Optimierung des Kokillengießverfahrens auf Schutzgasanwendungen

Szalai, Bence Z.; Bührig-Polaczek, Andreas

doi:31689

Optimierung des Kokillengießverfahrens auf Schutzgasanwendungen = Optimisation of the permament mold casting process for shielding gas applications

Szalai, Bence Z. (Author)

2012

VerantwortlichkeitsangabeBence Z. Szalai

ImpressumAachen : Gießerei-Institut der RWTH Aachen 2012

UmfangXXVII, 212 S. : Ill., graph. Darst.

ReiheErgebnisse aus Forschung und Entwicklung / Gießerei-Institut der RWTH Aachen ; 5

Zugl.: Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2011

Zsfassung in dt. und engl. Sprache

Genehmigende Fakultät
Fak05

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

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2011-12-09

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-40036
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/62844/files/4003.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Gießen <Urformen> (Genormte SW) ; Kokillenguss (Genormte SW) ; Schutzgas (Genormte SW) ; Aluminium (Genormte SW) ; Oxidation (Genormte SW) ; Formfüllung (Genormte SW) ; Ingenieurwissenschaften (frei) ; Gießeigenschaften (frei) ; Oxidhaut (frei) ; Gießsystem (frei) ; Gießsimulation (frei) ; mold filling (frei) ; casting properties (frei) ; oxide films (frei) ; gating system (frei) ; casting simulations (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Die laufenden Entwicklungen in der Motorentechnik erfordern die Reduzierung des Kolbengewichts und die gleichzeitige Erhöhung der spezifischen Belastbarkeit des gegossenen Metallgefüges. Durch die Reduzierung der Sauerstoffkonzentration in der Gießatmosphäre können theoretisch dünnwandigere Gusspartien mit herabgesetzter Fehlerdichte realisiert und somit die gestiegenen Anforderungen erfüllt werden. Im Rahmen dieser Arbeit wurde untersucht, in wie weit durch die Zufuhr von inerten Gasen in die Gießform die Oxidation der Aluminiumschmelze unterdrückt und die Formfüllung beeinflusst werden kann. Des Weiteren wurde überprüft, wie die positiven Effekte der Schutzgasgießens durch die Einführung neuartiger Maßnahmen verstärken lassen. Um die Effektivität der Schutzgasflutung belegen zu können, wurden zuerst die Gießeigenschaften der eingesetzten Aluminium-Kolbenlegierung unter Luft- und technischer Schutzgasatmosphären ermittelt. Die Resultate weisen darauf hin, dass die Absetzung der Oxidationsgeschwindigkeit auf die Fließfähigkeit positiv auswirkt, ihre Wirkung jedoch nur bis zum Beginn der sich einsetzenden Erstarrung ausüben kann. Nach dem die Voraussetzungen geklärt wurden, fing die praktische Arbeit mit der Auslegung eines auf Schutzgasguss spezialisierten Gießsystems an. Die gesetzten Kriterien konnten nach sechs Entwicklungsstufen erfüllt werden, womit die Basis für den Beginn der eigentlichen Versuchsmatrix gelegt wurde. Als Bewertungsgrundlage der Gießversuche dienten die durch Farb-Eindringprüfung erfassten Unganzen, welche die für das untersuchte Umfeld wichtigen Kaltschweiß und Oxidfehler ausreichend präzise wiedergaben. Die Eignung dieses Prüfverfahrens für die Erfassung von Oxidfehlern in dünnwandigem Al-Guss wurde durch die Validation mit Computertomographie und metallographischen Schliffen bestätigt. Die gewonnenen Ergebnisse belegen, dass mit Hilfe der Schutzgasflutung der Gießform die Entstehung von Kaltschweiß und von durch Oberflächenflutung oder Zusammentreffen mehrerer Strömungsfronten hervorgerufenen Oxiden effektiv vermieden werden kann. Als negativ einzustufende Auswirkung der Schutzgasflutung wurden die verstärkten Oberflächenturbulenzen des Gießmetalls und die als deren Folge entstehenden Kleinoxide identifiziert. Durch die Einstellung strukturierter Kokillenoberflächen (Waffelmuster) konnte Anfälligkeit gegenüber Kaltschweiß unabhängig der Gießatmosphärenzusammensetzung weiter zurückgedrängt werden, welche Wirkung durch den Einsatz von fluorhaltigen Schlichtezusätzen nicht erreicht werden konnte. Die kritische Rolle des Gießsystems auf die Gussqualität und Robustheit des Gießprozesses wurde durch den Vergleich der neuen, auf Schutzgasguss ausgelegten Geometrie mit einer konventionellen Alternative gezeigt. Dieser Vergleich bekräftigte, dass der am Filter auftretende Druckverlust bei der Einstellung der erwünschten Strömungsgeschwindigkeit eine erhebliche Rolle spielt. Besonders bei dem für Schutzgasguss etwas überdimensionierten konventionellen Gießsystem hat der feinere Siebfilter zur Beruhigung der Strömung und somit zur Unterdrückung von Turbulenzen beigetragen. Das auf Schutzgasguss ausgelegte Gießsystem hat die Erwartungen erfüllen können, indem die Kontrolle über der Formfüllung sicherte und eine Reproduzierbarkeit gewährleistete. Die Reduzierung der Strömungsgeschwindigkeit hat jedoch die Verstärkung der Anfälligkeit gegenüber Kaltschweiß bewirkt. Laut den Ergebnissen muss somit immer ein bestpassender Kompromiss zwischen Turbulenzen und Kaltschweiß gefunden werden. Die Prüfergebnisse lassen auf charakteristische Fehler schließen. Die konventionelle Geometrie begünstigte die Bildung größerer Oxide, wogegen bei der neuen Geometrie typischerweise feine Oxide nachgewiesen wurden. Um die charakteristischen Eigenarten der Oxidfehler zu bestimmen, wurden sie mit Hilfe von Elektronenmikroskopie tiefgründig untersucht und kategorisiert. Ergänzend wurde die Wirkung der Oxide auf die Entstehung von Zweitphasen im Gefüge studiert. Mit den Ergebnissen der Untersuchungen konnte der Grundstein eines Oxidfehlerkatalogs für Aluminiumguss gelegt werden. Im letzten Teil der Arbeit wurden die Effekte der Oberflächeneigenschaften auf die Ergebnisse von Formfüllungssimulationen untersucht. Grundlage der Simulationen stellten mit Hilfe der Methode des hängenden Tropfens ermittelte Messwerte des “Oberflächenparameters“ dar. Diese neu eingeführte Größe repräsentiert die Summe der Oberflächenspannung und der Festigkeit der Oxidhülle und wurde unter Luft- und Schutzgasatmosphären ermittelt. Durch die Nutzung der neuen Entwicklungen in den Simulationsprogrammen und die Beachtung des Oberflächenparameters könnten der berechneten Formfüllungsverläufe an die Realität angenähert werden. Um die Genauigkeit der Gießsimulationen künftig weiter verbessern zu können, wird die Beachtung der Oxidationsgeschwindigkeit als Forschungsthema empfohlen.

