Doktorandenseminar WS 2009 / 10. Feinguss. Martin Brunner. Metallische Werkstoffe, Universität Bayreuth

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1 Doktorandenseminar WS 2009 / 10 Feinguss Martin Brunner Metallische Werkstoffe, 1

2 Überblick 1. Feinguss Von den Anfängen zum Stand der Technik 2. Anlagenaufbau am Lehrstuhl Vom einfachen Guss zu DS 3. Materialprüfung Vom Guss bis zum Verkauf 4. Instrumentiertes Abgießen Von der Temperaturmessung zur Simulation 2

3 1. Feinguss Von den Anfängen zum Stand der Technik 3

4 Gießen Urformen ist das Fertigen eines festen Körpers aus formlosen Stoff durch Schaffen des Zusammenhalts. (DIN 8580) Gusswerkstoff: Metallischer Werkstoff, der durch Gießen zu einem endkonturnahen Bauteil (Gussteil) ohne Umformen verarbeitet wird. 4

5 Historie 3000 v.chr.: Früher Metallguss Vorderasien, Indien, China Um 1400: Geschützrohre und Kugeln 1883: erste Dampfturbine 1939: BBC lieferte erste Gasturbine (14 MW) 1942: Me : GuD (340 MW), η = 59%, Irsching Ingolstadt 5

6 Jumo 004 Axialer Verdichter Sparstoffe (kein Ni, Mo) Stahl Luftkühlung 6

7 Motivation für Feinguss Viele Freiheitsgrade, Gestaltungsfreiheit Komplexe Geometrien, Hinterschneidungen Dünne Wandstärken Near net shape manufacturing Enge Toleranzen Ohne mech. Nachbearbeitung Hohe Oberflächengüte Hohe Recyclingrate 7

8 Gießen Dauerformen (Kokillenguss: ) Verlorene Formen Dauermodelle Verlorene Modelle Wie ist die Formschale einzuordnen? 8

9 Feinguss 9

10 Feinguss 10

11 Rapid Prototyping Schnelle Wachsteilbeschaffung Kleinserien a) Thermojetverfahren b) Stereolithographie c) Vorserienwerkzeuge b) a) c) 11

12 Verschiedene Öfen Hochofen Lichtbogenofen Induktionsofen 12

13 2. Anlagenaufbau am Lehrstuhl Vom einfachen Guss zu DS 13

14 Unsere Gießanlage Gießanlage Stand: Juli

15 Vakuumtechnik PK: Pumpkörper KR: gekühlte Wand A-D: Düsen S: Siedegefäß H: Heizung V: Vorvakuumpumpe T: Treibmittel G: Gasmoleküle 15

16 Induktion Induktive Erwärmung der Legierung IN738LC 16

17 Induktion f L 1 = 2π L C = µ 0 µ r A N l 2 Theoretisch f = 28±4 khz Praktisch f = 31 khz 17

18 Induktion Mittlere Frequenz f (0,5 bis 50 khz) Kleinere Frequenz, höhere Eindringtiefe δ µ r = relative Permeabilität ρ =spez. elektr. Widerstand δ = 503 ρ µ r f Annähernd verlustarme Energieübertragung d 6 δ 18

19 Fortschritte Fortschritt im Gießen der Plattengeometrie 2 cm 2 cm 19

20 Gießparameter Parameter: Formschalendicke Masse m U max T (Schmelzpkt) T (Pyro - max) Zeiten: t gesamt t > 1000 C t von U > 55% t (Anfang - Schmelzbeginn) t (Schmelzbeginn - ende) t (Schmelzende - Abguss) t (Schmelzbeginn - Abguss) 20

21 Heißer Abguss Gießen bis jetzt: 950 C, vorgeheizt nach Abguss 21

22 Neue Gießanlage Nach Umbau: zusätzlich Formschalenheizung auf 1500 C Lift für Heiz- und Gießposition Temperaturmessung Thermoelemente Pyrometer Infrarotkamera Option auf DS und SX - Guss 22

