild 4.13 zeigt: Gefügebild einer PQ46-Probe aus AISi3MgO,6-B (+Sr) im
Gusszustand (dickwandiger Bauteilbereich)
Bild 4.14 zeigt: Gefügebild einer dickwandigen PQ46-Probe aus AISi3MgO,6-B
(+Sr) nach einer T6-Wärmebehandlung
Bild 4.15 zeigt: Gefügebild einer PQ46-Probe aus AISi3MgO,6-B (+Sr, +Mn) im
Guss-Zustand (dünnwandiger Bauteilbereich) BiId 4.16 zeigt: Gefügebild einer dünnwandigen PQ46-Probe aus AISi3MgO,6-B (+Sr, +Mn) nach einer T6- Wärmebehandlung
Als am wirkungsvollsten zur Beeinflussung von Fe-Phasen gilt Mangan, welches entsprechend des Gehaltes an Fe zugegeben wird. Der nadeligen ß-Form ist die polyedrische gedrungene Chinesenschrift-Form von α-Fe-Phase (Al12- 15(Mn1Fe)SSiI-2) zu bevorzugen, welche bei einem Mn/Fe-Verhältnis von > 0,5 bis 0,8 auftritt [L. A. Narayanan 1994; A. M. Samuel et al. 2001]. Höhere Mn-Gehalte haben wiederum eine negative Auswirkung auf die Dehnung von AISi-Legierungen [H. Koch 2004], was besonders im lösungsgeglühten Zustand auffällt.
In Arbeitspaket C2 werden Versuche einer Zulegierung von Mn und Sr zur Ziellegierung AISi3MgO,6-B im Hinblick auf die Veränderung mechanischer Eigenschaften von PQ 46-Bauteilen, die im CPC-Verfahren gegossenen sind, durchgeführt. Trotz eines den obigen Vorgaben entsprechenden Mn/Fe- Verhältnisses ergeben sich jedoch keine mechanischen Eigenschaftsvorteile. Auch eine im Schliff erkennbare Einformung der wegen eines Fe-Gehalts unter 0,18 Gew.-% Fe verhältnismäßig geringen Matrixanteile an ß-Phase wird nicht bewirkt.
Der eisenarmen Legierung AISi3MgO,6-D wird für ihre Verarbeitung im Druckgießen ebenso Mn zugegeben (Arbeitspaket C3). Hier wird nicht eine Einformung der ß-Phase, sondern ausschließlich eine Verringerung der Klebneigung angestrebt. Ein niedriger Mn-Gehalt von 0,2 Gew.-% zeigt keinen entscheidend positiven Effekt auf die Verarbeitungseigenschaften im Druckgießen. Eventuell ist ein höherer Mn-Gehalt im Hinblick auf geringere Klebneigung von Vorteil. Dieser würde analog zu Beobachtungen für die Legierung AISi9MgMn [H. Koch 2004] jedoch vermutlich einen negativen Effekt auf die Bruchdehnung haben. Eine ähnliche Wirkung wie Mn besitzt Chrom [D. A. Granger 1991] durch die Bildung von (Cr1Fe)4Si-JAIi3. Cr wird im Verlauf der Versuche zu AISi3Mg-A in Arbeitspaket B5 zulegiert (Cr-Gehalte: 0,1; 0,4; 0,5 und 0,7 Gew.-%), jedoch nicht mit dem Ziel einer Einformung der ß-Phase, sondern zur Ausscheidungshärtung im Aluminium-Mischkristall, siehe Abschnitt 2.2.1. Diese Ergebnisse zum Einfluss von Cr auf die Legierung AISi3Mg sind umfassend in Abschnitt 4.4.3 dargestellt. An dieser Stelle wird intensiv auf den Einfluss von Cr auf die Fe-Ausscheidungen eingegangen. Nach S. S. Sreeja Kumari et al. 2002 soll der positive Einfluss von Cr bzgl. der Einformung der ß-Phase bedeutsamer sein als der von Mn, da höhere Duktilität erreicht wird. Ob dies jedoch direkt über eine Beeinflussung der Fe- reichen Phase oder eher über den AI-Mischkristall erfolgt, wird durch die Autoren nicht erklärt.
Bild 4.17 und 4.18 zeigen Schliffbilder einer AISi3MgO.6CrO.7-Legierung, im Gusszustand und im Zustand nach Wärmebehandlung. Das Schliffbild der Probe im Gusszustand zeigt im Vergleich zu dem der Basislegierung AISi3Mg-B keine Auffälligkeiten. Das ausgeschiedene Silizium ist hier ebenfalls leicht abgerundet und wird vom Chromgehalt nicht beeinflusst, obwohl CrSi2-Ausscheidungen stöchiometrisch denkbar erscheinen. In den Chrom-Versuchsreihen liegt der Eisengehalt, teilweise bedingt durch die Vorlegierung, deutlich über der Löslichkeitsgrenze von 0.04 %. Dieser erhöhte Gehalt an Eisen macht sich in zugehörigen Schliffbildern durch nadelige ß- und polyedrisch eingeformte π- Eisenausscheidungen bemerkbar. Interessant ist allerdings der Umstand, dass bereits im Gusszustand polyedrisch eingeformte π-Phase auftritt. Das Auftreten einer eingeformten π-Phase im Gusszustand bei Cr-Bestandteil der Legierung bestätigt die Ergebnisse einer Untersuchung von S. Murali, K. S. Raman et al. 1994. Mit zunehmendem Chromgehalt fehlen bereits im Gusszustand die ß- Eisenausscheidungen zugunsten der polyedrischen π-(AI8Mg3FeSi6) Phase. Bei einem Cr-Gehalt von 0,7 Gew.-% Cr wird nach der Wärmebehandlung keine ß- Phase mehr nachgewiesen. Bei einem Chromgehalt von 0,3 Gew.-% können im Gegensatz zu 0,7 Gew.-% weder im Gusszustand noch im wärmebehandelten Zustand AlCr-Ausscheidungen gefunden werden. Die Zusammensetzung der verschiedenen Gefügebestandteile lässt vermuten, dass das Chrom im Aluminium- Mischkristall gelöst und in Verbindung mit dem Eisen als (Cr1Fe)AI7 im Gefüge vorliegt. Bei einem Chromgehalt von 0.7 % lassen sich über EDX-Analyse Ausscheidungen finden, die nachweislich aus den intermetallischen Phasen AI7Cr-, AInCr2- sowie AI^Cr2 bestehen können.
Bild 4.17 zeigt: Gefügebild von AISi3Mg0.6Cr0.7 im Gusszustand bei 500-facher
Vergrößerung
Bild 4.18 zeigt: Gefügebild von AISi3Mg0.6Cr0.7 im wärmebehandelten Zustand bei 500-facher Vergrößerung. Die Zuweisungen der ehem. Zusammensetzung erfolgen über EDX-Analyse.
Kobalt bewirkt eine Überführung der ß-Phase in die Chinesenschrift-artige Phase (Co1Fe)2AIg. Jedoch sind Zusatzmengen von gleicher Menge wie Fe erforderlich und die Duktilität der Legierung wird gesenkt [S. S. Sreeja Kumari et al. 2002]. Daher stellt Co als Legierungszusatz in diesem Forschungsvorhaben keine Alternative zu Mn oder Cr hinsichtlich der Anforderungen von Fahrwerksteilen dar.
Beryllium wirkt ebenfalls durch die Ausbildung einer Chinesenschrift-artigen Phase BeSiFe2AI8 anstelle von ß-Phase in AISi-Legierungen [S. Murali et al. 1994; Y. Wang, Y. Xiong 2000]. Wegen seiner hohen Toxizität sind nur sehr geringe Be- Zugabemengen möglich. Daher wird ein Zulegieren von Be in dieser Arbeit prinzipiell nicht in Erwägung gezogen.
Durch eine Wärmebehandlung wird die Ausprägung beider Fe-haltiger Phasen (ß und π) verändert (siehe Bild 4.11 - 4.16). Neben der Spheroidisierung des eutekti- sehen Siliziums wird durch eine Wärmebehandlung eine erfolgreiche Spheroidisie- rung der π-Phase bewirkt. Ihre Morphologie ist ähnlich derjenigen des eingerundeten Siliziums und daher nicht als gefügeschädigend anzusehen.
Die Präsenz der ß-Phase ist auf den Gefügebildern weiterhin klar ersichtlich. Die erwünschte Überführung der sperrigen Nadeln aus der ß-Phase in eine günstigere Morphologie erfolgt nicht in zufriedenstellendem Ausmaß. Lediglich eine leichte Abrundung der Nadelspitzen kann festgestellt werden. Teilweise kann eine Fraktionierung der Nadeln in kleinere Partikel vornehmlich in Zonen gröberen Gefüges beobachtet werden. Auf die längliche Ausprägung der Ausscheidungen in dünnwandigeren Partien des Bauteils nimmt die Wärmebehandlung keinen Einfluss.
Das Auftreten der ß-Phase trotz des relativ geringen Eisengehalts von <0,1 Gew.- % ist mit der Seigerung des Eisens in der Restschmelze während der Erstarrung zu erklären. Da das Gefüge der AISi3MgO,6-Legierungsgruppe (im Vergleich zu AISi7) nur wenig Eutektikum enthält, wird der gesamte Eisengehalt in einem kleineren Volumen angereichert, was zur Überschreitung der Bildungsgrenze der AIsFeSi Phase und zur Entstehung der sperrigen Nadeln führt. Somit kommt einer Kontrolle des Fe-Gehalts in AISi3MgO,6-Legierung ohne Legierungszusätze Sr, Mo, Cr, Co oder Be eine höhere Bedeutung zu als in einer AISi7Mg-Legierung mit A357-Spezifikation .
4.3 Verringerung des Siliziumgehalts
4.3.1 Theoretische Ableitungen zur gießtechnologischen Verarbeitung von Si-armen AI-Gusslegierungen in Dauerformgießverfahren
Gemäß der in Abschnitt 3.2 formulierten Strategie zur Entwicklung einer hochfesten Aluminium-Legierung liegt ein Schwerpunkt der Arbeit in der Untersuchung, in welchen Dauerformgießverfahren sich AISi-Legierungen mit weniger als 7 Gew.-% Si verarbeiten lassen. Ferner sind ihre Gießeigenschaften, die Gefüge und anschließend die mechanischen Eigenschaften zu diskutieren.
Ableitung gießtechnologischer Eigenschaften: Erstarrungsmorphologie, Fließvermögen, Formfüllungsvermögen
Zuvor erfolgt in Arbeitspaket A eine Bewertung der in der Literatur beschriebenen Legierungen mit Si-Gehalten zwischen 1 und 7 Gew.-% hinsichtlich ihres praktischen Nutzens. Die primäre Erstarrungsmoφhologie ist für diese Legierungen durch W. Patterson und S. Engler 1961 bzw. S. Engler 1970 als endogen-breiartig bis endogen-schalenbildend dargestellt. Solche Legierungen weisen schlechtere Gießeigenschaften als exogen schalenbildende Legierungen auf. So ist das in einer Graphitkokille gemessene Fließvermögen der Legierungen zwischen 1 und 7 Gew.-% Si nach W. Patterson, H. Brand 1960 gleichmäßig schlecht ausgeprägt (Bild 4.19), was in direktem kausalen Zusammenhang zur Erstarrungsmoφhologie steht.
Das Formfüllungsvermögen (FFV) fällt nach W. Patterson und S. Engler 1961 ausgehend vom reinen AI stark ab, durchläuft ein relatives Maximum bei 2 Gew.-% Si und fällt weiter ab bis zu einem Tiefstwert bei 8 Gew.-% Si, nach welchem es wieder bis zur elektischen Zusammensetzung ansteigt (Bild 4.20). Das relative Maximum bei 2 Gew.-% führen die Forscher auf den Verlauf der reziproken Oberflächenspannung und auf die reziproke kinematische Viskosität der AISi- Schmelzen zurück. Unter der Voraussetzung einer konstanten hohen Gießtemperatur der Legierungen weist die Legierung AISi2 im Sandguss ein annähernd vergleichbares FFV auf wie AlSiδ (Bild 4.21), S. Engler und R. Ellerbrok 1974.
S. Engler und R. Ellerbrok spezifizieren diese Angaben 1975 durch Einsatz der in 2.2.2 und 3.3.3 beschriebenen Bolzenprobe und unterscheiden das FFV für Sand- und Kokillenguss. Hiernach besitzt das FFV für Sandguss bei 3 Gew.-% ein relatives Maximum, was auf die schwamm-breiartige endogene Erstarrung zurückgeführt wird. Mit steigendem Si-Gehalt, bzw. eutektischem Anteil, verschiebt sich die Morphologie hin zu endogen schalenbildend (Bild 4.22). Durch eine sich rasch bildende Randschale nimmt das FFV wieder ab. Genau entgegengesetzt verläuft das Formfüllungsverhalten im Kokillenguss. Das niedrigste Formfüllungsvermögen ist für die Legierung AISi3 beobachtet, steigt bei höherem Si-Gehalt jedoch wieder an. Ursache ist die ausgeprägte sich im Kokillenguss rasch bildende Randschale, welche den Vorteil der breiartigen Erstarrung bezüglich der Formfüllung kompensiert.
Bild 4.19 zeigt: Fließvermögen der AI-Legierungen bis 25 Gew.-% Si bei unterschied-lichen Überhitzungen über Liquidustemperatur in einer Graphitkokille nach W. Patterson, H. Brand 1960.
Bild 4.20 zeigt: FFV, reziproke Viskosität und Oberflächenspannung bei unterschiedlichen Si-Gehalten, W. Patterson und S. Engler 1961.
Bild 4.21 zeigt: Unter der Voraussetzung einer konstanten Gießspanne weist die
Legierung AISi3 im Sandguss ein besseres Formfüllungsvermögen als AlSiδ auf,
S. Engler, R. Ellerbrok 1974. Das obere Diagramm a) zeigt das FFV im Sandguss bei konstanter Gießspanne, das untere Diagramm b) bei konstanter
Gießtemperatur.
Bild 4.22 zeigt: Das durch die Bolzenprobe bestimmte FFV unterscheidet sich für
Sand- und Kokillenguss. Das FFV besitzt für Sandguss bei 3 Gew.-% ein relatives
Maximum, im Kokillenguss hingegen ein Minimum, S. Engler, R. Ellerbrok 1975.
S. Engler und G. Schleiting 1978 zeigen für untereutektische AI-Legierungen im Kokillenguss diese Verschiebung der Erstarrungsmorphologie u. a. für AISi3 (Bild 4.23 a-b) in Abhängigkeit der Gießspanne. Sie erklären die Erstarrungsmorphologie für AISi3 im Kokillenguss als exogen schwammartig mit sinkendem endogen-breiartigem Anteil bei Erhöhung der Gießspanne (b > a). Die exogen wachsende Schale wird während der Erstarrung für AISi3 - AISi9 als ein lockerer Schwamm charakterisiert, der Anteile an elektischer Restschmelze enthält. Diese erstarrende Restschmelze im schon erstarrten Netzwerk stellt die Ursache für mögliche Warmrissigkeit in Gussteilen dar.
Bild 4.23 a-b zeigt: Geschliffene Proben der im Kokillenguss vergossenen Legierung AISi in Abhängigkeit der Gießspanne fe nach unterschiedlichen Zeitpunkten U abgeschreckt und die daraus resultierende Verschiebung der Erstarrungsmorphologie, S. Engler, G. Schleiting 1978.
Gemäß obiger Untersuchungen und der in Abschnitt 3.2 erwähnten gießtechnologischen Fortschritte erscheint in Arbeitspaket B eine systematische Untersuchung der Legierungen, insbesondere im Intervall von 1- 5 Gew.-% Si als sinnvoll. Da der Kokillenguss von Fahrwerksteilen (insbesondere bei Schwenklagern) oft dickwandig ist, ist eine Vorhersage zum FFV und bezüglich des Warmrissverhaltens nicht ohne Versuche am Bauteil möglich. Experimentell wird weiter untersucht, inwieweit sich Druckunterstützung während der Erstarrung positiv auswirkt. Die Ergebnisse eines ersten bereits im Arbeitspaket A unternommenen Testgusses mit dem PQ 46-Fahrwerksträger im Niederdruck-Gegendruckgießen für eine AISi3- und AISiδ-Legierung, erscheinen durch signifikant steigende Dehnung bei sinkendem Si-Gehalt durchaus ermutigend trotz Defiziten in Konturgenauigkeit, so dass in Folge eine intensive Legierungsentwicklung mit Si-armen AI-Legierungen betrieben wird.
