Forschungsberichte

Einfluss der Wärmebehandlung auf den Eigenspannungszustand von Aluminiumgussteilen

Andreas Fent

150 Seiten 82 Abbildungen Hieronymus Buchreproduktions GmbH, München, 2002 ISBN 3-89791-253-8

Im Rahmen dieser Arbeit wird an zwei Gussteilen, einem einfachen Spannungsgitter und einem hochkomplexen Dieselzylinderkopf, die Änderung des Eigenspannungszustandes nach dem Guss durch zwei unterschiedliche Wärmebehandlungen am Beispiel der in der Automobilindustrie häufig für hoch beanspruchte Motorteile eingesetzten warmaushärtbaren Aluminiumgusslegierung G-AlSi7MgCu0,5 empirisch ermittelt.

Zunächst wird der Einfluss der Abkühlgeschwindigkeit nach dem Lösungsglühen auf den Eigenspannungszustand und die erreichbaren Festigkeiten für beide Bauteile ermittelt und beurteilt. Die Abkühlgeschwindigkeit wird dabei durch Abschrecken in Wasser mit Zusatzstoffen nach der derzeit  bestehenden Vergütungsvorschrift und durch Abkühlen an Umgebungsluft variiert. Anschließend wird der Spannungsabbau durch Kriechvorgänge beim Warmauslagern experimentell bestimmt.

Aufbauend auf die Versuchsergebnisse an einem einfachen Spannungsgitter wird eine Simulationsmethodik entwickelt, die es ermöglicht, die Spannungsänderung durch Wärmebehandlung an komplexen Bauteilen zu simulieren. Zum Erreichen dieser Zielsetzung wurden folgende Teilaufgaben erforderlich:

  • Ermittlung aller notwendigen Stoffwerte von Raumtemperatur bis nahe an die Solidustemperatur
  • Empirische Ermittlung des Spannungsrelaxationsverhaltens bei typischen Warmauslagerungstemperaturen
  • Entwicklung eines Softwaremoduls zur Berücksichtigung des Relaxationsverhaltens beim Warmauslagern
  • Thermische Simulation der Erstarrung und Abkühlung auf Raumtemperatur und Wärmebehandlung
  • Simulation der Eigenspannungen bei Erstarrung und Abkühlung und bei der Wärmebehandlung
  • Verifizierung der Simulationsergebnisse mit Temperatur- und Spannungsmessungen

Mit der anhand des einfachen Spannungsgitters entwickelten Simulationsmethodik wird die Änderung der Eigenspannungen bei unterschiedlichen Wärmebehandlungen eines hochkomplexen Zylinderkopfes berechnet. Durch die Verifizierung der thermischen und mechanischen Simulation mit Temperatur- und Spannungsmessungen wird ihre industrielle Anwendbarkeit nachgewiesen.

Neben Erkenntnissen über den Einfluss unterschiedlicher Wärmebehandlungen auf die Eigenspannungen in Gussbauteilen werden Empfehlungen zu deren Optimierung gegeben. Außerdem werden Überlegungen angestellt, wie die Ergebnisse der mechanischen Simulation der Wärmebehandlung von Aluminiumgussteilen mit komplexer Geometrie in den nachfolgenden Betriebsfestigkeitsrechnungen berücksichtigt werden können.