9. Leichtbauwerkstoffe

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1 9. Leichtbauwerkstoffe 9.1 Aluminiumlegierungen 9.2 Magnesiumlegierungen 9.3 Titanlegierungen

2 Formleichtbau Reduzierung des Stoffeinsatzes mit konstruktiven Mitteln. Stoffleichtbau Substitution von spezifisch schwereren durch leichtere, höherfeste Werkstoffe. Verbundleichtbau Berechnung und Simulation Kombination unterschiedlicher Werkstoffe, die im Verbund zu hoher Steifigkeit und Tragfähigkeit bei minimalem Gewicht führen. Adaptiver Leichtbau Bauteilintegrierte Sensorik und Aktorik, z.b. zur aktiven Schwingungsdämpfung im Flugzeug- und Fahrzeugbau. nach Haldenwanger Werkstoff Bauteil Verfahren Schwerpunktthema Leichtbau

3 Metallische Werkstoffe Eisenwerkstoffe Nichteisen (NE) - Metalle Gusseisen Stahl Leichtmetalle Schwermetalle Edelmetalle Aluminium Kupfer Gold Magnesium Titan Blei Nickel Zink Silber Platin Zinn

4 Eigenschaft Al Fe Mg Ti Cu Dichte [g/cm 3 ] 2,7 7,87 1,74 4,5 8,3 E-Modul [N/mm 2 ] Schmelztemperatur [ C] Kristallgitter (RT) kfz krz hex hex kfz Ausdehnungskoeffizient [1/K] Wärmeleitfähigkeit [W/(m K)] , ,9 401 Vergleich metallische Werkstoffe

5 Sauerstoff (45,5 %) Silizium (27,2 %) Aluminium (8,3 %) Eisen (6,2 %) Calzium (4,66 %) Magnesium (2,76 %) Natrium (2,27 %) Kalium (1,84 %) Titan (0,63 %) Wasserstoff (0,15 %) Häufigkeit der Elemente in der Erdkruste in Ma.-% Definition Leichtmetalle: Dichte 4,5 g/cm entdeckt, seit 1860 industrieller Einsatz Aluminium kommt in der Natur häufig als Aluminiumsilikat vor Reines Al 2 O 3 kommt nur selten vor, häufiger kommt Aluminium im Bauxit vor Bauxit ist ein Gemenge von Tonerdemineralien (Aluminiumoxiden und Aluminiumhydroxiden), welche zusätzlich oft noch durch andere Minerale verunreinigt sind Technisch wird Aluminium durch Schmelzflusselektrolyse hergestellt Energieaufwand zur Herstellung von Aluminium beträgt ca KWh/kg

6 Weltproduktion an Nichteisenmetallen

7 mm Stahl: Masse 1,7 kg N (E-Modul MPa) mm Al-Guss: Masse 1,2 kg N (E-Modul MPa) mm 1000N Mg-Guss: Masse 1,0 kg (E-Modul MPa) 16 Quelle: ZF Masse und Abmessungen eines Trägers konstanter Steifigkeit aus unterschiedlichen Werkstoffen Bei der Auslegung von Bauteilen nach Steifigkeit wirken sich die unterschiedlichen Elastizitätsmoduli der Werkstoffe aus In der Reihenfolge Stahl - Aluminium - Magnesium müssen daher größere Querschnitte bzw. Widerstandsmomente ausgeführt werden, die den Vorteil der geringeren Dichte zum Teil wieder aufheben

8 Festigkeit, σ [MPa] Festigkeit-Dichte Metalle und Polymere: Streckgrenze Keramik: Druckfestigkeit Elastomere: Zug-Reißfestigkeit Verbundwerkstoffe: Zugversagen Faserverbundwerkstoffe Mg Leg. Ti Leg. Al Leg. Technische Polymere Ingenieur -keramik Stähle Technische Legierungen 1 Polymerschäum e Elastomere 0,1 0,1 0,3 1, Dichte, ρ [g/cm 3 ] Potenzial von Leichtbauwerkstoffen

