Wirkmechanismen von Nanopartikeln als neuartige Kornfeiner für thermomechanisch hoch beanspruchte Aluminiumgussbauteile

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Hans Jürgen Maier
• Fachliche Zuordnung: Mechanische Eigenschaften von metallischen Werkstoffen und ihre mikrostrukturellen Ursachen
• Förderung: Förderung von 2016 bis 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 320151432

Aluminium-Gusslegierungen werden u.a. in thermomechanisch stark beanspruchten Regionen wie dem Zylinderkopf eingesetzt. Bei der Verwendung von kalt- oder warmausgehärteten Legierungen unter entsprechenden Beanspruchungen nimmt jedoch die Lebensdauer des Werkstoffes stark ab, da die Mikrostrukturen in diesen Bereichen (z.B. Ventilsteg) im Betrieb drastisch vergröbern. Die mechanischen Eigenschaften, und damit die Lebensdauer, in diesen thermisch hoch beanspruchten Regionen (> 200 °C) werden dann maßgeblich durch die Korngröße bestimmt, da Effekte durch Mischkristallverfestigung eine untergeordnete Rolle spielen.Ziel dieses Projektes ist es daher, die zyklische Beanspruchbarkeit von Aluminium-Gusslegierungen durch den Einsatz neuartiger Kornfeiner deutlich zu steigern. Dabei sollen Nanopartikel zum Einsatz kommen, deren Einfluss auf den Erstarrungsvorgang in-situ mittels thermographischer Mikroskopie und die Gefügeausbildung anhand von Mikrostrukturuntersuchungen systematisch aufgeklärt werden soll. Aufgrund der verbreiteten industriellen Anwendung für Zylinderköpfe kommt AlSi7Mg als Modelllegierung zum Einsatz. Um im Rahmen von Grundlagenuntersuchungen den Einfluss der einzelnen Legierungsbestandteile erfassen zu können, sollen zudem die binäre Legierung AlSi7 sowie Reinstaluminium untersucht werden. Aufgrund der Verwendung von Bor und Titan in industriellen Kornfeinern sind Nanopartikel auf Basis dieser Elemente besonders aussichtsreich. In die Schmelze eingebrachte Nanopartikel können zum einen als Keime für den Erstarrungsprozess dienen, zum anderen können sie die Mikrostrukturentwicklung bei der Erstarrung gezielt beeinflussen, indem sie mit der Erstarrungsfront in Wechselwirkung treten. In diesem Zusammenhang ist es notwendig, eine genaue Kenntnis der Umwandlungsmechanismen der Nanopartikel in Gegenwart der Metallschmelze zu gewinnen. So soll geklärt werden, ob die eingesetzten Partikel selbst als Keime wirksam sind oder mit einem der Legierungsbestandteile reagieren und die Reaktionsprodukte als wirksame Bestandteile fungieren. In diesem Zusammenhang gilt es, die wirksamen Reaktionsprodukte zu identifizieren sowie die nötigen Reaktionsbedingungen (Temperatur, Zeit, Atmosphäre) aufzuklären. Begleitend sollen die Auswirkungen der Partikel auf die mechanischen Eigenschaften der Legierungen, insbesondere das thermo-mechanische Ermüdungsverhalten, untersucht werden.So soll ein besseres Verständnis davon gewonnen werden, unter welchen Umständen Nanopartikel in Aluminiumschmelzen eine kornfeinende Wirkung entfalten und welche Mechanismen letztlich zu einer Feinung des Gefüges führen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen