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Integration der Mikroporositätsvorhersage in die schwingfeste und robuste Auslegung von hochbelasteten Aluminiumgussteilen

Zyklisch belastete Aluminiumgusskomponenten unterliegen einem kontinuierlichen Druck zur Steigerung der Leistungsdichte. Dies geschieht neben motorischen Entwicklungen mit höheren spezifischen Belastungen, insbesondere durch Gewichtsreduktion. Um beide Ziele zu erreichen, ist es notwendig, das Werkstoffpotenzial voll auszuschöpfen. Gleichzeitig benötigen robuste Fertigungsprozesse eine genaue Kenntnis der Haupteinflussgrößen, die die Verbindung zwischen Prozessparametern, Bauteildesign und Bauteilperformance herstellen.

Eine geschlossene Simulationskette und die systematische Nutzung von virtuellen Versuchsplänen (DoE) versprechen die zielgerichtete Entwicklung von Bauteilen sowie die Auslegung von robusten Prozessfenstern für den Gießprozess. Dieser Beitrag stellt einen neuen Ansatz zur Berücksichtigung einer der Haupteinflussgrößen, der Mikroporosität, auf das Bauteilverhalten in der Simulationskette vor. Hierzu wurde ein Zusammenhang zwischen der vorliegenden Porositätsmenge und der hieraus resultierenden Defektgröße ermittelt. Diese Information wird genutzt, um in einem integrierten Ansatz die lokale Dauerfestigkeit am Beispiel eines Aluminiumzylinderkopfes vorherzusagen. Durch Validierungsversuche kann gezeigt werden, dass nur durch diesen integrierten Ansatz und in Verbindung mit der Berücksichtigung des Eigenspannungszustandes eine zufriedenstellende Versagensvorhersage unter zyklischer Beanspruchung möglich ist.

Motoren sind im Betrieb statischen und zyklischen Lasten ausgesetzt. Speziell die ertragbaren zyklischen Lasten sind nicht nur von Legierungszusammensetzung und lokaler Mikrostruktur, sondern auch maßgeblich von vorhandenen Gefügefehlern abhängig. Bei der Erstarrung von technischen Aluminiumlegierungen ist es unter realen Fertigungsbedingungen kaum möglich, eine gewisse Menge an eigenschaftsreduzierenden Defekten wie intermetallische Phasen, Einschlüsse oder Mikroporen vollständig zu vermeiden. Unter diesen Defekten stellen Mikroporen oft den mit Abstand größten lokalen Fehler im Gefüge dar und bestimmen daher die zyklischen Eigenschaften maßgeblich [1], [2]. Durch die anhaltenden Bestrebungen zur Gewichtsreduktion von Verbrennungsmotoren sowie zur gleichzeitigen Steigerung der Leistungsdichte erhöhen sich zudem zunehmend die Anforderungen an die vollständige Ausnutzung des Festigkeitspotenzials des Materials.

Designentscheidungen haben nicht nur direkte Auswirkungen auf die Lastverteilung im Bauteil, sondern auch auf die lokalen Materialeigenschaften und Defektverteilungen. So führt eine raschere Erstarrung zu einer feineren Gefügeausbildung, die meist mit vorteilhaften Materialeigenschaften verknüpft ist. Gleichzeitig können Designentscheidungen aber auch einen negativen Einfluss auf das lokale Erstarrungsverhalten haben und die Bildung von Porositäten erhöhen. Durch konstruktive Maßnahmen können darüber hinaus eigenspannungsbedingte Gussfehler wie Warm- und Kaltrisse hervorgerufen oder verstärkt werden. In jedem Fall ist es von großem Vorteil, die Konsequenzen von Entscheidungen bezüglich der Gussteil- und Gießprozessauslegung noch im Planungsstadium abzuschätzen. An dieser Stelle steht das Werkzeug der virtuellen Versuchsplanung als Teil der integrierten Gießprozesssimulation zu Verfügung. Durch das systematische Abarbeiten von virtuellen Versuchsplänen lassen sich bereits im Auslegungsstadium des Gussteils sichere Prozessfenster identifizieren. Die komplexen Wechselwirkungen zwischen dem Bauteildesign, einem Feld unterschiedlicher Fertigungsbedingungen, aber auch unvermeidlicher Schwankungen in der realen Fertigung, werden durch diese Methodik beherrschbar.

Die in dieser Arbeit vorgestellten Ergebnisse beruhen auf der systematischen Analyse der Mikroporosität in einem Zylinderkopf mittels Mikrocomputertomografie. Ziel der Arbeit war, ein besseres Verständnis für die Zusammenhänge zwischen Porosität, Porengröße und Porenmorphologie zu entwickeln. Mit diesen Informationen sollte eine Methodik zur Schwingfestigkeitsvorhersage realisiert werden. Die Erweiterung bezieht neben dem Einfluss des Gefüges (abgebildet über den Dendritenarmabstand [DAS]) auch den Effekt der Mikroporosität ein. Dadurch wird der Einfluss des Werkstoffverhaltens von Gussteilen gegenüber der Standardvorgehensweise, bei der nur der lokale DAS berücksichtigt wird, signifikant verbessert. Zusätzlich wird gezeigt, dass der Eigenspannungszustand des Gussteils einen bedeutenden Beitrag zum tatsächlichen Versagensverhalten leistet.

Die Autoren danken Nemak Linz für die Bereitstellung der Gussteile sowie der AVL List GmbH für die Simulationen der Validierungsproben. Dank geht auch an die Materials Center Leoben GmbH für die Durchführung der CT-Scans und an den Lehrstuhl für Allgemeinen Maschinenbau der Montanuniversität Leoben, der das Versagensmodell entwickelt sowie die Validierungsversuche durchgeführt hat. Arbeiten des Lehrstuhls wurden im Rahmen des COMET-Förderprogramms („Integration der Gießsimulation in die betriebsfeste Bauteilauslegung von Aluminium-Gussbauteilen“, COMET K2, Project A1.20) durch staatliche österreichische Institutionen finanziell gefördert.

Moritz Weidt M.Sc., MAGMA Gießereitechnologie GmbH, Aachen und Prof. Dr.-Ing. Andreas Bührig-Polaczek, Gießerei- Institut, RWTH Aachen University.



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pdf-Datei aus "GIESSEREI SPECIAL" Heft 2/2019 Seite 60-67
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Darstellung der simulierten Von-Mises-Vergleichsspannung für eine T6W-Wärmebehandlung. a) im gesamten Zylinderkopf, b) im Nockenwellenlager als Bestandteil des Zylinderkopfes und c) nach der mechanischen Entnahme des Nockenwellenlagers für die Validierungsversuche.

GRAFIK: MAGMA GMBH