9 Gewicht 1324 kg Ausstattung Sicherheit Komfort + 14,39 % + 12,82 % 1174 kg - 1,7 % 1154 kg Fahrleistung 1005 kg Qualität + 6,97 % ,11 % 775 kg 935 kg tatsächliche Gewichtsentwicklung Leergewicht mit Basismotorisierung und Grundausstattung mögliche durchschnittliche Gewichtsentwicklung Gewichtsentwicklung VW Golf Baujahr

10 Start: Film Autos leicht gemacht Autos leicht gemacht

11 Getriebegehäuse Motorblock Felgen Kolben Turbolader Al-Komponenten im Fahrzeugbau Motoren aus Aluminium: Von einem Aluminiummotor spricht man, wenn nicht nur der Zylinderkopf, sondern auch das Zylinderkurbelgehäuse aus Aluminium besteht Für die aufgeführten Bauteile werden meistens Aluminium-Gusswerkstoffe in Form von Legierungen mit Silizium- und Kupfergehalt verwendet Die Zahl der Aluminiumkomponenten nimmt fortlaufend aufgrund von Gewichtsvorteilen und der Zuverlässigkeit des Werkstoffs zu

12 Al-Knetlegierungen zur Herstellung von Halbzeugen Prozesskette: Formate gießen Hochglühen Warmumformen Halbzeug ( Wärmebehandlung Zerspanen etc.) wichtige Eigenschaft: plastische Verformbarkeit geringe Gehalte an Legierungselementen überwiegender Gefügebestandteil: Al-Mischkristall Al-Gusslegierungen zur Herstellung von Formgussteilen Prozesskette: Formen gießen ( Wärmebehandlung etc.) wichtige Eigenschaft: Gießbarkeit höhere Gehalte an Legierungselementen, nahe der eutektischen Zusammensetzung überwiegender Gefügebestandteil: Eutektikum Aluminium- Knetlegierungen/ Gusslegierungen

13 Aluminiumknetlegierungen (DIN 1725/T1) Aluminiumgusslegierungen (DIN 1725/T2) Al Mn Si Mg Cu Zn AlMg AlMn AlMgMn AlMgSi AlCu AlCuMg AlZnMg AlZnMgCu Al Si Mg Cu AlSi AlSiMg AlSiCu AlMgSi AlMg AlCu Hauptlegierungselemente in Aluminium sind Kupfer, Silizium, Magnesium, Zink, Mangan nach H. W. Bergmann Einteilung von Aluminium- Werkstoffen Verfestigungsmechanismen: Eine Festigkeitssteigerung von Aluminiumlegierungen wird durch die folgenden Mechanismen erzielt: Mischkristallverfestigung Korngrenzenverfestigung alle Legierungssysteme Versetzungsverfestigung Teilchenverfestigung nur aushärtbare Legierungssysteme

14 Legierungssystem Bezeichnung nach Aluminium- Association (AA) Zusammensetzung Aushärtbarkeit Al 1XXX Al 99,0 % nicht aushärtbar AlCu 2XXX 3,5-5,5 % Cu aushärtbar AlMn 3XXX < 1,5 % Mn nicht aushärtbar AlSi 4XXX nicht aushärtbar AlMg 5XXX 0,5-5,5 % Mg nicht aushärtbar AlMgSi 6XXX 0,3-1,5 % Mg 0,2-1,6 % Si aushärtbar AlZnMg 7XXX 6-7 % Zn + Mg aushärtbar Al-andere 8XXX Legierungstypen von Aluminium-Knetlegierungen Aluminiumknetlegierung: Aluminiumlegierungen, welche durch Umformen (Walzen, Strangpressen) bearbeitet werden Bereits geringe Zusätze der Legierungselemente Magnesium, Silizium, Kupfer, Zink und Mangan ändern die Eigenschaften des reinen Aluminiums Insbesondere werden Festigkeit und Härte gesteigert, die elektrische Leitfähigkeit gesenkt Aluminium Knetlegierungen werden aufgrund ihrer hohen Festigkeit und geringen Dichte als Werkstoffe für Transportbehälter sowie Konstruktionsteile im Fahrzeugbau, Flugzeugbau, und Schiffbau verwendet

15 Gefüge Aluminium-Knetlegierung AlZn6CuMgZr

16 Legierungssystem Bezeichnung nach Aluminium- Association (AA) Zusammensetzung Aushärtbarkeit Al 1XXX Al 99,0 % nicht aushärtbar AlCu AlSiCu AlSiMg 2XXX 3XXX 4-5 % Cu aushärtbar AlSi 4XXX 5-20 % Si nicht aushärtbar AlMg 5XXX 3-12 % Mg nicht aushärtbar AlZnMg AlSn Al-andere 7XXX 8XXX 9XXX 4-10 % Si 1-4 % Cu 5-10 % Si 0,3-0,5 % Mg 4-7 % Zn 0,3-0,5 % Mg aushärtbar aushärtbar aushärtbar Legierungstypen von Aluminium-Gusslegierungen Aluminiumgusslegierungen: Aluminium kann im schmelzflüssigen Zustand mit Kupfer, Magnesium, Silizium, Eisen, Titan, Beryllium, Chrom, Zink, Zirkon und Molybdän legiert werden, um Eigenschaften zu fördern oder zu unterdrücken Aluminium-Silizium Legierungen mit etwa 12% Silizium (T s 600 C) weisen hervorragende Gießeigenschaften (Viskosität, geringe Schwindung), hohe Festigkeiten, gute Schweißeignung und hohe Korrosionsbeständigkeit auf Anteile an Magnesium und Kupfer erhöhen die Festigkeit; Kupfer verringert jedoch die Korrosionsbeständigkeit (interkristalline Korrosion) Aluminiumgusslegierungen werden als Werkstoffe z.b. für Motorengehäuse und Getriebegehäuse im Fahrzeug und Flugzeugbau eingesetzt

17 Al-Mischkristall Eutektikum Al-Mischkristall + Si Gefüge Aluminium-Gusslegierung AlSi7Mg0,

18 Aluminium- Halbzeuge: Bänder, Folien, Bleche, Profile

19 Produkt Matrize Block Pressscheibe Aufnehmer Stempel Direktes Strangpressen Produkt Stempel Aufnehmer Pressscheibe Block mit Matrize Verschlussstück Indirektes Strangpressen Quelle: Aluminium-Taschenbuch Strangpressverfahren Direktes Strangpressen: Der auf ca C aufgewärmte Bolzen (Block) wird in den Rezipienten eingelegt und mit dem hydraulisch betriebenen Stempel durch die formgebende Matrize gepresst Block und Werkzeug bleiben feststehend Der austretende Strang (das Profil) wird abgekühlt bzw. abgeschreckt, um einerseits die Festigkeit zu erhöhen und gleichzeitig eine nachträgliche Verformung durch das Eigengewicht des heißen Stranges zu verhindern Indirektes Strangpressen: vorwiegend für schwer pressbare Stangen in Bohr- und Drehqualität Profilquerschnitt ist bei sonst gleicher Pressengröße kleiner, da sich die Matrize innerhalb des Rezipienten (Aufnehmer) befindet Bei diesem Verfahren wird der Pressstempel mit der Matrize gegen den Pressbolzen in den Rezipienten gepresst

20 Da der Bolzen im Rezipienten nicht bewegt wird, entstehen weniger Reibungskräfte, so dass die zur Verfügung stehende Presskraft voll ausgenutzt werden kann Strangpressen über Dorn: Nahtlose Hohlprofile (Rohre) werden über einen mitlaufenden oder über einen feststehenden Dorn (mit Dornspitze) nach dem indirekten oder direkten Pressverfahren hergestellt Der Block ist bei größeren Querschnitten vorgelocht Bei kleineren Abmessungen wird der Dorn durch den Pressbolzen getrieben Der Dorn bildet die Innenkontur, die Matrize die Außenkontur des Rohres

21 Pressstempel Aufnehmer Produkt fest stehender Dorn Auswerferstempel Quelle: Aluminium-Taschenbuch Fließpressen eines Napfs Fließpressen: Das Fließpressen gehört in die Hauptgruppe "Druckumformen" und bildet zusammen mit dem Strangpressen und dem Verjüngen die Gruppe Durchdrücken In der Herstellung von Formteilen hat das Fließpressen in der Aluminiumindustrie eine große Bedeutung Ein Rohling (als Ronde, Butze oder Platine bezeichnet) wird in ein Gesenk (Matrize) gelegt und mit einem Pressstempel eingepresst Der Werkstoff wird dabei plastisch verformt, er fließt durch überwiegend axiale oder radiale Materialverdrängung (axiale und radiale Druckspannung) durch Öffnungen im Gesenk, im Stempel selbst oder dazwischen und bildet so die gewünschte Form ab

