TRIMET Aluminium SE Aufgabenstellungen und …editool.vdm.berlin/archiv_akademie/1498121103_VDM_Produktseminar... · Eigene Metall- und Produktentwicklung Mikroskopie Materialprüfung

TRIMET Aluminium SE

Aufgabenstellungen und Lösungskonzepte in der Aluminiumindustrie Dr. Marcel Rosefort

Inhalt

Forschungskonzept

Legierungen

Schmelzequalität

Homogenisierung

Zukünftige Herausforderungen

Inhalt

Forschungskonzept

Legierungen

Schmelzequalität

Homogenisierung


Forschung & Entwicklung - Konzeption

Darstellung der gesamten Prozesskette in der F&E

Darstellung der F&E in den Bereichen

Grundlagen

Labormaßstab

Produktionsmaßstab (inkl. Nutzungsmöglichkeit der Produktionsanlagen)

Integration der F&E in die Produktion

Anlagen oder Probenmaterial auch für Kunden verfügbar

F&E-Service für Kunden

Forschung & Entwicklung - Bausteine

Versuchsanlagen

Grundlagen / AMAP Labore

Angewandte Forschung

AMAP-Cluster

http://www.ibf.rwth-aachen.de/

AMAP-Cluster

Forschung & Entwicklung - Standorte

Essen Harzgerode

Eigene Metall- und Produktentwicklung

Chemische Analysen Mikroskopie Materialprüfung Versuchsanlagen

Versuchseinrichtungen im produktionstechnischen Maßstab, ermöglicht eine fertigungs- und kundennahe Entwicklung

Laboreinrichtungen

Labor

6.000 m2 F&E-Labor mit modernsten

Einrichtungen

• Schmelzlabor

• Metallographie

• Röntgenanlage

• Rasterelektronenmikroskope

• Zerstörende Werkstoffprüfung, statisch

und dynamisch

• Funkenspektrometer

• Kleinserienfertigung

Laboreinrichtungen der TRIMET Aluminium SE umfassen:

• Rasterelektronenmikroskop (LEO) mit quantitativer Analyse; (Fa. Oxford) einschließlich beheizbarer in-situ Zugvorrichtung

• Automatische Polier- und Schleifeinrichtung sowie Mikroskope mit Bildverarbeitung

• Prüfmaschinen für statische und dynamische Untersuchungen

• (Zwick und Roell/Amsler) mit:- Universalhärteprüfer

• 250 kN Zug/Druck-Prüfeinrichtung

• Instrumentiertes 450 J Pendelschlagwerk

• Hochfrequenzpulsatoren (10 kN und 400 kN) und

• servohydraulischer Bauteilprüfstand (50 kN)

• Röntgenanlage (Seifert)

• Messplatz mit CNC Koordinatenmessgerät (Zeiss) und für Bildverarbeitung (Symacon)

• Labor-Schmelzanlagen mit Induktions- und Widerstandsöfen

• mobiler widerstandsbeheizter Schmelz-/Warmhalteofen (350 kg)

• Schmelzebehandlungssystem zum Reinigen, Entgasen und/oder Chlorieren

• VAC-Test-System zur Bestimmung des Dichte-Index

• Thermoanalyse-System zur Analyse von Erstarrungskurven

• Heiztisch mit Kokillen zum Giessen von Prüfkörpern

• Spektrometer zur Bestimmung der chemischen Zusammensetzung (SPECTRO)

• Anlagen zur Durchführung von Wärmebehandlungen:

