Techn. Hochsch., Diss., 2002--Aachen.

Techn. Hochsch., Diss., 2004--Aachen.

Stuttgart, Univ., Diss., 2005. / Print-Ausg. bei Jost-Jetter, Heimsheim erschienen.

Techn. Hochsch., Diss., 2001--Aachen.

Techn. Hochsch., Diss., 2001--Aachen.

Die steigende Bedeutung des Leichtbaus in der modernen Fahrzeugtechnik stellt stetig neue technologische Herausforderungen an die Hersteller. Dabei rückt die Entwicklung neuer energetisch effizienter Herstellungsverfahren sowie geeigneter Werkstoffe immer weiter in den Vordergrund. In der vorliegenden Arbeit wird die Entwicklung eines zukunftsorientierten kombinierten Gieß-Umformverfahrens zur Herstellung hochfester Aluminiumbauteile, z.B. für die Automobilindustrie, vorangetrieben. Die Anwendung aushärtbarer Aluminiumlegierungen, insbesondere mit höheren Siliziumgehalten, wird betrachtet. Der Schwerpunkt der Arbeit liegt in der Ermittlung und Begründung günstiger Prozessbedingungen für einzelne Prozessschritte von Aluminiumbauteilen (Gießen, Umformen, Warm-, bzw. Kaltauslagern) im Zusammenhang mit dem Siliziumgehalt der Legierung. Die Übertragung der gewonnenen Erkenntnisse auf die Verhältnisse des kombinierten Gieß-Umformverfahrens in einen industrienahen Maß-stab stellte ein weiteres Ziel der Arbeit dar.

Bei der Arbeit stellte sich heraus, dass die Verwendung von aktiviertem Calciumbentonit oder von natürlichem Natriumbentonit als Formstoffbinder zu deutlich geringeren Porositäten im Gussstück führt als die Verwendung eines Calciumbentonits. Ein hoher Wassergehalt im Formstoff, z.B. bedingt durch einen hohen Schlämmstoffanteil, führt zu einer Erhöhung der Porosität. Stärker als der Formstoff jedoch wirkte sich die Formfüllung auf die Porosität im Gussstück aus, da bei einer Überschreitung der kritischen Gießgeschwindigkeit eine verstärkte Turbulenzbildung verursacht wird. Bei Dauerschwingfestigkeitsuntersuchungen zeigte sich, dass bei bearbeiteten Proben, trotz Verwendung verschiedener Nassgusssande ein vergleichbares Dauerfestigkeitsniveau auftritt. Unterschiede ergaben sich jedoch bei Verwendung verschiedener Gießverfahren und somit unterschiedlicher Formfüllbedingungen. Beim turbulenzarmen Niederdruckguss wurde eine höhere Dauerfestigkeit erzielt als beim Schwerkraftguss.

Bei der Arbeit stellte sich heraus, dass die Verwendung von aktiviertem Calciumbentonit oder von natürlichem Natriumbentonit als Formstoffbinder zu deutlich geringeren Porositäten im Gussstück führt als die Verwendung eines Calciumbentonits. Ein hoher Wassergehalt im Formstoff, z.B. bedingt durch einen hohen Schlämmstoffanteil, führt zu einer Erhöhung der Porosität. Stärker als der Formstoff jedoch wirkte sich die Formfüllung auf die Porosität im Gussstück aus, da bei einer Überschreitung der kritischen Gießgeschwindigkeit eine verstärkte Turbulenzbildung verursacht wird. Bei Dauerschwingfestigkeitsuntersuchungen zeigte sich, dass bei bearbeiteten Proben, trotz Verwendung verschiedener Nassgusssande ein vergleichbares Dauerfestigkeitsniveau auftritt. Unterschiede ergaben sich jedoch bei Verwendung verschiedener Gießverfahren und somit unterschiedlicher Formfüllbedingungen. Beim turbulenzarmen Niederdruckguss wurde eine höhere Dauerfestigkeit erzielt als beim Schwerkraftguss.

Die steigende Bedeutung des Leichtbaus in der modernen Fahrzeugtechnik stellt stetig neue technologische Herausforderungen an die Hersteller. Dabei rückt die Entwicklung neuer energetisch effizienter Herstellungsverfahren sowie geeigneter Werkstoffe immer weiter in den Vordergrund. In der vorliegenden Arbeit wird die Entwicklung eines zukunftsorientierten kombinierten Gieß-Umformverfahrens zur Herstellung hochfester Aluminiumbauteile, z.B. für die Automobilindustrie, vorangetrieben. Die Anwendung aushärtbarer Aluminiumlegierungen, insbesondere mit höheren Siliziumgehalten, wird betrachtet. Der Schwerpunkt der Arbeit liegt in der Ermittlung und Begründung günstiger Prozessbedingungen für einzelne Prozessschritte von Aluminiumbauteilen (Gießen, Umformen, Warm-, bzw. Kaltauslagern) im Zusammenhang mit dem Siliziumgehalt der Legierung. Die Übertragung der gewonnenen Erkenntnisse auf die Verhältnisse des kombinierten Gieß-Umformverfahrens in einen industrienahen Maß-stab stellte ein weiteres Ziel der Arbeit dar.

