Untersuchung der schmelzmetallurgischen Verarbeitung von partikelverstärkten Aluminium-Matrix-Verbundwerkstoffen im Druckgießverfahren

Abstract

Um leistungsfähigere Produkte mit verbesserten Eigenschaften produzieren zu können, wächst der Bedarf nach neuen Werkstoffsystemen mit spezifischen Eigenschaften stetig. Verbundwerkstoffe bieten die Möglichkeit, durch den spezifischen Einsatz einer Verstär­kungskomponente, die Eigenschaften des Verbundwerkstoffes dediziert einzustellen. Be­ sonders partikelverstärkte Aluminium-Matrix-Verbundwerkstoffe (AMCP) mit hohem Volumenanteil an Siliziumkarbid-Partikeln (SiCP) gewinnen aufgrund ihrer exzellenten Verschleißbeständigkeit bei geringer Dichte an Bedeutung und an potentiellen Anwendungen dazu. Zu den bedeutensten Fertigungsverfahren für AMCP-Bauteile gehöhren pulvermetallurgische Verfahren wie das Feld-Aktivierte Sintern und schmelzmetallurgische Verfahren wie das Sprühkompaktieren und das Rührgießen mit gießtechnologischer Sekundärverarbeitung. Pulvermetallurgische AMCP sind in der geometrischen Gestaltungsfreiheit eingeschränkt und sind durch hohe Kosten für das pulverförmige Matrix-Ausgangsmaterial gekennzeichnet. Beides schränkt potentielle Anwendungen ein. Das Sprühkompaktieren ist aufgrund der Halbzeuge in massiver Bolzenform ebenfalls in der geometrischen Gestaltungsfreiheit eingeschränkt. Zusätzlich wirken sich hohe Kosten der aufwendigen Anlagentechnik sowie der spanenden Nachbearbeitung negativ auf potentielle Anwendungen aus. Das Rührgießverfahren mit gießtechnologischer Sekundärverarbeitung bietet hingegen kaum Einschränkungen in der geometrischen Gestaltungsfreiheit und erlaubt eine endkonturnahe Fertigung der AMCP-Bauteile. Des Weiteren ist das Verfahren durch die geringsten Prozesskosten und die größte Flexibilität in der Zusammensetzung des Verbundwerkstoffes gekennzeichnet. Allerdings ist der maximale Volumenanteil der Verstärkungsphase für die gießtechnologische Sekundärverarbeitung auf etwa 20 Vol.-% beschränkt. Das Fließvermögen einer AMCP-Schmelze ≥ 20 Vol.-% ist durch die Partikelverstärkung derart verringert, dass der Anteil an Gussfehlern und Ausschuss sprunghaft ansteigen. Der Verschleißwiderstand wird maßgeblich von dem Volumenanteil der Verstärkungsphase beeinflusst. Da der Partikelvolumenanteil für die gießtechnologische Sekundärverarbeitung auf etwa 20 Vol.-% begrenzt ist, werden die potentiellen Anwendungen bzw. eine weitere Steigerung des Verschleißwiderstands der AMCP-Bauteile dadurch limitiert. Das Ziel der vorliegenden Arbeit war es, die Vorteile einer schmelzmetallurgischen Prozessroute, aus Rührgießen und gießtechnologischer Sekundärverarbeitung, für AMCP-Schmelzen mit bis zu 30 Vol.-% nutzbar zu machen. Zu diesem Zweck fokussierte sich der erste Teil der experimentellen Untersuchungen auf die gießtechnologische Sekundärverarbeitung von AMCP. Am Beispiel von Gussteilen mit unkomplizierter Geometrie wurden AMCP-Halbzeuge mit 20 und 30 Vol.-% SiCP Verstärkung sowohl im Schwerkraftkokillen-, als auch im Druckgießverfahren verarbeitet und analysiert. Die Ergebnisse zeigten, dass AMCP-Halbzeuge mit bis zu 30 Vol.