Dem in Abschnitt 3.3 vorgestellten Versuchsplan gemäß erfolgt die Vorbetrachtungen berücksichtigend die Absenkung des Siliziumgehalts in Arbeitspaket A von AISi7Mg bis AISi3Mg und in Arbeitspaket B2 von AISi3Mg bis AISiIMg, um einen Einfluss auf die mechanischen und gießtechnologischen Eigenschaften zu bestimmen. Basierend auf diesen Versuchsreihen wird im Folgenden nach Labor-Erprobung die Ziellegierung AISi3MgO,6-A definiert. In Arbeitspaket C werden die Legierungen AISi3MgO,6-A und AISi3MgO,6-B unter verschiedenen Aspekten untersucht: zunächst auf ihre gießtechnische Verarbeitbarkeit im Kokillenguss anhand des franz. Zugstabs und des PQ 24- Bauteils, im CPC-Verfahren anhand des PQ 46-Bauteils sowie im Arbeitspaket C3 als AISi3MgO,6-D im Druckgießverfahren anhand der Stufenprobe. Als Referenzmaßstab für die gießtechnologischen Eigenschaften (Verarbeitbarkeit der Legierung) dienen hierbei die standardisierten Probegeometrien für den Kokillenguss sowie die in den einzelnen Verfahren aus der Legierung AISi7Mg (A356) hergestellten Proben.
4.3.2 Gießtechnologische Eigenschaften Si-armer AI-Gusslegierungen
Bestimmung des Fließvermögens
In Bild 4.24 sind die Untersuchungen aus Arbeitspaket B1 zur Bestimmung des Fließvermögens für AISi-Legierungen mit unterschiedlichem Si-Gehalt dargestellt. Ermittelt wurden bei konstanter Kokillentemperatur von 2500C und konstanter
Bild 4.24 zeigt: AISi3MgO,6 besitzt das geringste Fließvermögen der AISi- Legierungen unter 7 Gew.-% Si, ermittelt mit der beheizten Stahlkokillen- Gießspirale. Die Legierungen sind mit AITΪ5B1 korngefeint. Bild 4.25 zeigt: Ersichtlich ist der Einfluss des Mg-Gehaltes und der Gießtemperatur auf das Fließvermögen von AISi3Mg nach Kornfeinung mit AITi5B1. Der Ti-Gehalt ist dabei gegenüber der in Bild 4.24 dargestellten Versuchsreihe verdoppelt, was sich in einem Anstieg der Fließlänge von 190 mm in Bild 4.24 auf 480 mm in Bild 4.25 bemerkbar macht.
Schmelzetemperatur von 7600C (also unterschiedlicher Überhitzung für die verschiedenen Legierungen) die ausgelaufenen Fließlängen in einer beheizten Stahlkokillen-Gießspirale, wie sie in Kapitel 3.3.3 beschrieben ist. Durch den Transport kühlt sich die Schmelze ab, so dass die Temperatur der Schmelze beim Abguss in die Spirale bis zu 80 0C niedriger liegt. Somit beträgt die Abgießtemperatur der Fließlängenversuche 6800C bis 6900C. Alle Schmelzen sind mit der Vorlegierung AITi5B1 korngefeint, wobei ein Titangehalt von ca. 150 ppm eingestellt wird. Gezeigt ist der jeweilige Mittelwert aus vier Messungen.
Die in Bild 4.24 gezeigten Experimente lassen erkennen, dass die Fließlängen von AISiI MgO, 6 mit steigendem Siliziumgehalt bis AISi3MgO,6 kleiner werden und ab AISi5MgO,6 wieder steigen. Die Legierung AISi7MgO,6 besitzt ein deutlich besseres Fließvermögen im Vergleich zu den anderen Legierungen. Im Kokillen- guss ist das Fließvermögen für AISi3Mg am niedrigsten.
In Bild 4.25 sind die Fließlängen von AISi3Mg0.3 bei verdoppeltem Gehalt an Kornfeinungsmittel in Abhängigkeit eines steigenden Magnesiumgehalte mit Angabe der Gießtemperatur aufgetragen. Es wurden 5 Gießspiralen abgegossen und das Ergebnis hieraus gemittelt. Es ist zu erkennen, dass die Fließlängen mit steigendem Magnesiumgehalt bis hin zu AISi3Mg0.6 geringer werden und ab AISi3Mg0.6 bei konstanter Zusammensetzung mit erhöhter Gießtemperatur (Gießspanne) steigen. Das bedeutet, dass ein erhöhter Magnesiumgehalt die Erstarrungsmorphologie ungünstig beeinflusst und deshalb die Schmelze nicht ausreichend weit in der Spirale fließen kann. Die Erhöhung der Gießtemperatur hindert die frühzeitige Erstarrung und sorgt für eine weitere Fließlänge. Intensiv wird das Thema Kornfeinung in Abschnitt 4.4.1 reflektiert. Bei einem Vergleich von Bild 4.24 und 4.25 wird deutlich, wie positiv sich eine höhere Kornfeinung auf das Fließvermögen einer AISi3MgO,6-Legierung auswirkt.
Als Empfehlung für die praktische Anwendung einer AISi3MgO,6-Legierung kann daraus abgeleitet werden, dass ein schlechteres Fließvermögen im Kokillen- oder Niederdruck-Gegendruckgießen ggf. durch erhöhte Kornfeinung oder eine Erhöhung der Gießspanne kompensiert werden kann, wobei sich dies jedoch eventuell negativ auf die Warmrissanfälligkeit der Legierung auswirken kann. Eine Erhöhung der Gießspanne bewirkt aufgrund des höheren Anteils an Al- Primärphase und geringerem
Anteil elektischer Phase gegenüber Legierungen mit erhöhtem Si-Anteil für AISi3Mg eine vergleichsweise bessere Möglichkeit der Verarbeitung, hat aber einen erhöhten Werkzeugverschleiß und niedrigere Taktrate zur Folge. Deshalb sollte immer eine möglichst niedrige Gießtemperatur gewählt werden.
Abkühlkurve von AISi3MgO,6 ermittelt mit der französischen Kokille Bild 4.26 zeigt die mit der französischen Kokille ermittelte Abkühlkurve von AISi3MgO,3. Diese bestätigt die vorangegangene thermodynamische Modellierung von AISi3MgO,6.
Bild 4.26 zeigt: Dargestellt ist die Abkühlkurve für die Legierung AISi3MgO,6 über der Zeit. Die Ergebnisse decken sich in guter Näherung mit der thermodynamischen Modellierung in Bild 4.4 und Bild 4.5. Die Abkühlkurven liegen in Zugstab und Speiser zeitlich dichter beieinander, was typisch für eine schwamm-breiartig endogene Erstarrung ist.
Die entsprechenden thermodynamischen Modellierungen sind in Bild 4.4 und Bild 4.5, angeführt wie auch deren wichtigste Aussagen für die Erstarrung in Tabelle 4.1, und Tabelle 4.2. Die Abkühlkurve erhärtet die Ergebnisse aus Bild 4.24 und verdeutlicht, warum das Fließvermögen von AISi3MgO,6 bei gleicher Gießtemperatur (also für AISi3MgO,6 bei geringerer Überhitzung über Liquidustemperatur) signifikant geringer ausgeprägt ist als für die endogen- schalenbildende Legierung AISi7MgO,3. Die schwamm-breiartig endogen erstarrende Legierung AISi3MgO,6 zeigt ein homogenes Temperaturfeld in der Formkavität (Zugstab und Speiser), da die Schmelze nach Randschalenbildung aus dem Inneren heraus erstarrt. Daher ist im Gegensatz zur schalenbildenden AISi7Mg nur kürzer eine ungehinderte Speisung möglich Die Kurve unterstützt die Annahme, daß sich die Legierung in dickwandigem Kokillenguss eher verarbeiten lässt als in dünnwandigem Guss. Für dünnwandigen Kokillenguss ist bei gleichen Randbedingungen (Gießtemperatur, Schmelzebehandlung) AISi7MgO,3 besser geeignet als AISi3MgO,6.
Weitere Betrachtungen zu gießtechnologischen Eigenschaften
In Arbeitspaket B4 wird neben dem Gehalt an Kornfeinungsmittel der Si-Gehalt in kleineren Schritten zwischen 2,5 und 3,5 Gew.-% variiert und neben den mechanischen Eigenschaften hierzu mittels vorgestellter Prinzipgeometrien das Fließvermögen, das Formfüllungsvermögen und das Waimrissverhalten (Ringprobe) untersucht, um ein optimales Arbeitsfenster der Ziellegierung bezüglich ihrer gießtechnologischen Eigenschaften zu bestimmen.
Ähnlich aussagekräftig für die gießtechnologische Verarbeitung in Bezug auf Formfüllung und Warmrissverhalten der Legierung AISi3MgO,6 sind jedoch Untersuchungen aus Arbeitspaket C am realen Gussteil (PQ24 für das Schwerkraft-Kokillengießen, PQ46 für das CPC-Gießverfahren) und an der Stufenprobe für das Druckgießen, worauf im folgenden Abschnitt 4.3.3 eingegangen wird.
4.3.3 Untersuchungen zur gießtechnischen Verarbeitung von AISi3MgO,6 in unterschiedlichen Dauerformgießverfahren
Neben den oben angeführten vergleichenden Prinzipuntersuchungen zur gießtechnologischen Verarbeitung von AISi3MgO,6 mit anderen AISi-Legierungen werden die gießtechnischen Eigenschaften der Legierung für unterschiedliche Dauerformgießverfahren anhand von realen Gussbauteilen (PQ 24 für das Schwerkraft-Kokillengießen, PQ 46 für das CPC-Gießverfahren) und der Stufenplatte für das Druckgießen durch visuelle Betrachtung, Rissprüfung und Durchleuchtung untersucht und beurteilt. Gießtechnische Verarbeitung von AISi3MgO,6 im Schwerkraft-Kokillengießen (PQ 24)
Die in Arbeitspaket C1 hergestellten PQ 24-Konsolen nach Spezifikation AISi3MgO,6-A weisen im Allgemeinen visuell ein fehlerfreies Erscheinungsbild auf. Gussfehler können jedoch bei etwa 50% der Gussstücke gefunden werden. Diese Fehler sind reproduzierbar und bezüglich ihrer Lage und ihres Ausmaßes bei allen fehlerhaften Teilen identisch. In vom Anschnitt weit entfernt liegenden winkligen Bereichen treten oftmals „fließlinienartige" Lufteinschlüsse (Bild 4.27) auf, die nur auf der Oberfläche feststellbar sind. Bei in Arbeitspaket C2 nach AISi3MgO,6-B Spezifikation gegossenen Konsolen treten an Kanten und dünnwandigen Geometrien teilweise Kaltläufe (Bild 4.28) auf. Diese Fehler können auf die Ungleichmäßigkeit der Gießweise (per Hand) oder nicht optimale Temperaturführung der Kokille sowie auf eine zu niedrige Gießtemperatur zurückgeführt werden. Abgekühlte Kokillenbereiche und eine zu kalte Schmelze führen zu Vorerstarrung während der Formfüllung und dadurch zu den oben beschriebenen Gussfehlern. Durch konstante Gieß- und Kokillentemperatur sowie gleichmäßige Gießzykluszeiten (Anwendung eines automatisierten Gießofens) könnten diese Fehler vermieden werden. Die PQ 24- Kokille ist zudem auf die Legierung AISM 1MgO, 3 ausgelegt, welche eine deutlich bessere Gießbarkeit als AISi3MgO,6 besitzt. Somit ist zu erwarten, dass bei entsprechender Auslegung des Gieß- und Anschnittsystems, ferner ggf. geringfügiger Anpassung der Gussteilgeometrie an die Anforderung des geringeren Fließ- und Formfüllungsvermögens von AISi3MgO,6 gegenüber AISiI 1MgO, 3, ein deutlich verbessertes Gießergebnis erzielt werden kann. Unter Einhaltung der obigen Prämissen kann für das PQ 24- Bauteil ein ausreichendes Fließ- und Formfüllungsvermögen der Legierung AISi3MgO,6 festgestellt werden. Bei den durchgeführten Rissprüfungen werden außer den bereits bei der visuellen Beurteilung der Gussstücke entdeckten Kaltläufen keine weiteren qualitätsmindernden Oberflächenfehler gefunden. Auch Anzeichen für Warmrissigkeit lassen sich nicht entdecken.
Die Durchleuchtung mit Röntgenstrahlung zeigt, dass alle untersuchten Gussstücke frei von gravierenden Innenfehlern wie Großlunkern und Einschlüssen sind. In den vom Anschnitt weit entfernt liegenden winkligen Bereichen eines PQ24-Teils der ersten Arbeitsphase wird bei Durchleuchtung allerdings in einem Einzelfall ein Lunker beobachtet, dessen Durchmesser etwa 2mm beträgt (Bild 4.29). Lunker können verfahrensbedingt nicht gänzlich vermieden werden, in diesem Fall liegt der Lunker jedoch innerhalb einer Bearbeitungszugabe, weshalb er unkritisch ist.
Gießtechnische Verarbeitung von AISi3MgO,6 im CPC-Verfahren (PQ 46)
Die gegossenen PQ 46- Radträger sind weitgehend frei von Oberflächenfehlern. Bei etwa 30% der Teile aus Arbeitspaket C1 treten an einer örtlich reproduzierbaren Stelle jedoch Kaltlauferscheinungen (Bild 4.30) auf. Die mit diesem Fehler behaftete Stelle liegt an einer dünnwandigen Bauteilkante. Die Ursache hierfür ist durch nicht an die Legierung angepasste Gießparameter begründet. Eine erhöhte Gießtemperatur sowie korrekt eingestellte Temperaturführung der Kokille vermögen diese Art von Fehlern zu vermeiden. Somit ist ein für das PQ 46- Bauteil ausreichendes Fließ- und Formfüllungsvermögen der Legierung AISi3MgO,6 gegeben.
Bei den durchgeführten Rissprüfungen werden außer den bereits bei der visuellen Beurteilung der Gussstücke entdeckten Kaltläufen keine weiteren qualitätsmindernden Oberflächenfehler gefunden. Exemplarisch zeigt eine während der Farbeindring-Rissprüfung gefertigte Aufnahme (Bild 4.31) von PQ 46- Gussstücken die rissfreien Oberflächen (dunkelblau, violett). Risse, wie sie sich im Bild 4.31 hellblau oben auf den abzutrennenden Speisern abzeichnen, sind am Gusstück nicht auszumachen. Es werden keine Anzeichen für Warm- rissigkeit entdeckt.
Bei einem PQ46-Bauteil der ersten Arbeitsphase werden während der Röntgenprüfung im dickwandigen, über dem Anguss liegenden „Achsenaufnahmebereich" in Oberflächennähe zwei Lunker (Bild 4.32) mit einem Durchmesser von etwa 4mm gefunden. Dieser Bereich wird jedoch später während der Bearbeitung der Gussstücke durch Fräsen entfernt. Daher beeinträchtigen derartige Lunker die späteren Gussstückeigenschaften nicht. Hinsichtlich der Durchleuchtung entsprechen daher alle untersuchten Gussstücke den gestellten Kundenanforderungen für mit AISi7MgO,3 gegossene PQ 46- Radträger.
Bild 4.27 zeigt: Fließlinienartiger Lufteinschluss an einer winkligen dünnwandigen
Kante einer PQ-24-Konsole.
Bild 4.28 zeigt: Kaltlauf an einer dünnwandigen Kante eines PQ24-Gussteils
Bild 4.29 zeigt: Ein Lunker mit einer Größe von kleiner 2 mm in einem dünnwandigen, vom Anschnitt entfernten Bereich eines PQ24-Gussteils liegt innerhalb Bauteilanforderung.
Bild 4.30 zeigt: vorn im Bild Kaltlauf an einer dünnwandigen Kante eines
Radträgers.
