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T1 - Legierungstechnische Maßnahmen zur Optimierung der mechanischen und physikalischen Eigenschaften warmfester Al-Si-Gusslegierungen

AU - Stadler, Florian

N1 - nicht gesperrt

PY - 2012

Y1 - 2012

N2 - Untersuchungen bzw. Arbeiten aus der Fachwelt, welche die Thematik „warmfeste Al-Si-Gusslegierungen“ behandeln, betrachten die Versuchsergebnisse oftmals sehr isoliert. Daher werden im Stand der Technik meist auch keine Interdependenzen der einzelnen Hauptlegierungselemente untereinander aufgezeigt. Doch ist es genau diese Kenntnis der gegenseitigen Interaktion, welche die Möglichkeit bietet, Legierungen mit maximierten mechanischen Eigenschaften möglichst ökonomisch herzustellen. Im Rahmen dieser Arbeit wurden drei Hauptlegierungselemente (Cu, Ni und Mg) identifiziert, die miteinander wechselwirken und so die Warmfestigkeit von Al-Si-Gusslegierungen auf entscheidende Weise beeinflussen. Durch eine systematische Variation der Legierungszusammensetzung wird der festigkeitssteigernde Einfluss von Sekundärausscheidungen (Al2Cu und Mg2Si) deutlich. Auch die Zugabe von Ni resultiert in einer erhöhten Warmfestigkeit, allerdings nur bis zu einem gewissen Level, das durch den Anteil an eutektischer Phase in der jeweiligen Variante definiert wird. Die Legierungen werden als grobe Zwei-Phasen-Systeme betrachtet, bei denen ein deutlicher festigkeitssteigernder Beitrag durch die härtere Phase nur dann möglich ist, wenn letztere einen gewissen Grad an Konnektivität bzw. Kontiguität erreicht. Des Weiteren erfolgte die Untersuchung des Einflusses erhöhter Temperaturen auf die mechanischen Eigenschaften zweier kommerzieller, warmfester Legierungen. Der Effekt einer erhöhten Zieh- bzw. Auslagerungstemperatur wurde sowohl getrennt voneinander als auch in Kombination analysiert, worauf eine Gegenüberstellung der beiden Legierungen in Bezug auf ihre Hochtemperaturperformance erfolgte. Neben der Evaluierung der mechanischen Eigenschaften wurde eine Analyse des Einflusses der Legierungselemente Si, Cu und Ni auf die Wärmeleitfähigkeit und den thermischen Ausdehnungskoeffizienten durchgeführt. Die Mikrostruktur warmfester Al-Si-Sekundärguss-legierungen ähnelt komplexen Mehrphasenverbundwerkstoffen, wobei die thermischen Eigenschaften solcher Materialien üblicherweise zwischen jenen ihrer Einzelbestandteile liegen und von den Volumenanteilen der jeweiligen intermetallischen Phasen abhängen. Die Auswertung der Daten ergab einen signifikanten Einfluss der Hauptlegierungselemente auf die Wärmeleitfähigkeit sowie die thermische Ausdehnung. Für die Überprüfung ausgewählter Messwerte wurden theoretische Modelle zur Vorhersage der physikalischen Eigenschaften heterogener Werkstoffe herangezogen. Die gewonnenen Ergebnisse und die Kenntnis der Temperaturverteilung als Funktion der Wärmeleitfähigkeit anhand eines realen Bauteils ermöglichen eine Gegenüberstellung der jeweiligen Legierungen in Bezug auf eine ideale Kombination ihrer mechanischen und physikalischen Eigenschaften.

AB - Untersuchungen bzw. Arbeiten aus der Fachwelt, welche die Thematik „warmfeste Al-Si-Gusslegierungen“ behandeln, betrachten die Versuchsergebnisse oftmals sehr isoliert. Daher werden im Stand der Technik meist auch keine Interdependenzen der einzelnen Hauptlegierungselemente untereinander aufgezeigt. Doch ist es genau diese Kenntnis der gegenseitigen Interaktion, welche die Möglichkeit bietet, Legierungen mit maximierten mechanischen Eigenschaften möglichst ökonomisch herzustellen. Im Rahmen dieser Arbeit wurden drei Hauptlegierungselemente (Cu, Ni und Mg) identifiziert, die miteinander wechselwirken und so die Warmfestigkeit von Al-Si-Gusslegierungen auf entscheidende Weise beeinflussen. Durch eine systematische Variation der Legierungszusammensetzung wird der festigkeitssteigernde Einfluss von Sekundärausscheidungen (Al2Cu und Mg2Si) deutlich. Auch die Zugabe von Ni resultiert in einer erhöhten Warmfestigkeit, allerdings nur bis zu einem gewissen Level, das durch den Anteil an eutektischer Phase in der jeweiligen Variante definiert wird. Die Legierungen werden als grobe Zwei-Phasen-Systeme betrachtet, bei denen ein deutlicher festigkeitssteigernder Beitrag durch die härtere Phase nur dann möglich ist, wenn letztere einen gewissen Grad an Konnektivität bzw. Kontiguität erreicht. Des Weiteren erfolgte die Untersuchung des Einflusses erhöhter Temperaturen auf die mechanischen Eigenschaften zweier kommerzieller, warmfester Legierungen. Der Effekt einer erhöhten Zieh- bzw. Auslagerungstemperatur wurde sowohl getrennt voneinander als auch in Kombination analysiert, worauf eine Gegenüberstellung der beiden Legierungen in Bezug auf ihre Hochtemperaturperformance erfolgte. Neben der Evaluierung der mechanischen Eigenschaften wurde eine Analyse des Einflusses der Legierungselemente Si, Cu und Ni auf die Wärmeleitfähigkeit und den thermischen Ausdehnungskoeffizienten durchgeführt. Die Mikrostruktur warmfester Al-Si-Sekundärguss-legierungen ähnelt komplexen Mehrphasenverbundwerkstoffen, wobei die thermischen Eigenschaften solcher Materialien üblicherweise zwischen jenen ihrer Einzelbestandteile liegen und von den Volumenanteilen der jeweiligen intermetallischen Phasen abhängen. Die Auswertung der Daten ergab einen signifikanten Einfluss der Hauptlegierungselemente auf die Wärmeleitfähigkeit sowie die thermische Ausdehnung. Für die Überprüfung ausgewählter Messwerte wurden theoretische Modelle zur Vorhersage der physikalischen Eigenschaften heterogener Werkstoffe herangezogen. Die gewonnenen Ergebnisse und die Kenntnis der Temperaturverteilung als Funktion der Wärmeleitfähigkeit anhand eines realen Bauteils ermöglichen eine Gegenüberstellung der jeweiligen Legierungen in Bezug auf eine ideale Kombination ihrer mechanischen und physikalischen Eigenschaften.

KW - Al-Si cast alloy

KW - mein alloying elements

KW - elevated-temperature strength

KW - thermal conductivity

KW - thermal expansion coefficient

KW - Al-Si-Gusslegierung

KW - Hauptlegierungselemente

KW - Warmfestigkeit

KW - Wärmeleitfähigkeit

KW - thermischer Ausdehnungskoeffizient

M3 - Dissertation

ER -