The ongoing developments in the combustion engine technology demand the reduction of piston weight and the simultaneous increase in the specific strength of the cast metal structure. The reduction of the oxygen concentration in the casting mold atmosphere has a theoretical potential to allow the realization of thin-walled castings and a parallel reduction of defect density, which are both cornerstones of the ongoing developments. In this study it was investigated to what extent the oxidation of aluminum melt can be suppressed via inert gas flush of the mold and how this practice affects the mold filling procedure. Furthermore it was investigated how the positive effects of the inert gas casting could be fortified by the introduction of novel completive measures. To demonstrate the effectiveness of the inert gas flooding of the mold cavity, firstly the casting properties of the used aluminum piston alloy were determined under air and technical shielding gas atmospheres. The results indicate that the obtained reduction of the oxidation rate does enhance the fluidity, however the improvements seem to be concentrated to the liquid flow state. After the conditions have been clarified, the practical work began with the design and validation of the for inert gas casting dedicated gating system. The preset criteria were fulfilled after six development stages, wherewith the conditions for the start of the actual test matrix have been cleared. The basis of valuation of the casting trials was represented by the results of a dye penetrant inspection, which showed to be precise in identifying the for the topic important cold shut and oxide defects. This accuracy was proved by validation tests with CT and metallographic sections. The first results obtained show that using the inert gas flooding of the mold, the formation of cold shuts and by surface flooding induced oxides can be effectively avoided. As disadvantageous result of the inert gas flooding small sized oxides were identified, which are verisimilar products of the increased surface turbulences caused by the reduced thickness of the superficial oxide layer. The castability of thin walled piston sections could be further improved by setting a structured mold surface (waffle pattern), which potently counteracted cold shuts regardless of the casting atmosphere composition. A similar effect was anticipated from the use of fluorine-containing coating additives, however according the results such coatings could be regarded as ineffective in capturing the oxide mantle of the Al-melt. The critical role of the running system on the casting quality and robustness of the casting process was demonstrated by comparing the new, for inert gas casting designed geometry with a conventional alternative. The comparison of two fiber filter types confirmed the importance of the applied pressure loss in setting the flow conditions. Particularly in case of oversized gating systems the finer mesh filter can help to calm the flow and thus to suppress turbulences. The for inert gas casting designed gating system has been able to meet the expectations by securing a reproducible control over the mold filling procedure. The resulted reduction of the velocity and thus the kinetic energy of the flow, however increased the susceptibility to cold shuts. According to the results is therefore always a compromise in the choice of flow conditions (turbulences vs. cold shuts) required. The test results are suggestive of characteristic defects. The conventional geometry favored the formation of larger oxides, whereas in the novel geometry typically that of finer oxides. To determine the characteristic peculiarities of the oxide defects and the alleged causes, the found oxides were investigated and categorized by using electron microscopy and micrographs. In addition, the effect of the categorized oxide types on the formation of second phases in the piston microstructure was studied. The won results could be used as the cornerstone of a future defect catalogue for oxides in aluminum castings. In the last part of the work, the effect of surface phenomena on the mold filling simulations has been studied. Basis of all conducted simulations were values of the “surface parameter” measured using the pendant drop method. The newly introduced attribute surface parameter represents the sum of the surface tension and the strength of the oxide layer and was measured under air and technical inert gas atmospheres at varied temperatures. By using the latest developments in the simulation programs and considering the surface parameter of the melt, a strong convergence between simulations and reality could be achieved. For further improvement of the accuracy of future casting simulations, the optimized consideration of the surface oxidation procedure seems vital. Thus the author recommends the concentration of the research work on this subject.

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