Bild 4.31 zeigt: Die Rissprüfung zeigt fehlerfreie Oberflächen von PQ46-
Gussteilen
Bild 4.32 zeigt: Lunker mit einer Größe von etwa 4mm im Anguss-nahen Bereich eines PQ46-Gussteils. Er liegt innerhalb der Bauteilanforderung, da der Lunker im
Bereich einer Bearbeitungszugabe ist.
Gießtechnische Verarbeitung von AISi3MgO,6 im Druckgießen (Stufenplatte) In der Literatur wird über die Verarbeitung von AISiMg-Legierungen im Druckgießen mit Si-Gehalten von ca. 4 Gew.-% Si mit der Bezeichnung AISi4MgMn berichtet [F. Cosse, J.-P. Perrier 2003; S. Brusethaug, J. S. Maeland 2004a; 2004b]. Die Legierungen unterscheiden sich jedoch signifikant von der in dieser Arbeit entwickelten Legierung AISi3MgO,6. Die oben genannte Autoren propagieren eine Legierung AISi4MgO,2Mn. In den Untersuchungen der Forscher wird der für herkömmliche AISi-Druckgusslegierungen niedrigere Si-Gehalt gewählt, um den Si-Anteil im Eutektikum zu reduzieren. Die Legierung ist außerdem Fe-arm (Fe < 01 ,14 Gew.-%), um Fe-haltige ß-Phase zu vermeiden. Der Legierung werden 0,15- 0,25 Gew.-% Mg und 0,7- 1,0 Gew.-% Mn beigegeben, um die Festigkeit zu steigern. Um die Klebneigung bei niedrigem Fe- Gehalt im Druckgießen zu verringern, wird, ähnlich der Legierung AISi9MgMn mit 0,5 - 0,8 Gew.-% Mn („Silafont 36") [Aluminium-Rheinfelden 1995], ein erhöhter Mn-Gehalt von 0,7 - 1 ,0 Gew.-% Mn gewählt. Die Autoren berichten beim Druckgießen über akzeptable Gießeigenschaften (besser als für AIMgSiMn). Diese sind jedoch nicht im Detail angeführt und aufgrund der hier dargestellten Ergebnisse mit der Legierung AISi3MgO,6 anzuzweifeln.
In Tabelle 4.3 sind die Spezifikation der Legierung AISi4MgO,2 nach obigen Autoren und die Spezifiktion der in dieser Arbeit entwickelten Legierung für Fahrwerksanwendungen [PCT/DE2006/001525] verglichen. Ergänzend wird eine nach unseren Ergebnissen mit AISi3MgO,6 entsprechend modifizierte und im Druckgießen untersuchte Legierungsvariante AISi3MgO,6 angeführt.
Die Legierung AISi3MgO,6 wird in den Versuchen vorrangig auf eine Eignung für das Druckgießen geprüft und in Beziehung zu den Erfahrungen mit AISi4MgO,2 gesetzt. Zugleich soll eine deutliche Werkstoff-Verfahrens-Abgrenzung zur entwickelten Legierung AISi3MgO,6 erfolgen, welche für das Gießen von Fahrwerksträgern entwickelt wurde, die im Wesentlichen im Schwerkraft-Kokillengießverfahren und das Niederdruck-Gegendruckgießverfahren gegossen werden.
Als Versuchsgeometrie wird eine DIN A4 Stufenprobe mit drei unterschiedlichen Wanddicken gewählt. Die Wanddicken der Probe betragen 5mm, 4mm und 3mm. Stellvertretend für viele Druckgussbauteile kann an dieser Stufengeometrie eine Aussage hinsichtlich des Fließvermögens, der Warm rissigkeit und der Klebneigung einer Legierung getroffen werden.
Der Versuch, eine Legierung AISi3Mg0.6 im Druckgießverfahren zu verarbeiten, ist nur im Ansatz erfolgreich. Es werden für die Legierung AISi3Mg0.6 ein erhöhter Fe- sowie Cu-Gehalt zugelassen, um die Möglichkeit des Einsatzes von recycelten Sekundärlegierungen zu prüfen. Es wird eine Schmelzebehandlung mit dem Kornfeinungsmittel AITi5B1 analog zu den Untersuchungen in den Kokillengießverfahren durchgeführt und aufgrund der raschen Erstarrung im Druckgießen sowie des geringen Si-Gehalts der Legierung auf eine Sr-Veredelung verzichtet.
Trotz des für Druckgusslegierungen üblichen, jedoch vergleichsweise geringen Eisengehaltes (Tabelle 4.3), wird eine starke Klebneigung der Legierung beobachtet. Um die Klebneigung zu verringern, wird daher für weitere Untersuchungen unbedingt empfohlen, entweder den Fe-Gehalt deutlich bis auf 1 Gew.-% zu erhöhen oder einen niedrigen Fe-Gehalt unter 0,18 Gew.-% in Kombination mit einem Mn-Gehalt bis 0,8 Gew.-% Mn zu wählen.
Tabelle 4.3: Dargestellt sind die chemischen Spezifikationen [Gew.-%] der Druckgusslegierung AISi4MgMn nach [F. Cosse, J.-P. Perrier 2003; S. Brusethaug, J. S. Maeland 2004a; 2004b], der in dieser Arbeit entwickelten Legierung AISi3MgO,6 für Fahrwerksanwendungen [PCT/DE2006/001525] sowie ihrer Legierungsvariante AISi3MgO,6.
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Tabelle 4.4: gewählte Maschineneinstellungen der Druckgießmaschine Bühler H 630-SC für die Versuche mit der Legierung AISi3MgO,6 im Druckgießverfahren
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Die Stufenprobe wird bei allen verwendeten Maschinen-Einstellungen (Tabelle 4.4) ausreichend gefüllt, allerdings neigt die Legierung in erheblichem Maße dazu, Warm risse auszubilden. Mit der Einstellung D bei einem Nachpressdruck von 1000 bar können die Warmrisse verhindert werden. Diese Einstellung ist für einen technischen Einsatz aber nicht geeignet, da sie eine unzureichend niedrige Standzeit des Druckgießwerkzeuges zur Folge hätte.
Bild 4.33 a, b zeigen exemplarisch eine Stufenprobe aus Versuchsreihe B und daneben die dazugehörige Röntgenaufnahme. Die Warmrisse sind deutlich zu erkennen und lassen sich vor allem im dünneren Teil (3 - 4 mm) der Stufenprobe fin- den. Große Risse sind durchgängig, d. h. sie sind bereits mit dem bloßen Auge zu erkennen. Kleinere und feinere Risse lassen sich nur mittels Röntgenanalyse finden. Diese Analyse ist neben der Beurteilung des Warmrissvermögens wichtig, um den Bereich festlegen zu können, aus dem anschließend die Flachzugproben heraus getrennt werden. Bild 4.34 zeigt exemplarisch eine zerrissene Flachzugprobe von 5 mm Dicke mit entsprechendem Bruchgefüge. Es besteht aufgrund durchgehenden Auftretens von Materialfehlern nicht die Möglichkeit, aus den 3 mm dicken Stufen Flachzugproben herauszutrennen. Für die Auswertung der mechanischen Eigenschaften stehen demnach nur Stufen mit 4 mm und 5 mm Dicke zur Verfügung. Die mechanischen Eigenschaften der Proben mit 4 mm und 5 mm Wandstärke sind vergleichsweise niedrig. Sie werden aus Gründen der Übersichtlichkeit in Abschnitt 4.3.4 angeführt und dort diskutiert.
Bild 4.33 a- b zeigt: Die Bilder zeigen a) eine Stufenprobe (links 3 mm, Mitte 4 mm und rechts 5 mm Wandstärke) mit der dazugehörigen Röntgenaufnahme (b).
Tendenziell ist in den Proben eine Abnahme der Warmrisse mit steigender
Wandstärke von 4 auf 5 mm zu erkennen.
Bild 4.34 zeigt: Zerrissene Flachzugprobe mit 5mm Wandstärke mit Blick auf die
Bruchfläche
Aufgrund der oben dargelegten Ergebnisse dieser Arbeit, einer unzureichenden Verarbeitbarkeit in dünnwandigem Druckguss, lässt sich eine Eignung der Legierung AISi3MgO,6-D für im Druckgießverfahren typische Wandstärken nicht feststellen. Auch ist bei einer Optimierung des Fe/Mn-Verhältnisses sowie weiterer legierungstechnischer Veränderungen (Absenkung des Cu-Gehaltes, modifizierte Schmelzebehandlung) eine Tauglichkeit nicht zu erwarten.
4.3.4 Mechanische Eigenschaften Si-armer Legierungen in unterschiedlichen Dauerformgießverfahren Hauptziel der hier vorgestellten Legierungsentwicklung ist es, die mechanischen Eigenschaften Streckgrenze und Dehnung im Vergleich zu gängigen AISiMg- Legierungen entsprechend der in Kapitel 3.1 genannten Vorgaben signifikant zu steigern.
Im Folgenden werden die wichtigsten Ergebnisse der Experimente für die Verfahren Druckgießen, Schwerkraft-Kokillengießen („franz. Kokille", PQ 24 - Konsole) und Niederdruck-Gegendruckgießen (PQ 46 - Radträger) aufgeführt und diskutiert. Die durchgeführten Versuchsreihen und dargestellten Forschungsergebnisse sollen beitragen, das Potenzial einer AISi-Legierung mit erniedrigtem Silizium-Gehalt abzuschätzen, und dienen dazu, die Spezifikation der neu entwickelten AISi3MgO,6-Legierung zu definieren.
Mechanische Eigenschaften der Legierung AISi3MgO,6 im Druckgießen Bild 4.35 zeigt die Zugfestigkeiten der Flachzugproben mit 4 mm und 5 mm Wandstärke für alle vier Einstellungen der Druckgießmaschine (Tabelle 4.3). Es ist zu erkennen, dass die Zugfestigkeiten für 4 mm Wandstärke bei steigender Formtemperatur absinken, bei danach steigender Gießtemperatur aber wieder auf ein Niveau von ca. 200 MPa wachsen. Für 5 mm Wandstärke liegt der Anfangswert um 10 MPa höher, erreicht aber nach einem Absinken und anschließendem Anstieg nicht mehr den Ausgangswert. Für die Streckgrenze ist eine ähnliche Tendenz erkennbar. Bild 4.36 zeigt jedoch, dass die Streckgrenze für 4 mm und 5 mm Wandstärke zwar gleich ist, aber bei Erhöhung der Gießtemperatur abfällt, während eine Erhöhung des Nachdrucks nur geringfügigen Einfluss ausübt. Die Dehnung verhält sich konträr zur Zugfestigkeit und Streckgrenze.
Die Dehnung wächst mit steigender Gießtemperatur und steigendem Nachdruck erheblich an. Für Druckguss typisch ist, dass die Probe mit der dünneren Wandstärke (4 mm) bessere Dehneigenschaften zeigt als die dickere (5 mm), Bild 4.37. Eine Erklärung für das Ansteigen der Dehnung ist ein dichteres Gefüge (weniger Porosität und Warmrisse), bedingt durch die steileren Temperaturgradienten zwischen Schmelze und Form und den erhöhten Nachpressdruck.
Generell sind zur Erzielung fehlerfreier Bauteile die Eigenschaften für dünnwandigen Druckguss (4 mm Wandstärke günstiger als 5 mm) besser als für dickwandigen, da der Einfluss der sich bildenden Randschale bei dünnwandigen Proben auf die Bruchdehnung stärker ausgeprägt ist.
Bild 4.35 zeigt: Zugfestigkeit der Legierung AISi3Mg0.6, ermittelt aus Flachzugproben einer Stufenplattengeometrie im Druckgießverfahren gemäß Tabelle 4.4.
Bild 4.36 zeigt: Streckgrenze der Legierung AISi3Mg0.6, ermittelt aus Flachzugproben einer Stufenplattengeometrie im Druckgießverfahren für verschiedene Form-, Gießtemperaturen und Nachdrücke gemäß Tabelle 4.4. Bild 4.37 zeigt: Bruchdehnung der Legierung AISi3Mg0.6, ermittelt aus Flachzugproben einer Stufenplattengeometrie im Druckgießverfahren für verschiedene Form-, Gießtemperaturen und Nachdrücke.
Eine Änderung der Erstarrungsmorphologie in Abhängigkeit der Wanddicke bei dünnwandigeren Bauteilbereichen zugunsten exogener Schalenbildung ist bei diesen geringen Wanddickendifferenzen auszuschließen.
Nach S. Brusethaug, J. S. Maeland 2004a; 2004b werden für im Druckgießverfahren hergestellte Flachzugproben aus AISi4MgMn mit einer Wanddicke von 2,5 mm im Gusszustand als mechanische Eigenschaften angegeben: Festigkeit (Rm: 220 - 230 N/mm2), Streckgrenze (Rp0,2: 95 - 105 N/mm2), Dehnung (A5: 16 - 20 %). Nach einer T5-Wärmebehandlung (1700C / 3 Std.) werden die mechanischen Eigenschaften mit Festigkeit (Rm: 240 - 260 N/mm2), Streckgrenze (Rpo,2: 120 - 140 N/mm2) und Dehnung (A5: 12 - 16 %) angeführt.
Vergleicht man die mechanischen Eigenschaften der Legierung AISi3MgO,6 mit jenen Ergebnissen für die entsprechend dünneren Proben aus AISi4MgMn im Gusszustand, so ist festzustellen, dass die mechanischen Eigenschaften von AISi3MgO,6-D für die Zugfestigkeit ca. 20 - 30 MPa und die Streckgrenze entsprechend ca. 10 - 15 MPa geringer ausfallen. Gravierender ist der Unterschied für die Bruchdehnung, was ggf. auf die Ausprägung der Fe-haltigen Phasen durch ein günstigeres Fe/Mn-Verhältnis bei AISi4MgMn zurückgeführt werden kann und die doppelt so hohe Bruchdehnung der letztgenannten Legierung somit erklärt.
Im Vergleich zu anderen Druckgießlegierungen wie AISi9Cu3 (A226) und AISi12Cu1Fe (A231-D) bzw. AISiIOMg (A 239-PR) sind die Festigkeitseigenschaften von AISi3MgO,6und AISi4MgMn im Gusszustand eher enttäuschend.
Beide Legierungen bergen bei allerdings deutlich geringerer Festigkeit und Streckgrenze sowie schlechteren Gießeigenschaften durch ihre im Gusszustand relativ hohen Bruchdehnungskennwerte eher geringfügiges Potenzial gegenüber z. B. aus AISiθMgMn „Silafont 36" druckgegossenen Fahrwerkskomponenten. Eine Wärmebehandlung der Si-armen Legierungen wird im Vergleich zu Silafont 36 keine weiteren Vorteile bringen, sondern die Eigenschaftsprofile im Bestfall lediglich angleichen. Die im Rahmen des Forschungsprojektes gegossenen Stufenplatten aus AISi3MgO,6 erweisen sich im Versuch als nicht hinreichend wärmebehandelbar. Während der Wärmebehandlung verziehen die Platten sich deutlich und sie neigen aufgrund eingeschlossener Porosität und Warmrissen zu Blisterbildung. Von einer weitergehenden Untersuchung der Legierung AISi3MgO,6 im Druckgießen ist daher Abstand genommen worden. Mechanische Eigenschaften von AISi3MgO,6 im „Französischen Zugstab"
Si-arme AISiMg-Legierungen weisen mit sinkendem Si-Gehalt leicht sinkende Festigkeiten auf bei jedoch erheblich ansteigender Bruchdehnung. In Bild 4.1, sind die mit dem Französischen Zugstab im Schwerkraft-Kokillenguss ermittelten mechanischen Eigenschaften im Gusszustand für AISi-Legierungen von 3 - 7 Gew. % Si bei konstantem Mg-Gehalt von 0,2 Gew.-% bereits vorgestellt und diskutiert.
In Kapitel 4.1 wird ebenfalls der Einfluss eines steigenden Mg-Gehaltes diskutiert und ein für die Legierung AISi3Mg optimaler Mg-Gehalt von 0,3 bis 0,7 Gew.-% für eine AISi3MgO,6- Legierung ermittelt, siehe Bild 4.10. Aus diesem Bild wird ferner ersichtlich, dass ein weiteres Absenken des Si-Gehaltes auf 2 oder 1 Gew.-% keine weitere Zunahme der Bruchdehnung bei gleichzeitig signifikanter Abnahme der Festigkeit nach Wärmebehandlung bewirkt. Somit ist anzunehmen, dass die optimalen mechanischen Kennwerte für die wärmebehandelten „Französischen Zugstäbe" zwischen 2 und 4 Gew.-% Si bei möglichst hohem Mg-Gehalt unter 0,7 Gew.-% Mg liegen werden, welcher vom Fe-Gehalt der Legierung abhängt.
