Guss, Schmiedeteile und Aluminiumblech: Was sind die Unterschiede?

Aluminiumlegierungen vereinen eine hohe spezifische Festigkeit, hervorragende Korrosionsbeständigkeit und gute Verarbeitbarkeit. Sie sind nach Stahl der am zweithäufigsten verwendete Werkstoff in der Automobilindustrie. Da die Anforderungen an die Gewichtsreduzierung von Fahrzeugen steigen, nimmt der Einsatz von Aluminium weiter zu. Bei Automobilkomponenten kommen zunehmend Aluminiumgusslegierungen, geschmiedete Aluminiumlegierungen und Aluminiumbleche zum Einsatz.

Aluminiumgusslegierungen werden häufig für Halterungen und Gehäuse verwendet, darunter Getriebegehäuse, Motorblöcke und Zylinderköpfe sowie Achsschenkelhalterungen. Zu den Herstellungsverfahren zählen Vakuumdruckguss, sauerstoffgespülter Druckguss und Squeeze-Guss.

Aluminiumgusslegierungen

Beim Hochvakuum-Druckguss wird der Metallformhohlraum vor dem Befüllen evakuiert, wodurch theoretisch verhindert wird, dass sich Gas mit der Schmelze vermischt. Die so hergestellten Gussteile weisen einen geringen Gasgehalt, eine hohe Dichte und deutlich verbesserte mechanische Eigenschaften auf. Um die anschließende Wärmebehandlung und das Schweißen zu ermöglichen, muss der effektive Unterdruck im Formhohlraum unter 5 kPa liegen. Die folgende Abbildung vergleicht Hochvakuum- mit herkömmlichen Vakuumdruckgussteilen.

Das mit Sauerstoff gespülte Druckgussverfahren verringert zudem die Porosität. Der Formhohlraum wird zunächst mit Sauerstoff gefüllt. Wenn die Aluminiumschmelze einströmt, reagiert sie mit dem Sauerstoff und bildet gleichmäßig verteilte Aluminiumoxidpartikel. Diese Partikel sind kleiner als 1 μm und machen nur 0,1% bis 0,2% des Gesamtgewichts aus, sodass sie nahezu keinen Einfluss auf die nachfolgende Weiterverarbeitung haben. Das folgende Diagramm veranschaulicht das Prinzip.

Beim Squeeze-Guss wird geschmolzenes Metall direkt in eine offene Form gegossen. Anschließend wird die Form geschlossen und statischer Druck ausgeübt, wodurch eine rheologische Umformung, eine Hochdruckverfestigung und eine geringe plastische Verformung entstehen, um ein hochwertiges Metallbauteil herzustellen. Das Verfahren wird hauptsächlich in direkten und indirekten Squeeze-Guss unterteilt. Beim direkten Squeeze-Guss wirkt der Druck direkt auf das geschmolzene Metall ein, wodurch ein ausgeprägter Hochdruckverfestigungseffekt entsteht; dieses Verfahren eignet sich im Allgemeinen für Gussteile mit einfacher Form. Beim indirekten Squeeze-Casting wird der Stanzdruck über die Schusshülse und den Formkörper auf das Gussteil übertragen. Der ausgeübte Druck ist begrenzt und der Prozess verläuft relativ langsam, wodurch er sich für die Großserienfertigung komplexer Teile eignet. Die folgende Abbildung vergleicht die beiden Verfahren.

Geschmiedete Aluminiumlegierungen

Geschmiedete Aluminiumlegierungen werden in der Regel für Bauteile verwendet, die eine gute mechanische Leistungsfähigkeit erfordern, darunter auch kritische Fahrwerkskomponenten wie Querlenker und Achsschenkel. Zu den derzeitigen Schmiedeverfahren zählen das Flüssigpressschmieden, das Halbfeststoffpressschmieden, das isotherme Schmieden und das Pulverschmieden.

Zur Herstellung einteiliger Räder wird häufig das Flüssigkeitspressgussverfahren eingesetzt. Die fertigen Produkte weisen gute mechanische Eigenschaften und eine hohe Oberflächenqualität auf, doch teure Anlagen und ein komplexer Prozess sorgen für hohe Herstellungskosten.

