Experimentelle und numerische Analyse von Guss- und Füllfehlern in AlSi7Cu0.5Mg-Legierungsgussteilen
Leichtmetallgießereien müssen derzeit qualitativ hochwertige Komponenten mit komplexen Geometrien und kurzen Entwicklungszeiten herstellen, während sie eine hohe Ausbeute des Produktionsprozesses beibehalten und den Ausschuss minimieren. Die Minimierung der Produktion fehlerhafter Bauteile hat einen doppelten Vorteil:
- Eine Steigerung der Produktivität, also der Unternehmensmarge;
- Eine Reduzierung der Kosten im Zusammenhang mit dem Energieaufwand in der Schmelzphase.
Die numerischeSimulationssoftware von Gießereiprozessen ist daher ein unverzichtbares Werkzeug, um Unternehmen am Markt wettbewerbsfähig zu halten. Die genaue Vorhersage der Fehlerbildung bei Gussteilen aus Leichtmetalllegierungen in der Füll- und Erstarrungsphase ermöglicht die Umsetzung von Verbesserungen zur Erhöhung der Integrität des fertigen Bauteils.
Zu den Gussfehlern, die die Leistung eines Gussteils am meisten beeinträchtigen, gehören Oxid-Doppelschichten. Diese Defekte, die während der Metallvorbereitungs-, Gieß- und Füllphasen erzeugt werden, wirken als Promotoren für die Bildung von Schrumpfporosität, Gasporosität und Heißrissbildung. Ein Bauteil ohne Doppelschichten wäre intakt, auch ohne Fehler, die während der Erstarrung des Materials erzeugt wurden.
Die Entwicklung einer numerischen Simulationssoftware, die in der Lage ist, die Entstehung von Fehlern in denGussteilen von Leichtmetalllegierungen genauvorherzusagen, würde die Implementierung von Prozess- und Produktdesignverbesserungen erleichtern, die darauf abzielen, Ausschuss zu reduzieren und die Gewinnspanne des Unternehmens zu erhöhen.
Diese Studie zielt darauf ab, die Zuverlässigkeit numerischer Modelle zur Vorhersage der Bildung von Guss- und Füllfehlern zu bewerten, die in FLOW-3D Cast, einer kommerziellen Software zur numerischen Simulation von Gießereiprozessen, implementiert sind. Diese Bewertung erfolgt durch Vergleich mit experimentellen Daten.
Durch eine vorläufige numerische Analyse konnten die Prozessparameter identifiziert werden, die die Bildung von Guss- und Füllfehlern begünstigen. Für den Gießprozess wurden eine AlSi7Cu0.5Mg (EN AC-45500) Legierung und zwei Formgeometrien gewählt:
- die Form zur Herstellung von separat gegossenen Probekörpern mit kreisförmigem Querschnitt;
- die Form zur Herstellung von separaten Gussproben mit rechteckigem Querschnitt.
Die Analysedernumerischen Ergebnisse des Anteils des eingeschlossenen Luftvolumens und der Konzentration von Defekten, die auf der Oberfläche in Kontakt mit der Atmosphäre erzeugt wurden, ermöglichte es, die kritischsten Gießbedingungen zu identifizieren und dann experimentell zu reproduzieren.
Um die endgültige Menge an Gussfehlern zu fördern, wurden alle Gussteile ohne Filter gegossen. Die Wiederholbarkeit der experimentellen Tests wurde durch Überwachung der Temperaturschwankungen während des Gießprozesses und Filmen der Formfüllphase überprüft. Darüber hinaus ermöglichten die während der experimentellen Kampagne gesammelten Daten die numerische Umsetzung des Prozesses durch Reverse Engineering-Operationen.
Anschließend wurden die Gussteile aus mikrostruktureller Sicht charakterisiert. Nach der Analyse der chemischen Zusammensetzung der Legierung wurde der Abstand zwischen den sekundären interdendritischen Verzweigungen (SDAS) gemessen und die Verteilung der Defekte, die durch das Vorhandensein von Oxiddoppelfilmen erzeugt wurden, kartiert.
Aus der Analyse der erhaltenen Ergebnisse geht hervor, dass die Software das strömungsdynamische Verhalten des Metalls genau modelliert; Tatsächlich gibt es eine Übereinstimmung zwischen der Simulation der Formfüllung und den während der Versuchskampagne aufgenommenen Videos. Die Konsistenz zwischen den simulierten Erstarrungszeiten und den Versuchszeiten wurde ebenfalls überprüft.
Die Genauigkeit, mit der die Software das Einschließen von Oxid-Doppelschichten vorhersagt, wurde durch Vergleich der experimentellen Defektkartierung und der numerischen Ergebnisse der eingeschlossenen Luft und der Entstehung von Defekten in den Gussteilen von Leichtmetalllegierungen bewertet. In der Form für Proben mit rechteckigem Querschnitt besteht eine gute Übereinstimmung zwischen numerischen und experimentellen Daten: Im oberen mittleren Teil des Filters und im Nutzquerschnitt ist eine hohe Fehlerdichte zu erkennen.
Im kreisrunden Gussteil hingegen sind Abweichungen zwischen numerischen und experimentellen Ergebnissen zu erkennen. In der Simulation zeigen die an die atmosphärischen Oberflächen angrenzenden Bereiche eine deutlich höhere Fehlerkonzentration in den Gussteilen von Leichtmetalllegierungen als experimentell nachgewiesen. Außerdem konzentrieren sich die Defekte hauptsächlich auf den Bereich hinter dem Filter, ein Bereich, der in Wirklichkeit fast intakt ist. Diese Abweichungen hängen mit dem zu vereinfachenden Modell zusammen, das verwendet wird, um die Bildung von Guss- und Füllfehlern vorherzusagen.
Daraus kann geschlossen werden, dass die Zuverlässigkeit der Software bei der Modellierung des strömungsdynamischen Verhaltens des Metalls und bei der Vorhersage der Fehlerbildung bei Gussstücken aus Leichtmetalllegierungen in den inneren Bereichen des Gussstücks nachgewiesen wurde. Einige Verbesserungen des Berechnungscodes sind stattdessen erforderlich, um die Verteilung von Fusionsdefekten in Bereichen neben Oberflächen mit Kontakt mit der Atmosphäre vorherzusagen.
Quelle: In Fonderia - Das Magazin der italienischen Gießereiindustrie, Nr. 2 - 2021