Diesen Annahmen Rechnung tragend, wird in Arbeitspaket B4 eine Einengung des Si-Gehaltes zwischen 2 und 4 Gew.-% vorgenommen, um einen optimalen Si- Gehalt in engeren Grenzen für ein anwendungstechnisch umsetzbares Arbeitsfester der Legierungsspezifikation von AISi3MgO,6 zu definieren. Parallel werden Versuche zur Ermittlung eines idealen Gehalts an Kornfeinungsmittel AITi5B1 unternommen. Der Einfluss des Gehaltes an Kornfeinungsmittel auf die gießtechnologischen Eigenschaften wird in Abschnitt 4.4.1 der Arbeit diskutiert. Zur kompakteren Darstellung im Kontext des variierten Si-Gehaltes ist der Einfluss der Komfeinung auf die mechanischen Eigenschaften in Bild 4.38 mit enthalten. In Bild 4.38 sind die Ergebnisse der mechanischen Eigenschaften für drei unterschiedliche in obigen Grenzen gewählte Si-Spezifikationen (3 Gew.-% Si = Index A; 3,3 Gew.-% Si = Index B; 2,7 Gew.-% Si = Index C) sowie für AISi3MgO,6-A vier unterschiedliche Ti-Gehalte 100 bis 400 ppm an Komfeinungsmittel (Indizierung A.1 - A.4) nach einer T6-Wärmebehandlung am Französischen Zugstab dargestellt.
Bei konstantem Gehalt an Komfeinungsmittel (Indizierung .2) erweist sich die Legierungsvariante AISi3MgO,6-B.2 als die optimale Legierung hinsichtlich der hohen Festigkeit und Streckgrenze bei höchster Dehnung, gefolgt von Variante A und C. Die Variante AISi3MgO,6-A mit dem größten Gehalt an Komfeinungsmittel erweist sich für eine Erzielung höchster mechanischer Eigenschaften betreffend als optimal. Diese Untersuchung unterstreicht die Bedeutung einer bereits in Kapitel 4.3.2, Bild 4.25 empfohlenen erhöhten Kornfeinung, dort in ihrer Beziehung auf die Erlangung einer guten Fließlänge für AISi3MgO,3. Dennoch ist anzumerken, dass das Maximum an Komfeinungsmittel üblicherweise auch Obergrenzen unterliegt.
Mit steigendem Gehalt an Komfeinungsmittel können sich gießtechnologische Eigenschaften verschlechtern, indem sich z. B. die Warmrissanfälligkeit und die Gasaufnahme einer Schmelze erhöhen. Somit gilt es auch hier ein ideales Arbeitsfenster zu definieren, wofür auf Abschnitt 4.4.1 der Arbeit verwiesen wird.
Bild 4.38 zeigt: Dargestellt sind am „Franz. Zugstab" ermittelte ausgewählte mechanische Eigenschaften der Versuchsreihe aus Arbeitspaket B4, in welcher der Ti-Gehalt (Index 1- .4 gem. Gehalt an AITi5B1) und der Si-Feingehalt zwischen 2 und 4 Gew.-% Si (A = 3 Gew.-%, B = 3,3 Gew.-%, C = 2,7 Gew.-%) für die Legierung AISi3MgO,6 variiert sind. Gezeigt sind die Ergebnisse für eine T6- Wärmebehandlung, die auf einer umfassenden Versuchsreihe zur Erstellung von Aushärtungskurven in Arbeitspaket C1 basiert. Die besten Ergebnisse zeigen die Spezifikationen AISi3MgO,6-A.4, bzw. AISi3MgO,6-B.2. Q bezeichnet zum einfachen Vergleich den für AISi7Mg definierten Qualitätsindex Q = Rm + 150 log (A5), vergl. Abschnitt 2.2.3.
Setzt man die Ergebnisse aus Bild 4.38 in Beziehung zu dem in Kapitel 3.1 formulierten Anforderungsprofil an die zu entwickelnde Legierung für Fahrwerksanwen- dungen, so kann festgestellt werden, dass für die hier im Französischen Zugstab vorgestellten Varianten von AISi3MgO,6, die Festigkeitsanforderungen im Bauteil an heutigen Fahrwerks-Kokillenguss signifikant überschreiten, jedoch bezüglich ihrer Dehnwerte die geforderten A5 >7% nicht ganz erreichen. Die Legierungsvariante AISi3MgO,6-A.4 stellt bereits im „Französischen Zugstab" eine deutliche Verbesserung in allen mechanischen Eigenschaften zu gegenüber von Serienbauteilen geforderten Werten dar.
Mechanische Eigenschaften von AISi3MgO,6 im realen Bauteil
Erfahrungsgemäß übertreffen die Eigenschaften im realen Bauteil jedoch die Ergebnisse der im Französischen Zugstab ermittelten Kennwerte (vergl. Kapitel 3.3.3), weshalb in Arbeitspaket C1 eine erste intensive Gießereierprobung der Legierung AISi3MgO,6 erfolgt. Bild 4.39 und Bild 4.40 zeigen einen Vergleich der Legierung AISi3MgO,6-B, vergossen im Niederdruck-Gegendruck-Gießen (PQ 46) und im Schwerkraft-Kokillengießen (PQ 24 und Französische Kokille). Die Graphiken bestätigen den positiven Einfluss durch Abschrecken in Wasser gegenüber Abkühlung an Luft bei Belassen der Bauteile im Gusszustand (Bild 4.39). Nach einer T6-Wärmebehandlung relativiert sich der Einfluß der Abkühlung des Gusses jedoch (Bild 4.40). Die Wärmebehandlung ist einheitlich gewählt, beruht allerdings noch nicht auf einer optimierten T6-Wärmebehandlung wie in Bild 4.38, da die Messreihe C1 zeitlich vor der Versuchsreihe B4 erfolgt ist. Dies erklärt einheitlich geringere Maximalwerte für die in der "Französischen Kokille" ermittelten Kennwerte in C1 gegenüber B4. Bereits im Gusszustand (Bild 4.39) ist der Qualitätsvorsprung des Niederdruck- Gegendruck-Gießverfahrens gegenüber dem Schwerkraft-Kokillengießen, vor allem bei den Bruchdehnungskennwerten, deutlich ersichtlich. Nach der Wärmebehandlung (Bild 4.40) wird Bruchdehnung zugunsten höherer Festigkeit und Streckgrenze abgebaut. Insbesondere das Eigenschaftsprofil im Niederdruck- Gegendruckgießen verdeutlicht die Verbesserung mit AISi3MgO,6 gegenüber CPC-Guss mit AISi7Mg.
Auch für das Schwerkraft-Kokillengießverfahren zeigt die Legierung AISi3MgO,6 ein attraktives Eigenschaftsprofil, da die hohe Bruchdehnung im Gusszustand ggf. neue Anwendungsmöglichkeiten birgt und auch die guten Festigkeitseigenschaften bei geringerer Bruchdehnung nach Wärmebehandlung interessant erscheinen. Aus beiden Graphiken ist ersichtlich, dass die Wärmebehandlung eine Harmonisierung der Bauteileigenschaften bewirkt, was sich dann in geringeren Streubändern (Fehlerbalken) der Bauteileigenschaften manifestiert. Ebenso wird in Bild 4.39 und 4.40 ersichtlich, dass der Französische Zugstab eine geeignete Probenform darstellt, um die Festigkeitseigenschaften und mit Einschränkung auch die Dehngrenzen realer Bauteile aus Schwerkraft- Kokillenguss zu beurteilen.
Bild 4.39 zeigt: Vergleich der mechanischen Kennwerte der Zugproben aus AISi3,3MgO,6-B im Gusszustand, in unterschiedlichen Verfahren gegossen (PQ 46: CPC-Verfahren, PQ 24, „Französischer Zugstab", Schwerkraft-Kokillengießen) Bild 4.40 zeigt: Vergleich der mechanischen Kennwerte der Zugproben aus AISi3,3MgO,6-B, in unterschiedlichen Verfahren gegossen (PQ 46: CPC- Verfahren, PQ 24, „Französischer Zugstab": Schwerkraft-Kokillengießen) nach einer einheitlichen noch nicht optimierten T6-Wärmebehandlung Bild 4.41 zeigt: Das Bild stellt die optimalen mechanischen Kennwerte dar, welche mit der Legierung AISi3MgO,6 erzielt werden, gegenüber den mit AISi7Mg und AISiHMg in der Praxis erzielten Kennwerten für Schwerkraft-Kokillenguss. BiId 4.42 zeigt: Das Bild stellt die optimalen mechanischen Kennwerte dar, welche mit der Legierung AISi3MgO,6 erzielt werden, gegenüber den mit AISi7Mg in der Praxis erzielten Kennwerten für Niederdruck-Gegendruck-Gießen.
Nach erfolgter Gießereierprobung in Arbeitspaket C2 resultieren für die Legierung AISi3MgO,6-B unter weiter optimierter Wärmebehandlung, Komfeinung und Schmelzebehandlung im realen Bauteil die mechanischen Eigenschaften für das Niederdruck-Gegendruck-Gießverfahren (PQ 46), wie in Bild 4.41 dargestellt, und für das Schwerkraft-Kokillengießverfahren (PQ 24), wie in Bild 4.42 dargestellt. Den mechanischen Kennwerten von AISi3MgO,6-B sind die Bauteileigenschaften gängiger Legierungen (PQ 46: AISiHMg, PQ24: AISi7Mg) wie sie bei optimalen Verfahrensbedingungen bei gleichartiger Wärmebehandlung erreicht werden, gegenübergestellt.
Die besten Eigenschaften, die im Schwerkraft-Kokillengießen mit AISi3MgO,6-B erzielt wurden, sind: Festigkeit (Rm: 326 N/mm2), Streckgrenze (Rpo,2: 279 N/mm2) und Dehnung (A: 4,3 %); bzw. im Niederdruck-Gegendruck-Gießen: Festigkeit (Rm: 377 N/mm2), Streckgrenze (Rpo,2: 304 N/mm2) und Dehnung (A: 11 ,3 %). Die Formwerkzeuge, Bauteile und Prozessparameter beim Gießen sind dabei auf die Bedürfnisse standardmäßig vergossener Legierungen ausgelegt. Bei entsprechender Anpassung dieser Stellgrößen an die Bedürfnisse von AISi3MgO,6 sind voraussichtlich eine weitere Steigerung der mechanischen Kenngrößen sowie eine bessere gießtechnologische Darstellung der Gussteile (z. B. bzgl. der Kaltläufe etc.) realisierbar.
4.3.5 Diskussion des metallographischen Gefüges von AISi3MgO,6
Die nachfolgende Diskussion des metallographischen Gefüges von AISi3MgO,6 analysiert die aus der Legierung gegossenen Proben und stellt einen Bezug auf die oben vorgestellten gießtechnologischen und mechanischen Eigenschaften wie auch auf die Legierungsspezifikation her. Hierzu werden Proben sowohl am metallographischen Schliff unter dem Lichtmikroskop betrachtet, als auch unter dem Rasterelektronenmikroskop (REM), mit welchem auch ortaufgelöste chemische Analysen (EDX) durchgeführt werden.
Gefüge von AISi3MgO,6 unter dem Lichtmikroskop
Um das Gefüge der Proben detailliert darzustellen, werden Schliffbilder mit 200- und 1000-facher Vergrößerung betrachtet. Anhand der Schliffbilder mit 200-facher Vergrößerung kann die Feinheit des Gefüges (Dendriten), in Schliffbildern mit 1000-facher Vergrößerung die Ausbildung einzelner Phasen ausgewertet werden. Die Gefügefeinheit wird durch den mittleren Dendritenarmabstands (DAS) ausgedrückt.
Die Schliffbilder Bild 4.43 (Vergr. 20Ox) und Bild 4.44 (Vergr. 1000x) sowie das in Kapitel 4.2 gezeigte Bild 4.11, stellen das Gefüge einer Probe aus dem dünnwandigen Bereich eines PQ46-Gussstücks im Gusszustand vor. Die AI-Dendriten sind sehr fein ausgebildet (mittl. Dendritenarmabstand DAS =20,5 μm). Das sich zwischen den Dendritenarmen befindliche Eutektikum weist die Merkmale einer ausreichenden Veredelung auf. Das eutektische Gemenge wird durch fünf unterschiedliche Phasen aufgebaut. Neben dem auf dem Gefügebild weiß erscheinendem α-Aluminium befinden sich dunkelgraue eutektische Si-Teilchen sowie hellgraue ß-AI5FeSi-Nadeln und ebenfalls hellgrau erscheinende π-Phasen mit der Zusammensetzung AI8Si6Mg3Fe zwischen den AI-Dendriten. Bei genauerer Beobachtung ist weiterhin eine schwarze Phase mit der Zusammensetzung Mg2Si erkennbar, die in Form von relativ kleinen Partikeln vorliegt, Bild 4.44, Bild 4.11.
Wie aus Bild 4.43 und Bild 4.45 ersichtlich, führt die langsamere Abkühlung im dickwandigen Bereich desselben Gussstücks zu einer wesentlichen Vergröberung des Gefüges. Der DAS-Wert hierbei beträgt 31 ,95 μm. Auch die Bestandteile der elektischen Phase sind gröber ausgeprägt. Auch im dickwandigen Bereich kann das eutektische Si als fein charakterisiert werden. Das Gefüge des in Wasser abgeschreckten Gussstücks unterscheidet sich nicht von dem der an Luft abgekühlten Gussstücke. Dies beruht auf der Tatsache, dass sich das Gefüge der Gussteile bereits in der Kokille während der Erstarrung ausprägt und eine spätere schnelle Abschreckungen die Ausbildung der Phasen nicht mehr beeinflussen kann. Eine Abschreckung führt lediglich zur Einfrierung der Lösungszustände, wie z. B. der Löslichkeitsgrenzen von Mg in der α-Phase des AI-Mischkristalls.
Bild 4.43 zeigt: Gefügebild einer dünnwandigen an Luft abgekühlten PQ 46-Probe aus AISi3MgO,6 im Gusszustand
Bild 4.44 zeigt: Gefügebild mit Phasenbeschreibung einer dickwandigen an Luft abgekühlten PQ 46-Probe aus AISi3MgO,6 im Gusszustand
Bild 4.45 zeigt: Gefügebild einer dickwandigen an Luft abgekühlten PQ46-Probe im Gusszustand
Bild 4.46 zeigt: Gefügebild einer an Luft abgekühlten PQ24-Probe aus
AISi3MgO,6 im Gusszustand
Bild 4.47 zeigt: Gefügebild einer an Luft abgekühlten PQ24-Probe im
Gusszustand
Bild 4.48 zeigt: Gefügebild einer PQ46-Probe aus AISi3MgO,6 nach einer T5-
Wärmebehandlung (Abschrecken + Anlassen)
Anhand der auf Bild 4.46 und 4.47 dargestellten Schliffbilder ist ein Vergleich der PQ24- und PQ46-Gussstücke (Bild 4.11, 4.43- 4.45) möglich. Das Gefüge der an Luft abgekühlten PQ24-Probe im Gusszustand zeigt große Ähnlichkeit zu dickwandigen Bereichen eines PQ46-Gussstücks. Diese Aussage wird auch durch den DAS-Wert von 31 ,33 μm untermauert. Die Ausbildung des Eutektikums ist jedoch im Fall von PQ24 wesentlich feiner. Sie entspricht etwa der dünnwandigen PQ46-Probe. Hier nicht gezeigte Schliffe für den Französischen Zugstab weisen einen DAS von 33,08 μm auf, sowie ein deutlich gröberes Eutektikum und ausgeprägte nadeiförmige Ausscheidungen aus ß-AI5FeSi auf, was als Ursache für die geringeren mechanischen Kennwerte gegenüber PQ 24-Proben gewertet wird. Größere Mg2Si-Teilchen sind auf den obigen Schliffbildern als schwarze rundliche Ausscheidungen im Eutektikum erkennbar und örtlich in der Nähe von Fe-haltigen Phasen angeordnet.
