Hohle Aluminiumstrukturbauteile durch Salzkerne im Druckguss

Becker, Marcel GND

Hohle Aluminiumstrukturbauteile mit komplexen inneren Strukturen können im Druckgießverfahren durch konventionelle Schiebertechnologie nicht abgebildet werden. Verlorene Kerne, wie Sandkerne und gepresste Salzkerne, die im Schwerkraftguss eingesetzt werden, können den hohen Belastungen im Druckgießprozess nicht standhalten. Im Rahmen dieser Arbeit konnte gezeigt werden, dass durch die Verwendung von Salzkernen aus der schmelzflüssigen Phase im Druckgießverfahren bisher nicht darstellbare Hohlprofile hergestellt werden können. Dabei wurden unterschiedliche Salzzusammensetzungen untersucht. Wesentliche Kriterien für die Verwendung als Kernwerkstoff im Druckgießverfahren waren die Biegefestigkeit, der Schmelzpunkt und die Gießbarkeit. Hierzu wurden Natriumchlorid (NaCl), Natriumcarbonat (Na2CO3), Natriumnitrat (NaNO3), Kaliumchlorid (KCl), Kaliumcarbonat (K2CO3) Kaliumsulfat (K2SO4), Magnesiumchlorid (MgCl) und Calciumchlorid (CaCl2) in Zwei- und Dreistoffsystemen untersucht. Der Umguss mit Aluminiumschmelze im Druckgießverfahren erfordert eine hohe Festigkeit der Salzkerne. Festigkeiten einzelner Salzzusammensetzungen wurden bestimmt und eine Mindestfestigkeit von 20 MPa definiert. Salze unterliegen einer hohen Volumenkontraktion während der Erstarrung, was zu einer hohen Schwindung führt, die Defektstellen im Salzkern verursachen kann. Um die Schwindung in Abhängigkeit der Salzzusammensetzung zu untersuchen, wurden unterschiedliche Salzzusammensetzungen in Taturproben abgegossen und verglichen. Durch die durchgeführten Untersuchungen konnte eine Salzzusammensetzung von 67 mol% NaCl und 33 mol% Na2CO3 mit einer Biegefestigkeit von 22 MPa ermittelt werden. Aufgrund der niedrigen Wärmeleitfähigkeit der Salze von 1,7 W/mK wird das Aluminiumgussgefüge bei der Verwendung von Salzkernen im Druckguss beeinflusst. Durch Untersuchungen mit einem modularen Druckgusswerkzeug war es möglich, konventionell hergestellte Referenzgussteile, mit Gussteilen deren Erstarrung durch einen eingelegten Salzkern beeinflusst wurde, zu vergleichen. Ein gröberes Gussgefüge durch die reduzierte Abkühlgeschwindigkeit und daraus resultierende geringere mechanische Eigenschaften konnten durch die Verwendung von Salzkernen nachgewiesen werden. Bei dem Umgießen von Salzkernen im Druckguss, ist die Temperaturstabilität der Salzkerne von großer Bedeutung. Daher wurde der dynamische Elastizitätsmodul in Abhängigkeit der Temperatur durch die Resonanzfrequenzmethode untersucht, um eine kritische Vorwärmtemperatur der Salzkerne zum Einlegen in die Druckgießform zu definieren. Dabei konnte ein starker Abfall des E-Moduls ab einer Kerntemperatur von 250 °C bei allen untersuchten Salzzusammensetzungen ermittelt werden. Komplexe Rippenstrukturen wurden an einem Demonstratorsalzkern untersucht. Dabei wurden die Grenzen des Verfahrens durch unterschiedliche Rippengeometrien analysiert und die Schwindung und Verzug der Salzkerne ermittelt, um Konstruktionsrichtlinien für Salzkerne erarbeiten zu können. Einflüsse der Prozessparameter bei der Herstellung der Salzkerne konnten an einem Salzkerndemonstrator für eine untere A-Säule untersucht werden. Hierbei wurden mit Hilfe statistischer Versuchsplanung die signifikanten Einflussfaktoren auf die Porosität und die Rissbildung bei den Salzkernen dargestellt. Die Temperatur der Druckgießform wurde als signifikanter Prozessparameter identifiziert. Hohe Formtemperaturen tragen zur Verringerung der Rissbildung am Salzkern während der Erstarrung bei. Aus diesen Untersuchungen konnten Salzkerne mit unterschiedlichen Defektvolumina hergestellt werden. Diese wurden im Druckgießverfahren mit Aluminiumschmelze umgossen, um ein kritisches Defektvolumen der Salzkerne für den Umguss mit Aluminiumschmelze zu ermitteln. Für die Ermittlung einer kritischen Geschwindigkeit der Aluminiumschmelze für den Umgießprozess wurden Salzkerne mit gleichbleibenden Salzkernen hergestellt und im Anschluss mit 30 m/s, 45 m/s und 60 m/s Geschwindigkeit der Aluminiumschmelze umgossen. Die kritische Geschwindigkeit der Aluminiumschmelze lag bei 45 m/s, wobei häufig ein Kernversagen durch Bruch auftrat.

