Bestimmung der Speisungsbereiche von Al-Gusslegierungen mittels Thermischer Analyse

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1 Bestimmung der Speisungsbereiche von Al-Gusslegierungen mittels Thermischer Analyse Gerhard Huber Nemak Linz GmbH, Zeppelinstraße 24, 4030 Linz, Austria

2 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

3 Die 5 Speisungsmechanismen nach J. Campbell Interdendritische Speisung Flüssigspeisung Massenspeisung Durchbruchspeisung Feststoffspeisung Quelle: TALAT Lecture 3206, The feeding of Castings, John Campbell, Richard A. Harding, University of Bermingham

4 Dendrite Coherency und Rigidity Punkt 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 4

5 GIESSEREI LEXIKON Quelle: GIESSEREI LEXIKON 2008, Stephan Hasse,

6 Thermische Analyse mit 2 Thermoelementen 6

7 JMatPro Thermische Leitfähigkeit AlSi8Cu3 fest: ca. 160 W/(m²K) flüssig: 80 W/(m²K) 7

8 Temperaturprofil einer eutektischen Legierung Keimbildung & Wachstum sphärischer eutektischer Körner Keimbildung und Wachstum Keimbildung Freies Wachstum Wachstum nach Zusammenstoß Neuer Keim Wachsendes Korn Ende der Erstarrung 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

9 Al-Si Eutektikum Eutektische Zellen Unveredelte Legierung Al - Dendriten Al-Si Eutektikum 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

10 Al-Si Eutektikum Eutektische Zellen Veredelte Legierung Al - Dendriten Al-Si Eutektikum 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

11 Vergleich der Messmethoden Rheologische Messung Thermische Analyse 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

12 ΔT, C Scherspannung, Pa Vergleich der ermittelten Dendrite Coherency- und der Rigiditytemperatur mittels thermischer Analyse und rheologischer Messung 1 0,5 AlSi8Cu3_0ppmSr ,5 Scherspannung ΔT Denrite 20-1,5 Coherency Temperatur Rigidity 10 Temperatur Temperatur, C 12

13 Speisungsmechanismen thermisch unterteilt Interdendritische Speisung Flüssigspeisung Massenspeisung Durchbruchspeisung Feststoffspeisung 13

14 Temperatur, C Einfluss der Strontium Veredelung auf die Rigidity Temperatur Thermische Analyse Rheologische Messung Strontium, ppm 14

15 Rigidity Temperatur, C Fraction solid bei Rigidity Temperatur, % Impact of Cu contents on rigidity temperature T rigidity Fraction solid at T rigidity Cu, Gew.% 50 15

16 Legierungsatlas mit charakteristischen Temperaturen 16

17 Ausfließverfahren und Speiserwaage W. Michels Wilhelm und S. Engler Interdendritische Speisung Feststoffspeisung Massenspeisung Speiser RS = t ST t E x 100% Gussteil Unterteilung in Massen- und interdendritische Speisung bis jetzt nicht möglich. Quellen: GIESSEREI LEXIKON online 2016 ( 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

18 Neue zeit- und temperaturbezogene Speisungsmaße MF = t LIQ t DCP t LIQ t SOL x 100 TF = t LIQ t Rigidity T LIQ T SOL x 100 MSM = T LIQ T DCP T LIQ T SOL x 100 ISM = T DCP T Rigidity T LIQ T SOL x 100 DSM = T Rigidity T SOL T LIQ T SOL x 100 MF Massenspeisungsmaß (zeitl.) in % TF Totales Speisungsmaß (zeitl.) in % MSM Massenspeisungsmaß (temp.) in % ISM Interdendrit. Speisungsmaß (temp.) in % DSM Durchbruchspeisungsmaß (temp.) in % t LIQ t DCP t Rigidity t SOL Zeitpunkt Liquidus Temperatur, s Zeitp. DCTemperatur, s Zeitpunkt Rigidity Temperatur, s Zeitpunkt Solidus Temperatur, s T LIQ Liquidus Temperatur, C T DCP Dendrite Coherency Temperatur, C T Rigidity Rigidity Temperatur, C T SOL Solidus Temperatur, C 18

19 Massenspeisungsmaß (temperaturabhängig) in % 19

20 Interdendritisches Speisungsmaß (temperaturabh.) in % 20

21 Durchbruchspeisungsmaß (temperaturabhängig) 21

22 Vergleich des interdendritischen und des durchbruchenden Speisungsmaßes 22

23 Sanduhrkokille nach Hübler und Sanduhrprobe 23

24 Geschliffene Proben Einfluss von Silizium und Kupfer AlSi5 AlSi7 AlSi9 AlSi7 AlSi7Cu2 AlSi7Cu4 24

25 GIESSEREI LEXIKON online 2016 ( Erstarrungstyp 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 25

26 Verteilung des technischen Volumendefizits 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 [15] S. Engler, Das Volumendefizit bei der Erstarrung metallischer Schmelzen, Zeitschrift für Metallkunde 56 (1965), S

27 Nächste Schritte Feststoffgehalt (Newtonian Baseline, Fourier) und Speisungsmaße Speisungsmaße und Erstarrungsmorphologie Versuche nach dem Abschreckverfahren (GIESSEREI LEXIKON online 2016 ( ) 27

28 Anwendungsmöglichkeiten Simulation Speisungsparameter Heißrissneigungskoeffizient CSC = t 0.99 t rigidity t rigidity t dendrite coherency Dendritenarmabstand DAS = A t 1 3, Legierungskonstante A, Erstarrungszeit t = tliquidus - t rigidity 28

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