Leichtbaupotenziale unter Verwendung hochfester metallischer Werkstoffe für Automobil- und Luftfahrtanwendungen

KURZFASSUNG

Das massive Transportwachstum und damit die durch Treibhausgase verursachte steigende Erderwärmung führt in der Transportindustrie zu einer wachsenden Nachfrage nach verbesserter Kraftstoffeffizienz und reduzierten Emissionen, wodurch bereits zu Beginn der Entstehungs-Kette eines Fahrzeuges die Materialauswahl zu einem Schlüsselelement im Fahrzeugdesign mutiert. Der Wettbewerb der OEMs und die Regierungsforderungen nach sichereren, leichteren und kraftstoffsparenden Transportmitteln führte zuletzt zum Markteintritt neuer hochfester Stähle und Aluminiumlegierungen. Diese Arbeit widmet sich insbesondere dem Vergleich von Aluminium, konventionellen und neuen Stählen, um deren massenreduzierende Wirkung gegenüberzustellen. Für einen neutralen Vergleich des Massenreduzierungspotentials müsste auch die Leistungsfähigkeit der Körperstrukturen und Komponenten überprüft werden. Im Rahmen dieser Arbeit können jedoch nur grundlegende Referenzpunkte identifiziert sowie Eigenschaften und grundlegendes Strukturverhalten verschiedenster Materialien beschrieben werden. Das Hauptziel ist, die Gewichtsunterschiede zwischen Stahl und Aluminium zu visualisieren und einige Aspekte für Leichtkonstruktionen wie beispielsweise das Potenzial zur Massereduzierung oder die Leistungsfähigkeit, zu untersuchen. Auch können aufgrund der enormen Vielzahl unterschiedlicher Stahl- und Aluminiumlegierungen im Leichtbau nur einige wenige spezielle davon, jeweils mit Fokus auf hochfeste Legierungen beider Materialien, ausgewählt und verglichen werden. Der wissenschaftliche Aspekt dieser Arbeit findet sich in der Berechnung und Bewertung von Formeln zur Beschreibung der Materialeigenschaften hinsichtlich Vergleich der metallischen Werkstoffe unter der Verwendung folgender Methoden: Zugversuche sowie Bewertung mechanischer Eigenschaften. Wesentliche Berechnungen zur Erklärung von Unterschieden im Stahl- und Aluminiumdesign finden sich in einer Übersicht. Material- und Steifigkeitseigenschaften sowie wichtige Begriffe sind gleichfalls angeführt. Die physikalischen Eigenschaften Biegesteifigkeit, Zugfestigkeit, Torsionssteifigkeit und der 3- Punkt-Biegeparamter bilden die Basis für den Vergleich der Eigenschaften und ermöglichen den Vergleich unterschiedlicher Sorten von Leichtstählen und Aluminiumlegierungen im Leichtbau. Man gewinnt die Erkenntnis, dass einige Stahlsorten ein hohes Leichtbaupotenzial aufweisen und somit Aluminium in diesem Zusammenhang nicht zwingend die beste Wahl ist.