Bild 4.48 stellt das Gefüge einer PQ46-Probe nach einer T5-Wärmebehandlung (Abschrecken, Auslagern) dar. Das Gefüge zeigt keine wesentlichen Unterschiede zur entsprechenden Probe im Gusszustand. Dies ist verständlich, da während der Auslagerung ausschließlich ein Ausscheidungsvorgang im α-Mischkristall abläuft. Die sich dabei aus dem übersättigten α-Mischkristall ausscheidenden festigkeitssteigernden Mg2Si-Teilchen sind wegen ihrer sehr geringen Größe mit dem Lichtmikroskop nicht erkennbar.
Eine modifizierte Behandlung stellt die T6-5-Kurzzeitwärmebehandlung (siehe Kapitel 2.2.5, „SST") dar. Dabei werden die Proben kurz, für 5 Minuten bei 5400C, geglüht, anschließend abgeschreckt und ausgelagert. Die kurze Glühung führt bereits zur Einformung des kantig polygonen eutektischen Si. Die feinen abgerundeten Ausscheidungen sind in Bild 4.49 am Beispiel einer PQ46-Probe gut erkennbar.
Eine längere Lösungsglühzeit führt wegen des durch hohe Temperatur begünstigten Diffusionsvermögens (thermische Aktivierung) zur Auflösung des eutektischen Konglomerates. Das Eutektikum wird folglich in Aluminium- und Silizium-reiche Phasen getrennt. Dabei kommt es zu Vergröberung und vollständiger Abrundung (Spheroidisierung) des ehemalig eutektischen Siliziums. Die Korngrenzen zwischen den einzelnen Dendriten lösen sich ebenfalls auf und das α-Aluminium bildet eine zusammenhängende Matrix. Die Auswirkung einer T6-Wärmebehandlung auf die Legierung AISi3MgO,6 kann auf den Schliffbildern Bild 4.12, Bild 4.50- 4.52 betrachtet werden. Im Gefüge sind Unterschiede für die Gießverfahren (PQ 46 und PQ 24) nicht mehr feststellbar. Neben dem elektischen Silizium wird auch die π-Phase (AI8SJeMg3Fe) in gleicher Weise wie Si eingeformt. Allein die Nadeln aus der eisenhaltigen ß-Phase (AI5FeSi) liegen nach einer Lösungsglühung im Gefüge unverändert vor Sie sind in den Gefügebildern als hellgraue sperrige Platten weiterhin gut erkennbar. Während des Lösungsglühens löst sich der gesamte in der Legierung enthaltene Mg-Gehalt (0,6%) im Aluminium-Mischkristall. Daher weisen die lösungsgeglühten Proben keine Mg2Si-Ausscheidungen im Gefüge auf. Erst bei einer anschließenden Auslagerung treten sie wieder in geringem Umfang auf, hauptsächlich in Form sehr feiner Ausscheidungen (Größe deutlich < 1 μm), welche nur noch mit dem REM zu sehen sind.
Bild 4.49 zeigt: Gefügebild einer PQ 46-Probe aus AISi3MgO,6 nach einer 5 minütigen Kurzzeitwärmebehandlung
Bild 4.50 zeigt: Gefügebild einer PQ 46-Probe aus AISi3MgO,6 nach T6-Wärme- behandlung
Bild 4.51 zeigt: Gefügebild einer PQ 46-Probe aus AISi3MgO,6 nach T6-Wärme- behandlung mit Phasenbezeichnungen
Bild 4.52 zeigt: Gefügebild einer PQ 24-Probe aus AISi3MgO,6 nach T6-Wärme- behandlung
REM-Untersuchungen und EDX-Analyse
Mit dem Rasterelektronenmikroskop können die Auflösungs- und Wiederausschei- dungsvorgänge der Mg2Si-Teilchen sichtbar gemacht werden. Bild 4.53 zeigt eine REM-Aufnahme des Gussgefüges einer PQ46-Probe im Gusszustand unter 1000- facher Vergrößerung. Die Mg2Si-Phase ist schwarz zwischen den Dendritenarmen im elektischen Gemenge in relativ grober Form gut verteilt deutlich wahrzunehmen. Wie vorher beschrieben, wird sie durch eine T6- Wärmebehandlung vollständig in der Aluminium-Matrix gelöst und scheidet sich dort in Form von sehr feinen Partikeln aus. Den Zustand nach abgeschlossener T6-Wärmebehandlung zeigt Bild 4.54 unter 1000-facher Vergrößerung. Im ehemaligen Eutektikum sind keine Rückstände von Mg2Si zu bemerken. Wie in Bild 4.55 unter 11440-facher Vergrößerung erkennbar, ist die Ausscheidung mit einer Größe von ca. 0,1 - 0,3 μm in der Matrix des AI-Mischkristalls eingebettet und gleichmäßig präsent. Diese Ausprägung von Mg2Si führt zur Ausscheidungshärtung und einer deutlichen Zunahme der Festigkeit des Werkstoffs.
Die chemische Zusammensetzung der einzelnen Gefügebestandsteile wird mit Hilfe der EDX-Analyse bestimmt. Bei bekannter Stöchiometrie der möglichen vorliegenden Verbindungen, können so die einzelnen Phasen identifiziert werden. Bild 4.56 zeigt die Analyseergebnisse für eine PQ 46-Probe von AISi3MgO,6 im Gusszustand. Die mit Spektrum 7 markierte AI-Matrix enthält nur 0,07% Mg und etwa 0,4% Si. Im elektischen Gemenge sind die hellgrauen Si-Teilchen und die ebenfalls hellgraufarbige, mit Spektrum 2 gekennzeichnete π-Phase nachzuweisen. Die schwarze mit Spektrum 3 markierte Mg2Si-Phase ist ebenfalls Bestandsteil des Eutektikums. die Analyseergebnisse für eine PQ 46-Probe von AISi3MgO,6 im Gusszustand. Die mit Spektrum 7 markierte AI-Matrix enthält nur 0,07% Mg und etwa 0,4% Si. I
m eutektischen Gemenge sind die hellgrauen Si-Teilchen und die ebenfalls hellgraufarbige, mit Spektrum 2 gekennzeichnete π-Phase nachzuweisen. Die schwarze mit Spektrum 3 markierte Mg2Si-Phase ist ebenfalls Bestandsteil des Eutektikums. BiId 4.54 zeigt: REM-Aufnahme einer PQ 46-Probe aus AISi3MgO,6 im
Gusszustand unter 1000-facher Vergrößerung. Im Eutektikum liegt Mg2Si schwarz sichtbar vor.
Bild 4.55 zeigt: REM-Aufnahme einer PQ 46-Probe im lösungsge-glühten T6-
Zustand unter 1000-facher Vergrößerung. Grau erkennbar ist das eutektische
Silizium. Es sind keine Mg2Si-Ausscheidungen erkennbar.
Bild 4.56 zeigt: Die REM-Aufnahme unter 11400-facher Vergrößerung zeigt die sehr kleinen Mg2Si- Ausscheidungen, im Bild nicht mehr scharf auflösbar und als
Flecken weiß erscheinend, umgeben vom grau erscheinenden AI-Mischkristall nach abge-schlossener T6-Wärmebehandlung.
Die Auswirkung einer T6-Warmebehandlung wird in Bild 4.57 präsentiert. Der AI- Mischkristall enthält in diesem Fall 0,43% Mg und 0,59% Si. Dies wird damit erklärt, dass die sehr kleinen Mg2Si-Ausscheidungen in der Matrix so fein verteilt vorliegen, dass sie nicht mehr als selbstständige Phase erkannt werden können und in der EDX-Messung als Bestandsteil des Mischkristalls interpretiert werden. In dem Bild sind auch abgerundete Si-Teilchen mit Spektrum 6 markiert und die in ihrer Morphologie ähnlich erscheinenden Teilchen der π-Phase (AI8SJeMg3Fe) als Spektrum 2 zu erkennen. Die weißen mit Spektrum 1 gekennzeichneten ß(AI5FeSi)-Nadeln liegen weiterhin in unveränderter Form vor.
Anhand der mit dem REM gefertigten Aufnahmen werden Flächenanteile der Phasen im Gefüge berechnet. Tabelle 4.5, zeigt die dabei gewonnenen Ergebnisse. Es werden drei Gruppen unterschieden: AI-Mischkristall, Si im Eutektikum und restliche Phasen. Im Gusszustand besitzt das Si im Eutektikum einen Gefügeanteil von etwa 8%, welcher durch dessen Auflösung während der Wärmebehandlung auf ca. 2% für verbleibende abgerundete Si-Teilchen zurückgeht. Den verlorenen Gefügeanteil nimmt dabei die AI-Matrix auf, die so 97,5% Anteil besitzt. Der Anteil der eisenhaltigen Verbindungen (ß- und π- Phase) ist von der Wärmebehandlung unbeeinflusst und liegt in beiden Gefügezuständen bei einem Gefügeanteil von ca. 0,5- 0,7%.
Bild 4.58 und Bild 4.59 zeigen abschließend durch EDX erstellte Element-Vertei- lungsmappings einer AISi3MgO,6 Probe im Gusszustand und nach einer T6- Wärmebehandlung unter hoher Vergrößerung (Markierungsbalken entspricht 60 μm). Sie verdeutlichen die durch die Wärmebehandlung erfolgten Diffusionsvorgänge. Besonders prägnant ist die Veränderung der Si-reichen Phase vom netzartigen Eutektikum hin zu vereinzelten Ausscheidungen.
Tabelle 4.5: Ergebnisse der Phasenanteilsbestimmung einer PQ46-Probe aus AISι3MgO,6
Figure imgf000161_0001
Bild 4.57 zeigt: Ergebnisse der EDX-Analyse einer PQ46-Probe aus AISi3MgO,6 im Gusszustand. Den hervorgehobenen Spektren 2, 3, 7 können eindeutig chemische Zusammensetzungen zugeordnet werden.
Bild 4.58 zeigt: Das Bild zeigt die Ergebnisse der EDX-Analyse einer wärmebehandelten Probe aus einem Französischen Zugstab. Den hervorgehobenen Spektren 1 , 2, 5,6 können eindeutig chemische
Zusammensetzungen zugeordnet werden.
Bild 4.58a zeigt: REM-Aufnahme einer AISi3MgO,6-Probe im Gusszustand,
Maßstabbalken entspricht 60 μm in Bild 4.59 a) - d).
Bild 4.58.b zeigt: Al-Mapping; AI erscheint hellgrau.
Bild 4.58.C zeigt: Si-Mapping; Si erscheint weiß bis grau.
Bild 4.58.d zeigt: Mg-Mapping; Mg erscheint weiß. In einigen starken Mg-
Anreicherungen kann auch Fe nachgewiesen werden. Bild 4.59a zeigt: REM-Aufnahme einer AISi3MgO,6-Probe nach einer T6-
Wärmebehandlung, Maßstabbalken entspricht 60 μm in Bild 4.60 a) - d).
Bild 4.59.b zeigt: Al-Mapping; AI erscheint hellgrau.
Bild 4.59.C zeigt: Si-Mapping; Si erscheint weiß.
Bild 4.59.d zeigt: Mg-Mapping; Mg erscheint weiß, n einigen starken Mg-
Anreicherungen kann uch Fe nachgewiesen werden.
4.3.6 Einfluss von Kornfeinung, Veredelung und Spülgasbehandlung auf AISi3MgO,6
Kornfeinung
In Arbeitspaket [34 werden Untersuchungen zum Einfluss der Kornfeinung für unterschiedliche Gehalte an Kornfeinungsmittel AITΪ5B1 auf AISi3MgO,6 am Französischen Zugstab vorgenommen. In Arbeitspaket C2 wird der Einfluss eines hohen Gehaltes > 500 ppm an Kornfeinungsmittel AITi5B1 mit gegenüber dem Kornfeinungsmittel TiBAIIoy® auf AITiI B1 -Basis, also bei vergleichsweise erhöhtem Gehalt an Titan-Diborid-Keimen (TiB2), am realen Bauteil PQ 24 im Schwerkraft-Kokillengießen untersucht.
Wie gravierend sich eine Zugabe von < 200 ppm Ti durch Zugabe von AITi5B1 auf das Gefüge und die Korngröße der Legierung AISi3MgO,6 auswirkt, ist in Kapitel 2.2.4, Bild 2.24 und Bild 2.25 dargestellt. Dementsprechend verbessern sich die gießtechnologischen Eigenschaften bei Gehalt an Komfeiungsmittel in der Legierung. Der positive Einfluss eines steigenden Gehalts an Kornfeinungsmittel auf die Fließeigenschaft der Legierung AISi3MgO,6 wird bereits in Abschnitt 4.3.2, Bild 4.25 diskutiert. Das Formfüllungsvermögen nimmt nach Untersuchungen im Schwerkraft-Kokillengießen mit steigendem Gehalt an AITi5B1 ebenfalls zu, durchschreitet ein Maximum und sinkt wiederum bei einem Gehalt von 500 ppm (Überbehandlung). Versuche mit realen Bauteilen im Schwerkraft-Kokillengießen und Niederdruck-Gegendruckgießen und anschließender visueller, Riss- und Röntgenprüfung stützen die Anforderung der Legierung AISi3MgO,6 an eine erhöhte Komfeinung. Bei gleichermaßen hohem Ti-Gehalt durch AITi5B1 und AITiI ,6B1, 4 (TiBAlloy®) wird kein signifikanter Unterschied der gießtechnologischen Eigenschaften für die Verwendung der Kornfeinungsmittel ersichtlich. Der Einfluss auf die mechanischen Eigenschaften wird in Abschnitt 4.3.4, Bild 4.38 dargestellt und dort diskutiert.
Eine stark wirksame Komfeinung ist somit für die gießtechnische Verarbeitung von AISi3MgO,6 als essentiell anzusehen. Der Gehalt an AITJ5B1 als Kornfeiner sollte dabei oberhalb üblicher Gehalte für AISi7Mg gewählt werden.
Veredelung
In Arbeitspaket C2 wird der Einfluss eines Zulegierens von Sr auf die Legierung AISi3MgO,6 anhand des im CPC-Verfahren gegossenen PQ 46 Radträgers untersucht. Im Schliffbild ist bis zu einer Zugabe von 250 ppm keine positive Veränderung im unbehandelten Gussgefüge erkennbar. Das eutektische Silizium liegt bereits ohne Veredelung im Gusszustand sehr fein plattig-polygon (siehe Bild 4.43- 4.45) vor, so dass eine Veredelung nicht erforderlich erscheint. Untermauert wird diese Ansicht durch die Ergebnisse von Zugversuchen mit Proben für unveredelte und verededelte Proben im Gusszustand. Unabhängig von der Zugabemenge an Sr wird bei der Erfassung von Abkühlkurven mittels eines Thermoanalyse-Systems für AISi3MgO,6 keine Veränderung der elektischen Rekaleszens gemessen. Sie beträgt konstant ca. 1 ,7 K. Es kann kein positiver Unterschied der Eigenschaften durch Veredelung festgestellt werden. Falls es geringfügige Unterschiede in der Ausprägung des elektischen Siliziums gäbe, würden diese in jedem Falle bei einer Wärmebehandlung relativiert.
Auf eine Veredelung der Legierung AISi3MgO,6 kann aufgrund des geringen Si- Gehaltes und des in Konsequenz geringen Anteils an eutektischem Si in den untersuchten Dauerformgießverfahren und Bauteilen verzichtet werden. Dies bietet gegenüber gängigen veredelten gängigen AISi-Kokillenguss-Legierungen ggf. auch einen finanziellen und prozess-stabilisierenden Vorteil bei der Verarbeitung.
Spülgasbehandlung
Im Niederdruck-Gegendruckgießverfahren kann auf eine Spülgasbehandlung üblicherweise verzichtet werden, da der Druck auf die Schmelze aufrecht erhalten wird, bis das Bauteil komplett erstarrt ist. Eventuell sich bei der Erstarrung bildende Gasporosität wird dabei unterdrückt. Daher wird hier auf eine Untersuchung verzichtet.
