Dauerfestigkeitserhöhung und Reduktion des irreversiblen Gusswachstums bei Aluminiumsandgusslegierungen

Increase of fatigue strength and reduction of irreversible casting-growth in aluminum sand cast alloys

  • Die Automobilindustrie muss sich zunehmend den globalen Herausforderungen stellen, um die hohen gesetzlichen Umweltanforderungen hinsichtlich des Kraftstoffverbrauchs und der Abgasemissionen erfüllen zu können. Um diesen Anforderungen gerecht zu werden, findet im Automobilbau das Downsizing von herkömmlichen Otto- und Dieselmotoren zunehmend Anwendung. Im Rahmen des Down-sizings werden großvolumige Motoren durch Motoren mit reduzierter Zylinderanzahl und geringerem Verbrauch bei mindestens gleicDie Automobilindustrie muss sich zunehmend den globalen Herausforderungen stellen, um die hohen gesetzlichen Umweltanforderungen hinsichtlich des Kraftstoffverbrauchs und der Abgasemissionen erfüllen zu können. Um diesen Anforderungen gerecht zu werden, findet im Automobilbau das Downsizing von herkömmlichen Otto- und Dieselmotoren zunehmend Anwendung. Im Rahmen des Down-sizings werden großvolumige Motoren durch Motoren mit reduzierter Zylinderanzahl und geringerem Verbrauch bei mindestens gleicher Leistung ersetzt. Dies hat zur Folge, dass die technischen Anforderungen an diese neuen Konzepte durch zunehmende thermische und mechanische Belastungen insbesondere im Lagerstuhlbereich signifikant ansteigen. Aus diesem Grund sind speziell in diesem Bereich technische Weiterentwicklungen notwendig, um den durch Downsizing verursachten zunehmenden mechanischen Belastungen gerecht zu werden. Unter Einhaltung des Sandgussverfahrens und der existierenden Zylinderkurbelgehäusekonstruktion wird somit im Rahmen dieser Arbeit eine ganzheitliche werkstoffwissenschaftliche Lösung zur Erhöhung der Lebensdauer einer Aluminiumsekundärlegierung entwickelt. Die Zielsetzung beinhaltet die Erhöhung der Dauerfestigkeit bei gleichzeitiger Reduktion des irreversiblen Gusswachstums im Lagerstuhlbereich eines V6-Zylinderkurbelgehäuses. Zur Reali-sierung dieser Ziele werden Cu- und Mg-Gehaltsreduktionen basierend auf der vorliegenden Aluminiumlegierung AlSi8Cu3Mg0,3 umgesetzt. Diese Maßnahmen sollen zum einen die Bruchdehnungen und somit die Dauerfestigkeit erhöhen und zum anderen die intermetallische Phasen- und Ausscheidungsanteile und somit das irreversible Gusswachstum reduzieren. Für die ganzheitliche Werkstoffunter-suchung werden zwei unterschiedliche Abkühlgeschwindigkeiten analysiert, um den Einfluss der Gefügestrukturen bei veränderten mechanischen Eigenschaften zu erörtern. Darüber hinaus wird der Werkstoffzustand direkt nach dem Abguss und nach einer Alterung über 165 h bei 150 °C analysiert, um gusswachstumsrelevante Ausscheidungen und deren Einfluss auf die mechanischen Kennwerte detektieren zu können. Die Quantifizierung der Legierungsmodifikationen erfolgt durch Analyse der Gefügestruktur und der physikalischen Eigenschaften. Die Bewertung der erzielten Ergebnisse erfolgt abschließend durch eine Simulationsberechnung zu den Spannungszuständen im Lagerstuhlbereich. Durch die gezielten Legierungsmodifikationen kann eine herausragende Legierung entwickelt werden, welche gegenüber der Basislegierung eine extrem gesteigerte Bruchdehnung von über 100 % sowie eine signifikant erhöhte Dauerfestigkeit um 10 % aufweist. Des Weiteren kann mit derselben Legierung ohne Einsatz einer kostenintensiven Wärmebehandlung eine erhebliche Reduktion des irreversiblen Gusswachstums um 28 % und somit eine drastische Reduktion der Spannungszustände um 27 % erzielt werden. Diese neue Aluminiumlegierung mit den viel versprechenden physikalischen Eigenschaften kann nur durch intensive Untersuchung des mikrostrukturellen Verhaltens der modifizierten Legierungen, welches nachweislich im hohem Maße von den Legierungszusätzen abhängig ist, entwickelt werden. Mit diesem wichtigen Fortschritt kann ein wesentlicher Beitrag zu neuen downgesizeden Hochleistungsdieselmotoren geleistet werden. Darüber hinaus können diese neuen Konzepte mit höherer Leistungsdichte und geringerem Kraftstoffverbrauch kostenneutral realisiert werden.show moreshow less
  • The automotive industry faces global challenges to comply with high regulatory environmental standards with regard to fuel efficiency and exhaust gas emissions. In order to meet the legal requirements, downsizing of conventional gasoline and diesel engines are increasingly applied in automotive engineering. In the context of downsizing, the number of cylinders in engines with large cylinder capacity are reduced, yet the fuel consumption and the engine power output stays at least at the same leveThe automotive industry faces global challenges to comply with high regulatory environmental standards with regard to fuel efficiency and exhaust gas emissions. In order to meet the legal requirements, downsizing of conventional gasoline and diesel engines are increasingly applied in automotive engineering. In the context of downsizing, the number of cylinders in engines with large cylinder capacity are reduced, yet the fuel consumption and the engine power output stays at least at the same level due to higher charging. With regard to these new concepts the technical requirements for the engine will increase significantly due to the increase of thermal and mechanical loads especially on the bearing block of the engine. For this reason, further technical developments are necessary especially in this area to meet the increased mechanical loads from downsizing. In compliance with the sand casting process and the existing engine block structural design a holistic material-scientific solution is pursued in this work to increase the durability of a secondary aluminum alloy. The objective target of this work is the increase of the fatigue strength, while reducing the irreversible casting-growth in the bearing block of a V6-cylinder crankcase. In order to realize these objectives, Cu and Mg content modifications of the existing aluminum alloy AlSi8Cu3Mg0.3 have been realized. These measures should increase the elongation and thus the fatigue strength on the one hand and decrease the intermetallic phases and precipitations and in consequence the unfavorable irreversible casting-growth on the other. For the holistic material testing, two different cooling rates have been analyzed in order to understand the microstructural influence combined with modified mechanical performance. Furthermore, the alloys have been analyzed as-casted and after aging for 165 h at 150 °C for detecting precipitations which are relevant for the casting-growth and the modified mechanical properties. To quantify the alloy modifications, the microstructure and the physical properties were analyzed. Finally, the results are assessed by a numerical simulation of the stress tensions in the bearing block. Due to the selective alloy modifications, an outstanding alloy could be developed, in relation to the basis alloy. This modified alloy shows an extremely increase in the elongation of more than 100 % and a significant increase of the fatigue strength about 10 %. Furthermore, the same alloy shows a considerable reduction of the irreversible casting-growth about 28 % and therefore a dramatically reduction of stresses about 27 % without using a costly heat treatment. The new aluminum alloy with its promising mechanical and physical properties could only be found through intensive investigation of the microstructural behavior of the modified alloys, which depends highly on the alloy additions. Due to this important advancement, a fundamental contribution to the downsizing of new high performance diesel engines can be provided. Furthermore, these new concepts can be realized cost-neutral with a higher performance density and less fuel consumption.show moreshow less

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Metadaten
Author: Andreas Rohr
URN:urn:nbn:de:kobv:83-opus-34040
Advisor:Prof. Dr. Walter Reimers
Document Type:Doctoral Thesis
Language:German
Date of Publication (online):2012/02/13
Publishing Institution:Technische Universität Berlin
Granting Institution:Technische Universität Berlin, Fakultät III - Prozesswissenschaften
Date of final exam:2012/01/20
Release Date:2012/02/13
Tag:Aluminiumlegierung; Dauerfestigkeit; Fiederkristalle; intermetallische Phasen; irreversibles Gusswachstum
aluminum alloy; fatigue strenght; feather crystals; intermetallic phases; irreversible casting-growth
Institutes:Institut für Werkstoffwissenschaften und -technologien
Dewey Decimal Classification:620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
Licence (German):License LogoDeutsches Urheberrecht mit Print on Demand (u.a. für Dissertationen empfohlen)