INHALTSVERZEICHNIS

Kurzfassung III

Abstract IV

Inhaltsverzeichnis V

1 Einleitung 1

2 Theoretische Grundlagen 4

2.1 Leichtbauwerkstoffe 4

2.2 Aluminium 4

2.2.1 Legierungskonzepte von Aluminium 6

2.2.2 Aluminium im Fahrzeugbau 8

2.3 Leichtbaustahl 10

2.3.1 Stahlsorten im Leichtbau 11

2.3.2 Stahl im Fahrzeugbau 14

3 Versuche/ Berechnungen16

3.1 Materialien 16

3.2 mechanische Formeln 16

3.2.1 Biegesteifigkeit 17

3.2.2 Zugfestigkeit 19

3.2.3 Torsionssteifigkeit20

3.2.4 3-Punkt Biegen23

4 Ergebnisse 25

4.1 Mechanische Eigenschaften 25

4.2 Berechnungen 25

4.2.1 Biegesteifigkeit 25

4.2.2 Zugfestigkeit 26

4.2.3 Torsionssteifigkeit27

4.2.4 3-Punkt Biegen29

5 Zusammenfassung/ Ausblick 30

5.1 Diskussion 30

5.2 Zusammenfassung31

6 Abbildungsverzeichnis 35

7 Tabellenverzeichnis 36

8 Literaturverzeichnis 37

1 EINLEITUNG

Aufgrund des starken Transportwachstums und der steigenden Nachfrage die Treibhausgase zu reduzieren, ist die Wahl der Materialien ein entscheidender Schlüssel beim Fahrzeugdesign bzw. bei der Fahrzeugherstellung geworden. Ohne „Leichtbau“ – einem der großen Schlagworte der modernen industriellen Fertigung – würden die Fahrzeuge und Transportmittel wie wir sie heute kennen grundlegend anders aussehen. Leichtbauweise ist ein Konstruktionskonzept, das maximale Gewichtseinsparung zum Ziel hat. Die Gründe für Leichtbau können verschiedener Natur sein. Ein Hauptargument für Leichtbau ist die Einsparung von Rohstoffen sowohl bei der Herstellung des Produkts als auch bei dessen Nutzung. Bei Fahr- und Flugzeugen ist bei konsequentem Leichtbau eine geringere Antriebsleistung für die gleichen Fahr- bzw. Flugeigenschaften notwendig. Des Weiteren sinkt der Kraftstoffverbrauch und das Gewichtsverhältnis von Transportmittel zu Fracht verbessert sich. Der gesamte Bereich der Luft- und Raumfahrt wäre ohne Leichtbau generell schwer zu realisieren. Schätzungen nach werden an heutigen Automobilen durch Leichtbau Gewichtsreduktionen von bis zu 500 kg erreicht (Grundlage hierfür ist der Vergleich zwischen einem angenommenen Automobil mit der gegenwärtigen Sicherheitstechnik, jedoch den vor 20 Jahren verwendeten Werkstoffen). Fahrzeuggewichtsreduktionen um 100 kg erbringen Verbrauchverminderungen des Kraftstoffs von 0,3 bis 0,5 L/100 km oder anders ausgedrückt führt eine 10%-ige Gewichtsreduktion zu einem Minderverbrauch von 5,5% Kraftstoff . Anhand von Abbildung 1 ist zu erkennen, wie sich die CO2 Emissionen in der Vergangenheit stätig reduziert haben, wobei hierfür der Leichtbau ein ausschlaggebender Faktor für diese Reduktion war. Bis zum Jahr 2021 soll ein durchschnittlicher CO²- Emmisionswert von 105 g/km erreicht werden.

(Abbildung in Leseprobe nicht enthalten)

Nach Haug/Füller lassen sich drei wesentliche Werkstofftrends in der Automobilproduktion erkennen: In der Außenhaut wird immer mehr Stahl durch Aluminium und Kunststoffe ersetzt. Für die Struktur werden immer mehr festigkeits- oder dehnungsoptimierte Stähle eingesetzt (s. Abb. 2). Bei Fahrwerkskomponenten stehen Stahl und Aluminium in gleichem Maße in Konkurrenz wie unterschiedliche Ur- und Umformverfahren. Daraus ergibt sich unweigerlich, dass der moderne Leichtbau ohne einen Multi-Material-Mix undenkbar ist, was natürlich aufgrund unterschiedlicher Werkstoffeigenschaften neue Probleme mit sich bringt.

(Abbildung in Leseprobe nicht enthalten)

Einen Durchbruch in der Aluminiumanwendung stellte der Audi-Space-Frame im A8 1993 dar, bei dem es sich um einen überwiegend aus Strangpressprofilen bestehenden Rahmen handelt, der über Gussknoten verbunden und schließlich mit Aluminiumblechen beplankt ist . Möglich werden solche Innovationen durch neue Werkstoff- und Verarbeitungskonzepte wie beispielsweise das Innenhochdruckumformen . Angepasste Konzepte der Wärmebehandlung der Aluminiumlegierungen haben eine deutlich verbesserte Maßgenauigkeit und geringeren Verzug zur Folge. Eine anschließende Wärmebehandlung der Bauteile sowie ein nachgeschaltetes Abschrecken ermöglichen es, gezielt auf die mechanischen Kenn- und Festigkeitswerte einzuwirken. Werkstofflicher Leichtbau mit Aluminium und Magnesium trägt bei modernen Automobilen dazu bei, Kraftstoffverbrauch und Emissionen zu senken. Gleichzeitig verbessert ein möglichst geringes Gewicht das Fahrverhalten und mithin den Fahrkomfort . Betrachtet man beispielsweise die Entwicklung des Werkstoffeinsatzes im Automobilbereich, so ist eine starke Diversifizierung besonders in den letzten Jahren zu beobachten. Leichtmetalle spielen eine entscheidende Rolle. Neben unterschiedlich legierten Aluminiumwerkstoffen finden verstärkt auch Magnesiumwerkstoffe Einsatz. Leichtbau beschränkt sich jedoch nicht nur auf den Einsatz von Leichtmetallen, auch auf dem Sektor Gusseisen und Leichtbaustahl gibt es bedeutende Entwicklungstrends, die die Automobilherstellung revolutioniert haben. Im Rahmen dieser Arbeit wird insbesondere der Einfluss der Massenreduzierung von Aluminium im Vergleich zu herkömmlichen und neuen Stählen untersucht. Hauptziel ist das Aufzeigen des Gewichtsunterschiedes zwischen Stahl und Aluminium und die Untersuchung verschiedener Aspekte (Massenreduzierungspotenzial, Leistungsfähigkeit) für Leichtbaukonstruktionen. Für die Bewertung/Berechnung des Leistungsvergleichs wesentlicher Eigenschaften werden die physikalischen Eigenschaften herangezogen. Der Vergleich verschiedener Leichtbau-Stähle und Aluminiumlegierungen, sowie ein Überblick über das Leichtbaupotenzial bei Verwendung von Leichtbaustählen oder Aluminiumlegierungen, stellt den Hauptteil dieser Arbeit dar.