Beim Schwerkraft-Kokillengießverfahren wird gewöhnlich eine Spülgasbehandlung mit Argon und in Sonderfällen eine Formiergasbehandlung durchgeführt (vergl. Kapitel 2.2.4). Der Effekt beider Behandlungsweisen wird im Rahmen der Arbeit anhand der PQ 24 Fahrwerkskonsole untersucht. Beide Behandlungsweisen führen im Versuch zu keiner signifikanten Verbesserung der mechanischen Eigenschaften, was ein Hinweis auf eine überflüssige Behandlung, bzw. eine zu lange Behandlungsdauer ist. Niedrige Dichte-Indices der unbehandelten Schmelze bestätigen die ausreichend gute Qualität der Schmelze (sauber, gasarm). Auch das Ausfließen der Kavität der Kokille bleibt hiervon nach optischer Prüfung unbeeinflusst.
Bei der mit Argon durchgeführten Spülgasbehandlung wird eine geringe Porosität in den Zwischenräumen des α-Michkristall interdendritisch im Eutektikum nachgewiesen, wo sie gefügeschwächend wirken kann. Bei einer Behandlung mit Formiergas liegt die Porosität gleichmäßig verteilt in größeren runden Poren im α- Mischkristall vor. Da die Notwendigkeit der jeweiligen Spülgasbehandlung primär von der Führung des Schmelzprozesses (Ofentyp, Temperaturführung, Kreislaufanteil an Material, Umfüllprozesse) abhängt, sowie sekundär von der Bauteilgeometrie (Dickwandigkeit, Fließwege), kann hier keine generelle Empfehlung für die Verarbeitung von AISi3MgO,6 gegeben werden.
4.3.7 Definition der AISi3MgO,6-Legierungsspezifikation
Die Forschungsergebnisse dieser Arbeit lassen die unten angeführte Definition einer Legierungsspezifikation für eine Si-arme AISi-Gusslegierung AISi3MgO,6 zu. Diese Definition ermöglicht eine problemarme gießtechnische Verarbeitung des Werkstoffs in den Verfahren Niederdruck-Gegendruck-Gießen (CPC-Verfahren) und Schwerkraft-Kokillengießen für Fahrwerksanwendungen unter signifikant verbesserten Eigenschaften im Vergleich zu gängigen AISi-Gusswerkstoffen.
Die Legierung enthält mindestens fünf der nachfolgend angeführten Legierungsbestandteile:
• Si: 2,7 bis 3,3, vorzugsweise 2,5 bis 3,1 Gew.-%
• Mg: 0,3 bis 0,7, vorzugsweise 0,25 bis 0,65 Gew.-%
• Fe: < 0,18, vorzugsweise 0,05 bis 0,16 Gew.-%
• Mn: < 0,5, vorzugsweise 0,05 bis 0,4 Gew.-%
• Ti: < 0,1, vorzugsweise 0,01 bis 0,08 Gew.-%
• Sr: <0,03, vorzugsweise 0,01 bis 0,03 Gew.-%
• Sonstige: <0,1 Gew.-%
• und zu 100 Gew.-% mit AI ergänzt.
Die auf dieser Zusammensetzung basierenden Legierungen sind dadurch gekennzeichnet, dass sie zur Erlangung optimaler Festigkeitseigenschaften einer Wärmebehandlung unterzogen werden. Dazu werden die gegossenen Bauteile zwischen 500 bis 5400C für 2 bis 10 Stunden lösungsgeglüht. An das Lösungsglühen schließt sich ein Anlassen der Teile zwischen 150 bis 1800C für 3 bis 10 Stunden an. Für einige Anwendungsfälle kann es sinnvoll sein, lediglich eine einstufige Anlassbehandlung vorzunehmen.
Weiterhin zeichnet sich die Legierung dadurch aus, dass sie korngefeint wird.
Ausblickend werden im Kapitel 4.4 über obigen Anspruch hinausgehende weitere Untersuchungen präsentiert, welche mit dem Ziel einer weiteren Eigenschaftssteigerung unternommen werden, insbesondere einer Warmfestigkeits- Steigerung der Basislegierung AISi3MgO,6. Die dort vorgestellten Ergebnisse stellen somit eine Weiterentwicklung der Legierung dar.
4.4 Einfluss von weiteren Legierungsbestandteilen auf die Legierung AISi3MgO,6
Im Anschluss an die Spezifikation der neu entwickelten AISi3MgO,6-Legierung zur Herstellung von in Dauerformgussverfahren gegossenen Fahrwerkskomponenten, erfolgen Untersuchungen zur Steigerung des Leistungsspektrums der Legierung. Die in diesem Abschnitt vorgestellten Ergebnisse stellen zum Abschluss der Arbeit Anknüpfungspunkte für Weiterentwicklungen dar, insbesondere für warmfeste Anwendungen über das Fahrwerk hinaus.
Für gängige Al-Gusslegierungen sind zahlreiche Untersuchungen an kupfer- haltigen Legierungen unternommen worden und in der Literatur beschrieben. Solche Legierungen zeichnen sich, wie in Kapitel 2.2 erwähnt, zum Teil durch erhöhte Warmfestigkeit aus, weisen jedoch oftmals schlechte Bruchdehnungswerte, problematische Warmrissanfälligkeit und eine erhöhte Korrosionsanfälligkeit auf. Dennoch wird eine Untersuchung von AISi-Legierungen mit erniedrigten Si-Gehalten unter Zulegierung von Kupfer unter 1 Gew.-% in das Arbeitsprogramm integriert (s. Kapitel 3.3.1 , 3.3.2), da für diese ausreichende Korrosionseigenschaften berichtet werden. In Arbeitspaket A, B1 und B2 wird die Untersuchung auf Kupfergehalte bis maximal 1 Gew.-% ausgeweitet. Schließlich wird aufgrund nicht zufrieden stellender Ergebnisse mit einseitiger Kupferzugabe in B5 eine Versuchsreihe mit Zulegierung von Nickel, sowie Kupfer und Nickel zu AISi3MgO,6 durchgeführt. Ziel der Untersuchung sind die mechanischen Eigenschaften dieser Nickel-haltigen Legierungen bei erhöhten Temperaturen von 2000C.
Des Weiteren erfolgt in Arbeitspaket B5 eine Versuchsreihe zum Zulegieren von Chrom. Chrom beeinflußt die Ausprägung der Fe-haltigen Phasen von AISi-Legie- rungen, wie in Abschnitt 4.2 bereits vorwegnehmend bezüglich der genannten Gehalte diskutiert. In Al-Knetlegierungen wird Cr zulegiert, um eine Ausscheidungshärtung vorzunehmen. Der Einfluss von Cr in AISi- Gusslegierungen auf die gießtechnologischen Eigenschaften wurde in der Vergangenheit nur unzureichend dokumentiert und nicht quantifiziert. Er wird zumeist pauschalisierend als negativ bezeichnet.
4.4.1 Einfluss eines Zulegierens von Kupfer
Nach empirischen Voruntersuchungen mit 0,5 Gew.-% Cu-Zugabe in niedrig Si- haltigen AISiMg-Legierungen in Abeitspaket A, wird in Arbeitspaket B1 und B2 eine Cu-Zugabe von < 1Gew.-% systematisch untersucht. Zur Vorhersage von sich bildenden Phasen und -anteilen und ihrer Bildungstemperaturen (als Grundlage für die Wärmebehandlung der Proben) werden thermodynamische Modellierung eingesetzt. Ein exemplarisches Ergebnis zeigt Bild 4.60.
Bild 4.60 zeigt: Exemplarisch sind Thermocalc-Modellierungen für die Legierung AISi3MgO,6CuO,5 im Gleichgewichtszustand (links) und nach Scheil (rechts) dargestellt. Im rechten Bild ist die bei 5000C entstehende Theta-Phase AI2Cu mit dargestellt.
Tabelle 4.6: Bildungstemperaturen und Phasen der in B1 und B2 untersuchten AISiMgCu-Legierungen nach Scheil gemäß termodynamischer Modellierung
Figure imgf000168_0001
Gegenüber Cu-freien Legierungen ändern sich die Bildungstemperaturen nur geringfügig, jedoch bildet sich bei Anwesenheit von Cu die niedrig schmelzende, auf Korngrenzen ausseigernde Theta-Phase AI2Cu aus. Entsprechend den in Tabelle 4.6 angeführten Bildungstemperaturen der Phasen nach Scheil für unterschiedliche Zusammensetzungen und Literaturbelegen (s. Abschnitt 2.2.5) leiten sich die Wärmebehandlungsparameter wie folgt ab: zweistufiges Lösungsglühen in Anlehnung an Backerud et al. 1990 mit 2h bei 485°C und 2h bei 5000C, Auslagern 8 h bei 1600C. Durch die notwendig niedrige Lösungsglühtemperatur kann das volle Potenzial des Mg-Legierungsbestandteils nicht erschlossen werden, was sich in den Festigkeitseigenschaften negativ niederschlägt.
Die am Französischen Zugstab bei Raumtemperatur ermittelten mechanischen Kenngrößen von mit Cu legiertem AISi3MgO,6, AISi2MgO,6 und AISH MgO, 6 liegen nach Wärmebehandlung unter denen der Cu-freien Legierungen. Bei 0,5 Gew.-% Cu-Anteil liegt die Zugfestigkeit Rm im Schnitt um 30 N/mm2 niedriger bei ca. 250 N/mm2 und die Dehnung A5 ist ca. 1% geringer als bei den Cu-freien Referenzlegierungen. Damit ist der Abfall der Dehnung geringer als ursprünglich erwartet. Für 1 Gew.-% Cu-Anteil liegt die Zugfestigkeit mit der von 0,5 Gew.-% gleichauf. Lediglich die Dehnung A5 ist um bis zu 2% geringer. Zusammenfassend kann festgestellt werden, daß nach Hinzulegieren von < 1 Gew.-% Cu zur Legierung AISi3MgO,6 und bei anderen niedrig Si-haltigen Zusammensetzungen bei Raumtemperatur keine technische Eigenschaftsverbesserung eintritt. Es empfiehlt sich jedoch eine weiterführende Untersuchung bei höheren Temperaturen (2000C) und nach Langzeitauslagerung von 500h, ggf. auch in Kombination mit Ermüdungsversuchen (Umlaufbiegeversuch, Kriech versuch), da Cu in AISi-Legierungen im Allgemeinen die Warmfestigkeit erhöht. Bei Tolerierung eines geringfügigen Verlustes an Dehnung stellen Cu-Gehalte unter 1 Gew.-% in AISi7Mg für Zylinderkopf- und Motorblockanwendungen ein interessantes Eigenschaftsportfolio dar [F. J. Feikus 1998]. Der positive Einfluss des Cu-Bestandteils wird für AISi7MgCuO,5 erst nach 500 h Vorauslagerung durch eine zu AISi7Mg vergleichsweise nahezu doppelte Dehngrenze erkennbar [F. J. Feikus et al. 2001]. Es sollte erforscht werden, ob auch die AISi3MgO,6CuO,5-Legierung ein gegenüber AISi3MgO,6 erweitertes Potenzial für warmfeste Anwendungen besitzt. Da Fahrwerksträger aber gegenwärtig weniger durch Temperatur beansprucht werden, wird an dieser Stelle auf eingehende Untersuchungen verzichtet. Experimente zur Warmfestigkeit werden im Folgenden nur für die Ni-haltigen AISiMg-Legierungen angestellt.
4.4.2 Einfluss eines Zulegierens von Nickel sowie Kupfer und Nickel
Seit geraumer Zeit werden Modifikationen der Gusslegierungen AISi7Mg und AISiI 2Mg mit dem Ziel erforscht, diese zur Herstellung von thermisch hoch belastbaren Motorenkomponenten wie Zylinderköpfen und Kurbelgehäusen einsetzen zu können. Ein Schwerpunkt der Experimente liegt hierbei auf einem gemeinsamen Hinzulegieren von Cu und Ni. Ni soll einen positiven Einfluss auf den Widerstand gegen Kriechen bewirken, beeinflusst die Ermüdungseigenschaften aber negativ [W. Schneider 2005]. Die spezifischen metallkundlichen Wirkmechanismen von Ni in Kombination mit Cu sind in AISi- Gusslegierungen wissenschaftlich nur unzureichend beschrieben. Die Legierung AISi7MgCuNiFe hat sich unter Berücksichtigung aller geforderten Eigenschaften aber als besonders günstig herausgestellt.
F.-J. Feikus et al. 2001 stellen die mechanischen Eigenschaften dieser neuen Legierung mit bis zu 0,5 Gew.-% Ni im Vergleich zu AISi7Mg und AISi7MgCu0.5 nach einer T6-Wärmebehandlung im Warmzugversuch bei 2000C vor. Die Autoren geben an, dass für AISi7MgCuNiFe gegenüber AISi7Mg die Zugfestigkeit um circa 70 MPa auf 280 MPa erhöht ist. Die Streckgrenze beträgt 255 MPa1 im Vergleich einem Zugewinn von ca. 65 MPa. Dies wird von einem signifikanten Abfall der Dehnung begleitet. Die Dehnung ist um mehr als die Hälfte geringer als bei den Legierungen AISi7Mg und AISi7MgCu0.5. Im Gegensatz zu Warmzugversuchen bei normalem Auslagern fällt die Dehnung bei Warmzugversuchen nach einer 500-stündigen Langzeitvorauslagerung weit weniger gering aus. Ähnlich vorteilhafte Eigenschaften werden für AISi12CuNiMg in Motorblockanwendungen berichtet [H. Fuchs, M. Wappelhorst 2003]. Untersuchungen zu einem idealen Ni- Gehalt in AISi7Mg in Bezug auf günstige Warmfestigkeitseigenschaften zeigen, dass höhere Ni-Gehalte über 0,5 Gew.-% ohne 500-stündige Vorauslagerung einen eher festigkeitsmindernden Einfluss bewirken, während die Festigkeit nach Vorauslagerung ansteigt. Bereits ein geringer Ni-Gehalt von 0.2% bis 0.3% bewirkt verbesserte Warmfestigkeiten [F. J. Feikus et al., 2001].
Um den Einfluss eines Legierens mit Nickel sowie Cu und Ni auf AISi3MgO,6 zu untersuchen, werden in Arbeitspaket B5 eine Versuchsreihe mit Ni-Gehalten von 1, 1 ,3 und 1,5 und eine zweite Versuchsreihe mit gleichen Ni-Gehalten bei gleichzeitigem Cu-Gehalt von 0,3 Gew.-% unternommen. Motivation ist die Überlegung, ob möglicherweise eine Ausscheidungshärtung durch Nickel-Zusatz erfolgt, die ggf. auch bei Raumtemperatur wirkt, und ob bei kombinierter Zugabe von Cu und Ni verbesserte Eigenschaften für höhere Einsatztemperaturen nachgewiesen werden können. Um eine Prognose, über die sich bildenden Phasen und ihre Bildungstemperaturen aufzeigen zu können, wurden Modellierungen mit Thermocalc durchgeführt, mit dem Ergebnis, dass die Datenbasis der COST- Datenbank zum derzeitigen Stand hierfür nicht ausreichend ist, um zuverlässige Aussagen treffen zu können. Es können nicht alle Phasen vorhergesagt werden, die sich im metallographischen Schliff und durch EDX-Analyse nachweisen lassen.
Stellvertretend für die Versuchsreihe mit Nickelgehalt ist in Bild 4.61 ein Schliffbild des resultierenden Gefüges von AISi3MgO.6Ni1 im Gusszustand und in Bild 4.62 nach Wärmebehandlung angeführt. Im Gusszustand ist das eutektische Silizium in etwas gröberer Form ausgeschieden als ohne Nickelzugabe. Die eutektische Phase tritt bereits im Gusszustand nicht mehr fein strukturiert auf. Das eutektische Si formt sich während der Wärmebehandlung in die für AISi3MgO,6 beschriebene gedrungen abgerundete Morphologie ein. Mg2Si-Ausscheidungen treten im Eutektikum des Gussgefüges vor Wärmebehandlung zwischen den AI- Dendriten eingebettet auf.
