Übereutektische Aluminium-Silizium-Legierungen für den Druckgießprozess. EUROGUSS 2014 Donnerstag, 16. Januar 2014

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1 Übereutektische Aluminium-Silizium-Legierungen für den Druckgießprozess EUROGUSS 2014 Donnerstag, 16. Januar 2014

2 Inhalt Ziel der Forschungsarbeit Stand der Technik Untersuchungsmethodik und Ergebnisse Anwendung des Rheogießverfahren Weiterer Ansatz: Verschleißbeständiger Druckguss aus eisenhaltigen, naheutektischen Legierungen Tribologische Vergleichsuntersuchungen Fazit und Ausblick GTA - Gießerei Technologie Aalen - ein Überblick

3 Zielsetzung des Forschungsvorhabens Anwendung des hochproduktiven Druckgießverfahrens bei der Verarbeitung der modifizierten Legierung AlSi17Cu4Mg zur Herstellung monolithischer Zylinderkurbelgehäuse durch: Ersatz von Phosphor als Kornfeinungsmittel durch Calcium und Zirkonium Gleichzeitige Feinung des Primärsiliziums und Veredelung des eutektischen Siliziums Ermittlung geeigneter Gießparameter Senkung der Ausscheidungstemperatur des Primärsiliziums Fertigungsorientierte Analyse und Bewertung der Warmrissneigung Klebeneigung Abrasionswirkung der Schmelze mechanischen Eigenschaften Gefügemorphologie Es handelt sich um ein gemeinschaftliches Forschungsprojekt zwischen dem Institut für Metallurgie der TU Clausthal und dem Gießereilabor der Hochschule Aalen.

4 Die übereutektische Legierung AlSi17Cu4Mg (A390) und ihre wesentlichen Gefügebestandteile Primärsilizium eutektisches Silizium α Aluminium Al 2 Cu

5 Stand der Technik: Heterogene Konzepte Eingießen von Lokasilschaumbuchsen im Squeezecastingverfahren hohes Preisniveau daher nur für das Premiumsegment Verfahren unproduktiver als Druckguss (Quelle: KS Aluminium-Technologie) Eingießen von GG-Buchsen unterschiedlicher Gestalt oder Beschichtung der Al-Laufflächen Spaltbildung zwischen Block und Buchse möglich höheres Gewicht der Zylinderkurbelgehäuse komplexerer Fertigungsprozess durch Einlegeteile (Quelle: KS Aluminium-Technologie)

6 Stand der Technik: Das monolithische Konzept Derzeit ist die Fertigung monolithischer Zylinderkurbelgehäuse aus AlSi17Cu4Mg an das Niederdruckkokillengießverfahren gebunden Die Feinung der Primärsiliziumausscheidungen bei gleichzeitiger Veredelung des eutektischen Siliziums ist beim derzeit üblichen Einsatz von Phosphor als Feinungsmittel auf Grund eines Vergiftungseffektes durch Strontium oder Natrium nicht möglich AlP und Al 2 Si 2 Sr heben sich in ihrer Wirkung auf P und Na reagieren zu Na 3 P Limitierende Faktoren bei der Verarbeitung der Legierung AlSi17Cu4Mg im Druckguss Hoher Verschleiß an Gießkammer und Gießkolben sowie den Anschnittbereichen des Gießwerkzeugs durch in der Gießkammer vorerstarrte Primärsiliziumkristalle Einsatz von Phosphor verhindert die Wirkung von Veredelungsmitteln Von einer hohen Warmrissanfälligkeit der Legierung wird berichtet Die niedrige Viskosität der Schmelze führt oftmals zum Spritzen der Gießwerkzeuge (Quelle: H. Binning, 2007) Mikroporosität in den Zylinderlaufbahnen führt zu einem hohem Ölverbrauch von Motoren (Quelle: R.J. Donahue)

7 Vorbereitung der Gießversuche: Design des Demonstratorgussteils 1. Versteifungsrippe 2. Warmrissteller 3. Taschengeometrie zur Untersuchung der Klebeneigung 4. Rohling einer Flachzugprobe 5. Kontraktionsbehinderte Stäbe zur Ermittlung des Warmrissverhaltens

8 Mechanische Eigenschaften der modifizierten Legierungsvarianten Spannungs-Dehnungs-Diagramm (700 C) Spannung [MPa] Serie 6B Serie 9B Serie 12B Serie 6+B Serie 9+B Serie 12+B ,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 1,1 1,2 Dehnung [%] Zugfestigkeiten aller Legierungsvarianten, vergossen bei 700 C. Erzielte Maximalwerte: 253 MPa; 0,2% Dehngrenze 207 MPa; Bruchdehnung 1 %

9 Beurteilung des Warmrissverhaltens Rissfreiheit Laut Simulationsergebnissen besteht eine große Wahrscheinlichkeit zum Auftreten von Warmrissen im vorgesehenen Bereich Aber: Rissfreiheit sämtlicher Warmrissanzeiger bei allen Versuchsserien