2 THEORETISCHE GRUNDLAGEN

2.1 LEICHTBAUWERKSTOFFE

Die im Transportwesen hauptsächlich eingesetzten Werkstoffe sind Metalle und Kunststoffe. Die große Vielzahl an technischen Kunststoffen spielt für Strukturbauteile im Leichtbau nur eine untergeordnete Rolle und werden in dieser Arbeit nicht näher betrachtet. Die Metalle gliedern sich in Nichteisenmetalle (Aluminium, Magnesium, Titan, ...) und Eisenmetalle (Stahl, Gusseisen) auf. Hervorzuheben sind hierbei Stahl und Aluminium, die im Bereich der Metalle den größten Anteil im Leichtbau einnehmen und auch in diesem Zusammenhang in dieser Arbeit untersucht werden. In Abbildung 3 ist eine Übersicht über den Einsatz der verschiedenen Werkstoffe im Leichtbau dargestellt.

(Abbildung in Leseprobe nicht enthalten)

2.2 ALUMINIUM

Aluminium ist mit ca. 8 % nach Sauerstoff (ca. 46 %) und Silizium (ca. 27 %) das in der Erdkruste am häufigsten vorhandene Element. Aufgrund seiner starken Reaktivität mit Nichtmetallen kommt Aluminium in der Natur nur in Verbindungen vor. Seit Anfang der industriellen Produktion ist der Werkstoff Aluminium nach Stahl zum wichtigsten Gebrauchsmetall geworden. Das ehemalige Haupteinsatzgebiet im Bereich der militärischen und zivilen Luftfahrt hat sich heute zum Bereich der zivilen Konsumgüterindustrie, die 99 % der gesamten Aluminiumproduktion umfasst, verschoben. Die Aluminiumproduktion ist in den letzten Jahren rapide gestiegen. Während um 1900 etwa 5700 Tonnen Aluminium pro Jahr produziert wurden, stieg die Jahresproduktion auf 1,5 Mio. Tonnen im Jahre 1950 und auf 25 Mio. Tonnen im Jahre 1998 (s. Abb. 4). Die Steigerung der Nachfrage, um etwa 113% in den Jahren zwischen 1991 und 2000, nach dem Werkstoff Aluminium ist in seinen Gebrauchs- und Verarbeitungseigenschaften begründet.

(Abbildung in Leseprobe nicht enthalten)

Hierzu sind neben der geringeren spezifischen Dichte, die weitgehende Witterungsbeständigkeit, die Formgebungsmöglichkeit, das große Festigkeitsspektrum und die hohe Wärmeleitfähigkeit zu nennen. Reinaluminium mit einem Aluminiumgehalt von 99,9 % wird in Bereichen mit dem Hauptaugenmerk auf die physikalischen und chemischen Eigenschaften (wie z.B. Wärmetauscher, elektrische Leiter etc.) des Werkstoffes angewandt. Die mechanischen Eigenschaften des Reinaluminiums, insbesondere seine Festigkeit, sind für den konstruktiven Leichtbau unzureichend. Daher wird die Festigkeit durch Legieren und Kaltverfestigung erhöht. So kann die Festigkeit je nach Legierung und Verfestigung zwischen 70 und 700 MPa variieren. Aluminiumwerkstoffe spielen in der modernen Fahrzeugentwicklung, insbesondere für den Leichtbau, eine entscheidende Rolle. Leuchtendes Beispiel dafür ist der Audi A8 mit seiner Space-Frame-Konstruktion, die einen Verbund aus Strangpressprofilen, Blechschalen und Druckgussteilen darstellt und auf diese Weise 40% leichter als die herkömmliche Stahlkarosserie ist. Es kommen immer wieder neue Technologien zum Einsatz. Beispiele hierfür sind unter anderem die pulvermetallurgische Verarbeitung von Aluminiumlegierungen der Serien 2xxx, 6xxx, und 7xxx, also aller aushärtbaren Aluminium-Legierungen. Dies eröffnet neue Einsatzfelder (z.B.: Nockenwellen- Lagerdeckel oder Kettenräder). Die wesentlichen Vorteile einer sintermetallurgischen Herstellung sind unter anderem die gute Maßhaltigkeit, sowie die endkonturgenaue Fertigung von Massenbauteilen. Dadurch kann eine weitere Nachbearbeitung entfallen.