Bild 4.61 zeigt: Gefügebild von AISi3MgO.6Ni1 im Gusszustand mit Bezeichnung charakteristischer Phasen
Bild 4.62 zeigt: Gefügebild von AISi3MgO.6Ni1 im Zustand nach
Wärmebehandlung mit Bezeichnung charakteristischer Phasen
Bild 4.63 zeigt: Gefügebild von AISi3MgO.6CuO.3Ni1.5 im Gusszustand mit
Bezeichnung charakteristischer Phasen
Bild 4.64 zeigt: Gefügebild von AISi3MgO.6CuO.3Ni1.5 im Zustand nach
Wärmebehandlung mit Bezeichnung charakteristischer Phasen
Zudem sind als weitere Phase im Eutektikum hellgraue, sperrig-verzweigte und teilweise nadelig gedrungene Ausscheidungen erkennbar, die nach EDX-Analyse Aluminium, Nickel und Eisen und, aufgrund geringer Verunreinigung der Versuchslegierung, vereinzelt auch Cu enthalten. Gemäß der Element-Gehalte lassen die Ausscheidungen auf FeNiAlg-Modifikationen schließen. Zusätzlich sind spröde, grob polygone NiAI3-Phasen vorhanden. Für AISi-Legierungen charakteristische Fe-haltige Phasen sind nicht erkennbar.
Nach der Wärmebehandlung lässt sich neben dem rundlich eingeformten und relativ gleichmäßig verteilten Silizium eine weitere Phase mit ähnlicher Morphologie feststellen. Dieser Bestandteil der eutektischen Phase wird gemäß EDX-Analyse durch ein Gemenge Ni-haltiger Phasen unterschiedlicher Zusammensetzungen (NiAI3, FeNiAI9, AI(Cu)FeNi) darstellt. In einigen Bereichen liegen größere Nester der Ni-haltigen Phase vor. Diese könnten die Ursache für die gegenüber AISi3MgO,6 in dieser Versuchreihe beobachtete, geringeren mechanischen Eigenschaften sein, indem sie als zusätzliche Störphase wirken. Schwer vermeidlich reichern sich Cu und Fe-Verunreinigungen über die Ni- Vorlegierung an. C. M. Styles und P. A. S. Reed 2000 machen intermetallische FeNiAlg-Phasen neben groben Si-Partikeln als maßgebliche Ursache für die Rissinitiierung zu Bauteilversagen in übereutktischen AISiCuNiMg-Legierungen (Kolbenlegierungen) aus. das lässt darauf schließen, dass FeNiAlg-Phasen sich auch in der niedrig Si-haltigen Legierung negativ auswirken.
Bild 4.63 und 4.64 zeigen exemplarisch Gefügebilder der Kupfer-Nickel-Versuchsreihe im Gusszustand und nach Wärmebehandlung. Im Gusszustand lassen sich grobe Siliziumausscheidungen, nadelige ß-Eisenausscheidungen und gedrungen plattige Ausscheidungen der Zusammensetzungen FeNiAI9 und AICuFeNi erkennen.
In Bild 4.64 der wärmebehandelten Probe tritt neben dem abgerundeten Silizium eine zweite eutektische Phase auf. Vergleichbar mit der Nickel-Versuchsreihe erscheinen diese nickelhaltigen Bestandteile in ähnlicher Morphologie, haben aber eine unterschiedliche Zusammensetzungen. Als Ergebnis der EDX-Messungen erscheinen NiAI3, AICuNi und Cu3NiAI6 als mögliche Zusammensetzungen. Die Aluminium-Kupfer-Nickel-Phasen sind nach der Wärmebehandlung abgerundet und liegen in gedrungener Form im Gefüge vor. Eisenhaltige Verbindungen (braun erscheinend) hingegen liegen nunmehr direkt neben oder aber eingelagert in den Aluminium-Kupfer-Nickel-Phasen vor.
Bild 4.65 zeigt: Mechanische Eigenschaften nach T6-Wärmebehandlung bei RT einer Referenz-Legierung AISi3Mg0.6 und Ni-Gehalten von 1 ,0; 1,3 und 1,5 Gew.- % Ni
Wie innerhalb der Versuche dokumentiert wird, reichem sich Ni-haltige Phasenanteile im Eutektikum an, so dass keine Ausscheidungshärtung erzielt werden kann und Ni-Bestandteile sich nur bei hohen Belastungstemperaturen über eine Behinderung von Kriechmechanismen positiv auswirken. Dies findet auch in den Ergebnissen der Zugversuche Bestätigung.
In Bild 4.65 sind die mechanischen Eigenschaften verschiedener AISi3MgO,6-A- Zusammensetzungen mit Ni-Gehalt im wärmebehandelten T6-Zustand angeführt. Wie sich bereits aus Versuchsergebnissen im Gusszustand abzeichnet, üben unterschiedliche Nickelgehalte nach Wärmebehandlung, keinen wesentlichen Ein- fluss auf die Festigkeiten, wohl aber auf die Bruchdehnung aus. Die Bruchdehnung fällt mit steigendem Nickelgehalt ab. Nach Wärmebehandlung ist eine Erhöhung der Zugfestigkeit von vergleichsweise geringen 165 MPa auf 290 MPa messbar und ist damit annähernd mit der Zugfestigkeit der AISi3MgO,6-A Referenzlegierung vergleichbar. Die Streckgrenze steigt durch Wärmebehandlung um ca. 100 MPa auf ca. 205 MPa. Die Bruchdehnung fällt auf unter 4% ab. Die Messergebnisse stammen von Zugversuchen, die bei Raumtemperatur (RT) ermittelt wurden, und lassen keinen direkten Schluss auf Eigenschaften bei höherern Temperaturen zu. Die Versuchsreihe zeigt, dass aus einer Zugabe von Nickel bei Raumtemperatur kein Vorteil bezüglich der mechanischen Eigenschaften im Vergleich zur AISi3MgO,6 Basislegierung resultiert. Untermauert werden die Untersuchungen durch die von F.-J. Feikus et al. 2001 für AISi7Mg berichtete Beobachtung, dass eine Nickelzugabe bis 1.0% keinen Einfluss auf die Festigkeiten, jedoch ein Absinken der Bruchdehnung von AISi7Mg zur Folge hat. Dies gilt ebenfalls für AISi3MgO,6. Diese Beobachtung kann auch für einen höheren Gehalt 1.0% bis1.5% Nickel in AISi3MgO,6 bestätigt werden.
In Abänderung zur Ni-Versuchsreihe ist in der CuNi-Versuchsreihe ein Zusatz von 0.3% Kupfer enthalten. Die Ermittlung der mechanischen Eigenschaften am Französischen Zugstab erfolgt zusätzlich im Warmzugversuch bei 2000C. Wegen des Cu-Zusatzes wird analog zu den in 4.4.1 dargestellten Ergebnissen eine Zweistufen-Wärmebehandlung von 2h bei 485°C und 2h bei 5000C und Auslagern 8 h bei 1600C gewählt. Aus den Diagrammen Bild 4.66 zum Zugversuch bei Raumtemperatur und Bild 4.67 zum Warmzugversuch bei 2000C wird ersichtlich, dass die Festigkeit und die Bruchdehnung für NiCu-Legierungen mit steigendem Nickelgehalt eine ähnliche Tendenz zeigen, wie in der Versuchreihe nur mit Nickel. Die bei Raumtemperatur gewonnenen Kennwerte liegen mit einer Zugfestigkeit von ca. bei 275 MPa nur geringfügig unter denen der unlegierten AISi3MgO,6-A Referenzprobe.
Die Streckgrenze liegt auf konstantem Niveau von ca. 195 MPa. Die Bruchdehnung sinkt bei steigendem Ni-Gehalt von vergleichsweise hohen 14% ohne CuNi-Zusatz auf werte zwischen 5.4% und 4.1% ab.
Ein Zusatz von CuNi bewirkt eine erhöhte Warmfestigkeit von AISi3MgO,6, wie aus Bild 4.68 zu erkennen ist. Die Zugfestigkeit kann bei Temperaturbeaufschlagung im Vergleich zur Basislegierung durch den Legierungszusatz von 0,3 Gew.-% Cu und 1.3% Ni um 35 MPa auf 240 MPa gesteigert werden. Für die Streckgrenze ist die Wirkung noch prägnanter mit ca. 45 MPa auf 225MPa und liegt im Warmzugversuch über den Kennwerten für Raumtemperatur. Die Bruchdehnung ist ca. 1 % geringer als bei Raumtemperatur und sinkt mit steigendem Nickelgehalt bis auf 3% ab. Die Legierung AISi3MgO.6CuO.3Ni1.3 erscheint nach diesen Vorversuchen im Vergleich zur Legierung AISi7MgCuNiFe für weitere Betrachtungen besonders interessant.
Bild 4.66 zeigt: Mechanische Eigenschaften von Französischen Zugstäben der Legierungen AISi3Mg0.6 (Basis) und Zusätzen von 0,3 Gew.-% Cu und 1 bis 1 ,5 Gew.-% Ni 1.5 nach T6-Wärmebehandlung beim Zugversuch bei Raumtemperatur
Bild 4.67 zeigt: Mechanische Eigenschaften von Französischen Zugstäben der Legierungen AISi3Mg0.6 (Basis) und Zusätzen von 0,3 Gew.-% Cu und 1 bis 1 ,5 Gew.-% Ni 1.5 nach T6-Wärmebehandlung im Warmzugversuch bei 2000C
Gegenüber der Legierung AISi3MgO,6 ist das Fließvermögen der Legierungen mit Ni und CuNi deutlich niedriger, wie in Bild 4.68 für CuNi dargestellt. Ohne Zusätze wird eine Fließlänge von ca. 520 mm, mit Zusätzen von ca. 310 bis 330 mm ermittelt. Der Cu-Gehalt bewirkt keine Veränderung der Fließlänge. Das Fließvermögen ist für einen Ni-Gehalt von 1 Gew.-% am geringsten. Das Formfüllungsvermögen ist bei Ni-Gehalt geringfügig niedriger als bei AISi3MgO,6, für CuNi-Gehalt etwas höher.
Bild 4.68 zeigt: Fließlängenmessung der Legierungen AISi3Mg0.6 und AISi3MgO.6CuO.3Ni1 -1.5
4.4.3 Einfluss eines Zulegierens von Chrom
Chrom ist Legierungsbestandteil einiger Aluminium-Knetlegierungen (vergl. Tab. 2.2). Dort bewirken Chromgehalte von üblicherweise 0.1 % bis 0.4 Gew.-% ein verbessertes Ansprechverhalten geschmiedeter Bauteile auf eine Homogenisierungs-Wärmebehandlung bei gleichzeitiger Einschränkung der Rekristallisation und des Kornwachstums [KBM 1996]. Die genauen metallkundlichen Wirkmechanismen von Cr in AISi-Legierungen sind insbesondere in ihrer Wirkung auf Gusslegierungen bisher noch unzureichend untersucht. Im Allgemeinen gilt Cr in Gusslegierungen als unerwünscht, da es die Warmrissanfälligkeit erheblich steigert. In Bezug auf die mechanischen Eigenschaften bewirkt die Zugabe von Chrom in AI-Knetlegierungen eine verbesserte Bruchdehnung sowie eine erhöhte Beständigkeit der Bauteile gegen Spannungsrisskorrosion. Dieser Vorteil ist speziell bei geschmiedeten Fahrwerks- bauteilen aus AI-Knetlegierungen von Bedeutung und stellt auch für gegossene Komponenten einen prüfenswerten Ansatz zur Eigenschaftssteigerung dar.
Um eine erste Potenzialabschätzung leisten zu können, wird eine Legierung AISi3MgO,6 in Arbeitspaket B5 mit Chrom legiert. Auch hier wird zu Beginn eine thermodynamische Modellierung durchgeführt. Exemplarisch ist in Bild 4.69 ein Ausschnitt aus dem quasibinären Gleichgewichts-Zustandsdiagramm AISi3MgO,6- Cr wiedergegeben und in Bild 4.70 ein Diagramm nach Scheil, das für AISi3MgO,6CrO,3 die sich ausscheidenden Phasen in ihren Anteilen in Abhängigkeit der Temperatur zeigt. Aufgrund der Komplexität des Systems mit einer Vielzahl sich bildender intermetallischer Phasen und der Ungewissheit über die Belastbarkeit der Datenbasis, sind die Modellierungen in ihrer Relevanz weiter fraglich, geben jedoch erste Informationen über die voraussichtliche maximale Löslichkeit von Cr, die sich bildenden Phasen und ihre Anteile am Gefüge. Bei einer Temperatur von 6400C kann bis zu 0.41% Chrom im α-AI-Mischkristall gelöst werden. Die Löslichkeit fällt jedoch sehr stark ab, so dass sich Chrom in Form von intermetallischen Phasen AI7Cr, AInCr2, Ah3Cr2 im Aluminium-Gefüge ausscheidet. Die errechneten Phasen sind über EDX am metallographischen Schliff nachzuweisen. Ihre Beschaffenheit und Morphologie wurde bereits in Bild 4.17 und Bild 4.18. umfassend im Kontext des Eisengehaltes diskutiert.
Bild 4.69 zeigt: Schnitt durch das Gleichgewichts-Zustandsdiagramm des quasibinären Systems AISi3MgO,6-Cr. Die aufgrund ihrer Kristallstruktur mit „FCC_A1" bezeichnete Phase ist der Aluminium-Mischkristall, die mit „diamond" bezeichnete Phase ist AI7Cr2.
Bild 4.70 zeigt: Zustandsdiagramm der sich in Abhängigkeit der Temperatur bildenden Phasenanteile nach Scheil für AISi3MgO,6CrO,3
Die Auswirkungen auf die mechanischen Eigenschaften im „Französischen Zugstab" durch Zugabe von Chrom zu einer AISi3MgO,6-Basislegierung werden im Rahmen einer Versuchsreihe untersucht. Es werden vier verschiedene Cr-Gehalte (0.1%, 0.3%, 0.5%, 0.7%) eingestellt. Bild 4.71 zeigt den Einfluss des Chrom- Gehaltes auf die mechanischen Eigenschaften im Gusszustand im Vergleich zu AISi3MgO,6. Es ist zu erkennen, dass die schrittweise Erhöhung des Cr-Gehaltes von 0.1% auf 0.7% nicht nur eine kontinuierliche Zunahme der Festigkeiten Rm und Rpo.2 bewirkt, sondern auch ein Ansteigen der Bruchdehnung. Für die Zugfestigkeit ist eine Zunahme von ungefähr 37 MPa ist zu verzeichnen. Die Bruchdehnung erhöht sich ebenfalls um 3%.
Eine T6-Wärmebehandlung der Zugproben bewirkt weiter verbesserte Festigkeitseigenschaften. In Bild 4.72 ist dargestellt, dass ab einem Chromgehalt von 0.3% die Zugfestigkeit über 300 MPa liegt. Die Streckgrenze ist zu Anfang bei 225 MPa, fällt dann aber bis auf 215 MPa bei einem Chromgehalt von 0.7% ab. Dafür steigt die Bruchdehnung von 4.5% auf 10.8% an. Da die mechanischen Eigenschaften schon in dieser ersten Versuchsreihe deutlich höhere Werte erreichen als eine zum Vergleich abgegossene AISi3MgO,6-Basislegierung, erscheint es möglich, die Zugfestigkeit und Streckgrenze zu Lasten der Bruchdehnung durch Optimierung der Legierungszusammensetzung und Wärmebehandlungsparameter noch weiter zu erhöhen. Da die Cr-Vorlegierung unerwünschte Eisenverunreinigungen besitzt, sollte der Eisengehalt der erstellten Gesamtlegierung möglichst niedrig gehalten werden. Zudem ist es nicht evident, ob die verbesserten mechanischen Eigenschaften in direktem Zusammenhang mit Chrom als Legierungsbestandteil stehen und mit der Ausscheidung Cr-reicher Phasen zusammenhängen oder indirekt durch Unschädlichmachung von morphologisch ungünstigen Fe-Phasen positiv wirken, wie in Kapitel 4.2 für AISi3MgO,6 umfassend beschrieben.
Bild 4.71 zeigt: Mechanische Eigenschaften der Legierungen AISi3Mg0.6Cr0.1 - 0.7 im Gusszustand im Französischen Zugstab ermittelt Bild 4.72 zeigt: Mechanische Eigenschaften der Legierungen AISi3Mg0.6Cr0.1 - 0.7 nach einer T6-Wärmebehandlung im Französischen Zugstab ermittelt.
Das Fließvermögen der Cr-haltigen Legierung wird anhand der Gießspirale ermittelt. Die Ergebnisse der Messungen sind in Bild 4.73 ersichtlich. Bei steigendem Cr-Gehalt sinkt die Fließfähigkeit der Schmelze und liegt deutlich unter AISi3MgO,6, vergleichbar mit den Ni-haltigen Legierungen. Daher empfiehlt sich die Legierung eher für druckbeaufschlagte Gießverfahren als für Schwerkraft- Kokillenguss.
Bild 4.73 zeigt: Fließlängen der Legierung AISi3Mg0.6 bei Zugaben von 0.1 - 0.7 Gew.-% Cr
5 Schlussfolgerungen und Ausblick
Die vorliegende Arbeit präsentiert als Hauptergebnis die Entwicklung einer neuartigen Si-armen AISiMg-Legierung für Fahrwerksanwendungen: nämlich AISi3MgO,6 Diese zeichnet sich gegenüber gängigen AISi-Gusslegierungen durch deutlich verbesserte mechanische Eigenschaften aus. Die Anwendungserprobung in unterschiedlichen Gießverfahren wie dem Niederdruck-Gegendruck-Gießen dem Schwerkraft-Kokillen-Gießen und eine Abgrenzung zum Druckgießen als weiterem Dauerformgießverfahren erlauben eine zukünftige Orientierung für die industrielle Fertigung. Es wurden AISi-Legierungen mit unterschiedlich niedrigen Si-Gehalten von 1 bis 7 Gew.-%, Mg-Gehalten bis 1 Gew.- % und Cu-Gehalten bis 1 Gew.% untersucht. Außerdem wurde der Einfluss des Störelements Fe ermittelt. Versuchsreihen mit Prinzipgeometrien und realen Gussbauteilen wurden durch thermodynamische Modellierung gestützt. So konnte ein detailliertes Eigenschaftsprofil für die gießtechnologischen und mechanischen Eigenschaften in Relation zum Gefüge erstellt werden. Dabei wurde die Basis-Legierung AISi3MgO,6 als Legierung mit dem bestem Eigenschaftsportfolio identifiziert und ein Prozessfenster für die Legierungszusammenstellung, die Elementgehaltsgrenzen und einer idealen Wärmebehandlung definiert, welches Grundlage einer zum Patent angemeldeten Legierungsspezifikation ist.
Die Untersuchungen zeigen, dass die Legierung AISi3MgO,6 mit der in Kaptitel 4.3.7 angeführten Spezifikation ein deutliches Potential für Anwendungen im Fahrwerk besitzt. Für das Niederdruck-Gegendruck-Verfahren (Serienbauteil PQ 46) werden sehr günstige Bauteileigenschaften mit Zugfestigkeiten über 370 MPa, Streckgrenzen über 300 MPa bei einer gleichzeitig hohen Bruchdehnung von 11 % erreicht. Gegenüber der in diesem Verfahren üblicherweise verwendeten Legierung AISi7Mg kann die Zugfestigkeit um ca. 40 MPa und die Streckgrenze um ca. 35 MPa gesteigert werden, bei gleichzeitigem Dehnungsanstieg um 3 %.
Für Schwerkraft-Kokillenguss (Serienbauteil PQ 24) wurden etwas geringere mechanische Eigenschaften erreicht (Rm=326 MPa, Rp0,2=280 MPa und A=4,3 %), die aber bzgl. Zugfestigkeit und Streckgrenze noch immer höher sind als der in Fahrwerksteilen verwendete Legierungstyp AISi11. Im Vergleich konnten eine Steigerung der Zugfestigkeit um 30 MPa und der Streckgrenze 55 MPa bei 1 ,5% verminderter Dehnung beobachtet werden. Die Bruchdehnung der PQ 46-Proben war im Allgemeinen etwa doppelt so hoch wie von PQ 24. Die Zugfestigkeit und Streckgrenze können im Vergleich zum Gusszustand noch durch eine geeignete Wärmebehandlung in ähnlicher Größenordnung gesteigert werden. Für die Einstellung der optimalen mechanischen Kennwerte der Gussteile erscheint für AISi3,3MgO,6 eine T6-Wärmebehandlung geeignet, deren Parameter im Rahmen des Forschungsprojektes ebenfalls verifiziert wurden.
Der Unterschied der mechanischen Eigenschaften für die beiden Gießverfahren weist darauf hin, dass die maximal erreichbaren mechanischen Kennwerte nicht allein von der verwendeten Legierung und den eventuellen Störbestandteilen, sondern auch erheblich von den prozessbedingten Parametern, wie Druckunterstützung beim Niederdruck-Gegendruckgießen, der Gefügefeinheit und Phasenmorphologie sowie Gefügefehlern wie Gasblasen und Oxiden mitbestimmt werden.
Aus AISi3MgO,6 können mit den beiden Gießverfahren Niederdruck-Gegendruckgießen und Schwerkraft-Kokillengießen ohne erhöhten metallurgischen Aufwand fehlerfreie Gussteile erzeugt werden, was der allgemeinen Ansicht widerspricht, dass sich AISi-Bauteile mit weniger als 5 Gew.-% gusstechnisch industriell nicht herstellen lassen. Das Vergießen der Legierung AISi3Mg0.6 im Druckgießverfahren verlief dagegen nicht befriedigend, so dass der Werkstoff AISi3MgO,6 für dieses Verfahren ungeeignet ist. Die positiven Beobachtungen an realen Bauteilen mit AISi3MgO,6 wurden durch begleitende Untersuchungen an Prinzipgeometrien quantifiziert. Dennoch ist die Gießbarkeit dieser Legierung allgemein schlechter als die der bisher in Dauerformgießverfahren verwendeten Legierungen AISi7Mg und AISi11. Bei einer optimierten Komfeinung und an die Legierung angepassten Gießparametern, können die Gießeigenschaften jedoch verbessert und legierungsbedingte Defizite der Verarbeitbarkeit kompensiert werden. Eine Veredelungsbehandlung des AISi-Eutektikums kann bei AISi3MgO,6 hingegen unterbleiben.
Eine umfassende Gefügeanalyse in unschiedlichen Wärmebehandlungszuständen zeigt, dass das Gefüge der Gussstücke aus AISi3MgO,6 von den jeweiligen Gieß- verfahren und Legierungszusätzen unabhängig hauptsächlich aus fünf Phasen besteht. Neben dem AI-Mischkristall und eutektischem Silizium sind die festigkeitssteigernde Mg2Si-Phase sowie eine in ihrem Verhalten dem Si ähnelnde π-AI8Si6Mg3Fe-Phase charakteristisch. Der ebenfalls im Zusammenhang mit den Zusätzen Mg und Cr diskutierte, Ausscheidungstyp ß-AI5FeSi, welcher die mechanischen Eigenschaften negativ beeinflusst, weist auf die Notwendigkeit einer Kontrolle eines möglichst niedrigen Eisengehaltes der entwickelten Legierung hin.
Anknüpfungspunkte für weitere wissenschaftliche Arbeiten mit AISi3MgO,6
Wissenschaftlich interessant wäre ein vertiefter metallkundlicher Einstieg zur Analyse der Erscheinungsformen (kohärent / teilkohärent) der Mg2Si-Ausscheidun- gen in den gegossenen AISi3Mg-Proben. Für solche Untersuchungen wäre das hochpräzise Mikrosonde-Verfahren geeignet, das die Bestimmung der chemischen Zusammensetzung von Teilchen mit einer Größe von 0,1 μm ermöglicht. Hieraus könnten genauere Empfehlungen zur Wärmebehandlung abgeleitet werden. Zusätzlich erscheint eine umfassendere Überprüfung der Auswirkung von Cr- oder Mn-Gehalt in der AISiMgFe-Schmelze auf die Ausbildung Fe-haltiger Phasen (ß-AI5FeSi) im Gussgefüge vor dem Hintergrund metallkundlicher Wirkmechanismen bei der Phasenbildung wünschenswert. Dies gilt nicht nur für die AISi3Mg-Legierung, sondern allgemein für AISi-Gusslegierungen.
Wichtig für die industrielle Anwendung von AISi3MgO,6 sind weiterführende Werkstoffprüfungen der mechanischen Eigenschaften wie Dauerfestigkeit (Umlaufbiegeversuch), die Erstellung von Werkstoffermüdungskurven nach Wöhler und die Ermittlung des Einflusses der Temperaturbeanspruchung auf Bauteile des Gusswerkstoffes AISi3MgO,6. Ergebnisse und Anknüpfungspunkte zur Weiterentwicklung von Legierungsvarianten von AISi3MgO,6
Im Rahmen des Forschungsprojektes wurden über die dargelegten Ergebnisse hinaus weitere Untersuchungen für den Einsatz und die Weiterentwicklung der Legierung AISi3MgO,6 gewonnen. Diese Untersuchungen beinhalten Legierungsvarianten von AISi3Mg mit Chrom-Anteil, Kupfer-Anteil, Nickel-Anteil sowie mit Kupfer und Nickel-Anteil.
Alleinige Kupfer- oder Nickelzusätze zu niedrig Si-haltigen AISi-Gusslegierungen zeigten in den Versuchen bei Raumtemperatur keine signifikante Verbesserung der mechanischen Eigenschaften. Falls eine Warmfestigkeit stärker in den Fokus des Interesses rücken sollte, müssten solche Legierungsvarianten von AISi3MgO,6 aber intensiver beleuchtet werden, wobei man auf den in dieser Arbeit gelegte Grundlagen aufbauen könnte. Ein kombiniertes Zulegieren von Kupfer und Nickel zu AISi3MgO,6 eröffnet neue Möglichkeiten der Anwendung des Legierungstyps im Bereich außerhalb des Fahrwerks für temperaturbelastete Bauteile wie z. B. motornahe Applikationen. Die während dieser Arbeit mit AISi3MgO,6CuNi im Warmzugversuch beobachteten mechanischen Eigenschaften sind vergleichbar mit denen von AISi7MgCuNiFe und weisen auf das Potenzial dieses Werkstoffes hin.
Ein Zulegieren von Chrom zu AISi3MgO,6 eröffnet die Möglichkeit einer weiteren signifikanten Verbesserung der mechanischen Eigenschaften die bereits im Gusszustand, insbesondere jedoch nach Lösungsglühen und evtl. Auslagern zu verzeichnen ist. In einer ersten Versuchsreihe am Französischen Zugstab wird nach einer T6-Wärmebehandlung eine Steigerung der Bruchdehnung um 3% festgestellt, die mit einer Erhöhung der Zugfestigkeit um ca. 37 MPa einhergeht. Die Streckgrenze erweist ein gleich bleibend hohes Niveau. Das Formfüllungsvermögen verbessert sich bei Anwesenheit von Cr, wohingegen sich die Fließeigenschaften verschlechtern. Zudem weisen die Ergebnisse auf Wege, wie durch Chromzusätze unerwünschte Eisenausscheidungen bereits im Gusszustand in eine günstigere Morphologie überführt werden können. Zukünftige Untersuchungen sollten ebenfalls reale Bauteile einschließen, in denen weiter erhöhte mechanische Kennwerte zu erwarten sind. Diese sollten umfassender erprobt werden, damit die Legierungsspezifikation für AISi3MgO,6 ggf. um eine chromhaltige Variante erweitert werden kann.
Parallel zu dem ingenieurmäßigen, auf Gussteileigenschaften und Prozessfähigkeit abzielenden, Ansatz wären weitere Arbeiten interessant, die auf der Basis eines stärker theoretisch metallkundlich vertiefenden Ansatzes die Phasenbildung und Wirkmechanismen der Eigenschaftssteigerung von AISiMg-Legierungen durch Zulegieren von Chrom und die Steigerung der Warmfestigkeit von Cu und insbesondere CuNi weiter wissenschaftlich durchdringen sollten.
Schlusswort
Hauptergebnis der Arbeit ist die neue niedrig Si-haltige AISiMg-Gusslegierung AISi3MgO,6 für Fahrwerksanwendungen, welche sich durch exzellente Gießeigenschaften im Niederdruck-Gegendruck-Gießen sowie gute Verarbeitbarkeit im Schwerkraft-Kokillengießen auszeichnet. Mechanische Eigenschaften wärmebehandelter Bauteile aus dem industriellen Prozess im CPC-Verfahren sind: Zugfestigkeit > 370 MPa, Streckgrenze > 300 MPa bei 11 % Dehnung. Im Schwerkraft-Kokillengießen liegen die Eigenschaften niedriger, stellen aber eine Verbesserung zu gängigen Legierungen wie AISi7Mg und AISiI 1Mg dar. Weiteres Potenzial ist durch eine Optimierung der Verarbeitung, wie zum Beispiel Kornfei- nung und Wärmebehandlung gegeben.
Über der umfassenden Erprobung von AISi3MgO,6 hinaus, wird als weiterer Weg der mechanischen Eigenschaftsverbesserung von AISi3MgO,6 ein Zulegieren von Cr, bzw. Cu und Ni für warmfeste Anwendungen und resultierende Ergebnisse vorgestellt. Diese Legierungsvarianten erscheinen aufgrund ihrer gießtechnischen und mechanischen Eigenschaften attraktiv und reichen bereits an mechanische Kennwerte von AI-Knetlegierungen heran. Sie müssen jedoch noch weiter wissenschaftlich durchdrungen werden und können nach der vorgestellten Methodik zur Legierungsentwicklung verbessert werden.
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Claims

211P a t e n t a n s p r ü c h e
1. AI-Gusslegierung, die mindestens fünf der nachfolgend angeführten Legierungsbestandteile
Si: 2,5 bis 3,3, vorzugsweise 2,7 bis 3,1 Gew.-%
Mg: 0,2 bis 0,7, vorzugsweise 0,3 bis 0,6 Gew.-%
Fe: < 0, 18, vorzugsweise 0,05 bis 0,16 Gew.-%
Mn: < 0,5, vorzugsweise 0,05 bis 0,4 Gew.-%
Ti: < 0,1 , vorzugsweise 0,01 bis 0,08 Gew.-%
Sr: < 0,03, vorzugsweise 0,01 bis 0,03 Gew.-%
Sonstige: < 0,1 Gew.-% enthält, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich
Cr in einer die Festigkeit der Legierung steigernden Menge als weiterer Legierungsbestandteil enthalten ist, jeweils zu 100 Gew.-% mit AI ergänzt.
2. AI-Gusslegierung, enthaltend mindestens fünf der nachfolgend angeführten Legierungsbestandteile:
Si: 2,5 bis 3,3, vorzugsweise 2,7 bis 3,1 Gew.-%
Mg: 0,2 bis 0,7, vorzugsweise 0,3 bis 0,6 Gew.-%
Fe: < 0,18, vorzugsweise 0,05 bis 0,16 Gew.-%
Mn: < 0,5, vorzugsweise 0,05 bis 0,4 Gew.-%
Ti: < 0,1 , vorzugsweise 0,01 bis 0,08 Gew.-%
Sr: < 0,03, vorzugsweise 0,01 bis 0,03 Gew.-%
Cr: 0,3 bis 1 ,3, vorzugsweise 0,4 bis 1 ,0, 212
besonders bevorzugt 0,5 bis 0,8 Gew.-% Sonstige: < 0,1 Gew.-% und jeweils zu 100 Gew.-% mit AI ergänzt.
3. AI-Gusslegierung nach Anspruch 1 oder 2 oder nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 , dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich CuNi durch gleichzeitiges Zulegieren als weiterer Legierungsbestandteil enthalten ist, jeweils zu 100 Gew.-% mit AI ergänzt
4. AI-Gusslegierungen nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die daraus gegossenen Teile lösungsgeglüht sind zwischen 490 bis 5400C für 1 bis 10h.
5. AI-Gusslegierungen nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die daraus gegossenen Teile angelassen sind zwischen 150 bis 2000C für 1 bis 10h.
6. AI-Gusslegierungen nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierungen korngefeint sind.
7. Verwendung von Al-Gusslegierungen nach einem der vorhergehenden Ansprüche für Werkstücke, Bauteile oder Teile für beziehungsweise von Fahrwerksteilen von Kraftfahrzeugen.
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