Maßnahmen zur Verbesserung der mechanischen Eigenschaften von Recycling Al-Druckgusslegierungen für Powertrain-Anwendungen

Stürzel, Thomas GND

Im Rahmen dieser Arbeit wird das Eigenschaftsspektrum der Al-Recyclinglegierung 226D (AlSi9Cu3Fe) unter Optimierung der Zusammensetzung und Wärmebehandlung erweitert. Neben thermodynamischen Simulationen mit JMatPro® und der Vorgehensweise nach DfSS Design-for-Six-Sigma werden Legierungsversuche im Labor- und Industriemaßstab, Makrohärte- und Dichtemessungen, Kerbschlagbiege- und Zugversuche, Bestimmung der Dauerschwellfestigkeit, DSC- und Dilatometermessungen sowie Licht- und Rasterelektronenmikroskopie mit EDX und zudem Röntgendiffraktometrie durchgeführt. Die Kombination aus DfSS und JMatPro® liefert im ersten Schritt eine Einschränkung der Legierung 226D hinsichtlich intermetallischer Phasen und Dehngrenze. Laborversuche zeigen durch 0,1 wt% Mo die Unterdrückung von nadeligen ß-Al5FeSi Phasen und stattdessen die Bildung verrundeter neuartiger AlFeMoMnSi-Phasen. Dies führt zu einer um bis zu 35 % gesteigerten Bruchdehnung. Der Übertrag auf ein Druckguss-Kurbelgehäuse zeigt ebenso eine Kennwertsteigerung. Dabei können Gefügebestandteile sicher mit JMatPro® vorhergesagt werden. Dies wird durch REM und XRD bestätigt. Die reduzierte Auslagerung T5mod 200 zeigt im Vergleich zur Referenz bereits eine signifikant höhere Dehngrenze und teils erhöhte Dauerschwellfestigkeit bis Pü50 = 57 MPa. Diese Steigerungen sind auf veränderte Ausscheidungsspezies und -dichte zurückzuführen. Optimiertes Lösungsglühen findet bei 738 K (465 °C) mit 3 h Haltezeit statt und liefert in Kombination mit reduzierter Auslagerung bei 473 K (200 °C) die höchste Dehngrenze bis 300 MPa. Dies führt auch bei der Kurzzeitwarmfestigkeit zu deutlicher Kennwertsteigerung. Bei 500 h Temperaturbelastung ist allerdings nur bis 453 K (180 °C) ein Vorteil zu erzielen, wohingegen nach 473 K (200 °C) / 500 h alle Varianten auf Rp0,2 [rund] 150 MPa abfallen. Der Spagat zwischen hoher Dehngrenze und geringem irreversiblem thermischem Wachstum zeigt sich insbesondere zwischen Auslagerungstemperaturen sowie ein- bzw. zweistufiger Wärmebehandlung. Durch Optimierung der Zusammensetzung und Wärmebehandlung wird eine deutliche Steigerung der korrelierenden Werte Quality-Index QIDJR und Sicherheitsprodukt Rp0,2 x A erreicht. Außerdem besteht ein tendenzieller Zusammenhang zwischen Sicherheitsprodukt und Kerbschlagarbeit.

In the scope of this work the range of properties of the aluminum recycling alloy 226D (AlSi9Cu3Fe) is extended by optimization of chemical composition and heat treatment. In addition to thermodynamic simulations with JMatPro® and the Design-for-Six-Sigma (DfSS) approach, laboratory and industrial scale alloying experiments, macro-hardness and density measurements, notch impact and tensile tests, determination of fatigue strength, DSC and dilatometer measurements as well as light and scanning electron microscopy with EDX and also XRD are carried out. In the first step, the combination of DfSS and JMatPro® restricts the alloy 226D in terms of intermetallic phases and yield strength. Laboratory experiments show by 0.1 wt% Mo suppression of needle-like ß-Al5FeSi phases and, instead, the formation of circularized novel AlFeMoMnSi phases. This leads to an increase in elongation of up to 35 %. The transfer to a die-cast crankcase also shows an increase in characteristic values. In this case, microstructural components can be predicted accurately with JMatPro®. This is confirmed by REM and XRD. The thermal reduced aging T5mod 200 shows in comparison to the reference already a significantly higher yield strength and partly increased fatigue strength up to Pü50 = 57 MPa. These increases are due to altered species and density of precipitates. Optimized solution treatment takes place at 738 K (465 °C) with a 3-hour holding time and, in combination with reduced aging at 473 K (200 °C), provides the highest yield strength up to 300 MPa. This leads to a significant increase in characteristic values even in the case of short-term heat resistance. At 500 h temperature load, however, an advantage can only be achieved up to 453 K (180 °C), whereas after 473 K (200 °C) / 500 h all heat treatment alternatives drop to Rp0.2 ≈ 150 MPa. The balancing between high yield strength and low irreversible thermal growth is particularly evident between aging temperatures and one- or two-stage heat treatment. By optimizing the composition and heat treatment, a significant increase of the correlating values Quality Index QIDJR and security product Rp0.2 x A is achieved. In addition, there is a tending relation between security product and notched bar impact work.

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Stürzel, Thomas: Maßnahmen zur Verbesserung der mechanischen Eigenschaften von Recycling Al-Druckgusslegierungen für Powertrain-Anwendungen. Ilmenau 2018.

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