2.2.1 LEGIERUNGSKONZEPTE VON ALUMINIUM

Durch das hinzu legieren von Metallen wie z.B. Mangan, Magnesium, Kupfer, Silizium und Zink entstehen Aluminiumlegierungen mit unterschiedlichen Eigenschaften. Die Eigenschaften werden dabei durch die Zugabe der Legierungselemente in unterschiedlichen Mengenanteilen und Kombinationen erreicht. Unterschieden wird ob die Festigkeitssteigerung durch eine Mischkristallverfestigung oder durch Aushärtungsbehandlung erreicht wird. So unterteilen sich die Aluminiumlegierungen in naturharte (3xxx, 4xxx, 5xxx) und aushärtbare (2xxx, 6xxx, 7xxx) Legierungen. Eine Übersicht mit den jeweiligen Hauptlegierungsbestandteilen ist in Abbildung 5 gegeben.

(Abbildung in Leseprobe nicht enthalten)

Im Rahmen dieser Arbeit werden sowohl naturharte als auch aushärtbare Legierungen eingesetzt. Die nachfolgende Beschreibung der Legierungssysteme beschränkt sich auf diese zwei Legierungsgruppen. Die Besonderheiten weiterer Legierungen sowie die weitere Unterteilung in Knet- und Gusswerkstoffe, sind in der Literatur ausführlich beschrieben Legierungselemente (Fremdatome) können bis zu einer bestimmten Löslichkeitsgrenze in der Aluminiummatrix gelöst werden. Aufgrund der unterschiedlichen Atomdurchmesser der Legierungsatome und der Aluminiumatome wird das Kristallgitter des reinen Aluminiums verzerrt . Dies bewirkt, dass die Bewegung von Versetzungen durch den Kristall erschwert wird und so plastische Verformungen erst bei höheren Belastungen stattfinden können. Abhängig ist die Festigkeitssteigerung (Mischkristallverfestigung) dabei vom Unterschied zwischen dem Durchmesser der Aluminiumatome zum Durchmesser der Fremdatome. Bei den naturharten Aluminiumlegierungen erfolgt die Festigkeitssteigerung durch Kaltverfestigung / Verformung (wie z.B. dem Kaltwalzen, Recken, Ziehen, etc.). Durch die plastische Verformung entstehen Versetzungen im Kristall. Mit zunehmendem Verformungsgrad erhöht sich die Anzahl und Dichte der Versetzungen im Kristallgitter. Die gegenseitige Behinderung der Versetzungen führt zu einer Steigerung des Widerstandes gegen plastische Verformung und so zu einer Steigerung der Festigkeit [14]. Mit zunehmendem Kaltwalzgrad steigen die 0,2 %-Dehngrenze und die Zugfestigkeit bei gleichzeitigem Abfall der Bruchdehnung. Je nach erreichtem Verfestigungsgrad wird der Werkstoffzustand als ¼-hart (H12), ½-hart (H14), ¾-hart (H16), hart (H18) und extrahart (H19) gekennzeichnet. Kaltverfestigte bzw. naturharte Legierungen werden mit dem Buchstaben H bezeichnet. Die erste Ziffer nach dem H bezeichnet die Wärmebehandlung und die zweite Ziffer nach dem H gibt den Grad der Verfestigung (¼-hart, ½-hart, etc.) wieder. Die Wärmebehandlung dient der Entfestigung des kaltverfestigten Werkstoffes mit dem Ziel die Festigkeit auf ein bestimmtes Maß zu reduzieren, gleichzeitig wird die Kaltumformbarkeit bzw. die Bruchdehnung erhöht [13]. Der Werkstoff wird auf einen Zustand kaltverfestigt, der deutlich über ¼-hart liegt. Durch die anschließende Wärmebehandlung (Entfestigungsglühung) bei Temperaturen zwischen 150-250 °C wird der Werkstoff auf dem Zustand ¼-hart rückgeglüht. Bei der Entfestigungsglühung erfolgt eine Umordnung (Polygonisation) der Gitterfehlstellen (Versetzungen, Leerstellen), die Korngröße und Kornform bleiben jedoch Unverändert.

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