10 Gefügeuntersuchung: Anordnung des Primär-Si Korns in der Al-Matrix modifizierte Legierung Verteilung und Größe der Primärsiliziumkristalle bei der modifizierten Legierung und der Standardlegierung AlSi17Cu4Mg AlSi17Cu4Mg konventionell

11 Gefügeuntersuchung: Größenverteilung des Primär-Si Korns 60,00 µm 50,00 µm Korngrößenausdehnung [µm] 40,00 µm 30,00 µm 20,00 µm Korngrößenausdehnung (25%-Quartil) Korngrößenausdehnung (75%-Quartil) 10,00 µm 0,00 µm 6A 6B 6C 9A 9B 9C 12A 12B 12C 6+A 6+B 6+C 9+A 9+B 9+C 12+A 12+B12+C Versuchsserie AlSi17Cu4Mg + Ca AlSi17Cu4Mg + Ca + Zr Verteilung der Korngröße der Primärsiliziumkristalle bei den untersuchten Legierungsvarianten; Forderung der Industrie: Anteil µm min. 60% (Quelle: Volkswagen AG)

12 Gefügeuntersuchung: Veredelung modifizierte Legierung AlSi17Cu4Mg Veredelungsgrad gut bis sehr gut des eutektischen Siliziums bei der modifizierten Legierung nach Gefügerichtreihe von G.Chai, 1993

13 Diskussion der Ergebnisse Ausgezeichnete Gießbarkeit der modifizierten Legierung AlSi17Cu4Mg Kein Spritzen der Gießformen Es wurde kein außergewöhnlicher Formverschleiß beobachtet Feinung des Primärsiliziums bei gleichzeitiger Veredelung des Eutektikums ist prinzipiell möglich Ausreichende mechanische Eigenschaften Warmrissneigung beherrschbar aber: Inhomogene Größenverteilung des Primärsiliziums Die Ursache für das Auftreten von Primärsilizium-Clustern ist noch unbekannt Schwindungsporositäten

14 Abgießen von Zylinderkurbelgehäusen in Zusammenarbeit mit der Industrie Kaltkammerdruckgießmaschine mit 25 MN Schließkraft (Quelle: KS ATAG) VOLVO Zylinderkurbelgehäuse

15 Fazit aus den Praxisversuchen Ausgezeichnete Gießbarkeit der modifizierten Legierung AlSi17Cu4Mg auch bei der Herstellung komplexer Bauteile hinsichtlich Schmelzeführung im Schmelz- und Dosierofen Formfüllung ohne Spritzen keine ungewöhnlichen Verschleißerscheinungen an Gießwerkzeug und Gießkolben/Kammer Unzureichende Festigkeitseigenschaften durch Gas- und Schwindungsporositäten Verteilung des Primärsiliziums ungenügend Bestätigung der Erkenntnisse aus den Laborversuchen

16 Meilenstein: Einfluss der Gießgeschwindigkeit auf die Verteilung des Primärsiliziums Gießkolbengeschwindigkeit 3,5 m/s Gießkolbengeschwindigkeit 0,4 m/s Die Verteilung des Primärsiliziums ist bei kleiner Gießgeschwindigkeit (Geschwindigkeit der Schmelze im Anschnitt) homogener

17 Fließvermögen im Vergleich zur Legierung AlSi9Cu3 Kaltlauf und Fehlstellen Legierung AlSi9Cu3 modifizierte Legierung Bei gleichen Gießbedingungen wird die Platte (1 mm Dicke x 500 mm Länge) aus der modifizierten Legierung AlSi17Cu4Mg noch vollständig und fehlerfrei gefüllt. Nutzen: Geringere Strömungsgeschwindigkeiten ermöglichen homogene Verteilung des Primärsiliziums; gleichzeitig geringerer Formverschleiß und Gussgratbildung

18 Umsetzung der Erkenntnisse aus den Untersuchungen zum Einfluss der Gießgeschwindigkeit und der Fließlänge: Abgüsse im Rheocasting-Verfahren mit AlSi17Cu4Mg

19 Die Simulation mit Tracerelementen zeigt Verwirbelungen während der Formfüllung im grün markierten, verrippten Bereich der Testplatte

20 Ort der Gefügeaufnahme: Gefügeaufnahme eines Rheo-Teils aus der modifizierten Legierung AlSi17Cu4Mg(Ca,Zr) Gefügeaufnahme aus einem Testgussteil, hergestellt im konventionellen Druckgießverfahren (vollständig flüssig) aus der modifizierten Legierung AlSi17Cu4Mg (Ca,Zr)

21 Ort der Gefügeaufnahme: (Quelle: KS Aluminiumtechnologie) Gefügeaufnahme eines Rheo-Teils aus der modifizierten Legierung AlSi17Cu4Mg(Ca,Zr) Gefügeaufnahme aus einem Zylinderkurbelgehäuse, hergestellt im ND-Verfahren aus der klassischen Legierung AlSi17Cu4Mg mit Phosphor-Kornfeinung