22 Ätzung nach Barker, Polarisationsmikroskopie Gefüge der Legierung AlCuMg2 nach Warmumformung Beim Warmumformen werden die Körner des Gefüges je nach Umformvorgang gestreckt oder abgeplattet Eine Rekristallisation ist in der Regel unerwünscht, da die Streckung der Körner eine Verbesserung der mechanischen Eigenschaften in Richtung der Streckung bewirkt Zur Verhinderung der Rekristallisation werden den Knetlegierungen bestimmte Legierungselemente zugesetzt, welche die Rekristallisationstemperatur erhöhen

23 W lösungsgeglüht T1 warmumgeformt + abgeschreckt + kaltausgelagert T2 warmumgeformt + abgeschreckt + kaltumgeformt + kaltausgelagert T3 lösungsgeglüht + abgeschreckt + kaltumgeformt + kaltausgelagert T4 lösungsgeglüht + abgeschreckt + kaltausgelagert T5 warmumgeformt + abgeschreckt + warmausgelagert T6 lösungsgeglüht + abgeschreckt + warmausgelagert T7 lösungsgeglüht + abgeschreckt + warmausgelagert (überaltert) T8 lösungsgeglüht + abgeschreckt + kaltumgeformt + warmausgelagert O weichgeglüht Wärmebehandlungszustände von Al- Legierungen Die Wärmebehandlungszustände von Al-Legierungen unterliegen einer einheitlichen Kurzbezeichnung

24 T (1) (2) (3) (4a) RT (4b) t (1) Hochglühen (nur bei Gusslegierungen) (2) Lösungsglühen (3) Abschrecken auf RT (4a) Warmauslagerung (4b) Kaltauslagerung bei RT Wärmebehandlung von Al-Legierungen

25 Temperatur Hochglühen 10 µm 10 µm im Gusszustand Gießen nach Hochglühung (600 C) Einfluss des Hochglühens Primärausscheidungen (AlMn) Hochglühen: Gussgefüge stellt für die Warmumformung einen ungünstigen Zustand dar Primärausscheidungen bilden ein starres Gerüst, welches die Umformung behindert Abkühlungsgeschwindigkeit ist beim Gießen im Allgemeinen so hoch, dass viele Elemente im Mischkristall angereichert sind und eine entsprechende Mischkristallverfestigung verursachen Vor der Warmumformung wird in der Regel ein Hochglühen bei einer Temperatur zwischen 550 und 630 C durchgeführt Primärausscheidungen werden "eingeformt", das heißt sie verlieren ihre scharfkantige Form und verbessern dadurch die Umformbarkeit

26 Rekristallisationsvorgang

27 T( C) ~ 4% α T 1 α+s T 1 : Lösungsglühtemperatur T 2 : Warmauslagerungstemperatur Schmelze θ+s α+θ θ = Al 2 Cu Al T 2 5, Gew.-% Cu Al-Cu-Phasendiagramm Ausscheidungshärten einer Al-Cu-Legierung: Lösungsglühen im -Gebiet unterhalb der eutektischen Temperatur (T 1 ) Abschrecken auf Raumtemperatur (z.b. in Wasser): Übersättigter Mischkristall Cu bleibt zwangsgelöst Auslagern (T 2 ) Ausscheidung von metastabilen Teilchen