Hollow aluminum structural components with complex inner structures cannot be produced by conventional side core technology in the high pressure die casting process. Lost cores, such as sand cores and pressed salt cores, which are used in gravity casting, cannot withstand the high stresses in the high pressure die casting process. In the context of this work, it was shown that the use of salt cores from the molten phase in the high pressure die casting process can produce hollow profiles that were previously impossible to produce. Different salt compositions were investigated. The main criteria for the use of salt cores in high pressure die casting were bending strength, melting point and castability. For this purpose, sodium chloride (NaCl), sodium carbonate (Na2CO3), sodium nitrate (NaNO3), potassium chloride (KCl), potassium carbonate (K2CO3), potassium sulfate (K2SO4), magnesium chloride (MgCl) and calcium chloride (CaCl2) were investigated in two- and three-component systems. Recasting with molten aluminum in the high pressure die casting process requires high strength of the salt cores. Strengths of individual salt compositions were determined and a minimum strength of 20 MPa was defined. Salts are subject to high volume contraction during solidification, which leads to high shrinkage that can cause defects in the salt core. In order to investigate shrinkage as a function of salt composition, different salt compositions were cast in core samples and compared. The tests carried out resulted in a salt composition of 67 mol% NaCl and 33 mol% Na2CO3 with a bending strength of 22 MPa. Due to the low thermal conductivity of the salts of 1.7 W/mK, the aluminum casting microstructure is influenced when salt cores are used in high pressure die casting. Through investigations with a modular high pressure die casting tool, it was possible to compare conventionally produced reference castings with castings whose solidification was influenced by an inserted salt core. A coarser microstructure due to the reduced cooling rate and the resulting lower mechanical properties were demonstrated by the use of salt cores. The temperature stability of the salt cores is of great importance when recasting salt cores in die casting. Therefore, the dynamic Young's modulus as a function of temperature was investigated by the resonance frequency method in order to define a critical preheating temperature of the salt cores for insertion into the mold. A significant decrease of the Young's modulus from a core temperature of 250 °C was found for all salt compositions. Complex rib structures were investigated on a demonstrator salt core. The limits of the process were analyzed using different rib geometries and the shrinkage and distortion of the salt cores were determined in order to be able to develop design guidelines for salt cores. Influences of the process parameters during the production of the salt cores could be investigated on a salt core demonstrator for a lower A-pillar. The significant factors influencing porosity and cracking of the salt cores were shown with the use of statistical design of experiments. Die temperature of the mold was identified as a significant process parameter. High mold temperatures contribute to the reduction of salt core cracking during solidification. From these investigations, salt cores with different defect volumes could be produced. They were recast with molten aluminum in a high pressure die casting process in order to determine a critical defect volume of the salt cores for recasting with molten aluminum. To determine a critical velocity of the aluminum melt for the recasting process, salt cores with constant salt cores were produced and subsequently recast with 30 m/s, 45 m/s and 60 m/s velocity of the aluminum melt. The critical speed of the molten aluminum was 45 m/s, with core failure frequently occurring due to fracture.

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Becker, Marcel: Hohle Aluminiumstrukturbauteile durch Salzkerne im Druckguss. Clausthal-Zellerfeld 2021. TU Clausthal.

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