Bestimmung der Speisungsbereiche von Al … - Dendriten Al-Si Eutektikum Vergleich der Messmethoden...
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Bestimmung der Speisungsbereiche von Al-Gusslegierungen mittels Thermischer Analyse
Gerhard Huber
Nemak Linz GmbH, Zeppelinstraße 24, 4030 Linz, Austria
04.11.2016
Inhalt
5 Speisungsmechanismen nach Campbell
Dendrite Coeherency Punkt
Rigidity Punkt
Thermische Analyse mit 2 Thermoelementen
Rheologische Messungen im Vergleich
Speisungsmaße
Sanduhrkokille nach Hübler und Ergebnisse
Detaillierte Betrachtung von Erstarrung und Volumendefiziten
Nächste Schritte
Anwendungsmöglichkeiten
2
Die 5 Speisungsmechanismen nach J. Campbell
3
Flüssig-
speisung
Massen-
speisung
Interdendritische
Speisung
Durchbruch-
speisung
Feststoff-
speisung
Quelle: TALAT Lecture 3206, The feeding of Castings, John Campbell,
Richard A. Harding, University of Bermingham 1994
Dendrite Coherency und Rigidity Punkt
4
• Dendrite Coherency Punkt (DCP):
Dendriten berühren einander und bilden ein kohärentes Netzwerk
• Rigidity Punkt
Interdendritische Kanäle erstarren, die Festigkeit erreicht ihren
Höhepunkt und interdendritische Speisung ist nicht mehr möglich.
Quelle: On the interplay between the solid deformation and fluid flow during the solidification of a metallic alloy, S.
Benke,G. Laschet, 2008 und Bäckerud, Solidification characteristics of Al-alloys Vol3
GIESSEREI LEXIKON
5
Quelle: GIESSEREI LEXIKON 2008, Stephan Hasse, 2008
Thermische Analyse mit 2 Thermoelementen
6
JMatPro – Thermische Leitfähigkeit
AlSi8Cu3
7
flüssig: 80 W/(m²K)
fest: ca. 160 W/(m²K)
Temperaturprofil einer eutektischen Legierung
Keimbildung & Wachstum sphärischer eutektischer Körner
8
Ende der
Erstarrung
Keimbildung
Keimbildung und
Wachstum
„Freies“
Wachstum
Wachstum nach
Zusammenstoß
Neuer Keim
Wachsendes Korn
Quelle:
Timpel M.: Einfluss von Strontium auf die Mikrostruktur von Aluminium-Silizium Legierungen. Dissertation, HZB–B 32,
Juni 2012
Rappaz, M.: Modelling of microstructure formation in solidification processes. In:International Materials Reviews 34
(1989), S. 93–123
Al-Si Eutektikum – Eutektische Zellen
Unveredelte Legierung
9
Quelle:
Timpel M.: Einfluss von Strontium auf die Mikrostruktur von Aluminium-Silizium Legierungen. Dissertation, HZB–B 32,
Juni 2012
Dahle, A. K. ; Nogita, K. ; Zindel, J. W. ; McDonald, S. D. ; Hogan, L. M.: Eutectic Nucleation and Growth in Hypoeutectic
Al-Si Alloys at Different Strontium Levels. In: Metallurgical and Materials Transactions A 32 (2001), S. 949–960
Al - Dendriten Al-Si Eutektikum
Al-Si Eutektikum – Eutektische Zellen
Veredelte Legierung
10
Quelle:
Timpel M.: Einfluss von Strontium auf die Mikrostruktur von Aluminium-Silizium Legierungen. Dissertation, HZB–B 32,
Juni 2012
Dahle, A. K. ; Nogita, K. ; Zindel, J. W. ; McDonald, S. D. ; Hogan, L. M.: Eutectic Nucleation and Growth in Hypoeutectic
Al-Si Alloys at Different Strontium Levels. In: Metallurgical and Materials Transactions A 32 (2001), S. 949–960
Al - Dendriten Al-Si Eutektikum
Vergleich der Messmethoden
• Rheologische Messung
Searl Rheometer
(Universität Aachen)
´Gewicht der Probe 28g
Schmelzetemp. 700°C
Thermoelement Typ K
Abkühlrate ~0.05°C/s
Thermoanalyse
Gewicht der Probe 250g
Schmelzetemp. 700°C
Thermoelement Typ K
Abkühlrate ~0.10°C/s
• Thermische Analyse
Vergleich der ermittelten Dendrite Coherency- und der
Rigiditytemperatur mittels thermischer Analyse und
rheologischer Messung
12
-2
-1,5
-1
-0,5
0
0,5
1
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
550 555 560 565 570 575 580 585 590 595 600
ΔT, C
Sc
he
rsp
an
nu
ng
, Pa
Temperatur, C
Scherspannung
ΔT
Rigidity
Temperatur
Denrite
Coherency
Temperatur
AlSi8Cu3_0ppmSr
Speisungsmechanismen thermisch unterteilt
13
Flüssig-
speisung
Massen-
speisung
Interdendritische
Speisung
Durchbruch-
speisung
Feststoff-
speisung
Einfluss der Strontium Veredelung auf die
Rigidity Temperatur
14
558
559
560
561
562
563
564
565
566
0 20 40 60 80 100 120 140 160
Tem
pera
tur,
C
Strontium, ppm
ThermischeAnalyse
RheologischeMessung
Impact of Cu contents on rigidity temperature
15
50
55
60
65
70
75
80
562
563
564
565
566
567
568
569
570
571
572
0 1 2 3 4 5
Fra
cti
on
so
lid
be
i R
igid
ity
Te
mp
era
tur,
%
Rig
idit
yTe
mp
era
tur,
°C
Cu, Gew.%
T rigidity
Fraction solid at T rigidity
Legierungsatlas mit charakteristischen Temperaturen
16
Ausfließverfahren und Speiserwaage
W. Michels Wilhelm und S. Engler
17
Quellen:
GIESSEREI LEXIKON online 2016 (http://www.giessereilexikon.com), Ausfliessverfahren
Michels W. and Engler S., Speisungsverhalten und Porosität von Aluminium-Silicium-Gußwerkstoffen,
Giessereiforschung 41, Nr. 4, 1989
Michels W. and Engler S, ; “Speisungskinetik von Aluminum-Silizium Gußlegierungen”, Giesserei 75, Nr. 14, 1988, s.
