TY - THES

T1 - Randschichteffekte bei der Ermüdungsfestigkeitsbewertung von Aluminiumgussbauteilen

AU - Pomberger, Sebastian

N1 - gesperrt bis 05-09-2022

PY - 2017

Y1 - 2017

N2 - Aluminium als Werkstoff für Komponenten des Automobilsektors gewinnt zunehmend an industrieller Bedeutung, besonders durch moderne Gussverfahren lassen sich damit komplexe Bauteile wirtschaftlich realisieren. Die gussrauen Oberflächen können nicht in allen Fällen mechanisch nachbearbeitet werden, weshalb eine Beurteilung von Oberflächentopographien hinsichtlich des Einflusses auf die Langzeitfestigkeit technologisch relevant ist. Im Rahmen dieser Arbeit wird eine Untersuchung von Randschichteffekten und deren Auswirkung auf die Langzeitfestigkeit durchgeführt. Um die durch die Gussformen bestimmte Oberflächenstruktur untersuchen zu können, werden Flachproben mit gussrauen Oberflächen an charakteristischen Stellen aus zwei Zylinderkurbelgehäuse (ZKG) Serien entnommen und zur schwingfesten Charakterisierung herangezogen. Zusätzlich werden Proben aus ZKG untersucht, welche durch Heiß-Isostatisches-Pressen (HIP) im Inneren porenfrei sind, wobei ein Versagen aufgrund von Volumsdefekten reduziert werden kann. Anschließende experimentelle Untersuchungen bezüglich der Oberflächentopographie sowie eine Analyse der Bruchflächen sollen eine eindeutigere Bewertung der Randschicht möglich machen. Zunächst wird die gussraue Oberfläche mit einem digitalen Lichtmikroskop eingescannt und Oberflächenkennwerte sowie andere topographische Merkmale ausgewertet. Schwingversuche werden unter schwellender Biegebeanspruchung durchgeführt, um die Rissinitiierung in der Randschicht der gussrauen Oberfläche herbeizuführen. Es zeigt sich, dass die vorhandene geometrische Kerbe, die durch eine Teilungsebene in der Gussform entstanden ist, einen deutlichen Einfluss auf die Langzeitfestigkeit hat. Der Einfluss der Oberflächenrauheit wird ebenfalls ganzheitlich untersucht, ist aber im Vergleich zu diesem Gusskerbeneinfluss weniger signifikant ausgeprägt. Durch eine numerische Kerbspannungsanalyse wird die Kerbformzahl ermittelt und die lokale Kerbspannung berechnet. Eine geHIPte und eine nicht geHIPte Charge werden dabei vergleichend ausgewertet. Es zeigt sich, dass durch eine HIP-Behandlung keine oberflächennahe festigkeitssteigernde Wirkung erzielt wird, da Poren in der Randschicht durch diese Nachbehandlung nicht geschlossen werden bzw. sogar die oberflächennahen Mikroporen zu einer Erhöhung der Kerbformzahl führen. Dies ist gegensätzlich zu publizierten Ergebnissen volumetrischer Untersuchungen ohne Randschicht, welche bei geHIPten Aluminiumgussproben eine deutliche Steigerung der Schwingfestigkeit aufweisen. Zusammengefasst ist zu betonen, dass der fertigungstechnologische Herstellungsprozess von Aluminiumgussbauteilen inklusive möglicher Fertigungsverfahren stets getrennt für Volumen und Randschicht zu betrachten ist.

AB - Aluminium als Werkstoff für Komponenten des Automobilsektors gewinnt zunehmend an industrieller Bedeutung, besonders durch moderne Gussverfahren lassen sich damit komplexe Bauteile wirtschaftlich realisieren. Die gussrauen Oberflächen können nicht in allen Fällen mechanisch nachbearbeitet werden, weshalb eine Beurteilung von Oberflächentopographien hinsichtlich des Einflusses auf die Langzeitfestigkeit technologisch relevant ist. Im Rahmen dieser Arbeit wird eine Untersuchung von Randschichteffekten und deren Auswirkung auf die Langzeitfestigkeit durchgeführt. Um die durch die Gussformen bestimmte Oberflächenstruktur untersuchen zu können, werden Flachproben mit gussrauen Oberflächen an charakteristischen Stellen aus zwei Zylinderkurbelgehäuse (ZKG) Serien entnommen und zur schwingfesten Charakterisierung herangezogen. Zusätzlich werden Proben aus ZKG untersucht, welche durch Heiß-Isostatisches-Pressen (HIP) im Inneren porenfrei sind, wobei ein Versagen aufgrund von Volumsdefekten reduziert werden kann. Anschließende experimentelle Untersuchungen bezüglich der Oberflächentopographie sowie eine Analyse der Bruchflächen sollen eine eindeutigere Bewertung der Randschicht möglich machen. Zunächst wird die gussraue Oberfläche mit einem digitalen Lichtmikroskop eingescannt und Oberflächenkennwerte sowie andere topographische Merkmale ausgewertet. Schwingversuche werden unter schwellender Biegebeanspruchung durchgeführt, um die Rissinitiierung in der Randschicht der gussrauen Oberfläche herbeizuführen. Es zeigt sich, dass die vorhandene geometrische Kerbe, die durch eine Teilungsebene in der Gussform entstanden ist, einen deutlichen Einfluss auf die Langzeitfestigkeit hat. Der Einfluss der Oberflächenrauheit wird ebenfalls ganzheitlich untersucht, ist aber im Vergleich zu diesem Gusskerbeneinfluss weniger signifikant ausgeprägt. Durch eine numerische Kerbspannungsanalyse wird die Kerbformzahl ermittelt und die lokale Kerbspannung berechnet. Eine geHIPte und eine nicht geHIPte Charge werden dabei vergleichend ausgewertet. Es zeigt sich, dass durch eine HIP-Behandlung keine oberflächennahe festigkeitssteigernde Wirkung erzielt wird, da Poren in der Randschicht durch diese Nachbehandlung nicht geschlossen werden bzw. sogar die oberflächennahen Mikroporen zu einer Erhöhung der Kerbformzahl führen. Dies ist gegensätzlich zu publizierten Ergebnissen volumetrischer Untersuchungen ohne Randschicht, welche bei geHIPten Aluminiumgussproben eine deutliche Steigerung der Schwingfestigkeit aufweisen. Zusammengefasst ist zu betonen, dass der fertigungstechnologische Herstellungsprozess von Aluminiumgussbauteilen inklusive möglicher Fertigungsverfahren stets getrennt für Volumen und Randschicht zu betrachten ist.

KW - aluminum casting

KW - fatigue strength

KW - surface layer effect

KW - surface topography

KW - Aluminiumguss

KW - Ermüdungsfestigkeit

KW - Randschichteffekte

KW - Oberflächentopographie

M3 - Masterarbeit

ER -