MeltMap Audit - Die Überprüfung der Schmelzequalität in Aluminiumgießereien

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1 MeltMap Audit - Die Überprüfung der Schmelzequalität in Aluminiumgießereien Aluminiumgießereien stellen heute eine Vielzahl unterschiedlicher Gussstücke her. Die Kunden fordern immer dünnere und leichtere Bauteile aus neuen und weiterentwickelten Legierungen, die immer höheren Belastungen standhalten müssen. Auch die Produkteigenschaften sollen dabei weiter verbessert werden. Mit den steigenden Anforderungen an die Gussstücke müssen die Gießereien immer größere Anstrengungen unternehmen, um ihren gesamten Herstellungsprozess zu steuern und zu überwachen. Am Anfang des Prozesses steht die Analyse der Legierung, die geschmolzen wird. Deshalb wird es immer wichtiger, Schmelzequalität vor dem Vergießen zu messen und Einflussgrößen zu verstehen. Bis in die jüngere Vergangenheit haben die Gießereien die Gussstücke im Rahmen ihrer bestehenden Prozesse gegossen und anschließend in zerstörungsfreien Prüfungen deren Eignung für den späteren Einsatz überprüft. Mehr und mehr geht man jetzt dazu über, die Schmelzequalität vor dem eigentlichen Vergießen zu analysieren. Das Bestimmen der Schmelzeeigenschaften ist der erste Schritt zur aktiven Beeinflussung der Qualität der Schmelze. Die wichtigsten Eigenschaften einer Schmelze kann der Gießer wie folgt zusammenfassen: gehalt im Aluminium vor dem Vergießen Reinheit der Schmelze, damit das Gussstück oxidfrei bleibt Mikrostruktur des fertigen Produkts Viele Gießereien betreiben eine zentrale Schmelzerei, um hohe Produktivität bei geringen Kosten zu erzielen. Dadurch muss die Schmelze jedoch mehrfach umgefüllt und transportiert werden, bevor sie in die eigentliche Form gefüllt wird. Jeder Transportund Umfüllvorgang ist jedoch eine Quelle für und Oxide. Die Gießereien müssen sich der Veränderungen in der Schmelzequalität über den gesamten Verarbeitungsprozess hinweg bewusst sein. Somit ist es wichtig, dass sie in der Lage sind, und den Zustand der Schmelze in den folgenden Prozessschritten zu bestimmen: Chargieren Schmelzen Warmhalten Schmelzebehandlung Schmelzetransport Gießen Für diese Untersuchungen sind eine Vielzahl geeigneter Messmethoden nötig, die es zu entwickeln galt. Während der letzten fünf Jahre hat sich Foseco intensiv mit der Entwicklung solcher Messverfahren beschäftigt. Dieser Bericht beschreibt diese Verfahren und diskutiert einige Ergebnisse, die in letzter Zeit damit gewonnen wurden. Messung von gelöstem Flüssiges Aluminium ist sehr reaktiv und reduziert Wasserdampf aus der Atmosphäre unter Bildung von Aluminiumoxid und. Der molekulare dissoziiert, diffundiert in die Schmelze und löst sich dort in atomarer Form. Insbesondere beim Erstarren wird die Löslichkeit drastisch vermindert und der dabei freigesetzte gasförmige scheidet sich in Form kleinster Gasblasen im gesamten Gussstück aus. Diese porösen Stellen sind zwar nicht unbedingt miteinander verbunden, bilden aber trotzdem Schwachstellen und wirken unansehnlich, besonders bei bearbeiteten Oberflächen. Im umgekehrten Fall kann ein zu geringer gehalt zu Schrumpfungsproblemen in den zuletzt erstarrenden Bereichen führen. Fehlende Volumenkompensation durch einen zu geringen gehalt in der Schmelze und damit fehlende Gasausscheidung in den kritischen Bereichen, kann bei Speisungsproblemen am Gussstück in Einfallstellen oder Schwindungsporosität resultieren. Die Messung und gezielte Einstellung eines bestimmten, auf das Gussstück und das Speisungsverhalten abgestimmten gehalts in der Schmelze ist äußerst vorteilhaft. 17