Die vorliegende Arbeit untersucht den Einfluss von Makroporosität und Oberflächenstruktur des Schaumkeramikfilters sowie der Filterposition im Gießsystem auf die Filterwirksamkeit. Der Thematik wird sich durch CFD-Simulationen mittels Flow 3D und durch Gießversuche im Technikum und der Industrie genähert. Die Simulationen ergaben eine Steigerung der Filtrationseffizienz um 20% - 30% bei der Erhöhung der Makroporosität des Filters von 20 ppi auf 30 ppi in Abhängigkeit von der Filterposition. Außerdem konnte die Abscheidung der Partikel im Filter lokalisiert werden. Die Abnahme des Partikelgehalts über die Filterlänge wurde beobachtet und in den metallographischen Auswertungen der Gießversuche bestätigt. In den Gießversuchen wurde darüber hinaus die PreFil- und PoDFA-Analyse aufgrund ihrer hohen Störanfälligkeit als wenig aussagekräftig eingestuft. Die in den Industrieversuchen eingesetzte LiMCA-Analyse liefert hingegen belastbare Ergebnisse und eine Filtrationseffizienz von bis zu 94% in Abhängigkeit von der Oberflächenstruktur des Filters.:Inhalt 1 Einleitung 2 Grundlagen der Aluminiumschmelzefiltration 2.1 Verunreinigungen in Aluminiumlegierungen 2.1.1 Aluminiumoxid 2.1.2 Aluminium-Magnesium-Mischoxide (Spinell) 2.2 Schaumkeramikfilter 2.3 Filtrationsmechanismen 2.4 Der Filter im Gießsystem 2.4.1 Arten des Gießens 2.4.2 Empfehlungen zur Positionierung des Filters im Gießsystem 2.4.3 Oxidneubildung nach dem Filter 3 Beurteilung der Aluminiumschmelzequalität 3.1 Verfahren zur Beurteilung der Schmelzequalität 3.2 Bestimmung der Filtrationseffizienz 3.3 Filtrationseffizienz von Schaumkeramikfiltern im Aluminiumguss 4 CFD-Simulation 4.1 Flow 3D 4.2 Definition der Parameter 4.2.1 Filter 4.2.2 Geometrie 4.2.3 Schmelze 4.2.4 Partikel 4.3 Definition der Randbedingungen für die Simulation 4.4 Versuchsplan 4.5 Methodik der Auswertung 4.6 Ergebnisse 4.6.1 Volumen-/Massestrom und Geschwindigkeit 4.6.2 Fließgeschwindigkeit 4.6.3 Filtrationseffizienz 4.6.4 Ablagerung der Partikel im Filter 5 Gießversuche 5.1 Materialien 5.1.1 Schaumkeramikfilter 5.1.2 Legierung AlSi7Mg0,3 5.2 Modellschmelze 5.2.1 Duralcan 5.2.2 Durchführung der Vorversuche 5.2.3 Ergebnisse der Vorversuche 5.3 Versuchsdurchführung und Methodik der Versuchsauswertung 5.3.1 Versuchsaufbau 5.3.2 Versuchsübersicht 5.3.3 Versuchsdurchführung 5.3.4 Schmelzeanalyse 5.3.5 Metallographische Auswertung des Filterbereichs 5.3.6 Auswertung PreFil-Kurven der Ausgangsschmelze und des Filtrats 5.3.7 Metallographische Auswertung der Ausgangsschmelze und des Filtrats 5.4 Ergebnisse und Diskussion 5.4.1 Schmelzeanalyse 5.4.2 Metallographische Auswertung des Filters 5.4.3 Auswertung der PreFil-Kurven 5.4.4 PoDFA-Analyse 5.4.5 Gegenüberstellung der Ergebnisse der unterschiedlichen Analysemethoden und Fehlerbetrachtung 5.4.6 Vergleich der Ergebnisse aus Flow 3D-Simulation und Realversuch 6 Filtrationsversuche im industriellen Maßstab 6.1 Materialien 6.1.1 Schmelze 6.1.2 Schaumkeramikfilter 6.2 Versuchsdurchführung und Methodik der Versuchsauswertung 6.3 Ergänzende Vorversuche mittels Wassermodell 6.4 Ergebnisse und Diskussion 6.4.1 Durchflussgeschwindigkeit und Verweilzeit der Schmelze im Filter 6.4.2 Analyse der Versuchsschmelze 6.4.3 LiMCA-Messungen 6.4.4 Metallographische Auswertung der Filter 6.4.5 Auswertung der PoDFA-Analysen 7 Zusammenfassung und Ausblick Abbildungsverzeichnis Tabellenverzeichnis Abkürzungsverzeichnis Literaturverzeichnis Anhang