Verarbeitung von Magnesiumlegierungen im teilflüssigen Zustand und deren Eigenschaften
Von der Fakultät für Georessourcen und Materialtechnik der Rheinisch-Westfälischen Technischen Hochschule Aachen
zur Erlangung des akademischen Grades eines Doktors der Ingenieurwissenschaften
genehmigte Dissertation
vorgelegt von Master of Science
Julio Alejandro Aguilar Ortiz
aus Mexiko City, Mexiko
Berichter: Univ.-Prof. Dr.-Ing. Andreas Bührig-Polaczek Univ.-Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E.h. Peter R. Sahm
Tag der mündlichen Prüfung: 21. Dezember 2004
D 82 (Diss. RWTH Aachen)
Shaker Verlag Aachen 2005
Gießerei-Institut: Forschung, Entwicklung, Ergebnisse
Band 47
Julio Alejandro Aguilar Ortiz
Verarbeitung von Magnesiumlegierungen im teilflüssigen Zustand und deren Eigenschaften
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Zugl.: Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2004
Copyright Shaker Verlag 2005
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Printed in Germany.
ISBN 3-8322-3909-X ISSN 1435-6198
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Danksagung
Die vorliegende Arbeit entstand während meiner Tätigkeit als wissenschaftlicher Mitarbeiter am Gießerei-Institut der RWTH Aachen im Rahmen verschiedener Forschungsprojekte, die durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) und das Bundesministerium für Wirtschaft und Arbeit (BMWA) finanziert wurden.
Herrn Prof. Dr.-Ing. Andreas Bührig-Polaczek, Direktor des Gießerei-Institutes, möchte ich für die Unterstützung und Förderung der Arbeit, für das gewährte Vertrauen und die große Gestaltungsfreiheit während der letzten Jahren danken.
Mein besonderer Dank gilt Herrn Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E.h. Peter R. Sahm für das entgegengebrachte Vertrauen, für sein Interesse an dieser Arbeit und der Übernahme des Korreferats.
Herrn Dr. Frank Czerwinski und Mitarbeiter der Fa. Husky Injection Molding Systems Ltd., Kanada, Herrn Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E.h. Walter Michaeli vom Institut für Kunststoffverarbeitung (IKV) und Herrn Prof. Dr.-Ing. Rainer Schmid-Fetzer vom Institut für Metallurgie der TU Clausthal danke ich für ihre fachliche Unterstützung bei der Durchführung verschiedener Teile dieser Arbeit.
Des weiteren durfte ich durch die Mitarbeiter des Gießerei-Instituts und ACCESS e.V., insbesondere der Dauerformgussgruppe, sowie der technischen Mitarbeiter wertvolle Unterstützung meiner Arbeit erfahren. Besonderer Dank gebührt hierbei meinen Kollegen Martin Fehlbier, Olaf Klaassen, Horst Bramann, Thorsten Hofmeister, Roland Kahn, Andreas Flesch, Carsten Afrath, Tilman Grimmig, Andreas Hennings, Gerald Klaus und Juan Carlos Rodríguez. Die Mitarbeit von Max Regeniter, Marcus Friemelt, Claudius Grüneberg, Michael Goerdeler, Philipp Wedekind, Michael Sieger, Annette Baümer und insbesondere von Christian Zechendorf und Dietmar Lembrecht hat entscheidend zum Gelingen dieser Arbeit beigetragen. Besonders fruchtbar war die Zusammenarbeit mit Herrn Gösta Rettemeier vom IKV.
Frau Elke Schaberger-Zimmerman danke ich für die hervorragende Zusammenarbeit. Dirk Freudenberg, Claus Groten, Udo Spranck, Michael Kruft, Bernd Dackweiler, Franz Ernst, Martin Feller, Peter Otten, Monika Fafflok, Sabine Wolters, Birgit Schins, Ingeborg Thouet und Brigitte Vanweersch danke ich für die schnelle und zuverlässige Unterstützung in allen Aspekten meiner Arbeit. Bei ACCESS möchte ich mich bei den Herren Andre Schievenbusch und Michael Mathes für die metallurgische Analyse bedanken.
A mi esposa Lucia y a nuestrtos hijos Santiago, Isabel, Teresa y Sofia les agradezco especialmente por todo el apoyo y motivación que me brindaron durante la maestría y el doctorado. A ellos corresponde la mayor parte del éxito de este trabajo.