2 Typische Werte von Gießereien Dichteindex Sicherheitsbauteile 1000 kg Transportpfanne 0,27 nach 4 Minuten mit 0,11 0,27 nach 4 Minuten 0,12 mit Ofendrehtisch 0,12 Ofendrehtisch 0,10 Ofendrehtisch 0,19 Tabelle 1. Sicherheitsbauteile Die Rotorentgasung mit dem ermöglicht sehr konstante Resultate bei der entfernung. Mit der Zeit wird jedoch wieder von der Schmelze aufgenommen, bis hin zum Gleichgewicht; Gründe dafür sind Luftfeuchtigkeit in der Atmosphäre, Schmelzebewegung durch den Schöpfprozess oder Wechselwirkung mit der feuerfesten Zustellung. Dadurch können die gegossenen Teile in der Qualität schwanken. Eine kontinuierliche Messung des gehalts kann beim Überoder Unterschreiten von Grenzen den Gießprozess stoppen und es wird das Abgießen von fehlerhaften Teilen unterbunden. Die Überwachung der Schmelze generiert so einen direkten Nutzen für den Anwender. Späneschmelzer 800 kg gasbeheizter Ofen Tabelle 2. Einschmelzen von Spänen 0,60 nach 20 Minuten 0,07 mit 0,50 nach 10 Minuten 0,19 mit Viele Gießereien schmelzen aus Kostengründen Schrott und Späne selber um. Trotz intensiver Reinigung und Trocknung des Rücklaufs sind besonders Späne eine Quelle für und Oxide. Die Schmelzeentgasung und -reinigung mit dem ist sehr effektiv, besonders bei der Entfernung großer Mengen an so eingetragenen Verunreinigungen. Rädergießerei 800 kg Transportpfanne AlSi11G Dichte 0,35 nach 8 Min. 0,37 nach 8 Min. 0,38 nach 8 Min. 0,17 2,587 0,18 2,597 0,19 2,585 Die Rotorentgasung mit dem entgast Schmelze bis zu einem vorgegebenen gehalt, kann jedoch die nachfolgende Wiederaufgasung beim Abstehen oder Gießen nicht unterbinden. Deswegen kann eine kontinuierliche messung nach der eigentlichen Entgasung zusätzliche Sicherheit für den Prozess geben. Zylinderkopfgießerei 1000 kg Transportpfanne 0,43 nach 8 Minuten mit 0,27 nach 8 Minuten mit 0,22 nach 8 Minuten mit 0,08 0,20% 0,08 0,20% 0,08 0,40% Tabelle 4. Zylinderköpfe Die mit en liefert gleichmäßige gehalte in der Schmelze. Entgasungssimulation Zusammen mit unserem Partner Technology Strategy Consultants (UK) haben wir, basierend auf einem mathematischen Modell und einer Vielzahl eigener Untersuchungen, den Rotorentgasungsprozess entwickelt. Dabei werden die folgenden Variablen berücksichtigt: Legierung Umgebungsbedingungen Kinetik der Entgasung Diffusionskoeffizienten Geräteeinstellung des FDU Rotordesign und -durchmesser Wiederaufgasung durch Oberflächeneffekte Das Modell kann im ersten Schritt die Ergebnisse der Entgasung mit den typischen Geräteeinstellungen bestätigen. Durch die Auswahl unterschiedlicher Rotordesigns und -geschwindigkeiten oder verschiedener Inertgasmengen können ohne großen Aufwand mögliche Verbesserungen aufgezeigt werden. Dadurch kann die Gießerei sehr schnell und ohne aufwändige Versuche die beste Parameterauswahl für das FDU Gerät treffen. Basierend auf dem durchgeführten MeltMap Audit wird in Abbildung 2 die Optimierung beim Einsatz eines XSR 190 Rotors in einem BU 700 Tiegel bei 770 C gezeigt. MeltMap Audit - Die Überprüfung der Schmelzequalität in Aluminiumgießereien 0,18 0,17 0,20 0,19 0,15 Tabelle 3. Räderguss 0,17 0,22 0,12 0,13 0,24 0,28 18

3 Abbildung 1. Simulation der Entgasungskurve eines XSR 190 Rotors im BU 700 bei 770 C. Messung der Schmelzereinheit Am Markt werden momentan verschiedene Verfahren zur Bestimmung der Schmelzereinheit angeboten; einige hochentwickelte Methoden sind jedoch sehr teuer, während einfache Tests oft noch nicht für den täglichen Gießereiprozess geeignet oder zu ungenau sind. Als Kompromiss hat Foseco zwei Verfahren für die Anwendung in Aluminiumgießereien angepasst und etabliert: Probennahme mit der K-Mould Kokille Vmet Analyseverfahren Probennahme mit der K-Mould Kokille Nach der Probennahme mit der