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