TY - THES

T1 - Evaluierung des Festigkeitspotentials einer 6xxx-Zerspanungslegierung

AU - Hirschbeck, Felix

N1 - gesperrt bis 31-10-2029

PY - 2024

Y1 - 2024

N2 - Aluminiumlegierungen der 6xxx-Serie werden aufgrund ihrer vielseitigen Eigenschaften in zahlreichen Anwendungen eingesetzt. Insbesondere für die Herstellung komplexer Bauteile ist die Zerspanbarkeit von großer Bedeutung. Bismut zeigt sich dabei als vielversprechendes Legierungselement zur Verbesserung der Zerspanungseigenschaften von AlMgSi-Legierungen. Durch die Unlöslichkeit von Bismut in Aluminium und die Bildung niedrig schmelzender Phasen fördert es einen kurzen Spanbruch, der für eine effiziente Zerspanbarkeit entscheidend ist.Diese Arbeit zielt darauf ab, das Festigkeitspotenzial einer modifizierten 6xxx-Aluminiumlegierung zu untersuchen, bei der Bismut als spanbrechendes Element eingesetzt wurde. Verschiedene Legierungszusammensetzungen wurden mittels Design of Experiment (DoE) hergestellt und einer an die Industrie angelehnten Wärmebehandlung unterzogen. Brinell-Härtemessungen dienten zur Beurteilung der Festigkeit, während Gefüge- und chemische Analysen mittels Rasterelektronenmikroskopie zur Charakterisierung der Mikrostruktur zur Anwendung kamen. Thermodynamische Berechnungen und ein lineares Regressionsmodell ermöglichten die Untersuchung des Einflusses der Legierungselemente auf die Härte sowie die Vorhersage zukünftiger Härtewerte basierend auf der Zusammensetzung.Die Ergebnisse verdeutlichen den direkten Einfluss des Bismut-Gehalts auf die Härte der untersuchten Legierungen. Besonders in niedrig legierten Varianten führt ein hoher Bi-Anteil zu einer deutlichen Reduktion der Härte. In höher legierten Legierungen fällt dieser Effekt durch das größere Volumen an härtesteigernden Phasen weniger stark ins Gewicht. Als Hauptfaktor für den Härteverlust konnte die Bildung der β-Mg3Bi2 Phase identifiziert werden. Diese Phase, die im Vergleich zur niedrig schmelzenden eutektischen Bi + α-Mg3Bi2 Verbindung keinen positiven Effekt auf die Zerspanbarkeit besitzt, bindet Magnesium bereits frühzeitig aus der Schmelze. Dadurch steht weniger Magnesium für die Bildung der primären härtesteigernden Mg2Si-Phase zur Verfügung, was zu einer geringeren Härte führt. Um Härteabweichungen zu vermeiden, ist eine gezielte Anpassung der Legierungselemente, insbesondere von Magnesium und Bismut, erforderlich.Diese Erkenntnisse leisten einen wichtigen Beitrag zur Weiterentwicklung von Aluminiumlegierungen mit verbesserten Bearbeitungseigenschaften, die den Ansprüchen moderner Fertigungsprozesse entsprechen.

AB - Aluminiumlegierungen der 6xxx-Serie werden aufgrund ihrer vielseitigen Eigenschaften in zahlreichen Anwendungen eingesetzt. Insbesondere für die Herstellung komplexer Bauteile ist die Zerspanbarkeit von großer Bedeutung. Bismut zeigt sich dabei als vielversprechendes Legierungselement zur Verbesserung der Zerspanungseigenschaften von AlMgSi-Legierungen. Durch die Unlöslichkeit von Bismut in Aluminium und die Bildung niedrig schmelzender Phasen fördert es einen kurzen Spanbruch, der für eine effiziente Zerspanbarkeit entscheidend ist.Diese Arbeit zielt darauf ab, das Festigkeitspotenzial einer modifizierten 6xxx-Aluminiumlegierung zu untersuchen, bei der Bismut als spanbrechendes Element eingesetzt wurde. Verschiedene Legierungszusammensetzungen wurden mittels Design of Experiment (DoE) hergestellt und einer an die Industrie angelehnten Wärmebehandlung unterzogen. Brinell-Härtemessungen dienten zur Beurteilung der Festigkeit, während Gefüge- und chemische Analysen mittels Rasterelektronenmikroskopie zur Charakterisierung der Mikrostruktur zur Anwendung kamen. Thermodynamische Berechnungen und ein lineares Regressionsmodell ermöglichten die Untersuchung des Einflusses der Legierungselemente auf die Härte sowie die Vorhersage zukünftiger Härtewerte basierend auf der Zusammensetzung.Die Ergebnisse verdeutlichen den direkten Einfluss des Bismut-Gehalts auf die Härte der untersuchten Legierungen. Besonders in niedrig legierten Varianten führt ein hoher Bi-Anteil zu einer deutlichen Reduktion der Härte. In höher legierten Legierungen fällt dieser Effekt durch das größere Volumen an härtesteigernden Phasen weniger stark ins Gewicht. Als Hauptfaktor für den Härteverlust konnte die Bildung der β-Mg3Bi2 Phase identifiziert werden. Diese Phase, die im Vergleich zur niedrig schmelzenden eutektischen Bi + α-Mg3Bi2 Verbindung keinen positiven Effekt auf die Zerspanbarkeit besitzt, bindet Magnesium bereits frühzeitig aus der Schmelze. Dadurch steht weniger Magnesium für die Bildung der primären härtesteigernden Mg2Si-Phase zur Verfügung, was zu einer geringeren Härte führt. Um Härteabweichungen zu vermeiden, ist eine gezielte Anpassung der Legierungselemente, insbesondere von Magnesium und Bismut, erforderlich.Diese Erkenntnisse leisten einen wichtigen Beitrag zur Weiterentwicklung von Aluminiumlegierungen mit verbesserten Bearbeitungseigenschaften, die den Ansprüchen moderner Fertigungsprozesse entsprechen.

KW - aluminium alloy

KW - strength potential

KW - machinability

KW - bismuth

KW - hardness

KW - Aluminiumlegierung

KW - Festigkeitspotential

KW - Zerspanbarkeit

KW - Bismut

KW - Härte

M3 - Masterarbeit

ER -