Hybride Leichtbaustrukturen für den Karosseriebau - gusswerkstofforientierte Anwendungsuntersuchungen für das Druckgießen

Oberschelp, Christian; Bührig-Polaczek, Andreas

doi:4505

Hybride Leichtbaustrukturen für den Karosseriebau - gusswerkstofforientierte Anwendungsuntersuchungen für das Druckgießen = Hybrid lightweight structures for body construction : casting orientated investigations for the high pressure die casting process

Oberschelp, Christian

2013

VerantwortlichkeitsangabeChristian Oberschelp

ImpressumAachen : Gießerei-Institut der RWTH Aachen 2013

Umfang237 S. Ill., graph. Darst.

ISBN978-3-9813872-8-5

ReiheErgebnisse aus Forschung und Entwicklung / Gießerei-Institut der RWTH Aachen ; 9

Zugl.: Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2012

Zsfassung in dt. und engl. Sprache

Genehmigende Fakultät
Fak05

Hauptberichter/Gutachter
Bührig-Polaczek, Andreas (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2012-07-26

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-45058
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/211917/files/4505.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Verbundwerkstoff (Genormte SW) ; Druckguss (Genormte SW) ; Aluminiumguss (Genormte SW) ; Karosserie (Genormte SW) ; Ingenieurwissenschaften (frei) ; Werkstoffverbunde (frei) ; high pressure die casting (frei) ; aluminium casting (frei) ; body construction (frei) ; composite casting (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Neben der allseits bekannten Notwendigkeit Bauteilgewichte zu reduzieren, werden an künftige Fahrzeugstrukturen noch höhere Anforderungen hinsichtlich der statischen und dynamischen Leistungskriterien, des Verformungsverhaltens bei typischen Crashlasten, der Bauraumnutzung sowie an einer uneingeschränkten Recyclingfähigkeit gestellt. Hybride Werkstoffkomponenten verfügen über ausgezeichnete Leichtbaugüten und Struktureigenschaften und tragen zu einer Verbesserung der Fahrzeugsicherheit sowie zur Schonung von Umwelt und Ressourcen bei. Nahezu alle Fahrzeughersteller arbeiten bereits an Fahrzeugmodellen, bei denen Materialmischbauweisen bedarfsgerecht kombiniert werden. Das Verbinden von Materialien gelingt unter anderem im Verbundguss. Durch den Gießprozess können Gussteile mit einem oder mehreren Bauteilen vereint werden. Die Herstellung hybrider Werkstoffkomponenten mittels des Druckgießens ist von besonderem Interesse. Es besteht einerseits in wirtschaftlicher und andererseits in werkstofftechnischer Hinsicht. In wirtschaftlicher Hinsicht deshalb, da das Druckgießen fast ausnahmslos zur Produktion von Großserien genutzt wird und in werkstofftechnischer Hinsicht, da die hohen, prozessbedingten Drücke die Herstellung stoffschlüssiger Verbunde vermuten lassen. Stoffschlüssige Verbunde sollten angestrebt werden, wenn hybride Werkstoffkomponenten im Nassbereich – zum Beispiel im Karosserierohbau – eingesetzt werden sollen.Bei der Entwicklung hybrider Werkstoffkomponenten aus Stahl und Aluminium bestehen mannigfaltige Herausforderungen. Der Fokus der durchgeführten Untersuchungen richtete sich unter anderem auf die Auswahl geeigneter Guss-, Blech- und Beschichtungswerkstoffe, deren Eignung nicht zuletzt in praktischen Versuchen überprüft wurde.In einer Vorauswahl wurden zwei Gusslegierungen ausgewählt, die dem Stand der Technik zufolge gut gießbar, korrosionsbeständig, kaltaushärtend und schweißbar sind. Eine gute Gießbarkeit ist unter anderem zur Abbildung beson-ders dünnwandiger Bauteilbereiche notwendig. Eine hohe Korrosionsbeständigkeit wird für Bauteile verlangt, die dem Nassbereich ausgesetzt sind. Eine gute Schweißbarkeit ist zur Aufrechterhaltung der Funktionsintegration wichtig und kaltaushärtende Eigenschaften sind von Bedeutung, um Kosten zu sparen und zusätzliche Eigenspannungen bei Stahl-Aluminium-Werkstoffverbunden resultierend aus einer Wärmebehandlung zu vermeiden. Da dieses Anforderungsprofil von den Gusslegierungen AlSi9Mn und AlMg5Si2Mn erfüllt wird, wurden die beiden Gusslegierungen vergleichende Legierungsuntersuchungen unterzogen. Hierbei zeigte sich, dass die Gusslegierung AlSi9Mn höhere Gießeigenschaften als Gusslegierung AlMg5Si2Mn aufweist und geringere Bauteilverzüge in Stahl-Aluminium-Aluminium-Hybridstrukturen hervorruft. Aufgrund der sich darstellenden Vorteile wurde entschieden, die Gusslegierung AlSi9Mn für die weitere Her-stellung von Stahl-Aluminium-Werkstoffverbunden zu verwenden. Für die Fertigung von Stahl-Aluminium-Werkstoffverbunden wurde als Stahlwerkstoff der mikrolegierte und höherfeste Stahlwerkstoff ZStE 420 ausgewählt. Hierbei handelt es sich um einen Stahlwerkstoff, der, dem Stand der Technik zufolge, bereits Einsatz im Außenhaut- und im Innenteilbereich von Kraftfahrzeugen findet. Der Werkstoff weist in Kombination mit Beschichtungen eine gute Korrosionsbeständigkeit auf und ist schweißbar. Nicht zuletzt weist der Werkstoff eine gute Beständigkeit gegenüber einem kurzzeitigen Schmelzekontakt während des Umgießens auf.Die Fertigung stoffschlüssiger Werkstoffverbunde setzt eine ausreichende Diffusion zwischen den Fügepartnern sowie oxidfreie Blechoberflächen voraus. Die geringen Erstarrungszeiten im Druckguss erschweren allerdings das Anschmelzen des Blecheinlegers und damit die atomare Diffusion zwischen den Fügepartnern. Um dennoch stoffschlüssige Werkstoffverbunde fertigen zu können, wurde eine Auswahl unterschiedlich beschichteter ZStE-420 Bleche mit der Gusslegierung AlSi9Mn umgossen. Für die Untersuchungen wurde eine elektrolytische Verzinkung, eine Feuerverzinkung, eine Galvannealed Verzinkung und eine Feueraluminierung ausgewählt. Wie die Ergebnisse zeigen, wird der Aufbau stoffschlüssiger Verbindungen vor allem durch den Einsatz elektrolytisch- und feuerverzinkter Blechwerkstoffe unterstützt. Ein vollständiger Stoffschluss, wie dieser zur Vermeidung einer möglichen Spaltkorrosion erwünscht ist, wurde allerdings nicht erreicht. Weitere Untersuchungen, die zur Bestimmung des mechanischen Leistungsvermögens stoffschlüssiger Werkstoffverbunde erfolgten, zeigen, dass Werkstoffverbunde ohne Stoffschluss zunächst mehr Energie aufnehmen als Werkstoffverbunde mit Stoffschluss. Mit voranschreitendem Verformungsweg nehmen die stoffschlüssigen Werkstoffverbunde allerdings mehr Energie auf und erreichen ein höheres Energieabsorptionsvermögen als Werkstoffverbunde ohne Stoffschluss.

