Innere Spannungen innovativer, gegossener Metall-Matrix-Verbund
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Das hier verwendete Verfahren ermöglicht den Abguss von MMC mit gerichteter Langfaserverstärkung im Feingussverfahren und erlaubt damit hohe Freiheiten in der Bauteilgeometrie. Eine Besonderheit des Verfahrens ist die Möglichkeit, Bauteile mit selektiver Verstärkung herzustellen. Aus diesem zweistufigen Verbundwerkstoffaufbau ergeben sich schwerpunktmäßig zwei Arten der Eigenspannungsausbildung. Zum einen die mikroskopischen Eigenspannungen zwischen Faser und Matrix und zum anderen die makroskopischen Eigenspannungen zwischen verstärkten und unverstärkten Bauteilbereichen, welche beide in diesem Projekt untersucht wurden. Motivation zur gleichzeitigen und abgestimmten theoretischen und messtechnischen Analyse ist der unzureichende Erkenntnisstand und die weit reichenden Einflüsse und Folgen von Eigenspannungen auf Werkstoffe und Bauteile, wie Schädigungen durch Risse, Verzug etc. Die Ziele der beiden Projektjahre konnten weitgehend erfüllt werden. Es wurde die Messtechnik zur Eigenspannungsmessung von mikroskopischen und makroskopischen Eigenspannungen entwickelt, ein umfangreiches Messprogramm mit Bestimmung der mechanischen Eigenschaften, der Prozess-, Gefüge- und Wärmebehandlungsparameter durchgearbeitet und parallel dazu die analogen Eigenspannungssimulationen durchgeführt. Problematisch bei der mikroskopischen Eigenspannungsmesssung war und ist die Bestimmung der Fasereigenspannungen. Hier ist die Bestimmung eines ausreichend separierten Messpunktes im Debeyogramm kritisch. Dies kann in Abhängigkeit von der Probenqualität zu einer verminderten Messgenauigkeit führen. Bei der Probenauswahl muss dies unbedingt berücksichtigt werden. Anschließend wurden über den Abgleich von Simulations- und Messergebnissen Zusammenhänge zwischen Eigenspannungszustand, Eigenschaften und Prozessparametern ausgearbeitet. Es konnten vor allem bivariate Korrelationen ausgearbeitet werden, die wichtige Schlüsse auf den Herstellungsprozess und das Werkstoffverhalten zulassen. Als vorrangige Erkenntnis ist das quantitative Wissen über die Einflüsse der Wärmebehandlung auf die Eigenspannungen und die Eigenschaften zu nennen. Dabei steigert beispielsweise eine Anhebung der Lösungsglühtemperatur das Eigenspannungsniveau, während über die Auslagerprozesse der Eigenspannungszustand gesenkt werden kann. Diese erwarteten Zusammenhänge konnten in diesem Projekt genau quantifiziert werden, was eine präzise Steuerung der Eigenspannungen oder den Ausschluss von bauteilschädigenden Prozessparametern ermöglicht. Dieses Wissen über Korrelationen führt zum einen zu einem erheblich verbesserten Prozess- und Werkstoffverständnis und ermöglichte zum anderen im Laufe der Arbeiten neue Fortschritte bei den Aluminiummatrix-MMCs. Die wichtigsten Entwicklungen sind dabei gesteigerte Werkstoff- und damit Bauteileigenschaften und Prozessoptimierungen, welche zu einer deutlich angehobenen Prozesszuverlässigkeit geführt haben. Das Wissen über den Eigenspannungszustand ist ebenfalls hilfreich bei der Steigerung der Prozesszuverlässigkeit, da Schädigungen durch eigenspannungsverursachte Risse, Spannungsrisskorrosion etc. ausgeschlossen oder zumindest vermindert werden können. Weitere Fortschritte sind durch die jetzt mögliche Anpassung des Eigenspannungszustandes an die konstruktiv gewünschte Hauptbauteilbelastung. Insbesondere die Druckfestigkeit der MMcs kann so deutlich verbessert werden. Damit ergibt sich neues Leistungspotential für die Klasse der Metallmatrix-Verbundwerkstoffe. Zusammen mit Ergebnissen aus den vorhergegangenen Arbeiten führt die Kombination aus neuem, wissenschaftlichen Werkstoffverständnis und gesicherter Qualität aus dem druckunterstützten Feingussprozess die MMCs deutlich näher zum industriellen Einsatz. So wird aktuell als Demonstrator eine Hochleistungsfahrradkurbel mit deutlich weiterentwickeltem Design und Auslegung unter Nutzung der hier vorgestellten Ergebnisse hergestellt und erprobt.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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2002. “An innovative production method for metal matrix composites”. Proc. “International Conference on Composites Engineering” ICCE/9 2002, San Diego, California