28 kohärent teilkohärent inkohärent Zusammenhang des Gitters gegeben, stark verzerrt, starkes Kohärenzspannungsfeld Zusammenhang des Gitters nicht mehr lückenlos gegeben, Kohärenzspannungsfeld schwächer Kein Zusammenhang des Gitters Phasengrenzen zwischen Matrix und Teilchen Kaltauslagerung: Die bei Raumtemperatur stattfindende Kaltauslagerung kann legierungsabhängig bereits zur Bildung von Ausscheidungen führen, die Guinier-Preston- Zonen genannt werden Bei diesen kohärent vorliegenden Ausscheidungen ist der Zusammenhang des Gitters noch gegeben, aber stark verzerrt Durch die Anpassung des Wirtsgitters an das abweichende Gitter der Ausscheidung ist die Matrix in einem großen Bereich um die Ausscheidung verspannt Da gleitende Versetzungen dieses Kohärenzspannungsfeld nur mit zusätzlichem Energieaufwand überwinden können, wird das Auftreten dieser Guinier- Preston-Zonen von einer Steigerung der Härte, der Zugfestigkeit und der 0,2%-Dehngrenze begleitet

29 Warmauslagerung: Die Warmauslagerung findet legierungsabhängig bei höheren Temperaturen von ungefähr 100 C bis 200 C statt Dabei bildet sich über eine Reihe metastabiler, teilkohärenter Phasen die Gleichgewichtsphase Teilkohärente Phasen können an das Wirtsgitter nicht mehr lückenlos angepasst werden Das Kohärenzspannungsfeld ist hier schwächer Charakteristisch für das Warmaushärten ist ein im Vergleich zum Kaltaushärten rascherer Anstieg der mechanischen Eigenschaften, was i.d.r. auch zu höheren Maximalwerten führt

30 Fließspannung MPa C 190 C 205 C 260 C 230 C 105 C 135 C 150 C 0,01 0, min 1 d 1 We 1 Mon 1 J Auslagerungsdauer (h) Quelle: ASM Auslagerungsverhalten der Aluminiumlegierung AlCu4SiMg

31 T( C) lg(t) übersättigter Mischkristall kohärente Ausscheidungen (GPI-Zonen) kohärente Ausscheidungen (GPII-Zonen) teilkohärente Ausscheidungen (θ -Phase) inkohärente Ausscheidungen (θ-phase) nach Macherauch Ausscheidungssequenz einer Al-Cu-Legierung Ausscheidungssequenz Al-Cu: 1. Übersättigter Mischkristall 2. Kohärente Ausscheidungen, GPI-Zonen (Guinier-Preston): einzelne monoatomare Kupferschichten 3. Kohärente Ausscheidungen, GPII-Zonen: mehrere monoatomare Kupferschichten 4. Teilkohärente Ausscheidungen, -Phase (Al 2 Cu) 5. Inkohärente Ausscheidungen, -Phase: (Al 2 Cu), stabil

32 Kelly-Fine-Mechanismus Gleitebene s b Orowan-Mechanismus l s s b Kelly-Fine-Mechanismus: Neben der Art der Phasengrenze beeinflusst die Größe der Ausscheidungen und der Abstand zwischen den Teilchen die Festigkeitssteigerung entscheidend Kleine, kohärent vorliegende Teilchen mit geringem Abstand zueinander stellen Hindernisse in ihrer Gleitebene dar Die Weiterbewegung der Versetzungen erfordert eine höhere Fließspannung Unter der Wirkung der höheren Fließspannung baucht sich die Versetzung zwischen zwei Teilchen aus und vergrößert damit unter Erhöhung der Gitterverzerrung ihre Länge Die Versetzung dringt bei weiter steigender Fließspannung in das Teilchen ein, durchwandert es und schneidet es durch Abscheren Durch die irreversible Verschiebung der Teilchenhälften verringert sich der verfestigende Teilchenquerschnitt in der Gleitebene und es tritt eine Entfestigung auf, so dass die Versetzungsbewegung bevorzugt auf solchen Gleitebenen mit geschnittenen Teilchen stattfindet