• Umluft-Kammeröfen

• mobiles Gebläse zur Luftabkühlung

• mobile Wasserbecken zur raschen Abkühlung

Versuchsgießanlagen

Gasbehandlung

Zwei Gießöfen

Sieben Meter Gießlänge

Homogenisierungsanlage

Luftkühlkammer Glühkammer Wasserkühlkammer

Erfolgreiche Legierungs- und Prozessentwicklung

Tools

• CAD-Konstruktion

•Gießsimulation

• Strukturoptimierung

• Prozesssimulation

•Werkzeugbau

Anlagen

•Versuchsgießanlagen

• Schmelz- und Gießlabor

•Wärmebehandlung

Werkstoffprüfung

• Zerstörende- und nichtzerstörende Prüfung

•Metallographie

• Schmelzeprüfungen

Legierungsentwicklung - Beispiel

Quelle: Audi, Space Frame


Quelle: Audi, Space Frame

Inhalt

Forschungskonzept

Legierungen

Schmelzequalität

Homogenisierung


Einteilung der Aluminiumwerkstoffe

Legieren

Kornfeinen

Veredeln

Vorlegierungen

Walzen

Strangpressen

Ziehen

Schmieden

Knetlegierungen

Druckguß

Kokillenguß

Sandguß

Feinguß

Gußlegierungen

Aluminium-Werkstoffe

Werkstoffkennwerte im Vergleich

Kennwert Aluminium Stahl / Eisen Kupfer

Dichte [kg / dm³) 2,7 7,8 8,9

el. Leitfähigkeit [m / Ohm mm²] 36 10 57

Wärmeleitfähigkeit [W / °K m] 209 53 372

Elastizitätsmodul 7.000 21.000 11.000

Zugfestigkeitsbereich [N/mm²] 100 - 500 100 - 800 40 - 150

Kennwerte gewichtsnormiert

E-Modul 2600 2700 1250

Zugfestigkeit 37 - 185 13 - 102 4,5 - 17

E-Leitwert 13,3 1,3 6,4

Wärmeleitwert 77 7 42

Wärmespgs.koeff. [N / mm² °K] 1,65 2,55 1,82

norm. Konstr.gewichts-Koeff. 0,5 - 0,8 1 -

norm. Formsteifigkeits-Koeff. > 7 1 -

Legierungssysteme

Legierungssysteme: a) Knetlegierungen b) Gusslegierungen

AlZnSiMg Zn

Inhalt

Forschungskonzept

Legierungen

Gusslegierungen

Schmelzequalität

Homogenisierung


Aushärtbarkeit von Al-Legierungen

Aushärtbarkeit von Aluminium durch:

• Kupfer bzw. Kupfer+Magnesium

• Silizium zusammen mit Magnesium

• Zink zusammen mit Magnesium (und Silizium) Voraussetzungen

•Die Legierung bildet mit einem Legierungselement bei erhöhter Temperatur elementare Mischkristalle.

•Dieses Legierungselement muss eine mit sinkender Temperatur abnehmende Löslichkeit im Grundmetall aufweisen.

• Triebkraft und Diffusionsgeschwindigkeit müssen bei der Ausscheidungstemperatur genügend groß sein.

•Die entstehenden Ausscheidungen müssen fein verteilt im Werkstoff vorliegen.

Aushärtbarkeit von Al-Legierungen

Aushärtbarkeit von Aluminium durch:

Kupfer bzw. Kupfer+Magnesium

Silizium zusammen mit Magnesium

Zink zusammen mit Magnesium (und Silizium) Voraussetzungen

Die Legierung bildet mit einem Legierungselement bei erhöhter Temperatur elementare Mischkristalle.

Dieses Legierungselement muss eine mit sinkender Temperatur abnehmende Löslichkeit im Grundmetall aufweisen.

Triebkraft und Diffusionsgeschwindigkeit müssen bei der Ausscheidungstemperatur genügend groß sein.

Die entstehenden Ausscheidungen müssen fein verteilt im Werkstoff vorliegen.

Legieren – Einfluss der Legierungselemente

Reines Aluminium als Gußwerkstoff

• Geringe Festigkeit

• Vergießbarkeit wegen der Bildung von großen Innenlunkern schwierig.

Verwendung für unlegiertes Al

• hohe elektrische Leitfähigkeit

• hohe Wärmeleitfähigkeit

• sehr gute Korrosionsbeständigkeit

• hohe Dehnung

z.B. bei

• Rotorenaluminium (Kurzschlußläufer)

• Stromleitungen (Mantel)

• Halbleitertechnik als Leiterbahnen.

Legierungselemente für Gusslegierungen

Fast alle technischen Aluminiumgusslegierungen enthalten mehr als ein Legierungselement.

Legierungselemente für Gusslegierungen sind:

•Silizium (Si)

•Magnesium (Mg)

•Kupfer (Cu)

•Mangan (Mn)

•Zink (Zn)

•Titan (Ti)

•Nickel (Ni)

•Eisen (Fe)

•Zirkon (Zr)

•Antimon (Sb)

•Blei (Pb)

•Zinn (Sn)

•Beryllium (Be)

•Kobalt (Co)

•Silber (Ag)

Einfluss der Legierungselemente – Silizium (Si) Aluminium-Silizium-Legierungen sind die am häufigsten verwendeten Gusslegierungen.