M. Rosefort, M. Grohn, D. Fettweis, P.R. Sahm
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2002. “Analysis of Temperature Patterns in Backed up Investment Moulds”. Proc Materials Week 2002, München, Germany
M. Grohn, M. Rosefort, C. Dahmen, D. Fettweis, P.R. Sahm
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2002. “Correlation of Process, Structure and Mechanical Properties between Fibre-Reinforced Aluminium Alloy Composites”. Proc Materials Week 2002, München, Germany
M. Rosefort, M. Grohn, D. Fettweis, P.R. Sahm
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2002. “Fatigue Tests of Fibre-Reinforced Aluminium Alloy Composites”. Proc Materials Week 2002, München, Germany
D. Fettweis, M. Rosefort, M. Grohn, P.R. Sahm, H. Flower, E. Eardley
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2003. “Feingussforschung am Gießerei-Institut“. Gießerei Symposium der AGIFA, Aachen, 3.12.2003
M. Grohn, M. Rosefort
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2003. „Ein neues Verfahren zur Produktion von MMCs“. Proc. Verbundwerkstoffe und Werkstoffverbunde, Wien, 2003
M. Rosefort, M. Grohn, D. Fettweis, A. Bührig-Polaczek
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”Restspannungen in gegossenen kontinuierlich verstärkten Aluminium-Langfaserverbundwerkstoffen”. Werkstoffwoche 2004, München
M. Rosefort, A. Bäumer, C. Dahmen, S. Sun, A. Bührig-Polaczek
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”Restspannungen in gegossenen kontinuierlich verstärkten Aluminium-Langfaserverbundwerkstoffen”. Proc. Verbundwerkstoffe 2005, Kassel, 2005
M. Rosefort, A. Bäumer, S. Sun, A. Bührig-Polaczek
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”Statistische Ermittlung von Korrelationen zwischen Prozess-, Gefügeparametern und Eigenschaften langfaserverstärkter Verbundwerkstoffe”. Proc. Verbundwerkstoffe 2005, Kassel, 2005
M. Rosefort, A. Bäumer, R. Kuschel, A. Bührig-Polaczek
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Eigenspannungen und Einfluss der Prozessparameter in langfaserverstärkter Aluminiumlegierung. Shaker Verlag, Dissertation, Aachen, 2007
Shaochun Sun
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”Makroskopische Eigenspannungen in selektiv langfaserverstärkten Aluminiumbauteilen”. Verbundwerkstoffe und Werkstoffverbunde 2007, Bremen, 2007
S. Sun, M. Rosefort, A. Bäumer, C. Dahmen, A. Bührig-Polaczek
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”Statistische Versuchsauswertung und Modellbildung bei langfaserverstärkten MMCs”. Verbundwerkstoffe und Werkstoffverbunde 2007, Bremen, 2007
M. Rosefort, C. Dahmen, A. Bührig-Polaczek
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„Eigenspannung im mit gasdruckunterstütztem Feingussverfahren hergestellten langfaserverstärkten Aluminium-Matrix-Verbundwerkstoff“. Materialwissenschaft und Werkstofftechnik 2007, WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim, 2007
S. Sun, M. Rosefort, A. Bäumer, D. Chaohan, I. Possel-Dölken, A. Bührig-Polaczek
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„Prozess-Gefüge-Eigenschaften: Korrelationen bei langfaserverstärktem Aluminium“. Shaker Verlag, Dissertation, Aachen, 2007
M. Rosefort
