Modellierung von Gefüge und mechanischen Eigenschaften von Aluminium-Gusslegierungen während des Gießens und der Wärmebehandlung
Dr. M. Schneider,
MAGMA Gießereitechnologie GmbH, Aachen
Vortrag: Gießtechnik im Motorenbau 2011, 6. VDI-Tagung mit Fachausstellung, Februar 2011
Kurzfassung
Bei der Herstellung von Aluminiumgussteilen bestimmen Legierungszusammensetzung, Metallurgie und lokale Erstarrungsbedingungen die lokal unterschiedliche Bildung von Gefügen und Defekten. Das lokale Gefüge und Defekte haben einen entscheidenden Einfluss auf die mechanischen Eigenschaften. In diesem Artikel wird ein Überblick über neue Möglichkeiten zur Simulation des lokalen Gefüges vom Gießprozess bis hin zum Ende der Wärmebehandlung gegeben. Aufgrund des berechneten Gefüges zum Ende der Prozesskette werden mechanische Eigenschaften vorhergesagt. Diese lokalen Informationen können bereits während der Bauteilkonstruktion als Eingangsparameter für die Simulation weiterer Prozessschritte wie z. B. Lebensdauerberechnung dienen. Sie können aber auch dazu genutzt werden, den Gießprozess und den Wärmebehandlungsprozess selbst zu optimieren, um geforderte mechanische Eigenschaften bei möglichst kostengünstigem Herstellungsprozess zu gewährleisten.
Grundlage für die Berechnung von Gefügen und Eigenschaften ist die Berücksichtigung von thermodynamischen Phasendiagrammen und Modellen zur Wachstumskinetik der metallischen Phasen. Die Bildung von Mikroporositäten wird durch ein Modell beschrieben, das sowohl die interdendritische Speisung als auch die Wasserstoffausscheidung berücksichtigt. Das nach dem Guss vorhergesagte Gefüge - insbesondere die Mg2Si und Al2Cu Phasen – bildet den Eingangsparameter für die Modellierung der Diffusion und Phasenbildung während der Wärmebehandlung. Die mechanischen Eigenschaften des Bauteils nach der Wärmebehandlung werden aus Größe und Verteilung der Ausscheidungen sowie dem Mg/Cu-Gehalt der Matrix berechnet.
Die Anwendung der Prozesssimulation sowie ein Vergleich mit Messdaten werden am Beispiel eines Zylinderkopfprototyps dargestellt und Möglichkeiten zur Nutzung der Ergebnisse für die Bauteilauslegung und Prozessoptimierung werden diskutiert.
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