Legierungsentwicklung für hochfesten Aluminiumguss in Dauerformgießverfahren für Fahrwerksanwendungen

Transkript

1 Legierungsentwicklung für hochfesten Aluminiumguss in Dauerformgießverfahren für Fahrwerksanwendungen Von der Fakultät für Georessourcen und Materialtechnik der Rheinisch-Westfälischen Technischen Hochschule Aachen zur Erlangung des akademischen Grades eines Doktors der Ingenieurwissenschaften genehmigte Dissertation, vorgelegt von Dipl.-Ing. Andreas G. R. Hennings aus Aachen Berichter: Univ.-Prof. Dr.-Ing. Andreas Bührig-Polaczek Univ. Prof. (em.) Dr.-Ing. Dr.-Ing. E.h. Peter R. Sahm Tag der mündlichen Prüfung: 22. November 2007

2

3 WICHTIG: D 82 überprüfen!!! Gießerei-Institut: Forschung, Entwicklung, Ergebnisse Band 56 Andreas G. R. Hennings Legierungsentwicklung für hochfesten Aluminiumguss in Dauerformgießverfahren für Fahrwerksanwendungen D 82 (Diss. RWTH Aachen) Shaker Verlag Aachen 2008

4 Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über abrufbar. Zugl.: Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2007 Copyright Shaker Verlag 2008 Alle Rechte, auch das des auszugsweisen Nachdruckes, der auszugsweisen oder vollständigen Wiedergabe, der Speicherung in Datenverarbeitungsanlagen und der Übersetzung, vorbehalten. Printed in Germany. ISBN ISSN Shaker Verlag GmbH Postfach Aachen Telefon: / Telefax: / Internet: info@shaker.de

5 Danksagung Die vorliegende Arbeit entstand während meiner Forschungstätigkeit am Gießerei- Institut der RWTH Aachen im Rahmen eines Forschungs- und Entwicklungsprojektes mit der Kloth-Senking Metallgießerei, Hildesheim. Ich möchte den Doktores Thomas Zeuner, Lars Würker, Dietrich Kahn und Klaus Greven für die Ermöglichung und die stete Unterstützung bei der Umsetzung dieses Forschungsprojektes danken. Herrn Professor Dr.-Ing. Andreas Bührig-Polaczek gilt mein Dank für seine weit über die Dissertationsarbeit hinausgehende Unterstützung und Förderung während meiner Tätigkeit als wissenschaftlicher Mitarbeiter am Gießerei-Institut. Herrn Professor em. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E.h. Peter R. Sahm danke ich für die Übernahme des Korefferates und die Inspiration, über Werkstoff- und Verfahrensgrenzen hinaus zu blicken. Herrn Prof. Dr.-Ing. Siegfried Engler verdanke ich die Vermittlung gießtechnologischer Kenntnisse, die den Keim für diese Arbeit darstellen. Weiterhin bedanke ich mich bei allen Mitarbeitern des Gießerei-Instituts und von ACCESS e.v. für die angenehme Zusammenarbeit, tatkräftige Unterstützung und Diskussion in diversen Forschungsthemen. Besonders herzlich danke ich, stellvertretend für alle Institutsangehörige, den Kollegen der Dauerformgussgruppe, besonders Martin Fehlbier, Gerald Klaus, Tilman Grimmig, Julio Aguilar, Carsten Afrath, Horst Bramann, Andreas Flesch, Roland Kahn, Olaf Klaassen, Christian Zechendorf und Dietmar Lembrecht. In gleichem Maß gilt mein Dank Elke Scharberger-Zimmermann und Michael Mathes für hervorragende Metallographie und Analytik. Uwe Vroomen, Björn Pustal und Daniel dos Santos danke ich für exzellentes Miteinander in mannigfaltigen Projekten; Annemarie Grabus und Christof Dahmen für erfolgreiche und schöne gemeinsame AGIFA-Aktivitäten. Großer Dank ergeht an mein Team aus Diplomanden und studentischen Hilfskräften, deren hohe Einsatzbereitschaft entscheidend zum Gelingen der Projekte beigetragen hat, speziell seien Elvira Ivanova, Bence Szalai, Philipp Wedekind, Matthias Jakob, Thomas Dichter, Christian Oberschelp und Markus Lukasson genannt. Letztendlich gilt mein Dank auch meinen Eltern und Brüdern, deren Gelassenheit und Rat mich während meiner Studien- und Forschungszeit begleitet hat.