445-448.
Interdendritische Speisung
Massenspeisung
Feststoffspeisung
Speiser
Gussteil
Unterteilung in Massen- und interdendritische Speisung bis jetzt nicht möglich.
RS =𝑡𝑆𝑇
𝑡𝐸
𝑥 100%
Neue zeit- und temperaturbezogene Speisungsmaße
18
MF =𝑡𝐿𝐼𝑄−𝑡
𝐷𝐶𝑃
𝑡𝐿𝐼𝑄−𝑡
𝑆𝑂𝐿
𝑥 100
TF =𝑡𝐿𝐼𝑄−𝑡
𝑅𝑖𝑔𝑖𝑑𝑖𝑡𝑦
𝑇𝐿𝐼𝑄−𝑇
𝑆𝑂𝐿
𝑥 100
MF – Massenspeisungsmaß (zeitl.) in %
TF – Totales Speisungsmaß (zeitl.) in %
tLIQ – Zeitpunkt Liquidus Temperatur, s
tDCP – Zeitp. DCTemperatur, s
tRigidity – Zeitpunkt Rigidity Temperatur, s
tSOL – Zeitpunkt Solidus Temperatur, s
MSM =𝑇𝐿𝐼𝑄−𝑇
𝐷𝐶𝑃
𝑇𝐿𝐼𝑄−𝑇
𝑆𝑂𝐿
𝑥 100
ISM =𝑇𝐷𝐶𝑃
−𝑇𝑅𝑖𝑔𝑖𝑑𝑖𝑡𝑦
𝑇𝐿𝐼𝑄−𝑇
𝑆𝑂𝐿
𝑥 100
DSM =𝑇𝑅𝑖𝑔𝑖𝑑𝑖𝑡𝑦
−𝑇𝑆𝑂𝐿
𝑇𝐿𝐼𝑄−𝑇
𝑆𝑂𝐿
𝑥 100
MSM – Massenspeisungsmaß (temp.) in %
ISM – Interdendrit. Speisungsmaß (temp.) in %
DSM – Durchbruchspeisungsmaß (temp.) in %
TLIQ – Liquidus Temperatur, °C
TDCP – Dendrite Coherency Temperatur, °C
TRigidity – Rigidity Temperatur, °C
TSOL – Solidus Temperatur, °C
Massenspeisungsmaß (temperaturabhängig) in %
19
Interdendritisches Speisungsmaß (temperaturabh.) in %
20
Durchbruchspeisungsmaß (temperaturabhängig)
21
Vergleich des interdendritischen und des
durchbruchenden Speisungsmaßes
22
Sanduhrkokille nach Hübler und
Sanduhrprobe
23
AlSi7 AlSi7Cu2 AlSi7Cu4
AlSi5 AlSi7 AlSi9
Geschliffene Proben
Einfluss von Silizium und Kupfer
24
GIESSEREI LEXIKON online 2016 (http://www.giessereilexikon.com)
Erstarrungstyp
25
Bild: Typische Arten des Erstarrungsablaufes (nach S. Engler)
A) Exogene Erstarrung A1) glattwandige Erstarrung A2) rauhwandige Erstarrung A3) schwammartige Erstarrung
B) Endogene Erstarrung B1) breiartige Erstarrung B2) schalenbildende Erstarrung
a) fest; b) flüssig; c) Form
Verteilung des technischen Volumendefizits
26
Quellen:
P. Pucher, H. Böttcher und J. Hübler, Einfluss der Legierungszusammensetzung auf das Speisungsverhalten der
Recyclinglegierung A226 im Sand- und Kokillenguss, Zeitschrift Giesserei-Praxis 98 (07/2011), S. 34-44
[15] S. Engler, Das Volumendefizit bei der Erstarrung metallischer Schmelzen, Zeitschrift für Metallkunde 56 (1965), S.
327-335
Nächste Schritte
Feststoffgehalt (Newtonian Baseline, Fourier) und Speisungsmaße
Speisungsmaße und Erstarrungsmorphologie
Versuche nach dem Abschreckverfahren (GIESSEREI LEXIKON online 2016
(http://www.giessereilexikon.com) )
27
Anwendungsmöglichkeiten
28
Simulation – Speisungsparameter
Heißrissneigungskoeffizient
Dendritenarmabstand
𝑫𝑨𝑺 = 𝐀 ∗ ∆𝒕𝟏
𝟑, Legierungskonstante A, Erstarrungszeit ∆t = tliquidus - trigidity
𝑪𝑺𝑪 =𝒕𝟎.𝟗𝟗 − 𝒕𝒓𝒊𝒈𝒊𝒅𝒊𝒕𝒚
𝒕𝒓𝒊𝒈𝒊𝒅𝒊𝒕𝒚 − 𝒕𝒅𝒆𝒏𝒅𝒓𝒊𝒕𝒆 𝒄𝒐𝒉𝒆𝒓𝒆𝒏𝒄𝒚