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
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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
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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
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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
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GIESSEREI LEXIKON
5
Quelle: GIESSEREI LEXIKON 2008, Stephan Hasse, 2008
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Thermische Analyse mit 2 Thermoelementen
6
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JMatPro – Thermische Leitfähigkeit
AlSi8Cu3
7
flüssig: 80 W/(m²K)
fest: ca. 160 W/(m²K)
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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
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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
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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
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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
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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
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Speisungsmechanismen thermisch unterteilt
13
Flüssig-
speisung
Massen-
speisung
Interdendritische
Speisung
Durchbruch-
speisung
Feststoff-
speisung
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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
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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
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Legierungsatlas mit charakteristischen Temperaturen
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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%
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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
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Massenspeisungsmaß (temperaturabhängig) in %
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Interdendritisches Speisungsmaß (temperaturabh.) in %
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Durchbruchspeisungsmaß (temperaturabhängig)
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Vergleich des interdendritischen und des
durchbruchenden Speisungsmaßes
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Sanduhrkokille nach Hübler und
Sanduhrprobe
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AlSi7 AlSi7Cu2 AlSi7Cu4
AlSi5 AlSi7 AlSi9
Geschliffene Proben
Einfluss von Silizium und Kupfer
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GIESSEREI LEXIKON online 2016 (http://www.giessereilexikon.com)
Erstarrungstyp
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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
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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
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Nächste Schritte
Feststoffgehalt (Newtonian Baseline, Fourier) und Speisungsmaße
Speisungsmaße und Erstarrungsmorphologie
Versuche nach dem Abschreckverfahren (GIESSEREI LEXIKON online 2016
(http://www.giessereilexikon.com) )
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Anwendungsmöglichkeiten
28
Simulation – Speisungsparameter
Heißrissneigungskoeffizient
Dendritenarmabstand
𝑫𝑨𝑺 = 𝐀 ∗ ∆𝒕𝟏
𝟑, Legierungskonstante A, Erstarrungszeit ∆t = tliquidus - trigidity
𝑪𝑺𝑪 =𝒕𝟎.𝟗𝟗 − 𝒕𝒓𝒊𝒈𝒊𝒅𝒊𝒕𝒚
𝒕𝒓𝒊𝒈𝒊𝒅𝒊𝒕𝒚 − 𝒕𝒅𝒆𝒏𝒅𝒓𝒊𝒕𝒆 𝒄𝒐𝒉𝒆𝒓𝒆𝒏𝒄𝒚
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