Experimentelle Untersuchungen und Modellierungsansätze zur Beschreibung von Gefüge, Eigenschaften, Graphitausbildung und Knotengraphitwachstum

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Ralf Martin
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1 Experimentelle Untersuchungen und Modellierungsansätze zur Beschreibung von Gefüge, Eigenschaften, Graphitausbildung und Knotengraphitwachstum Andreas Bührig Polaczek, Björn Pustal, Georg Schmitz Rm = ( * Sc) [N/mm2] Quantitativer Zusammenhang unter definierten Bedingungen c p t x x y y Q z z W 3 m Allgemeingültiges Simulationsmodell Qualitativer Trend Erfahrung einzelne Messwerte kein funktionaler Zusammenhang

2 Outline 1. Introduction 2. Statistical Design of Experiments 3. Experiments and Thermodynamic 4. Simulation of Chunky Graphite 5. Microstructure Simulation 6. Summary Prognose durch Umfrage: Demnach führt der Demokrat Obama in Ohio mit 51 zu 45 Prozent dpa

statistische Versuchsplanung zur Werkstoff- und Prozessoptimierung Taguchi Methode Werkzeuge orthogonale Versuchspläne massive Minderung des Versuchsumfangs Betrachtung von Wechselwirkungen möglich

3 statistische Versuchsplanung zur Werkstoff- und Prozessoptimierung Taguchi Methode Werkzeuge orthogonale Versuchspläne massive Minderung des Versuchsumfangs Betrachtung von Wechselwirkungen möglich Mittelwertanalyse optimale Einstellung der Parameter Varianzanalyse Signifikanzprüfung Optimierung Vertrauensbereich Qualität der Ergebnisse Versuchsreihe Parameter (A) Parameter (B) Parameter (C) Parameter (D) Beipiel: L9-Plan = 9 Versuche anstatt 3 4 = 81 Einzelversuche; Beachten: Wirkungen können stark vermengt sein!

Vergleich Labor /Industrieversuch 950 900 Rm (MPa) Claas Rm (MPa) GI Fehlversuch 850 Rm[MPa] 800 750 700 650 Industrieversuch Laborversuch 0 0,1 0,3 0,5 0,7 Impfmittelmenge (%) Gegenüberstellung der

4 Vergleich Labor /Industrieversuch Rm (MPa) Claas Rm (MPa) GI Fehlversuch 850 Rm[MPa] Industrieversuch Laborversuch 0 0,1 0,3 0,5 0,7 Impfmittelmenge (%) Gegenüberstellung der durchschnittlich erreichten Zugfestigkeiten im Labor- und Industrieversuch beim unterschiedlichen Impfmittelmengen Vergleich Labor /Industrieversuch Rm (MPa) Claas Rm (MPa) GI Fehlversuch 850 Rm[MPa] ,1 0,3 0,5 0,7 Impfmittelmenge (%)

5 Veränderung der Erstarrungstemperaturen Veränderung der Erstarrungstemperaturen

6 Outline 1. Introduction 2. Statistical Design of Experiments 3. Experiments and Thermodynamic 4. Simulation of Chunky Graphite 5. Microstructure Simulation 6. Summary Fe C Diagramm from different sources 1500 Fe - C - Si Si/(Fe+C+Si) (g/g) = 0.022, 1 atm 1500 Fe - Si - C Si/(Fe+Si+C) (g/g) = 0.022, 1 atm LIQUID + BCC_A2 LIQUID + BCC_A LIQUID 1400 LIQUID 1300 LIQUID + C(s) 1300 LIQUID + FCC_A1 LIQUID + FCC_A1 T(C) 1200 LIQUID + FCC_A1 + C(s) T(C) 1200 LIQUID + C(s) FCC_A1 FCC_A FCC_A1 + C(s) FCC_A1 + C(s) C/(Fe+C+Si) (g/g) C/(Fe+Si+C) (g/g)

7 Fe Ni Si at 1200 C Comparison of Fe Ni Si from different sources TCFE4 J. Miettinen 1999 Iron database Experimental data from O. Ikeda et al., J. Alloys Compd., 268, 130 (1998) Influence of Si and Cr on the solidification temperatures Thermodynamische Berechnungen für Gusseisen Der Einfluss von Cr auf die Phasenausbildung

8 Thermodynamische Berechnungen für Gusseisen Der Einfluss von Cr auf die Phasenausbildung Outline 1. Introduction 2. Statistical Design of Experiments 3. Experiments and Thermodynamic 4. Simulation of Chunky Graphite 5. Microstructure Simulation 6. Summary