33 Dies führt zu einer ungleichmäßigen Verteilung der Verformung mit wenigen großen Gleitstufen (sog. Grobgleitung) Orowan-Mechanismus: Mit zunehmender Teilchengröße wird die Bewegung der Versetzungen zunehmend behindert Da die Gesamtmasse der Ausscheidungen durch die Löslichkeit der Legierungselemente begrenzt ist, wird bei größeren Teilchen auch der mittlere Abstand zwischen den Teilchen größer In diesem Fall können die Teilchen leichter von den Versetzungen umgangen werden Der Umgehungsmechanismus findet bei großen inkohärenten Teilchen bevorzugt statt Die Umgehung kommt dadurch zustande, dass sich bei fortschreitender Ausbauchung die beiden ungleichen Teilstücke der Versetzung hinter dem Teilchen nähern, im Berührungspunkt auslöschen und sich so unter Abschnürung eines Versetzungsringes vom Teilchen lösen Der um das Teilchen entstandene Versetzungsring wirkt auf nachfolgende Versetzungen wegen des gleichen Vorzeichens abstoßend, vergrößert also den effektiven Teilchendurchmesser Es findet eine zunehmende Verfestigung in der Gleitebene statt Als Folge werden andere Gleitebenen für die Versetzungsbewegung in Anspruch genommen, und es kommt zu einer gleichmäßigen Verteilung der Verformung auf viele Gleitsysteme und zur Bildung vieler kleiner Gleitstufen (sog. Feingleitung)

34 Fließspannung in MPa GPII GPI Überalterung viele kleine Teilchen werden von Versetzungen geschnitten wenige große Teilchen werden von Versetzungen umgangen Ausscheidungsverfestigung beim Warmauslagern der Legierung AlCu4 Bewegung der Versetzungen wird am stärksten behindert, wenn ein Schneiden der Teilchen genauso wahrscheinlich ist wie ein Umgehen Dieser Ausscheidungszustand ergibt die höchsten Festigkeitswerte Die optimale Teilchengröße wird über die Auslagerungstemperatur und -zeit gesteuert Bei höheren Auslagerungstemperaturen und zu langer Auslagerungszeit sinkt die Festigkeit, weil die Teilchen koagulieren und dadurch die Anzahl zu gering wird (Überalterung) Zu kleine Teilchen stellen kein hinreichendes Hindernis für die Versetzungsbewegung statt, man spricht von unteralterten Legierungen

35 Änderung der Dehngrenze Teilchenhärtung Kohärenz-Spannungen 0 Aushärtungskurve Mischkristallverarmung Auslagerungsdauer Dehngrenzenänderung in Abhängigkeit der Auslagerungsdauer Aushärtungskurve: Der größte Beitrag der Aushärtung entfällt auf die Teilchenhärtung, deren Betrag mit zunehmender Ausscheidungsdichte ansteigt und bei längerer Auslagerung infolge der Koagulation der Ausscheidungen, verbunden mit zunehmendem Teilchenabstand (Überalterung), wieder abfällt Zu der Ausscheidungshärtung addiert sich der durch die Kohärenzspannungen erzeugte Betrag Die Verarmung des Mischkristalls an Legierungselementen infolge der Ausscheidungsvorgänge bewirkt eine Erniedrigung des Formänderungswiderstandes

36 Wechselfestigkeit [N/mm²] s W = 0,5 R m nicht ausgehärtet ausgehärtet Zugfestigkeit [N/mm²] Wechselfestigkeit als Funktion der Zugfestigkeit Durch Ausscheidungshärtung lassen sich Härte, Dehngrenze und Zugfestigkeit von Aluminiumlegierungen erheblich steigern Wechselfestigkeit lässt sich jedoch nur geringfügig verbessern Durch eine Reduzierung der Primärausscheidungen kann die Wechselfestigkeit positiv beeinflusst werden

37 Risszähigkeit K Ic [N/mm 3/2 ] AlMg AlMgMn AlMgSi AlZnMgCu Fe+Si<0,3% AlCuMg AlZnMgCu AlZnMg R p0,2 [N/mm²] Risszähigkeit als Funktion der Dehngrenze Risszähigkeit verhält sich im Allgemeinen gegenläufig zur Festigkeit, und kann durch eine Reduzierung der Primärausscheidungen positiv beeinflusst werden Durch geeignete Wärmebehandlungen lassen sich in aushärtbaren Aluminiumlegierungen Gefügezustände erzeugen, die sich durch eine gleichmäßige und feine Verteilung einer zweiten Phase im Aluminiummischkristall auszeichnen und eine erhebliche Steigerung der Streckgrenze, der Zugfestigkeit und der Härte verursachen Ungleichmäßige Verteilungen der aushärtenden Phasen wirken sich besonders negativ auf die Zähigkeit und die Schwingfestigkeit aus