Prozessoptimiertes Druckgießen von Stählen im teilflüssigen Zustand

Küthe, Fabian; Bührig-Polaczek, Andreas

doi:4220

Prozessoptimiertes Druckgießen von Stählen im teilflüssigen Zustand = Optimized high pressure die casting process for steels in semi-solid state

Küthe, Fabian (Author)

2012

VerantwortlichkeitsangabeFabian Küthe

ImpressumAachen : Gießerei-Institut der RWTH Aachen 2012

UmfangVII, 161 S. : Ill., graph Darst.

ReiheErgebnisse aus Forschung und Entwicklung / Gießerei-Institut der RWTH Aachen ; 6

Zugl.: Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2012

Genehmigende Fakultät
Fak05

Hauptberichter/Gutachter
Bührig-Polaczek, Andreas (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2012-03-15

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-42209
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/64830/files/4220.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Druckguss (Genormte SW) ; Schnelle Erstarrung (Genormte SW) ; Legierter Stahl (Genormte SW) ; Induktive Erwärmung (Genormte SW) ; Aluminiumoxide (Genormte SW) ; Thixoforming (Genormte SW) ; Thermographie (Genormte SW) ; Kupferlegierung (Genormte SW) ; Molybdänlegierung (Genormte SW) ; Computersimulation (Genormte SW) ; Ingenieurwissenschaften (frei) ; X210 (frei) ; 100Cr6 (frei) ; 42CrMo4 (frei) ; SFB289 (frei) ; thixocasting (frei) ; thixoforming (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620
rvk: ZM 8134

Kurzfassung
Das Thixogießen von Stählen konnte bislang im Labormaßstab ein großes Potential als modernes Verfahren zur Herstellung dünnwandiger und komplexer Bauteile beweisen. Für im teilflüssigen Zustand hergestellte Bauteile sind Oberflächenfehler, unvollständige Formfüllung und stark inhomogene Bauteileigenschaften häufig auftretende Fehler. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurden darum Verfahren zur Steigerung der Bauteilqualität erarbeitet, niedriglegierte Stähle auf ihre Eignung für das Thixogießen getestet sowie Berechnungen und Versuche zur Übertragung des Prozesses auf ein Realbauteil aus Stahl angestellt. Neben der mittleren Temperatur entscheidet die Temperaturverteilung des induktiv erwärmten Bolzenmaterials in hohem Maße über die Fehlerfreiheit der Bauteile. Eine ausreichend homogene Temperaturverteilung konnte erst durch das entwickelte Kartuschen-Konzept in Kombination mit einer exakten Steuerung der Energiezufuhr durch die Erwärmungsanlage eingestellt werden. Dabei wurde der Bolzen in eine isolierende, feuerfeste Einwegkartusche eingebracht, in der er ohne ein Umladen sowohl erwärmt, transportiert und verschossen wurde. Die für die Steuerung der induktiven Erwärmung erforderlichen Programme wurden ausschließlich auf Basis von thermochemischen Berechnungen und DTA-Experimenten aufgestellt. Die Legierungen X201CrW12, 100Cr6, 42CrMo4 sowie 46Cr13 wurden auf ihre Eignung für ein Vergießen im Teilflüssigen erprobten. Sie zeigten ein, zu niedrigen Kohlenstoffgehalten hin abnehmendes, Fließ- und Formfüllverhalten auf, dessen Ursache in der unterschiedlichen Erstarrungsmorphologie zu finden war. Die erzielten Fließlängen in der Mäanderform waren z.B. für 42CrMo4 im Vergleich zu X210 auf die Hälfte reduziert. Gleichzeitig wiesen die aus 42CrMoV4 gegossenen Plattenbauteile eine deutliche Seigerungsneigung auf. Die Gefügeausbildung war in hohem Maße von der Wanddicke abhängig und war durch Glühbehandlungen nicht zu homogenisieren. Bei allen Legierungen machten sich Erweiterungen im Querschnitt und Strömungsgeschwindigkeiten oberhalb von vMetall=25m/s negativ in Form von Entmischungen und Härteanstiegen in nachfolgenden Bauteilbereichen bemerkbar. Für das Thixoforming von Stahl kommen eine Reihe von massiven metallischen und keramischen Werkzeugen sowie Beschichtungen in Frage. Temperaturmessungen an Werkzeugeinsätzen aus den unterschiedlichen Materialien und Beschichtungen erfolgten mittels Infrarotthermografie. Ein Abgleich mit den Ergebnissen von Simulationsrechnungen ergab einen praktikablen Wärmeübergangskoeffizienten von ca. 3000Wm-2K-1. Trotz sehr großer Taktzeiten überzeugten nur Werkzeuge aus massivem Si3N4 und der gehärteten Kupfer-Basislegierung CuCo1NiBe (2.1293). Um die Übertragbarkeit der in den Grundlagenversuchen gewonnenen Daten zum Prozessfenster zu bestätigen und die gesammelten Erkenntnisse zu validieren, wurde ein nach den Vorgaben der Firma Böker Baumwerk ausgelegtes, 265mm langes Tauchermesser mit Wandstärken zwischen 6 und 0,8mm verwendet. Unter Nutzung der Simulationssoftware MAGMAsoft® wurden zwei Varianten aus unterschiedlichen Werkzeugwerkstoffen entwickelt und angefertigt. Ein Gießwerkzeugs aus Warmarbeitsstahl wurde mit einem Fächeranschnitt auf die Verringerung vorzeitiger Erstarrung ausgelegt. Die Versuche zeigten, dass zur vollständigen Füllung der dünnen Bauteilpartien bei Flüssigphasengehalten von fl=55% eine vergleichsweise hohe Kolbengeschwindigkeit von 0,5m/s nicht unterschritten werden darf. Die metallographische Analyse der Messerbauteile zeigte entsprechend eine deutliche Anreicherung der äußeren Bereiche sowie der Klingenspitze mit flüssiger Phase. Eine Verringerung der makroskopischen Seigerungen konnte durch die Wahl der Prozessparameter nicht erreicht werden. In Vorversuchen hatte sich bestätigte, dass durch Beheizung eines keramischen Werkzeugs auf TWZ>1000°C der Thermoschock für das Werkzeuge im Kontakt mit dem teilflüssigen Stahl soweit reduziert wurde, dass selbst beim oxidkeramischem Werkzeugmaterial Al2O3 kein Versagen auftrat. Die numerische Simulation zeigte als Resultat von sehr langsamer Formfüllung (Kolbengeschwindigkeit vk=0,05m/s) und der niedrigen Wärmeleitfähigkeit des Werkzeugs eine laminare Füllung der Form in 1420 Millisekunden. Entsprechend zeigte das Bauteil in der mikroskopischen Analyse tatsächlich kaum Unterschiede im Gefüge zwischen Spitze und Griff, was auch durch EDS-Linescans bestätigt wurde. Als einzige, deutliche Gefügefehler traten Lunker an den berechneten Hotspots auf, deren Ursache in der fehlenden Nachdruckphase zu finden war. Die Bauteile wiesen keine Oberflächenfehler auf und zeigten in der Abbildung der Frässtruktur der Werkzeuge die Fähigkeit, Funktionsoberflächen mit typischen Größen der Struktur von >30μm mit hoher Genauigkeit zu erzeugen. Für seriennahen Prozess mit kurzen Taktzeiten <60s und der damit verbundenen hohen Werkzeugtemperatur ist ein solches Werkzeugsystem sicherlich bestens geeignet.

In the laboratory stage thixocasting of steels has shown a great potential as a modern method for making thin-walled and complex parts. Surface defects, incomplete form filling and strong inhomogeneous component characteristics were common manufacturing defects for the components manufactured in the semi-solid state. The present work was configured to improve component quality, to test low-carbon steels tested to their suitability for thixocasting and to carry out calculations and attempts to apply the process to a real component made of steel. In addition to the average temperature, the distribution of temperature in the inductively heated bolt material largely determines the accuracy of the components. A sufficiently homogeneous temperature distribution could be achieved by an cartridge concept in additition to adapted energy-time programs for the inductive heating system. The fire-resistant lining of the cartridge made from vacuum-fiber material is highly insulating and ensures a virtually airtight that effectively suppressed scaling. The data required for the heating programs of induction heating for the steel alloys 100Cr6, 42CrMo4 and X46Cr13 have been prepared solely on the basis of thermo-chemical DTA experiments and calculations. Even with steel alloy X46Cr13 the biggest measurable temperature difference between front and interior was always less than 10 Kelvin. The suitability of the steel alloys X210CrW12, 100Cr6 and 42CrMo4 was tested in terms of thixocasting a thin walled part. These alloys showed a decreasing flow- and mold filling behavior toward low carbon contents with its origin in the different solidification morphology. The results obtained in the meandering part were reduced by half for 42CrMo4 compared to X210CrW12. The parts made from steel 42CrMoV4 showed a very clear segregation tendency. The microstructure was highly dependent on wall thickness and could not be homogenized by annealing treatments. For thixoforming of steel a number of solid metals, ceramic coatings and massive ceramics are in question as tool material. Temperature measurements of tool inserts made of different materials and coatings were carried out using infrared thermography. A comparison with the results of simulations showed a viable heat transfer coefficient of about 3000W/(m2K1). Despite very long cycle times only tools made from Si3N4 ceramic and the hardened copper-base alloy CuCo1NiBe (2.1293) convinced. In order to confirm the transferability of the data to the process window and to validate the collected experiences a knife of the German company BÖKER BAUMWERK was redesigned after the thixocasting requirements works. It is a 265mm long diving knife of 6mm thickness with an as cast thickness of 0.8 mm at the blades. Using the simulation software MAGMAsoft® two variants were developed and manufactured for different tool materials. A casting tool from hot-work steel was designed with a bulky ingate section at the handle to reduce premature solidification. The experiments showed, however, that a comparatively high piston speed of more than 0.5 m/s is necessary for a complete filling of the thin walled knife parts at a liquid phase concentrations of fl=55%. The metallographic analysis showed parts of the knife according to a clear enrichment with liquid phase of the outer regions and the blade tip. A reduction of this macroscopic segregation could not be achieved by the choice of process parameters. Preliminary tests with a ceramic tool heated to temperatures of more than 1000°C had confirmed that the thermal shock to the tools in contact with the semisolid steel is so low that - even with the oxide-ceramic tool material Al2O3 - no failure occurred. The second casting tool for the diving knife was designed as an actively heated oxide ceramic tool. The numerical simulation showed a laminar filling of the mold in 1420 milliseconds because of a very slow piston velocity vp=0.05 m/s and because of the low thermal conductivity of the ceramic. Accordingly in the microscopic analysis, the component actually showed only little difference in globulitic structure between the tip and the handle as well as between core and surface, which was also confirmed by EDS line scans. As the only significant structural defect shrinkage porosity was found at the calculated hotspots because of the lack of a dwell pressure phase. The components had virtually no surface flaws and showed in the reproduction of the tools milling structure the ability to generate functional surfaces with typical sizes of the structure of >30 microns with high accuracy. For production-based processes with short cycle times (<60s) and the associated very high temperatures, this tool system is certainly well suited.

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