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Einflussgrößen auf die Eigenschaften von Magnesiumdruckgussteilen

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

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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 <link _top>Leichtmetalle <link _top>Aluminium und <link _top>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 – <link _top>Gießen.

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

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

Für <link _top>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 <link _top>Druckgießen

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

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

• Die <link _top>Strömungsgeschwindigkeit der <link _top>Schmelze im <link _top>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 <link _top>Druckgießform nicht erwünscht ist. Die örtliche Geschwindigkeit hat einen Einfluss auf den <link _top>Wärmeübergang und somit auf die Gefügeausbildung und die mechanischen Kennwerte.

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

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

3. Die Eigenschaften von <link _top>Druckgussteilen

3.1. Eigenschaften metallischer Werkstoffe

Metallische Werkstoffe werden eingesetzt zum einen wegen ihrer <link _top>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 <link _top>Druckgussteilen besprochen, die einen erheblichen Einfluss auf die Festigkeitseigenschaften der <link _top>Druckgussteile haben und zwar am Beispiel der <link _top>Magnesiumlegierungen AZ 91 und AM 50.

3.2. Eigenschaften der <link _top>Druckgussteile

Neben
- der Maßhaltigkeit
- der <link _top>Maßbeständigkeit
- der <link _top>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 <link _top>Gusszustand hängen stark von den Fertigungsbedingungen ab, die sich bei den verschiedenen <link _top>Gießverfahren stark unterscheiden.

3.3. Die Festigkeitseigenschaften der <link _top>Druckgusslegierungen

<link _top>Gussteile enthalten grundsätzlich Inhomogenitäten, die die Werkstoffeigenschaften herabsetzen können, nicht müssen. Dazu gehören <link _top>Mikro- und <link _top>Makrolunker, Poren eingeschlossener Luft und Gase, <link _top>intermetallische <link _top>Einschlüsse, Verkrackungsprodukte von <link _top>Trennstoffen, <link _top>Oxideinschlüsse, <link _top>Risse usw. Darüber hinaus treten <link _top>innere Spannungen auf, die die Werkstoffe vorbelasten. Sie können bei <link _top>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 <link _top>Legierung sind bisher bekannt:

1 Zusammensetzung der <link _top>Legierung,
2 Gefügeausbildung,
3 <link _top>Hohlräume,
4 inhomogene
<link _top>Einschlüsse,
<link _top>Risse und
6 <link _top>innere Spannungen

Die Festigkeitseigenschaften wie die Rp0,2, Rm, A5, die Wechselfestigkeitseigenschaften, die <link _top>Schlagbiegezähigkeit und die <link _top>Oberflächenhärte sind temperaturabhängig, sie ändern sich darüber hinaus mit der <link _top>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 <link _top>Oberflächenhärte in <link _top>Brinell beziehen sich auf <link _top>Raumtemperatur (20 °C) und auf eine niedrige Verformgeschwindigkeit von ca. 5 mm/min.

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

Für Konstrukteure interessant sind jedoch die Festigkeitseigenschaften bei unterschiedlichen Temperaturen, für Karosserieteile im <link _top>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 <link _top>Belastungsgeschwindigkeiten wie sie im Beanspruchungsfall, z.B. unter Crashbedingungen vorliegen können.

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

4. Gefügeausbildung von <link _top>Druckgusslegierungen

4.1. Gefügeausbildung in der <link _top>Randzone und thermischen Mitte

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

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

 


<link file:7128>Abb. 1 - Legierung AZ 91, Wanddicke 2 mm
links - Rand, rechts - Mitte

4.2. Einfluss der örtlichen <link _top>Wanddicke auf die Gefügeausbildung bei der <link _top>Legierung AZ91

Der Einfluss der <link _top>Wanddicke auf die Gefügeausbildung auf Grund der örtlichen <link _top>Erstarrungszeit wird in der thermischen Mitte dargestellt, d.h. dort wo die <link _top>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 <link _top>dickwandiger die Gussteilbereiche, um so größer sind sowohl die α-<link _top>Mischkristalle als auch die Gefügeanteile im <link _top>Eutektikum.


