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10.09.2008

Einflussgrößen auf die Eigenschaften von Magnesiumdruckgussteilen

Prof. Dr. Dr. h.c. F. Klein - Arbeitsgemeinschaft Metallguss - Aalen

1. Einleitung

Gussprodukte haben weltweit eine ständig zunehmende Bedeutung. Die größten Abnehmer sind zurzeit die Automobilindustrie, der Maschinenbau, die Elektroindustrie, die Telekommunikation u.a.

In der Automobilindustrie haben Gusserzeugnisse in der Zukunft vor allem durch den Einsatz der Leichtmetalle Aluminium und Magnesium breite Einsatzgebiete im Motoren- und Getriebebau, bei der Karosserieherstellung und im Fahrzeuginnenbereich.

Die Entwicklung von Gussprodukten für die Automobilindustrie wird durch folgende Anforderungen gekennzeichnet:

Werkstücke sollen
• Leicht,
• Sicher,
• Schnell,
• Formgebungsfreundlich,
• Preiswert,
• Energiesparend,
• Umweltschonend,
konstruiert und hergestellt werden.

Aus einem Guss war schon immer eine positive Kennzeichnung eines Bauteiles und des Fertigungsverfahrens – Gießen.

Gegossene Bauteile müssen alle an sie gestellten Anforderungen erfüllen. Die Eigenschaften von Gussteilen hängen ab von

- der Geometrie der Teile
- der Legierung/Werkstoff
- den Herstellungsbedingungen/Fertigungsparameter
- den Nachbehandlungsverfahren wie z.B. Auslagerungsbedingungen, Wärmebehandlungen usw.

Für Druckgussteile ist der Einfluss der Fertigungsparameter außerordentlich groß, es ist weit größer als die der übrigen Einflussgrößen.

Bei genauer Kenntnis der Fertigungsparameter auf die geforderten Eigenschaften können die Prozesse punktgenau entwickelt werden. Die Kenntnis der Fertigungsparameter auf die unterschiedlichen Eigenschaften ist zur Zeit nicht Stand der Technik.

2. Fertigungsbedingungen beim Druckgießen

Das Druckgießverfahren unterscheidet sich gegenüber den konventionellen Gießverfahren Sandgießen, Kokillengießen, Feingießen usw. durch die Fertigungsbedingungen.

• Die Formfüllzeit (Formfüllphase) ist außerordentlich kurz, sie liegt zwischen 5 ms bis 60 ms je nach Legierung, Bauteilgröße und vor allem der Wanddicke der Gussteile. In der kurzen Formfüllzeit kann der Formhohlraum nicht entlüftet werden, die Luft wird eingeschlossen. Nach Möglichkeit sollte die Formfüllzeit so gewählt werden, dass die Erstarrung erst nach erfolgter Formfüllung beginnt, was jedoch nicht möglich ist. Es muss grundsätzlich davon ausgegangen werden, dass ein Teil bereits während der kurzen Formfüllzeiten erstarrt.

• Die Strömungsgeschwindigkeit der Schmelze im Formhohlraum ist groß. Im Anschnittbereich kann sie genau angegeben werden. Derzeit kann auch durch eine genaue Simulation der Formfüllvorgänge die örtliche Geschwindigkeit berechnet werden, dies setzt jedoch eine sehr gute Genauigkeit der Formfüllvorgänge voraus. Sie liegt einstellbar im Bereich zwischen 20 bis 100 m/s, gelegentlich können auch deutlich höhere Geschwindigkeiten erzielt werden, was jedoch wegen der dadurch eingeschränkten Lebensdauer der Druckgießform nicht erwünscht ist. Die örtliche Geschwindigkeit hat einen Einfluss auf den Wärmeübergang und somit auf die Gefügeausbildung und die mechanischen Kennwerte.

• Der Nachdruck nach beendeter Formfüllung, unter dem die Schmelze erstarrt, ist einstellbar im Bereich zwischen 400 bis 1500 bar bei Kaltkammerdruckgießmaschinen. Er ergibt sich aus der Gießkraft der Druckgießmaschine bezogen auf die Gießkolbenquerschnittsfläche bei Fertigung der Teile.

• Die Formtemperatur liegt in der konturgebenden Oberfläche im Bereich zwischen 180- bis 260 °C. Durch die Abhängigkeit der Erstarrungszeit von der örtlichen Formtemperatur liegt ein erheblichen Einfluss auf unterschiedliche Qualitätseigenschaften der Teile bzw. auf das Auftreten von Fehlern wie Kaltfließstellen, Lunker usw. vor.<break>

3. Die Eigenschaften von Druckgussteilen

3.1. Eigenschaften metallischer Werkstoffe

Metallische Werkstoffe werden eingesetzt zum einen wegen ihrer physikalischen Eigenschaften, zum anderen wegen ihrer hervorragenden mechanischen Eigenschaften, sowie den hervorragenden Formgebungseigenschaften. Es kann jede gewünschte Geometrie abgebildet werden.