9 Up hill Diffusion (Cross Diffusion) Conditions promoting CHG according to Nakae et al graphitizing elements Si, Cu, and Ni as well as Ca and Ce low cooling along with a small nodule count Carbon diffuses up-hill into the low silicon steel according to Darken 1948; Cu and Ni also promote up-hill diffusion Weld 0.35% C % carbon initial carbon concentration 3.80% Si 4.78% Si 0.145% C distance from weld (inches) Carbon distribution in welded specimen No. I after 14 Days at 1050 C Makrosimulation/Mikrosimulation/Thermodynamik/Kinetik

10 SGI Model for Chemical Diffusion / Cross Diffusion Si G Austenite Liquid C Ni Chemical Diffusion Cross-Diffusion 1 wt.-% Ni 1 wt.-% Ni 20 wt.-% Ni 20 wt.-% Ni Development of the carbon profile during solidification without / with cross-diffusion for two different nickel concentrations: 1 wt.-% Ni and 20 wt.-% Ni The Nature of Chunky Graphite Degenerated Spheroid Löblich 2006 Chunky Graphite Pustal 2010 Degenerated Spheroids CHG precipitates as eutectic cells and accumulates at the boundaries of these cells Graphite is apparently redistributed to cell and dendrite boundaries Löblich 2006

CHG Model / Comparison to SGI Structure Ni Austenite Liquid Si C CHG-Model G SGI-Model J C J C J C J C Microsegregations are more pronounced in the SGI structure compared to CHG growth

11 CHG Model / Comparison to SGI Structure Ni Austenite Liquid Si C CHG-Model G SGI-Model J C J C J C J C Microsegregations are more pronounced in the SGI structure compared to CHG growth for both grades reversed carbon flux Transformation Kinetics and Fraction Liquid Comparing SGI and CHG Growth at different Ni concentrations and 500 W/kg/s heat extraction rate Pustal 2012

12 Nonmetallic Magnesium Inclusions in SGI Nonmetallic magnesium inclusion lower the mechanical properties of SGI These inclusions are magnesium-silicides (dross) magnesium-carbides magnesium-oxides It is unknown whether magnesium-oxides form on mold filling or during solidification due to microsegregation Dross Mg 2 C 3 / MgO (Fe,Mn) 7 C 3 Matrix Microsegregation Simulation of Si, C, Mn, and Mg in Austenite Graphit Austenite Liquid Si C C/100 C Mg*10 Mn Si Mg*10 Mn Magnesium segregates enriching the liquid The solubility of magnesium in liquid is low Formation of precipitates containing magnesium

Thermodynamic Calculations assuming the Concentration of the Residual Liquid Graphit C/100 C Si Austenite Mg*10 Si Due to microsegregation Mg (gas) and through reaction with C, O, or S Mg2C3 MgO MgS

13 Thermodynamic Calculations assuming the Concentration of the Residual Liquid Graphit C/100 C Si Austenite Mg*10 Si Due to microsegregation Mg (gas) and through reaction with C, O, or S Mg2C3 MgO MgS Mg*10 Mn become thermodynamically stable 0,02 wt.-% Mg 1% Residual Liquid 0,04 wt.-% Mg 0,08 wt.-% Mg Austenite Austenite Austenite Liquid Liquid Liquid M7C3 M7C3 M7C3 Mg2C3 Mg2C3 Mg2C3 EDX Analysis Given in wt. % EDX analyses show particles at micron scale and elevated content of C, O, and Mg Because theses particles can hardly be distinguished from each other by shape and size, pure image analysis is impossible Element C O Mg Si P S Mn Fe at. %

14 Nonmetallic Magnesium Inclusions in SGI %Mg / %Si Verhältnis der gemessenen, magnesiumhaltigen Einschlüsse Mg-haltige Messungen immer in Verbindung mit Si Größtenteils im Bereich 1:1 Erstarrung Schmelzebehandlung Formfüllung Outline 1. Introduction 2. Statistical Design of Experiments 3. Experiments and Thermodynamic 4. Simulation of Chunky Graphite 5. Microstructure Simulation 6. Summary

15 The Multiphase Field Method one phase field for each phase: L + + = 1 coupling to databases mobility database

16 MICRESS Steel carbon distribution manganese distribution liquid / ferrite / austenite Directional solidification wt%mn wt%c

17 Directional solidification Mn Si C P S Outline 1. Introduction 2. Statistical Design of Experiments 3. Experiments and Thermodynamic 4. Simulation of Chunky Graphite 5. Microstructure Simulation 6. Summary

18 Conclusion Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit

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