6

7 0 Kurzfassung Seite I bis XXVII 1 Einleitung und Motivation Seite 1 2 Stand der Technik Verarbeitung von Aluminium in Dauerformgießverfahren Schwerkraft-Kokillengießen Niederdruckgießen und Niederdruck-Gegendruckgießen Druckgießen Dauerform-Sondergießverfahren und heißisostatisches Pressen Hochfeste wirtschaftliche Aluminium-Legierungen Aluminium Werkstoffe 16 Kriterien zur Werkstoffauswahl 16 Aluminium-Knetlegierungen Aluminium-Gusslegierungen 20 Aushärtbare, feste und duktile Gusslegierungen 21 Naturharte feste und duktile Al-Gusslegierungen 21 Erstarrungsverhalten und gießtechnologische Eigenschaften Das Gussgefüge des Systems Al-Si und seiner Legierungen 26 Der -Mischkristall 27 Die eutektische Phase (Al-Si) 28 Sekundäre intermetallische Phasen in AlSi-Legierungen 30 Mehrphasendiagramme basierend auf dem System Al-Si Kornfeinung - Veredelung Schmelzebehandlung 34 Kornfeinung untereutektischer AlSi-Legierungen 34 Veredelung untereutektischer AlSi-Legierungen 38 Schmelzereinigung 42 Überwachung der Al-Schmelzequalität Ausscheidungshärtung und Wärmebehandlung 46 Metallkundliche Grundlagen der Aushärtung 46 Wärmebehandlung von AlSi-Gusslegierungen 48

8 3 Konzeption der Legierungsentwicklung Anforderungen an Aluminium-Gussbauteile für das Fahrwerk Strategie zur Entwicklung einer hochfesten Al-Gusslegierung Methodik der Legierungsentwicklung Methodische Vorgehensweise zur innovativen Al-Legierungsentwicklung Ablauf der Legierungsentwicklung Gießverfahren, Prinzipgeometrien, Bauteile 61 Gießverfahren 62 Prinzipgeometrien 62 Fahrwerkskonsole und Radträger als reale Bauteile Thermodynamische Modellierung Charakterisierung von Proben 78 4 Modifikation von AlSi-Legierungen und experimentelle Untersuchung Variation des Magnesiumgehaltes 83 Voruntersuchungen zum Mg-Einfluss in Si-armen Al-Gusslegierungen 84 Thermodynamische Modellierung zur maximalen Löslichkeit von Mg 86 Bildungstemperaturen der Phasen in Si-armen AlSiMg-Legierungen 91 Einfluss hoher Mg-Gehalte auf mechanischen Eigenschaften von AlSi-Legierungen Einfluss des Eisengehalts und Beeinflussung Fe-haltiger Phasen durch Legierungsgehalt an Mg, Sr, Mn, Cr, Co, Be sowie Wärmebehandlung Verringerung des Siliziumgehaltes Theoretische Ableitungen zur gießtechnologischen Verarbeitung von Si-armen Al-Gusslegierungen in Dauerformgießverfahren 102 Ableitung gießtechnologischer Eigenschaften: Erstarrungsmorphologie, Fließvermögen, Formfüllungsvermögen Gießtechnologische Eigenschaften Si-armer Al-Gusslegierungen 105 Bestimmung des Fließvermögens 105 Abkühlkurve von AlSi3Mg0,6 ermittelt mit der französischen Kokille 108 Weitere Betrachtungen zu gießtechnologischen Eigenschaften 109

9 4.3.3 Untersuchungen zur gießtechnologischen Verarbeitung von AlSi3Mg0,6 in unterschiedlichen Dauerformgießverfahren 109 Gießtechnologische Verarbeitung im Schwerkraft-Kokillengießen (PQ 24) 110 Gießtechnologische Verarbeitung im CPC-Verfahren (PQ 46) 111 Gießtechnologische Verarbeitung im Druckgießen (Stufenplatte) mechanische Eigenschaften Si-armer Legierungen in unterschiedlichen Dauerformgießverfahren 116 Mechanische Eigenschaften der Legierung AlSi3Mg0,6 im Druckgießen 117 Mechanische Eigenschaften von AlSi3Mg0,6 im Franz. Zugstab 120 Mechanische Eigenschaften von AlSi3Mg0,6 im realen Bauteil Diskussion des metallographischen Gefüges von AlSi3Mg0,6 126 Gefüge von AlSi3Mg0,6 unter dem Lichtmikroskop 126 REM-Untersuchungen und EDX-Analyse Einfluss von Kornfeinung, Veredelung und Spülgasbehandlung Definition der AlSi3Mg0,6-Legierungsspezifikation Einfluss weiterer Legierungsbestandteile auf die Legierung AlSi3Mg0, Einfluss eines Zulegierens von Kupfer Einfluss eines Zulegierens von Nickel sowie Kupfer und Nickel Einfluss eines Zulegierens von Chrom Schlussfolgerungen und Ausblick Literaturverzeichnis Zusammenfassung und Abstract Lebenslauf 183