Nachfolgend werden einige wesentliche Fertigungsbedingungen bei der Herstellung von Druckgussteilen besprochen, die einen erheblichen Einfluss auf die Festigkeitseigenschaften der Druckgussteile haben und zwar am Beispiel der Magnesiumlegierungen AZ 91 und AM 50.

3.2. Eigenschaften der Druckgussteile

Neben
- der Maßhaltigkeit
- der Maßbeständigkeit
- der Oberflächenbeschaffenheit
- der Korrosionsfestigkeit
spielen vor allem die Bauteilfestigkeit eine Rolle. Neben der Geometrie des Teiles sind die Werkstoffeigenschaften hierbei von besonderer Bedeutung. Die Werkstoffeigenschaften im Gusszustand hängen stark von den Fertigungsbedingungen ab, die sich bei den verschiedenen Gießverfahren stark unterscheiden.

3.3. Die Festigkeitseigenschaften der Druckgusslegierungen

Gussteile enthalten grundsätzlich Inhomogenitäten, die die Werkstoffeigenschaften herabsetzen können, nicht müssen. Dazu gehören Mikro- und Makrolunker, Poren eingeschlossener Luft und Gase, intermetallische Einschlüsse, Verkrackungsprodukte von Trennstoffen, Oxideinschlüsse, Risse usw. Darüber hinaus treten innere Spannungen auf, die die Werkstoffe vorbelasten. Sie können bei Druckgussteilen  bis in den Bereich der Legierungsfestigkeit gehen. Die Inhomogenitäten und Spannungen sind verfahrensbedingt. Zur Vermeidung der Inhomogenitäten müssen deren Ursachen genau bekannt sein.

Folgende Einflüsse auf die Festigkeitseigenschaften einer Legierung sind bisher bekannt:

1 Zusammensetzung der Legierung,
2 Gefügeausbildung,
Hohlräume,
4 inhomogene
Einschlüsse,
Risse und
innere Spannungen

Die Festigkeitseigenschaften wie die Rp0,2, Rm, A5, die Wechselfestigkeitseigenschaften, die Schlagbiegezähigkeit und die Oberflächenhärte sind temperaturabhängig, sie ändern sich darüber hinaus mit der Belastungsgeschwindigkeit.

3.4. Vergleich verschiedener Werkstoffe für einen optimalen Einsatz abhängig von den Werkstoffkennwerten

 


Tabelle 6: Karosserieleichtbau mit Magnesium, Mertz

3.5. Die Werkstoffnormen

Die in den Normen angegebenen Werte der mechanischen Eigenschaften R0,2, Rm, A50 und die Oberflächenhärte in Brinell beziehen sich auf Raumtemperatur (20 °C) und auf eine niedrige Verformgeschwindigkeit von ca. 5 mm/min.

Es fehlen in der Norm Angaben über die wichtigen Eigenschaften wie Schlagbiegezähigkeit, Wechselfestigkeitseigenschaften und Kriecheigenschaften.

Für Konstrukteure interessant sind jedoch die Festigkeitseigenschaften bei unterschiedlichen Temperaturen, für Karosserieteile im Temperaturbereich von –35 °C bis 120 °C, für den Getriebebereich bis 160 °C und im Motorenbereich bis 230 °C.

Weiterhin interessieren die mechanischen Eigenschaften bei höheren Belastungsgeschwindigkeiten wie sie im Beanspruchungsfall, z.B. unter Crashbedingungen vorliegen können.

Die mechanischen Eigenschaften von Druckguss-Magnesiumlegierungen nach DIN EN 1753 sind nur Anhaltswerte, die nur für getrennt gegossene Probestäbe mit einer Querschnittsfläche von 20 mm² und einer Mindestdicke von 2 mm gelten.<break>

4. Gefügeausbildung von Druckgusslegierungen

4.1. Gefügeausbildung in der Randzone und thermischen Mitte

Die nachfolgend dargestellten Ergebnisse basieren auf Untersuchungen, die in den letzten 25 Jahren in den Gießereilabors an der FH Aalen durchgeführt wurden. Sie beziehen sich auf Raumtemperatur und auf Prüfbedingungen, wie sie den Normwerten zugrunde liegen.