Der Einfluss von Silizium:

Positiv

•Verbesserung der Gießeigenschaften (Fließvermögen, Formfüllung)

•Erhöhung der Festigkeit

•Reduzierung der Schrumpfung beim Erstarren (Si dehnt sich aus)

•Verminderung der Warmrissneigung

•Gute Bearbeitbarkeit

Negativ

•Oberflächenveredelung (wird grau)

•Reduziert die elektrische Leitfähigkeit

• irreversible Längenausdehnung beim Aufheizen

Einfluss der Legierungselemente – Magnesium (Mg) Der Einfluss von Mg:

Positiv

•Korrosionsbeständigkeit (meerwasserbeständige Legierungen)

•Spanbarkeit

•Polierbarkeit

•Anodische Oxidation

•Ermöglicht die Aushärtung

Negativ

•Gießeigenschaften (benetzt sehr gut)

•Oxidation auf der Schmelze

•Oxidation (harte Einschlüsse; Beryllium vermindert die Oxidationsneigung)

•Schwerkraftseigerung.

Einfluss der Legierungselemente – Kupfer (Cu) Mehr als die Hälfte der in Deutschland eingesetzten Gusslegierungen enthält Kupfer.

Der Einfluss von Kupfer:

Positiv

•Festigkeit, Härte

•Spanbarkeit

•Schleif – und Polierbarkeit

•Aushärtbarkeit

Negativ

•Wenig korrosionsbeständig

•Kein Einsatz in Meerwasseratmosphäre

•Gießbarkeit

Inhalt

Forschungskonzept

Legierungen

Normung

Schmelzequalität

Homogenisierung


Aluminium-Legierungsnormen

EN 1676 Aluminium und Aluminiumlegierungen -Legiertes Aluminium in Masseln-

EN 1706 Aluminium und Aluminiumlegierungen -Gussstücke- Chemische Zusammensetzung und Eigenschaften

EN 573 Aluminium und Aluminiumlegierungen (Knetlegierungen) -Chemische Zusammensetzung und Form von Halbzeug- Teil 1: Numerisches Bezeichnungssystem Teil 2: Bezeichnungssystem mit chemischen Symbolen Teil 3: Chemische Zusammensetzung und Erzeugnisformen

EN 601 Aluminium und Aluminiumlegierungen -Gussstücke- Chemische Zusammensetzung von Gussstücken, die in Kontakt mit Lebensmitteln kommen

EN 1706: Al- und Aluminiumlegierungen -Gussstücke-








Siliziumanteil [wt%]

Ma

gn

esiu

ma

nte

il [w

t%]

Neu

450 500 550 600 650

1E-3

0.01

0.1

1

Trimal05 + 0.4 wt.% Cu + 0.5 wt.% Ni

T, °C

Liquid

Al15

(FeMn)3Si

2

(Al)

(Si)

-AlFeSi

Al4Sr (f < 0.001)

Al8FeMg

3Si

6 (f < 0.001)

Al3Ni

Al5Cu

2Mg

8Si

6

-AlCu (f < 0.001)

phase a

mount


Siliziumanteilcontent [wt%]

Ma

gn

esiu

ma

nte

il [w

t%]

Alt

Neu

Inhalt

Forschungskonzept

Legierungen

Schmelzequalität

Homogenisierung


Einfluss von Gefügedefekten mechanische Eigenschaften

Beispiel für Einschlüsse

Inhalt

Forschungskonzept

Legierungen

Schmelzequalität Meßverfahren (Wasserstoff)

Homogenisierung


Wasserstoffmessung in Al-Schmelzen

Wie kommt Wasserstoff in Al-Schmelzen? Quellen für Feuchtigkeit sind:

Luftatmosphäre, Behandlungsgase, Werkzeuge, Tiegel, Ofenausmauerung Einsatzmaterial

Wasserstoff bildet sich aus der Reaktion mit Feuchtigkeit

2 Al + 3 {H2O} Al2O3 + 6 [H]

H-Messung in Al-Schmelzen: Prinzip der ersten Blase

Der Wasserstoff steht in der Atmosphäre im Gleichgewicht mit dem atomar gelösten Wasserstoff in der Schmelze.

Mit der Kenntnis von Druck und Temperatur kann mittels erster Blase der Wasserstoff bestimmt werden.