K-Mould Kokille (Abbildung 3) kann der Probestab entlang der Einkerbungen sehr einfach in einzelne Abschnitte gebrochen und die Bruchflächen nachfolgend visuell beurteilt werden. Abbildung 3. K-Mould Proben mit groben Einschlüssen, Vmet Analyseverfahren Die Bruchflächenuntersuchung macht normalerweise nur grobe Verunreinigungen sichtbar. Für umfassendere Ergebnisse sind weiterführende Untersuchungen notwendig. Dazu müssen die einzelnen Probekörper poliert und mit einem SEM (Scanning Electron Microscope), gekoppelt mit einer automatisierten Bildauswertung, analysiert werden. Diese Methode wird als Vmet Analyseverfahren bezeichnet. Die Bildauswertung identifiziert die folgenden Merkmale: Porosität Aluminiumoxide Oxide anderer Elemente Das Vmet Verfahren identifiziert, zählt und vermisst solche Merkmale; Tabelle 5 und 6 zeigen einen solchen Bericht. MeltMap Audit Abbildung 4. K-Mould Proben nach der Entgasung mit dem, Bruchflächen frei von Einschlüssen Ein MeltMap Audit kombiniert alle vorstehend beschriebenen Methoden. Foseco bietet damit eine umfassende Methode zur Beurteilung der Schmelzequalität in allen Prozessschritten der Gießerei an. Der Analyseprozess eignet sich ebenfalls zur Charakterisierung unterschiedlicher Einsatzmaterialien, Schmelztechniken oder Schmelzetransportarten. Eine notwendige Reinheit der Schmelze für qualitativ hochwertige Gussstücke ist definiert und wird durch Verbesserung der einzelnen Prozesse sicher erreicht. 1. Schmelzebehandlung 2. Schmelzen von Spänen 3. Schmelzetransport 4. Abstehen 1. Schmelzebehandlung Typische Probe Resultate der Vmet-Analyse Abbildung 2. K-Mould Kokille Probe nach 5 Minuten mit COVERAL MTS 1524 Abbildung 5 Abbildung 6 Abbildung 7 Abbildung 8 19

4 Probe 1 Probe 2 nach 5 Minuten mit COVERAL MTS 1524 Einschlussindex 94 3 Fehler-Kennzahl Beschreibung Gesamtanzahl der Einschlüsse 0,5 2,5 µm Fehler - kein Einfluss auf die Qualität 2,5 5,0 µm Fehler - geringer Einfluss auf 5,0 15 µm Fehler - möglicher Einfluss auf µm 55 3 Fehler - definitiver Einfluss auf µm 29 1 Fehler - definitiver Einfluss auf > 75 µm 1 0 Fehler - definitiver Einfluss auf Poren Lunker und Porosität Aluminiumoxide Aluminiumoxid-Einschlüsse Legierungsoxide 6 3 Legierungsoxid-Einschlüsse Cluster 41 5 Agglomerat von mehreren Einschlüssen ALSPEK H 0,31 0,18 Tabelle 5. Vmet Analyse vor und nach einer Tabelle 5 vergleicht Ergebnisse einer Vmet Analyse vor und nach einer mit und COVERAL MTS 1524 Reinigungsgranulat. Vor der finden sich 555 Merkmale in der Probe. Die meisten Einschlüsse haben eine Größe zwischen 0,5 und 15 µm, wobei diese Partikel vor dem Trennen und Schleifen der Probe wahrscheinlich größer waren. Zusätzlich sind 29 Partikel zwischen 30 und 75 µm und sogar ein Teilchen größer 75 µm enthalten. Eine fünfminütige Schmelzebehandlung mit einem und COVERAL MTS 1524 reduziert die Gesamtanzahl von 555 auf 81 Merkmale, wobei Oxide jeder Größe entfernt wurden. Es verbleibt nur noch ein Partikel in der Größe zwischen 30 und 75 µm, größere Teilchen werden nicht mehr gefunden. Cluster bezeichnen sehr große Einschlüsse, deren Anzahl reduziert sich von 41 auf 5. Eine grafische Darstellung dazu gibt Abbildung nach 5 Minuten MTS nach 5 Minuten MTS 1500 mit 1500 mit COVERAL MTS MTS Abbildung 9. Vmet Analyse vor und nach einer 2. Schmelzen von Spänen Späneschmelzen Merkmale (Poren, Probe 3 Probe 4 nach 10 Minuten mit COVERAL MTS 1565 Abbildung 10 Abbildung 11 Probe 3 Probe 4 nach 5 Minuten mit COVERAL MTS 1565 Description Fehler-Kennzahl 0,5 2,5 µm Gesamtanzahl der Einschlüsse 2,5 5,0 µm Fehler - kein Einfluss auf die Qualität 5,0 15 µm Fehler - geringer Einfluss auf µm Fehler - möglicher Einfluss auf µm Fehler - definitiver Einfluss auf > 75 µm 20 0 Fehler - definitiver Einfluss auf Poren Fehler - definitiver Einfluss auf Aluminiumoxide Lunker und Porosität Legierungsoxide Aluminiumoxid-Einschlüsse Cluster Legierungsoxid-Einschlüsse ALSPEK H 0,46 0,16 Agglomerat von mehreren Einschlüssen Tabelle 6. Vmet Analyse vom Einschmelzen von Spänen Späne enthalten eine große Anzahl von Oxiden, die oft zusätzliche Gasporosität bilden, besonders im Zusammenhang mit Oxidfilmen. Diese Verunreinigungen entfernt der Prozess unter Zugabe von COVERAL MTS 1565 sehr effektiv. 3. Schmelzetransport Viele Gießereien nutzen Transportpfannen zur Schmelzebehandlung und befüllen anschließend die Gießöfen. Obwohl eine zentrale Schmelzerei mit zugehöriger sstation ökonomische Vorteile bietet, leidet die Schmelzequalität durch die notwendigen Umfüllprozesse. Tabelle 7 zeigt den Einfluss der turbulenten Umfüllung auf eine vorher sehr gut gereinigte Schmelze. Insbesondere der Anstieg der Porenzahl bestätigt das Problem der Turbulenz beim Transportvorgang. MeltMap Audit - Die Überprüfung der Schmelzequalität in Aluminiumgießereien 20

5 Transportpfanne nach FDU Ofen nach der Befüllung Einschlussindex ,5 2,5 µm ,5 5,0 µm ,0 15 µm µm µm > 75 µm 0 4 Poren Aluminiumoxide Legierungsoxide Cluster Tabelle 7. Einfluss des Umfüllens auf die Schmelzequalität 4. Abstehen In vielen Gießereien ist es üblich, die Schmelze nach oder Umfüllen bis zum Gießbeginn etwa 30 Minuten abstehen zu lassen. Die Verunreinigungen mit höherer Dichte sinken in dieser Zeit auf den Boden, während leichtere Partikel aufschwimmen und vor dem Gießen mit abgekrätzt werden. Die Vmet Analyse kann diese Annahme bestätigen, Tabelle 8 zeigt Ergebnisse von Proben unmittelbar nach der und nach 30 Minuten Abstehen. AlSi12Cu3Mg Tiegel nach dem Befüllen Tiegel nach 30 Minuten Abstehzeit Einschlussindex 8, ,5 2,5 µm ,5 5,0 µm ,0 15 µm µm µm 0 0 > 75 µm 0 0 Poren Aluminiumoxide Legierungsoxide Cluster Tabelle 8. Einfluss des Abstehens auf die Schmelzequalität Schlussfolgerungen Foseco hat zusammen mit externen Partnern eine Vielzahl von Werkzeugen zur Charakterisierung von Schmelzereinheit und gehalt von Aluminiumlegierungen entwickelt. Die Entgasungssimulation gibt ohne zeitaufwändige Versuche Voraussagen über den Entgasungsprozess. Die Bruchflächenbeurteilung von K-Mould Proben gibt einen groben Überblick hinsichtlich des Oxidgehaltes der Schmelze. Eine sehr detaillierte Analyse der Proben ist durch Vmet möglich. Die Schmelze hat sehr unterschiedliche Reinheit, wobei eine mit dem Reinigungsgranulat COVERAL MTS 1565 signifikant verbessert. Ein MeltMap Audit liefert den Gießereien einen kompletten Überblick zur Schmelzereinheit in den einzelnen Prozessschritten wie Schmelze, Schmelzetransport oder nach der Schmelzebehandlung. Dadurch können Schwachstellen im Prozess erkannt und gezielt beseitigt werden. Die Ergebnisse eines MeltMap Audits können auch als Vergleich zwischen einzelnen Standorten einer Gießereigruppe dienen und dokumentieren bei regelmäßiger Wiederholung den Verbesserungsprozess. Literatur Die folgenden Publikationen wurden bei der Erstellung des Artikels verwendet und geben weiterführende Erläuterungen zu Produkten und Prozessen: More than a filter Foseco Foundry Practice 238 The Bifilm Concept: Prospects of defect free castings John Campbell Hommes Et Fonderie February 2009 Advances in the determination of hydrogen concentrations in Aluminium Alloys Foseco Foundry Practice 245 The development of a rapid test for monitoring the cleanliness of Aluminium melts Foseco Foundry Practice 251 IN-SITU Measurement of dissolved hydrogen during low pressure diecasting of Aluminium alloys TMS 2010 Abbildung