Por último quiero agradecer a mis padres y suegros por el apoyo y comprensión que todo este tiempo y esfuerzo a significado.
Inhaltsverzeichnis
0. Kurzfassung I 0.1 Einleitung und Motivation I 0.2 Thixogießen III 0.3 Rheogießen: Entwicklung des „Rheocontainer-Process“ (RCP) XIV 0.4 Thixomolding™ XVIII 0.5 Schlussfolgerungen und Ausblick XXVI
1. Einleitung und Motivation 1
2. Grundlagen 5
2.1 Der Leichtmetallwerkstoff Magnesium 5 2.1.1 Eigenschaften und Legierungen 9 2.1.2 Herstellungs- und Verarbeitungsverfahren 17 2.2 Verarbeitung teilflüssiger Mg-Legierungen 19 2.2.1 Prozessschritte des Thixogießens 28 2.2.2 Die Rheoformingverfahren 33
2.2.3 Thixomolding™ 35
2.3 Rheologische Grundlagen von teilerstarrten Metalllegierungen 36
2.3.1 Viskosität 36
2.3.2 Fließphänomene 37
2.4 Numerische Simulation zur Optimierung des SSM-Forming 41 2.5 Recycling von Magnesium-Thixomaterial 42 3. Untersuchungen zum Thixogießen 47 3.1 Schmelztechnik 47 3.2 Vormaterialherstellung 48 3.2.1 Korngrößenbestimmung und Gefügeauswertung 50
3.2.2 Seigerungsanalyse 52
3.3 Wiedererwärmung 55 3.3.1 Ermittlung der Erwärmungsparameter 55 3.3.2 Charakterisierung des Gefüges 60
3.4 Formgebung 60
3.4.1 Formfülluntersuchungen mittels einer Stufenform 62
3.4.2 Fließeigenschaften 76
3.4.3 Thixogießen eines realen Bauteils 83
3.5 Recycling 88
3.5.1 Vormaterialherstellung 88 3.5.2 Formgebung im Thixogießprozess 89 3.5.3 Auswertung der mechanischen Eigenschaften 91 3.5.4 Auswertung der Gefügeaufnahmen 93 3.5.5 Messungen am Rasterelektronenmikroskop 94
3.5.6 Bildanalyse 97
3.6 Zusammenfassung der Versuche im Thixogießverfahren 99
Inhaltsverzeichnis
4. Rheogießen: Entwicklung des „Rheocontainer-Process“ (RCP) 101 4.1 Verfahrensgrundlagen 101 4.2 Versuchsdurchführung 103 4.3 Untersuchungen zum Behältermaterial 104 4.4 Untersuchungen zur Vormaterialherstellung 106 4.5 Formgebungsuntersuchungen 108 4.6 Zusammenfassung der Versuche mit dem RCP 114
5. Thixomolding™ 117
5.1 Wirtschaftlichkeitsvergleich 117 5.1.1 Allgemeine Vorbemerkungen 117 5.1.2 Auswahl geeigneter Investitionsrechenarten 118
5.1.3 Beispielbauteil 119
5.1.4 Kostenvergleichsrechnung 119
5.1.5 Bauteilkosten 119
5.1.6 Sensitivitätsanalyse 121
5.1.7 Das NOWS-Verfahren 122
5.2 Anwendung der numerischen Simulation bei der Entwicklung eines
Versuchswerkzeuges zur Ermittlung von Konstruktionsrichtlinien 124
5.2.1 Durchführung 125
5.2.2 Parameter der Simulation 126 5.2.3 Erstellung der Geometrie 128 5.2.4 Ergebnisse der numerischen Simulation 134 5.2.5 Vergleich des Fließverhaltens von überhitzter und teilflüssiger
Schmelze in der Simulation 135 5.2.6 Bau des Versuchswerkzeuges anhand der numerischen
Simulationsergebnisse 135
5.3 Untersuchungen zur Verarbeitung der Legierung MEZ im
Thixomolding™ 140
5.3.1 Formgebungsversuche 140 5.3.2 Untersuchung der mechanischen Eigenschaften 143 5.3.3 Untersuchung der Kriecheigenschaften 152 5.3.4 Untersuchung der Fließeigenschaften 155 5.4 Zusammenfassung der Untersuchungen zum Thixomolding™ 160
6. Schlussfolgerungen und Ausblick 163 7. Literaturverzeichnis 169