-% im Druck­ gießverfahren zu qualitativ hochwertigen Druckgussteilen mit geringer Porosität und guter Partikelverteilung verarbeitet werden konnten. Die Verarbeitung mit turbulenter Formfüllung war, im Bereich der Überläufe der Druckgießform, durch eine starke Klebneigung gekennzeichnet. Hingegen bestätigten die Ergebnisse der Sekundärverarbeitung im Schwerkraftkokillengießverfahren, dass die Verarbeitbarkeit auf ≤20 Vol.-% Verstärkungsanteil limitiert ist. Die schmelzmetallurgische Verarbeitung von SiCP verstärkten AMC-Schmelzen ist durch das thermodynamische Ungleichgewicht der Verstärkungsphase in der Matrix gekennzeichnet. Um eine gießtechnologische Serienanwendung mit einheitlichen mechanischen Eigenschaften der Gussteile zu gewährleisten, muss die zeit- und temperaturabhängige Ausbildung der spröden intermetallischen Phase Al4C3 unterbunden werden. Da das Einrühren der Partikel in die Aluminiummatrix einen zeitaufwendigen Prozessschritt darstellt, besteht dabei die Gefahr der Bildung von Al4C3. Um die Integration der Partikel in die Aluminiumschmelze möglichst rasch zu gewährleisten, wurde die Halbzeugproduktion im Rührgießverfahren mit Hilfe von mechanischen und chemischen benetzungssteigernden Maßnahmen durchgeführt. Alle Halbzeuge wurden zu diesem Zweck mit einem erhöhten Magnesiumgehalt von 1 wt.-% und im semi-solid Temperaturbereich mit dem Rührgießverfahren hergestellt. In industriellen Serienanwendungen kann es jedoch zu längeren Verweildauern in Warmhalteöfen kommen, bevor die AMCP-Schmelze gießtechnologsich verarbeitet wird. Dabei gilt es ebenfalls die Al4C3 Bildung zu vermeiden. Der Einfluss der passiven Oxidation von den SiCP auf die mechanischen Eigenschaften bzw. die Unterbindung der Al4C3-Bildung wurde daher im Rahmen einer weiterführenden Versuchsreihe untersucht. Um eine großserientaugliche Vorbehandlung der SiCP im industriellen Maßstab zu demonstrieren, wurde die thermische Behandlung der Partikel innerhalb eines Drehrohrofens durchgeführt. Die passive Oxidation im Drehrohrofen zeichnet sich durch die Skalierbarkeit aus. Ein weiterer Ansatz um die Halbzeugproduktion zu beschleunigen, sowie um die Qualität der AMCP-Gussteile zu steigern, wurde mit der Ultraschallbehandlung während der Halbzeugproduktion in einer weiteren Versuchsreihe verfolgt. Die Viskosität der partikelverstärkten AMCP-Schmelze mit 30 Vol.-% war besonders hoch, was die Effizienz der Ultraschallbehandlung senkt. Um die Effizienz der Ultraschallbehandlung zu steigern, wurde die Ultraschallgeometrie während der Behandlung mit konstanter Geschwindigkeit in dem Schmelztiegel angehoben. Die Verknüpfung der beschriebenen Ansätze, die druckunterstützte Formfüllung im HPDC, die Beschleunigung der Halbzeugproduktion, sowie die thermische Konservierung der SiCP durch eine Diffusionsbarriere, sollen die industrielle Integration und Anwendbarkeit von AMCP in einer schmelzmetallurgischen Fertigungsroute, als einen ganzheitlichen Ansatz, ermöglichen.

