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.

Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde versucht, Gesetzmäßigkeiten zwischen Kenngrößen aus dem Formstofflabor und einer praxisnahen kleintechnischen Formanlage abzuleiten. Der Zweck besteht darin, einen Fehler bei der Formherstellung (insbesondere Ballenabrisse) zu vermeiden. Dazu wurden zahlreiche Untersuchungen sowohl im Formstofflabor als auch an der Versuchsanlage vorgenommen. Dies gleicht in ihrer Funktionsweise betrieblichen Formanlagen mit unterschiedlichen Verdichtungsmöglichkeiten. Bei den Untersuchungen wurden Formstoffzusammensetzungen variiert, konstruktive Änderungen an der Formmaschine vorgenommen und die Formballen mit unterschiedlichen Formschrägen versehen. Zur Beurteilung der Gebrauchstauglichkeit einer Grünsandform müssen die Beanspruchbarkeiten größer als die entstehenden Beanspruchungen oder zumindest gleich sein. Dazu wurde eine neue Methode zur Bestimmung der Ballenabrissneigung unter Einsatz eines variablen Gießereimodells entwickelt. Durch eine zielgerichtete Kombination der an der Formherstellung beteiligten Komponenten: Formstoff, Formmaschine und Formprozess ließen sich qualitätsgerechte Formen herstellen und die Ergebnisse erfolgreich auf die betriebliche Praxis übertragen.

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

Für den Zylinderkopf ist das Schwerkraftgießen ein etabliertes Gießverfahren. Jedoch gehen die Gießereien in der Ausführung des Schwerkraftgusses unterschiedlich vor. Durch die mannigfaltigen Anschnittsysteme und die sich dadurch ergebenden Vor- bzw. Nachteile bei der Herstellung entstehen Unterschiede bei Qualität und Kosten. Ziel dieser Arbeit ist es, Standards und Vereinheitlichungen während der Produktentstehung eines Zylinderkopfes zu etablieren, um eine gleichbleibende Qualität der Zylinderköpfe in den Gießereien zu gewährleisten. Dazu sind vielfältige Ansatzpunkte zu verfolgen. Eine Möglichkeit ist die geometrische Beurteilung des Zylinderkopfs, wie z.B. Wandstärken, Speisungswege und die Außengeometrien. Die nach Lastenheftvorgaben zu erfüllenden Eigenschaften spielen gleichermaßen eine Rolle und haben Einfluss auf die Wahl des Gießverfahrens. Mit Hilfe von speziellen Entscheidungsmethoden ist eine Vorauswahl für ein Gießverfahren möglich. Des Weiteren werden mittels experimentellen Untersuchungen die Entscheidungen gestützt. Die Gießsimulation ist als zusätzliches Auslegungswerkzeug einzusetzen. Hierbei sind Gussfehler im Bauteil zu lokalisieren und zu vermeiden. Unzureichende Speisungswege oder zu geringe Wandstärken durch komplizierte Kerngeometrien sind zu ermitteln. Des Weiteren sind Vorhersagen zu Dendritenarmabständen und Materialausnutzung (Speiserdimensionierung) möglich, die direkt mit der Wahl des Gießverfahrens zusammenhängen. Die Verzahnung von Geometrie- und Metallurgiefaktoren führt idealerweise zur Definition von Standardisierungsaspekten zur Auswahl der Gießtechnologie bei der Zylinderkopfentwicklung. Durch eine parallele Produkt- und Prozessentwicklung ist eine Verkürzung des Produktentstehungsprozesses erreichbar.

Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde versucht, Gesetzmäßigkeiten zwischen Kenngrößen aus dem Formstofflabor und einer praxisnahen kleintechnischen Formanlage abzuleiten. Der Zweck besteht darin, einen Fehler bei der Formherstellung (insbesondere Ballenabrisse) zu vermeiden. Dazu wurden zahlreiche Untersuchungen sowohl im Formstofflabor als auch an der Versuchsanlage vorgenommen. Dies gleicht in ihrer Funktionsweise betrieblichen Formanlagen mit unterschiedlichen Verdichtungsmöglichkeiten. Bei den Untersuchungen wurden Formstoffzusammensetzungen variiert, konstruktive Änderungen an der Formmaschine vorgenommen und die Formballen mit unterschiedlichen Formschrägen versehen. Zur Beurteilung der Gebrauchstauglichkeit einer Grünsandform müssen die Beanspruchbarkeiten größer als die entstehenden Beanspruchungen oder zumindest gleich sein. Dazu wurde eine neue Methode zur Bestimmung der Ballenabrissneigung unter Einsatz eines variablen Gießereimodells entwickelt. Durch eine zielgerichtete Kombination der an der Formherstellung beteiligten Komponenten: Formstoff, Formmaschine und Formprozess ließen sich qualitätsgerechte Formen herstellen und die Ergebnisse erfolgreich auf die betriebliche Praxis übertragen.:Inhaltsverzeichnis 1. Einleitung 5 2. Wissenschaftlich-technische Problem- und Zielstellung 7 2.1 Problemstellung 7 2.2 Zielstellung 11 3. Literaturrecherche zum Stand der Technik 13 3.1 Formstoffmischungen und Formherstellung 13 3.1.1 Bestandteile der Formstoffmischungen 13 3.1.2 Mischen des Formstoffs 15 3.1.3 Eigenschaften tongebundener Formstoffe 15 3.1.3.1 Verdichtbarkeit 15 3.1.3.2 Prüfungen mit Probekörpern 16 3.1.3.2.1 Gasdurchlässigkeit 16 3.1.3.2.2 Grünfestigkeitseigenschaften 17 3.1.4 Formherstellungsverfahren mit tongebundenen Formstoffen 17 3.2 Formmaschinen und ihre Verdichtungsmöglichkeiten 19 3.3 Herstellung von Formen mit Ballen: 22 3.3.1 Ballenabrisse (Formenbruch) 23 3.3.1.1 Entstehung 24 3.3.1.2 Mögliche Ursachen 27 3.3.1.3 Vermeidung 27 3.4 Fließverhalten und Haftkräfte 28 3.4.1 Fließen des Formstoffs im Ballen 32 3.4.2 Technologische Fließbarkeitsmessmethoden 34 3.5 Qualitätskontrolle der Form 34 3.5.1 Dichte der Form 35 3.5.2 Messung der Formdichte 36 3.6 Analyse des Standes der Technik 37 4 Schaffung konstruktiver Voraussetzungen 39 4.1 Apparative Voraussetzungen im Labor 39 4.1.1 Bestimmung der Verdichtbarkeit: 39 4.1.2 Ermittlung der Adhäsionskräfte 40 4.2 Versuchsdurchführung und konstruktive Voraussetzungen an der kleintechnischen Anlage 42 4.3 Konstruktive Veränderungen der Formmaschinenbauteile 45 4.3.1 Dosiereinrichtung mit einflügeligen Klappen 45 4.3.2 Druckteller mit Verstrebungen und Modellplattenträger mit Verrippungen 47 4.3.3 Vielstempelpresse 49 4.4 Entwicklung einer Methodik zur Trennkraftmessung 52 4.5 Vervollkommnung und Anpassung des mathematischen Modells zur Berechnung der Ballenabrissneigung beim Form-Modell-Trennen 53 5. Versuchsbeschreibung 56 5.1 Laboruntersuchungen 56 5.1.1 Formstoffaufbereitung: 56 5.1.2 Bestimmung der Festigkeitseigenschaften 57 5.1.3 Eigenschaften der eingesetzten Formstoffe 59 5.1.3.1 Zugfestigkeits- und Adhäsionskraftmessungen im Labor 61 5.1.3.2 Ermittlung der Dichte 64 5.1.3.3 Ermittlung der Zugfestigkeit (Kohäsion) 65 5.2 Untersuchungen mit der Multi-Compact-Formanlage 67 5.2.1 Formstoffaufbereitung und Verdichtbarkeitsbestimmung 67 5.2.2 Festigkeitsbestimmung 68 5.2.3 Dichtebestimmung 69 5.2.4 Konsequenzen 73 5.2.5 Versuche mit ebener Pressplatte 75 5.2.5.1 Seitendruckmessung 77 5.2.5.2 Problemlösungen 80 5.2.6 Seitendruckmessung und Vergleich mit ebener Pressplatte 82 5.2.7 Impulspressen 83 5.2.8 Messung der Trennkräfte 86 5.2.9 Einfluss der geometrischen Bedingungen auf die Trennkräfte und die Entstehung vom Ballenabrissen 90 5.2.9.1 Modellbeispiel Zylinder Höhe 50 mm und Durchmesser 50 mm 92 5.2.9.2 Messung der Adhäsionskräfte des Ballens in der Modelleinrichtung 93 5.2.9.3 Effektivdruckmessungen 97 5.3 Gebrauchsfähigkeitstest des geformten Ballens 98 6. Zusammenfassung 100 7. Literaturverzeichnis 102