There is a general demand to decrease the weight of vehicles. This fact has to be considered by current and future body concepts. State of the art car body concepts require a high structural performance combined with a low weight of the component. This demand can be met by hybrid parts, which offer the advantage of a material mix, combining the advantageous properties of the composite partners. The high freedom of construction and geometric shape in primary shaping processes enables joining sheet metal structures to a complex cast structure stiffening the hybrid component and increasing the structural performance.The topic of this paper is to identify casting alloys, steel sheets and steel sheet coatings which enable the production of high quality hybrid structures for body applications in wet area. Therefore the materials have to achieve defined requirements.Casting alloys which have to be used for thin wall hybrid structures need to have a very well castability, a good corrosion resistance, good mechanical properties including a good ductility and a good weldability. To save costs and to reduce residual stress in hybrid components alloys have to be used which show a self-hardening effect. Because of stiffening the hybrid component an almost defect-free casting component is needed. Therefore casting alloys which have been used for composite castings have to show a good castability. The casting alloys AlMg5Si2Mn and AlSi9Mn seem to have the potential to achieve these require-ments. A comparison of both alloys showed that the alloy AlSi9Mn has some advantages over the alloy AlMg5SiMn. The alloy has a higher castability and causes less residual stress in hybrid components. Casting ribs which are given to stabilize hybrid structures often show characteristic shrinkage porosity with a thread-shaped morphology when the alloy AlMg5Si2Mn was used. A higher residual stress caused by the alloy AlMg5Si2Mn is believed by the alloys higher thermal expansion coefficient. Because of the advantages of the alloy AlSi9Mn towards the alloy AlMg5Si2Mn the alloy AlSi9Mn was preferred for the production of hybrid components. Beside the choice of a casting material the micro-alloyed steel ZStE 420 was chosen. This steel material is often used for crash relevant structure parts and shows in combination with coatings a good corrosion resistance. Furthermore the micro-alloyed steel shows a hot temperature resistance for short term which is important when the steel material gets into contact with the molten casting alloy.Using hybrid parts in wet area both materials, casting and steel alloy, need to show a good corrosion resistance itself. To avoid contact corrosion it is necessary that a corrosion current between both materials cannot take place. Therefore it can be very helpful to realize a complete metallic continuity between both materials. To create a metallic continuity a sufficient diffusion time between the material partners is needed. Using technical casting processes like the high pressure die casting process there is only a very limited solidification time and therefore a very limited diffusion time. To overcome this problem defined coating systems were checked. It could be shown that especially Zinc-coatings (electrogalvanising and hot-dip galvanizing) are able to create a metallic continuity between steel and casting component. Nevertheless a complete metallic continuity was not received. Furthermore mechanical tests were conducted to analyze the failure mechanism of hybrid structures with and without metallic continuity. It could be shown that at early deformation trajectories hybrid structures without metallic continuity take up more energy than hybrid structure with metallic continuity. The behavior changes with increasing deformation trajectories.

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