The demand for new material systems with specific properties is constantly growing in order to be able to produce higher-performance products with improved mechanical properties. Particle-reinforced aluminum matrix composites (AMCP) have a wide range of applications. In particular, aluminum matrix composites with a high volume fraction of silicon carbide particles (SiCP) are gaining more importance and potential applications due to their excellent wear resistance at low density. The most important manufacturing processes for AMCP components are powder metal-lurgical processes, e.g. field-activated sintering, as well as melt metallurgical processes, e.g. spray deposition and stir casting with secondary casting technology processing. Powder metallurgical AMCP are limited in geometrical design freedom and characterized by high production costs for the powder matrix raw material, limiting the potential applications of AMCP. Another alternative manufacturing process, the spray deposition, is also limited in geometric design freedom due to the semi-finished products in solid billet form. In addition, the high costs of the complex plant technology as well as the metal-cutting post-processing increasing the costs and thus the applica-tions potential. The stir casting process with secondary casting technology processing, offers hardly any restrictions in geometric design freedom and permits near-net-shape production of AMCP components. Furthermore, the process is characterized by the lowest process costs and high flexibility in the composition of the composite material. However, the maximum volume fraction of the reinforcing phase for secondary casting technology processing so far is limited to about 20 vol.-% particle fraction. The challenge of an AMCP-melt ≥20 vol.-% is the decreasing and difficult to process flowability due to the particle reinforcement. Thus, the amount of casting defects and reject increase abruptly. Since the wear resistance is significantly affected by the volume fraction of the reinforcement phase, the low flowability increases the challenges during the casting-technological processing and limits the potential applications and service life of AMCP components. For this reason, the objective of the present work was to exploit the ad-vantages of a melt metallurgical process mute, covering stir casting and secondary casting tech-nology processing, for the production of AMCP melts with up to 30 vol.-%. In order to realise this goal, the first part of the experimental investigations focused on the secondary casting technolo-gy processing of AMCP. Using the example of simple-geometry castings, AMCP semi-finished products with 20 and 30 vol.-% SiCP reinforcement were produced and analyzed in both gravity die casting and high pressure die casting (HPDC) processes. The investigation have shown, that due to the forced mold filling during the HPDC process, high-quality AMCP semi-finished prod-ucts with up to 30 vol.-% can be processed showing low porosity and good particle distribution. Processing with turbulent mold filling is characterized by a strong tendency melt sticking on the casting molds surface in the areas of the overflow. The results confirm that the turbulent mold filling process can be used to produce high-quality AMCP die castings with low porosity and good particle distribution. On the other hand, the results of secondary processing by gravity die casting confirmed in accordance with the literature, that the processability is limited to ≤20 vol.-% of reinforcement. The melt metallurgical processing of SiCP reinforced AMC melts is characterized by the thermo-dynamic imbalance of the reinforcement phase in the matrix. In order to ensure a casting-technological series application with uniform mechanical properties of the castings, the time- and temperature-dependent formation of the brittle intermetallic phase Al4C3 must be prevent-ed. This necessarily leads to a very time-consuming process step is the AMCP semi-finished product production for the stir casting process, since the stir­ ring of the particles into the alumi-num matrix is characterized by a non-wetting behaviour. With application of mechanical and chemical wetting enhancing processes, the semi-finished product manufacturing and wetting, aimed for as quickly as possible process execution within the scope of the experimental investi-gations. Therefore, all semi­ finished products were produced with an increased magnesium con-tent of 1 wt. % and in the semi-solid temperature range. In industrial series applications, longer dwell times in holding furnaces can occur before the material can be processed. Within the scope of the here performed investigations, Al4C3 formation must be avoided. The influence of pas-sive oxidation of the SiCP on the mechanical properties oft he AMCP and as a diffusion barrier was therefore investigated in a further series of tests. In order to demonstrate a pretreatment of SiCP suitable for large-scale production on an industrial scale, the thermal treatment of the parti-cles was carried out inside a rotary kiln. Passive oxidation in such a rotary kiln is also character-ized by scalability. Another approach to improve the wettability of SiCP, thus to accelerate the production of semi-finished products, as well as to increase the quality of AMCP parts, was the application of ultrasonic treatment during the production of semi-finished products. To increase the efficiency of ultrasonic treatment, the ultrasonic geometry was lifted in the crucible during treatment at a constant speed. The combination of the described approaches, the forced mold filling in the HPDC, the accelera-tion of the semi-finished product manufacturing, as well as the thermal preservation of the SiCP by a diffusion barrier, should allow for the industrial integration and applicability of AMCP in a melt metallurgical production mute, as a holistic approach.