Wasserstoffmessung in Al-Schmelzen: AlSCAN

Messmethode AlSCAN – Grundidee

Wärmeleitfähigkeit von Wasserstoff unterscheidet sich deutlich von den meisten anderen Gasen

Durchleiten eines Trägergases durch die Schmelze

Gelöster Wasserstoff wird aus der Schmelze ausgeschieden und vom Trägergas aufgenommen

Messung der Wärmeleitfähigkeit des mit Wasserstoff angereicherten Gases

Berechnung des Gehaltes an gelöstem Wasserstoff in der Schmelze

Wasserstoffmessung in Al-Schmelzen: HYCAL

HYCAL Broschüre rev. MD0014.2 http://www.alsobia.com/hycal.htm, 09.11.2016

http://www.alsobia.com/hycal.htm

Inhalt

Forschungskonzept

Legierungen

Schmelzequalität Meßverfahren (Einschlüsse)

Homogenisierung


2)

Messung von Einschlüssen in Al-Schmelzen: LiMCA Liquid Metal Cleanliness Analyzer: LiMCA3

2) S. Poynton et al. “The Use of Electromagnetic Fields for the Detection of Inclusions in Aluminium”, Materials Science Forum, Vol. 630 (2010), pp. 155-164

1)

1) LiMCA Benutzer-Handbuch OI/LiMCAIII–EN Rev A

Messung von Einschlüssen in Al-Schmelzen: LiMCA Liquid Metal Cleanliness Analyzer: LiMCA3

•Einschlussgrößen 15 - 300 µm

•Einschlusskonzentration als “LiMCA counts” [1000-counts/kg]

1) C. Dupuis, R. Dumont “The impact of LiMCA technology on the

optimization of melt cleanliness”, Light Metals TMS 1993, pp. 997-1002

1)

Messung von Einschlüssen in Al-Schmelzen: PoDFA / PREFIL Porous Disk Filtration Analyzer (PoDFA / PREFIL)

Schritt 1 Schritt 2 Schritt 3


• Prefil/PodFa Anlage


50X

Einschluss-Konzentrat

unfiltriertesAluminium

Filterkuchen

Filter

Dendriten0.020 mm


PoDFa Analysen über die Produktionskette

Inhalt

Forschungskonzept

Legierungen

Schmelzequalität Schmelzebehandlung

Homogenisierung


Schmelzebehandlung

Ungelöste Verunreinigungen

•Abstehbehandlung

•Salzbehandlung

•Spülgasbehandlung

•Filtration

22.06.2017

Gelöste Verunreinigungen

•Vakuumbehandlung

•Spülgasbehandlung

Schmelzequalität

Fazit

•Es gibt heute diverse Messmethoden zur Schmelzequalitätsbeurteilung

•Ein wirklich befriedigendes Verfahren für den Gießer gibt es noch nicht.

•Es gibt diverse Verfahren zur Schmelzereinigung.

•Bei der Schmelzebehandlung ist der Impeller die erste Wahl.

•Die Schmelzebehandlung sollte im Gießtiegel erfolgen.

•Steigende Kundenanforderungen (Automotive, Folien etc.) erfordern ständig verbesserte

Verfahren.

22.06.2017

Entwicklung

Entwicklung US-Sensor

Ziele

•Online-Verfahren

•Gesteigertes Messvolumen

•Variabilität der Einschlussgrößen

• für Knetlegierungen

•und Gusslegierungen

•Robustes Verfahren

Inhalt

1. Forschungskonzept

2. Legierungen

3. Schmelzequalität

4. Homogenisierung

5. Zukünftige Herausforderungen

Wärmebehandlung

Giessen

Homogenisieren

(Hochglühung)

Strangpressen

Auslagerung

Tem

pera

tur

Zeit

Ziele der Wärmebehandlung

(1) die Elemente Si und Mg vollständig in feste Lösung überzuführen

(2) alle eutektischen Ungleichgewichtsphasen (eutektisches Mg2Si),

vollständig aufzulösen

(3) die intermetallischen Verbindungen AlFeSi (ß-Phase)

bzw.AlMnFe(Si) in den Dendritengrenzen einzuformen

(feinere Verteilung)

Ziele der Wärmebehandlung

Bolzenabkühlung und Mg2Si-Ausscheidung

Bezüglich des Lösungszustandes von Mg und Si im Pressbolzen bestehen die

gegensätzlichen Forderungen nach

• guter Pressbarkeit (Heterogenisierter Zustand von Mg2Si)

• optimaler Aushärtbarkeit (Mg und Si sind beim Austritt aus der Matrize

vollständig gelöst)


Gusszustand Homogenisiert

Inhalt

Forschungskonzept

Legierungen

Schmelzequalität

Homogenisierung


Elektromobilität

© Wheel hub motor: Lehrstuhl Mechatronik / Institut für Mobile Systeme IMS / Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg / Prof. Dr.-Ing. Roland Kasper

Additive Fertigung

www.3Druck.com

TRIMET – Aluminium macht vieles leichter

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