22 Ergebnis: Die untersuchten Gefüge der Testgussteile zeigen eine ähnlich homogene Verteilung der Primärsiliziumpartikel wie Proben aus der Serienfertigung, die im Niederdruckkokillenguss hergestellt wurden Die Verteilung des Primärsiliziums ist homogener als im konventionellen Druckguss mit der selben modifizierten Legierung AlSi17Cu4Mg(Ca, Zr) Folgerung: Niedrige Gießgeschwindigkeit und höhere Viskosität der Schmelze führen zu homogeneren Gefügen hinsichtlich der Vermeidung von unerwünschten Primärsiliziumanhäufungen, auch in Bereichen, die während der Formfüllung Turbulenzen aufweisen Zusätzlicher Vorteil: Nahezu lunker- und porenfreies Gefüge, auch in dickwandigen Bereichen

23 Zweiter Ansatz zur Herstellung von verschleißbeständigem Druckguss Die Legierung AlSi14Cu3Fe1,8Cr0,6Zn1 Al-Mischkristall Eutektikum Primärsilizium Fe-Phase

24 Die Legierung AlSi14Cu3Fe1,8Cr0,3Zn1 im Druckguss Ergebnisse: Gute Festigkeitswerte Sehr gute Gießeigenschaften; ähnlich der Druckgusslegierung AlSi9Cu3 Die weitgehende Vermeidung von plattenförmigen β-al 5 FeSi Phasen ist möglich Blockförmige Eisenausscheidungen sind dem Primärsilizium sehr ähnlich

25 Tribologische Vergleichsuntersuchungen mit Schmiermittel 10W-40 Geschliffen mit 500er Körnung, gereinigt mit Ethanol Vorlast 10 N; Hauptlast 20 N Frequenz 100 Hz; Amplitude 0,5 mm Max. Reibkoeffizient: 1,0 0,25 µ r = 0,237 0,2 µ r = 0,196 µ r = 0,170 Reibkoeffizient 0,15 0,1 µ r = 0,127 µ r = 0,151 0,05 0 Druckguss AlSi17Cu4Mg ND-Kokillenguss Druckguss AlSi14Fe Rheo 20% Festanteil Rheo 40% Festanteil

26 GTA Gießerei Technologie Aalen GmbH Aktivitäten im Leichtmetall- und Eisenguss

27 Inhalt Leistungsspektrum der Gießerei Technologie Aalen GmbH Prototypenherstellung in allen gängigen Gusswerkstoffen Beratung vor Ort Bemusterungen von Gießwerkzeugen Herstellung von Kleinserien im Dauerformguss Anpassung von Gießprozessen an neue Werkstoffkonzepte Praxisschulungen zur Herstellung von Gusseisen- und NE-Metallguss Projektierung von Gusskonstruktionen in Zusammenarbeit mit Guss-Abnehmern Gezielte Gussfehleranalyse im Gießereiunternehmen

28 Prototypenherstellung - Eisenguss Zwischenstück GJL 250 Flansch GJL 250 Rohr GJS Achsgabel GJS 700-2

29 Prototypenherstellung - Eisenguss LKW Tragrahmen Fahrwerk Material: EN-GJS Stückgewicht: 65 kg

30 Prototypenherstellung - Eisenguss LKW Tragrahmen Fahrwerk Material: EN-GJS Stückgewicht: 65 kg Formstoff: Furanharzgebundener Quarzsand Kastenformat: 1000 mm x 1000 mm

31 Lasersinteranlage für Rapid-Prototyping Anwendungen

32 Gesinterte Sandform eines Pumpengehäuses

33 Gesinterte Sandkerne des Pumpengehäuses

34 Pumpengehäuse fertig bearbeitet Ölpumpengehäuse Material: EN-GJL 250 Stückgewicht: 5 kg

35 Prototypenherstellung - Legierungsauswahl Gusseisen Herstellung der Gusseisenlegierungen EN-GJL EN-GJS Neu: GJS (hochsiliziumhaltig)

36 Praxisschulung Eisenguss

37 Praxisschulung Eisenguss

38 Praxisschulung Eisenguss

39 Praxisschulung Eisenguss

40 Praxisschulung Eisenguss Nächster Termin am Februar 2014

41 Leichtmetall Sandguss Fertigung von Großkolben Material: AlSi12CuNiMg Stückgewicht: 9 kg

42 Magnesium Sandguss Laufrad Material: AZ 91 Stückgewicht: 2,5 kg

43 Druckgießmaschinen im Gießereilabor

44 Qualitätsüberwachung mittels Licht - Emissionsspektrometer

45 Werkstoffprüfung mittels Zugversuch

46 3-D Computertomographie

47 Zukunft: Bezug von Büroräumen im Innovationszentrum Aalen

48 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit Gießerei Technologie Aalen GmbH Beethovenstraße Aalen