Die Gefügeausbildung ist in der Oberfläche der Gussteile fein verglichen mit der im thermischen Zentrum, wo die Schmelze zum Schluss erstarrt, Abb. 1. Die Aufnahmen zeigen die Gefügeausbildung der Legierung AZ91 eines Flachzugprobestabes mit der Dicke 2 mm. Das Teil wurde mit einer Geschwindigkeit von 60 m/s im Anschnitt gegossen. Bei den Dendriten (weiße Kristalle) handelt es sich um die primär ausgeschiedenen α-Mischkristalle, die grauen Gefügebereiche stellt das eutektische Gefüge dar, das bei 500-facher Vergrößerung kaum aufgelöst werden kann.

 


Abb. 1 - Legierung AZ 91, Wanddicke 2 mm
links - Rand, rechts - Mitte

4.2. Einfluss der örtlichen Wanddicke auf die Gefügeausbildung bei der Legierung AZ91

Der Einfluss der Wanddicke auf die Gefügeausbildung auf Grund der örtlichen Erstarrungszeit wird in der thermischen Mitte dargestellt, d.h. dort wo die Schmelze zum Schluss erstarrt.

Auf Abb. 2 ist die Gefügeausbildung im thermischen Zentrum bei einem Flachzugprobestab mit einer dicke von 2 mm und der eines Flachzugprobestabes mit einer Dicke von 5 mm gegenübergestellt, wobei beide Stäbe unter ähnlichen Bedingungen gegossen wurden. Je dickwandiger die Gussteilbereiche, um so größer sind sowohl die α-Mischkristalle als auch die Gefügeanteile im Eutektikum.


Abb. 2 - Legierung AZ 91, Mitte
links - Wanddicke 2 mm, rechts - Wanddicke 5mm

4.3. Einfluss der Fertigungsbedingungen

Einen großen Einfluss auf die Gefügeausbildung übt die örtliche Strömungsgeschwindigkeit aus. Auf Abb. 3 ist die Gefügeausbildung eines Flachzugprobestabes mit dem Querschnitt 10 x 2 mm² zu erkennen, wobei als Strömungsgeschwindigkeit die Geschwindigkeit vA im Anschnitt angegeben ist. Der Strömungsdruck PG während der Formfüllung steigt mit dem Quadrat der Strömungsgeschwindigkeit an.

Je höher der Strömungsdruck ist, um so höher ist der Wärmeübergangskoeffizient α, der im übrigen ortsabhängig ist und sich, wie aus eigenen Untersuchungen festgestellt wurde, außerordentlich schnell mit der Zeit verändert.

 


Abb. 3 - Legierung AZ 91, 
links - vA 60 [m/s], mitte - vA 80 [m/s], rechts - vA 100 [m/s]

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4.4. Abhängigkeit der Festigkeitseigenschaften von der Strömungsgeschwindigkeit bei der Formfüllung

Sowohl für Aluminium wie für Zink- und Magnesiumlegierungen gilt, dass die Festigkeitseigenschaften mit zunehmender Strömungsgeschwindigkeit bis zu einem Maximum ansteigen, bei noch höherer Geschwindigkeit wieder abfallen. Auf Abb. 4 sind die Zusammenhänge für einen Flachzugprobestab mit einer Dicke von 2 mm aus der Legierung AZ91 dargestellt. Die Festigkeitswerte ändern sich stark, sie machen deut-lich, dass zur Erreichung der Mindestfestigkeit nach DIN EN 1753 die Teile mit einer Strömungsgeschwindigkeit im Anschnitt größer 30 m/s gegossen werden müssen.

 


Abb. 4 - Abhängigkeit der Zugfestigkeit von der Anschnittgeschwindigkeit

4.5. Zusammenhang zwischen Zugfestigkeit und Dehnung

Werden Druckgussteile unter Bedingungen hergestellt, bei denen die Festigkeit hoch ist, ist auch die Dehnung hoch, sofern die Legierungszusammensetzung gleich ist. Die R0,2 Dehngrenze wird dagegen durch eine Änderung der Fertigungsbedingungen nur wenig verändert.

 


Abb. 5 - Zusammenhang zwischen Zugfestigkeit und Dehnung hier AZ 91

4.6. Biegewechselfestigkeitseigenschaften

Die Wechselfestigkeitseigenschaften sind in hohem Maße von der Gussteilqualität abhängig. Gussfehler wie beispielsweise Lunker oder Oxideinschlüsse bilden innen scharfkantige Hohlräume, die hinsichtlich der Wechselfestigkeitseigenschaften nachteilig sind. Sie haben eine hohe Kerbzinkung.

W. Leis und F. Kleine haben die Biegewechselfestigkeit an 5 mm dicken, flachen Probestäben aus Mg-Druckguss ermittelt.

Sowohl bei der Legierung AZ91HP als auch bei der AM50HP sind die Streuungen bei der Biegewechselfestigkeit sehr groß. Für die Biegewechselfestigkeit sind die oben genannten Gussfehler äußerst kritisch. Wenn sich die Gussfehler in den oberflächennahen Bereichen des Bauteils befinden, ist ihre Wirkung besonders stark. Aus den Versuchen hat sich gezeigt, dass die AZ91HP bessere Biegewechselfestigkeitseigenschaften aufweist als die AM50HP.