Das Halbfeststoff-Gesenkpressen ähnelt dem Flüssig-Gesenkpressen. Ein Rohling wird auf einen halbfesten Zustand erhitzt, schnell in das Gesenk eingespritzt und statischem Druck ausgesetzt, sodass durch Flüssigkeitsströmung und plastische Verformung das Bauteil entsteht. Im Vergleich zum Flüssigpressen werden dabei niedrigere Umformtemperaturen verwendet und es entsteht weniger Volumenschrumpfung. Schrumpfhohlräume und Einbrüche treten seltener auf, die Lebensdauer der Form wird verlängert, der Gaseinschluss wird reduziert und die Qualität des Fertigteils wird erheblich verbessert.

Beim isothermen Schmieden wird ein erhitztes Schmiedestück in eine temperaturgeregelte Matrize eingelegt und langsam bei konstanter Temperatur geschmiedet. Die konstante Temperatur und die niedrige Schmiedegeschwindigkeit ermöglichen eine vollständigere dynamische Rekristallisation, eine gleichmäßigere Mikrostruktur und eine verbesserte Duktilität. Ein kürzlich untersuchtes fortschrittliches Verfahren für die Aluminiumlegierung 6082 kombiniert das Halbfest- und das isotherme Schmieden: Der Rohling wird bei der Temperatur der Lösungsglühung vorgeschmiedet, vorgealtert und schließlich bei 200 °C isotherm geschmiedet. Durch dieses Verfahren konnten akzeptable Bauteile mit höherer Härte und Festigkeit hergestellt werden, da die Ausscheidungs- und Versetzungsversteifung verbessert wurde.

Aluminiumblech

Nach 2012 führten strengere Vorschriften zum Fußgängerschutz in Europa und Nordamerika zu einem umfassenden Einsatz von Aluminiumblech für Karosserieaußenverkleidungen. Bis 2020 entfielen in Nordamerika 75% des Einsatzes von Aluminium auf Motorhauben, während der Anteil an Türen, Kofferräumen und Dächern 25% überstieg. Einige Modelle von Audi, Jaguar, Ford und Tesla verfügen überwiegend über Karosseriestrukturen aus Aluminium. Neben dem herkömmlichen Stanzen und Ziehen hat sich das Warmumformen von Aluminiumblech erheblich weiterentwickelt und ist heute eine wichtige Hochleistungs-Umformtechnologie.

Das Warmumformen wurde entwickelt, um der geringen Duktilität und der schwierigen Verformbarkeit hochfester Aluminiumlegierungen entgegenzuwirken. Das Warmprägen ist dabei das wichtigste Verfahren. In einer aktuellen Studie wurde ein neuronales Netzwerk mit Rückpropagation mit einem multiobjektiven genetischen Algorithmus kombiniert, um Schlüsselvariablen wie Rohteiltemperatur, Prägegeschwindigkeit und Werkzeugspalt zu optimieren. Die so hergestellten Bauteile wiesen Zugfestigkeiten von 300 bis 320 MPa auf, was der Bruchfestigkeit der Aluminiumlegierung 6061-T6 entspricht. Die optimierten Parameter führten zu Bauteilen mit zufriedenstellender Leistung, guten mechanischen Eigenschaften und hoher Umformgenauigkeit.

Das Kaltumformen von Aluminiumblech wird hauptsächlich für Karosserieteile im Automobilbau eingesetzt. Komplexe Geometrien, geringe relative Dicke und hohe Anforderungen an die Oberflächenqualität führen dazu, dass manche Teile anfällig für Faltenbildung, Rissbildung und Rückfederung sind. Im Rahmen von Kaltumformungsversuchen untersuchten die Forscher, wie sich die Prozessparameter auf die Ausdünnung und das Rückfedern auswirken, passten daraufhin die Werkzeugoberfläche an und optimierten die Parameter. Durch diese Maßnahmen konnten Rückfedern, Faltenbildung und Rissbildung wirksam unterdrückt werden.