<link file:7129>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 <link _top>Strömungsgeschwindigkeit aus. Auf Abb. 3 ist die Gefügeausbildung eines Flachzugprobestabes mit dem Querschnitt 10 x 2 mm² zu erkennen, wobei als <link _top>Strömungsgeschwindigkeit die <link _top>Geschwindigkeit vA im Anschnitt angegeben ist. Der Strömungsdruck PG während der <link _top>Formfüllung steigt mit dem Quadrat der <link _top>Strömungsgeschwindigkeit an.

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

 


<link file:7130>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 <link _top>Strömungsgeschwindigkeit bei der <link _top>Formfüllung

Sowohl für <link _top>Aluminium wie für Zink- und <link _top>Magnesiumlegierungen gilt, dass die Festigkeitseigenschaften mit zunehmender <link _top>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 <link _top>Legierung AZ91 dargestellt. Die Festigkeitswerte ändern sich stark, sie machen deut-lich, dass zur Erreichung der <link _top>Mindestfestigkeit nach DIN EN 1753 die Teile mit einer <link _top>Strömungsgeschwindigkeit im Anschnitt größer 30 m/s gegossen werden müssen.

 


<link file:7131>Abb. 4 - Abhängigkeit der Zugfestigkeit von der Anschnittgeschwindigkeit

4.5. Zusammenhang zwischen <link _top>Zugfestigkeit und <link _top>Dehnung

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

 


<link file:7132>Abb. 5 - Zusammenhang zwischen Zugfestigkeit und Dehnung hier AZ 91

4.6. Biegewechselfestigkeitseigenschaften

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

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

Sowohl bei der <link _top>Legierung AZ91HP als auch bei der AM50HP sind die <link _top>Streuungen bei der <link _top>Biegewechselfestigkeit sehr groß. Für die <link _top>Biegewechselfestigkeit sind die oben genannten <link _top>Gussfehler äußerst kritisch. Wenn sich die <link _top>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 <link _top>Biegewechselfestigkeit 50 bis 70 MPa an.

 


<link file:7133>Abb. 6 - Wöhlerdiagramm für Legierung AM50 (aus Mg-breites Anwendungssp)


<link file:7134>Abb. 7 - Wöhlerdiagramm für Legierung AZ91 (aus Mg-breites Anwendungssp.)

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4.7. Einfluss der Verformungsgeschwindigkeit auf die <link _top>Zugfestigkeit und die <link _top>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 <link _top>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 <link _top>Legierungen war dabei ein Anstieg der <link _top>Zugfestigkeit mit der Verformungsgeschwindigkeit zu beobachten (Abb. 8), jedoch ist die Zunahme bei der <link _top>Legierung AZ91HP wesentlich größer.

Gleichzeitig stellten die Autoren fest, dass die <link _top>Dehnung mit steigender Verformungsgeschwindigkeit deutlich abnimmt (Abb. 9). Die Autoren erklären die Abhängigkeit der <link _top>Zugfestigkeit und der <link _top>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 <link _top>Dehnung.

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

 


<link file:7135>Abb. 8 - Einfluss der Verformungsgeschwindigkeit auf die Zugfestigkeit bei AZ91 und AM50


<link file:7136>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 <link _top>Zugfestigkeit sowie der <link _top>Bruchdehnung von der <link _top>Prüftemperatur vorliegt. Die <link _top>Zugfestigkeit erreicht bei +220 °C gerade noch 50 % des Wertes, der bei –40 °C erreicht wurde, wohingegen die <link _top>0,2%-Dehngrenze lediglich um ca. 30 % abnimmt.

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

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

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

 


<link file:7137>Abb. 10a - Abhängigkeit der Festigkeit und der 0,2 % Dehngrenze von der Temperatur


<link file:7138>Abb. 10b -Abhängigkeit der Dehnung von der Temperatur

Abb. 10 - Legierung AZ 1 / HP


<link file:7139>Abb. 11a - Abhängigkeit der Festigkeit und der 0,2 % Dehngrenze von der Temperatur


<link file:7140>Abb. 11b -Abhängigkeit der Dehnung von der Temperatur

Abb. 11 - Legierung AM 50

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