Die Firma Norsk Hydro gibt bei allen AZ- und AM-Legierungen für die Biegewechselfestigkeit 50 bis 70 MPa an.

 


Abb. 6 - Wöhlerdiagramm für Legierung AM50 (aus Mg-breites Anwendungssp)


Abb. 7 - Wöhlerdiagramm für Legierung AZ91 (aus Mg-breites Anwendungssp.)

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4.7. Einfluss der Verformungsgeschwindigkeit auf die Zugfestigkeit und die Dehnung

Neben den Werkstoffkennwerten bei hohen und tiefen Temperaturen werden die Eigenschaften der Bauteile bei hohen Verformungsgeschwindigkeiten immer wichtiger. Dies gilt insbesondere für crash-relevante Sicherheitsbauteile aus Magnesiumlegierungen. T. Kinzler und F. Kleine untersuchten an 3 mm dicken Flachzugprobestäben den Einfluss der Verformungsgeschwindigkeit auf die mechanischen Eigenschaften der AZ91HP und der AM50HP. Bei beiden Legierungen war dabei ein Anstieg der Zugfestigkeit mit der Verformungsgeschwindigkeit zu beobachten (Abb. 8), jedoch ist die Zunahme bei der Legierung AZ91HP wesentlich größer.

Gleichzeitig stellten die Autoren fest, dass die Dehnung mit steigender Verformungsgeschwindigkeit deutlich abnimmt (Abb. 9). Die Autoren erklären die Abhängigkeit der Zugfestigkeit und der Dehnung von der Verformungsgeschwindigkeit folgendermaßen:

Bei einer niedrigen Verformungsgeschwindigkeit können die Versetzungen im Werkstoff wandern, d.h. der Werkstoff beginnt bereits bei niedrigen Spannungen zu fließen, da die Entfestigungsvorgänge vollständiger ablaufen können. Bei höheren Verformungsgeschwindigkeiten kommt es zur Behinderung bzw. Blockierung der Versetzungen, was den Anstieg der Spannungen bewirkt. Gleichzeitig erfolgt durch die Behinderung der Kristallerholung eine frühzeitige Erschöpfung des Gleitmechanismus. Die Folge daraus ist die Abnahme der Dehnung.

Bisher wurden die Versuche nur an oben genannten Flachzugproben durchgeführt, weitere Untersuchungen sind wünschenswert.

 


Abb. 8 - Einfluss der Verformungsgeschwindigkeit auf die Zugfestigkeit bei AZ91 und AM50


Abb. 9 - Einfluss der Verformungsgeschwindigkeit auf die Dehnung bei AZ91 und AM50

4.8. Abhängigkeit der Festigkeitseigenschaften von der Temperatur

Nach Temperaturversuchen von T. Kinzler und F. Klein zeigt sich, dass eine starke Abhängigkeit der Zugfestigkeit sowie der Bruchdehnung von der Prüftemperatur vorliegt. Die Zugfestigkeit erreicht bei +220 °C gerade noch 50 % des Wertes, der bei –40 °C erreicht wurde, wohingegen die 0,2%-Dehngrenze lediglich um ca. 30 % abnimmt.

Der Anstieg der Bruchdehnung mit zunehmender Temperatur beträgt bei der Legierung AZ91 HP bei den 2 und 3 mm 100%, bei den 5 mm-Proben sogar eine Zunahme um den Faktor 4.

Die Bruchflächen zeigen bei den tiefen Temperaturen ein glattes, feinkörniges Aussehen, bei den hohen Temperaturen entsteht ein stark zerklüftetes Gefüge, das vergleichbar mit dem Aussehen der Bruchflächen bei Kriechversuchen ist.

Das Festigkeitsverhalten der Legierung AM50 HP zeigt dieselbe Abhängigkeit wie das der Legierung AZ91 HP. Der Grund für die starken Streuungen bei den Dehnungswerten konnte im Rahmen dieser Untersuchung nicht eindeutig geklärt werden.

 


Abb. 10a - Abhängigkeit der Festigkeit und der 0,2 % Dehngrenze von der Temperatur


Abb. 10b -Abhängigkeit der Dehnung von der Temperatur

Abb. 10 - Legierung AZ 1 / HP


Abb. 11a - Abhängigkeit der Festigkeit und der 0,2 % Dehngrenze von der Temperatur


Abb. 11b -Abhängigkeit der Dehnung von der Temperatur

Abb. 11 - Legierung AM 50