23 Skizze old new casting position heating position mould 1st induction coil - alloy 2nd induction coil - mould lift 23

24 AAT in Bayreuth 24

25 Doncasters Precision Casting, Bochum

26 DS und SX 26

27 Keimbildung Homogene Keimbildung durch Überhitzen von Schmelze Feinkorn Längere Haltezeit Höhere Temperatur Temperatur und Isolierung der Formschale Kobaltaluminat 27

28 Erstarrungsgefüge 28

29 SX-Schaufel für GuD Gewicht der Schaufel (Luftkühlung): 6,8 kg Länge des Kristalls: 350 mm Verkaufspreis ~ ,- 29

30 3. Materialprüfung Vom Guss bis zum Verkauf 30

31 Analyse Makroätzung (Oberfläche) Korngefüge (Schliff) Matrixcode Porosität 31

32 Makroätzung Makroätzung nach Adler ASTM E 112 Parametereinstellungen beim Gießen TUC Laufschaufel Dezember 2008 Gegossen von MTS 32

33 Korngefüge ASTM-Korngröße: 1,3 Mittlere Sehnenlänge: 206 µm StdAbw. Sehnenlänge: 175 µm Minimale Sehnenlänge: 20 µm Maximale Sehnenlänge: 551 µm Mittlere Sehnenlänge (horizontal): Mittlere Sehnenlänge (vertikal): 132 µm 321 µm Anisotropie hor/ver: 0,41 Mittlere Kornfläche: Mittlerer Korndurchmesser: Anzahl Körner pro Fläche: Spezifische Korngrenzfläche: µm² 249 µm 16 / mm² 10 / mm 33

34 Matrixcode 34

35 Porosität 1,0 mm 2 6,3 mm 2 6,5 % 1,5 % 35

36 4. Instrumentiertes Abgießen Von der Temperaturmessung zur Simulation 36

37 Simulation (ProCast, Magma, ) Literaturrecherche für Parameter Wärmeübertragungskoeffizient Einfache Geometrie um zwischen Formschale und Legierung zu berechnen Platte Formfüllung Lunker und Porosität Korngröße, Dendritenarmabstände 37

38 Thermoelement - Prinzip Seebeck-Effekt Nickel-Chrom/Nickel - 90 bis 1370 C (Typ K) Eisen-Kupfer/Nickel - 50 bis 760 C (Typ J) Platin-Platin/Rhodium 0 bis 1760 C (Typ S) 38

39 Temperaturmessung Temperatur / C Abkühlvorgang der Formschale ohne Abguss TC1-Rand Abguss in eine zweite Formschale TC-Ausfall TC1-Rand V31 TC1-Rand TC3-Formschale innen Versuchszeit / s 39

40 Instrumentiertes Abgießen 40

41 Infrarotkamera Mikrobolometer-FPA- Detektor mit (384 x 288) oder (640 x 480) Pixeln Spektralbereich (7, ) µm 50/60 Hz Bildfrequenz großer Standard- Temperaturmessbereich ,- 41

42 Infrarotkamera Detektierte Strahlung: 1 = ε(t) + ρ(t, ) + τ P ~ ε(t) T 4 Emissivität ε(t) 42

43 Instrumentiertes Abgießen 43

44 Formfüllung Gelenkte Erstarrung anstreben A Einlauf > A Querlauf > A Zulauf 44

45 Simulation von Lunker Porosität der Gussstücke Hilbinger, NMF 45

46 Vielen Dank für die Aufmerksamkeit! 46

47 Literaurverzeichnis [1]: Fritz A. H., Schulze G.: Fertigungstechnik, Springer-Verlag, 2008 [2]:Herfurth K., Ketscher N., Köhler M.: Gießereitechnik kompakt, Gießerei-Verlag GmbH, Düsseldorf,