Heißisostatisches Pressen von Leichtmetallgusswerkstoffen zur Verbesserung ihrer mechanischen Eigenschaften
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Heißisostatisches Pressen (HIP: Hot Isostatic Pressing) ist ein Verfahren, bei dem Bauteile für eine vorgegebene Zeit hohem Druck und hoher Temperatur ausgesetzt werden. Die wesentlichen Prozeßparameter sind deshalb Haltedruck ph, Haltetemperatur Th und Haltezelt th. Der Druck wird über ein, meist inertes, Gas aufgebracht. Mit der Entwicklung des Verfahrens, Heißisostatisches Pressen' wurde 1955 begonnen. Ursprüngliches Ziel war die Herstellung von Nuklearbrennstäben. Inzwischen haben sich eine Reihe weiterer Anwendungsfelder herauskristallisiert. Das Nachverdichten von Gußbauteilen ist eines davon. Porosität in Gußbauteilen läßt sich oft nicht vermeiden. Diese wirkt sich jedoch nachteilig auf die mechanischen Eigenschaften der Gußbauteile aus. Durch das Heißisostatische Pressen können, unter bestimmten Voraussetzungen, die Poren nachträglich beseitigt (und somit die Dichte erhöht} werden. Dadurch verbessern sich die mechanischen Eigenschaften, insbesondere die Schwingfestigkeit, signifikant. Bisherige Arbeiten zum Heißisostatischen Pressen von Aluminiumguß haben sich deshalb überwiegend mit der Veränderung der Porosität durch HIP beschäftigt. Ein möglicher Einfluß auf andere Gefügeeigenschaften wurde in den Untersuchungen bisher kaum betrachtet. Auf eine systematische Variation der Prozeßparameter wurde ebenso verzichtet. Mit den in diesem Forschungsprojekt durchgeführten Untersuchungen kann gezeigt werden, daß neben der Beseitigung der Porosität auch die Einformung von Ausscheidungen und eine Änderung der Mischkristallhärte berücksichtigt werden müssen, um die Veränderung der mechanischen Kennwerte durch HIP zu erklären. Zusätzlich ist die Qualität des Ausgangsgefüges von entscheidender Bedeutung für den Betrag, um den die mechanischen Kennwerte verbessert werden können. Für weiterreichende Erklärungsansätze müssen neben dem Einfluß des Heißisostatischen Fressens auf die mechanischen Eigenschaften folglich auch immer der Einfluß des HIP auf die Gefügeeigenschaften berücksichtigt werden. Eine Veränderung dieser ist letztendlich immer ursächlich für Veränderungen der mechanischen Eigenschaften. Für die Untersuchungen wurden die Magnesiumgußlegierung MgAlQZnl und die Aluminiumgußlegierung AISi9 (die ursprünglich vorgesehene übereutektische Aluminiumgußlegierung erwies sich aus gießtechnischen Gründen als ungeeignet ausgewählt. Bei den Magnesiumproben war eine Reduktion der Porosität und eine Neugestaltung der eutektischen Ausscheidungsstruktur für die Verbesserung der mechanischen Kennwerte verantwortlich..Allerdings war die Streuung der mechanischen Kennwerte aufgrund der auch nach dem HIP teilweise noch vorhandenen Porosität so hoch, daß keine eindeutige Zuordnung zwischen veränderten Gefüge- und mechanischen Eigenschaften möglich war. Dennoch ist davon auszugehen, daß durch HIP die mechanischen Eigenschaften von sowohl im Magnesiumdruckguß als auch im Magnesiumsandguß hergestellten Bauteilen verbessert werden können. Bei den Aluminiumproben hatte die Struktur des Ausgangsgefüges der Proben einen starken Einfluß auf die Gefügeveränderungen, da die beim Heißisostatischen Pressen stattfindenden Prozesse zum großen Teil diffusionsgesteuert und damit temperatur- und zeitabhängig ablaufen. Die grundlegenden physikalischen Prozesse für die Preß- und Sandgußproben waren daher zwar identisch, führten aber wegen der unterschiedlichen Ausgangsgefüge zu unterschiedlichen Ergebnissen in den mechanischen Kennwerten. Bei den Preßgußproben formten sich die Silizium-Ausscheidungen stark ein und die Mischkristall härte verringerte sich gegenüber dem Ausgangszustand. Eine Porositätsreduktion fand aufgrund des porenfreien Ausgangsgefüges nicht statt. Bei den Sandgußproben hingegen konnten die Poren eliminiert werden. Die Silizium-Ausscheidungen formten sich ebenfalls ein, aufgrund der um das ca. 4-fache größeren Dimensionen jedoch weitaus schwächer. Die Änderung der Mischkristallhärte war analog zu den Preßguß proben. Die Korngröße respektive der Dendritenarmabstand änderte sich bei beiden Probenarten nicht. Aufgrund der beschriebenen Veränderungen verringerte sich die Dehngrenze und die Zugfestigkeit für die Preßgußproben gegenüber dem Ausgangszustand, die Bruchdehung verbesserte sich dagegen um den Faktor Drei. Bei den Schwingspielzahlen konnte keine Verbesserung gegenüber dem Ausgangszustand erreicht werden. Bei den Sandgußproben blieb die Bruchdehnung nahezu unverändert, bei Dehngrenze, Zugfestigkeit und Schwingspielzahl konnten leichte Verbesserungen gegenüber dem Ausgangszustand erreicht werden. Ist die Qualität des Gußgefüges im Ausgangszustand sehr gut, verschlechtern sich also unter Umständen sogar eine Reihe von Kennwerten.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Heißisostatisches Pressen von Leichtmetallguss. Tagungsband zum Münchener Kolloquium, Herbert Utz Verlag, München (2006) S. 391-392
Ostermeier, M.
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The effects of hot isostatic pressing (HIP) on aluminium castings. 10th International Conference on the Mechanical Behavior of Materials, Busan (Südkorea) 29. Mai 2007
Ostermeier, M., Hoffmann, H., Werner, E.
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The Effects of Hot Isostatic Pressing on Aluminium Castings. Key Engineering Materials, 345-346 (2007) S. 1545-1548
Ostermeier, M., Hoffmann. H., Werner, E.
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Fatigue life of aluminium castings influenced by hot isostatic pressing. 11th International Conference on Aluminium Alloys, Aachen (Deutschland) 22. September 2008
Ostermeier, M., Brummer, M., Hoffmann, H., Werner, E.
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Hot isostatic pressing (HIP) of magnesium castings. Materials Science and Engineering, Nürnberg (Deutschland) 2. September 2008
Ostermeier, M., Brummer, M., Hoffmann, H., Werner, E.
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Improvement of Fatigue Life of Aluminium Castings by Hot Isostatic Pressing. In: Aluminium Alloys. Their physical and mechanical properties (Hrsg. von Hirsch, J., Skrotzkl, B. Gottstein, G.) Wiley-VCH, Weinheim 2008 S. 1403-1408
Ostermeier, M., Hoffmann, H., Werner, E.
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Heißisostatisches Pressen von Bauteilen aus Leichtmetallgußlegierungen - Nischenanwendung oder zukünftiger Serienprozeß? 5. Fachtagung Gießtechnik im Motorenbau, Magdeburg (Deutschland) 10.-11. Februar 2009
Ostermeier, M., Brummer, M., Hoffmann, H., Werner, E.
