DE102007029210A1

DE102007029210A1 - Probekörper und Verfahren für die Gießsimulation von komplex geformten Metallgussbauteilen

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Publication number: DE102007029210A1
Application number: DE200710029210
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Dr.-Ing. Rehm; Harald Dipl.-Ing. Scheib; Karl-Ludwig Dr. Weißkopf
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2007-06-25
Filing date: 2007-06-25
Publication date: 2009-01-22

Abstract

Probenkörper für die Gießsimulation, insbesondere für die Bestimmung von Werkstoffeigenschaften und Gefügekennwerten von Metallgusswerkstoffen, insbesondere von Eisenlegierungen, wobei der Probenkörper einen zylindrischen Mantel (5) und mindestens zwei plattenförmige Stege (1, 2) aufweist, die vom Zentrum des Mantels durch ihn hindurch radial nach außen verlaufen, so dass innen liegende Stegbereiche (1', 2') und außen liegende Stegbereiche (2'') gebildet werden.

Description

Die Erfindung betrifft Probenkörper für die Bestimmung von Werkstoffeigenschaften und Gefügekennwerten von Metallgusswerkstoffen, insbesondere von Eisenlegierungen, wie GJV und ein Verfahren zur Modellierung oder Optimierung des Gießverfahrens für geometrisch komplexe Metallgussteile mit dickwandigen und dünnwandigen Bereichen, mit den Schritten, Probeguss eines Probekörpers, Ermittlung der Werkstoffeigenschaften und Gefügekennwerte des Probekörpers und Anpassung des Gießverfahrens für die komplexen Metallgussteile auf der Grundlage der ermittelten Eigenschaften und Kennwerte.
Die Erfindung zielt insbesondere darauf ab, durch die Vorhersagemöglichkeit der variierenden Werkstoffeigenschaften von Metallgussbauteilen, die Entwicklung von dünnwandigen Zylinderkurbelgehäusen (ZKG) aus Gusseisen, insbesondere mit Vermiculargraphit (GJV) zu unterstützen.
Gerade von dünnwandigen komplexen GJV-Gussbauteilen ist heute noch sehr wenig bezüglich deren lokaler Werkstoffeigenschaften bekannt. Derartige Gussbauteile zeichnen sich durch Beeinflussung der in engem Kontakt stehenden dünnwandigen und massiven Bereichen aus. Nach dem Gießen stellen sich hier komplexe thermische Verhältnisse ein, die insbesondere im dünnwandigen Bereich durch unstetigen Temperaturverlauf geprägt sind. Dies resultiert aus der Wiederaufheizung der dünnen Bereiche durch umgebende dickwandige Bereiche. Bekannte Methoden zur Untersuchung an einfachen Probegeometrien und Probestäben, wie beispielsweise Stufenkeilen, lassen sich nur sehr eingeschränkt auf komplex geformte Bauteile übertragen. Für die Auslegung der komplex geformten Bauteile mit dünn- und dickwandigen Bereichen ist dabei die Kenntnis der Verteilung der mechanischen Eigenschaften gerade in den dünnen Wandstärken von zentraler Bedeutung. Diese hängen von der jeweiligen Gefügeausbildung ab, die wiederum von den lokalen Erstarrungs- und Abkühlungsbedingungen abhängig sind. Die zur Gefügeausbildung führenden thermischen Verhältnisse sind durch bisherige Probengeometrien und Simulationsverfahren nur unzureichend wider gegeben.
Erst die genaue Kenntnis der Zusammenhänge von Erstarrung, Abkühlung, Gefüge und mechanischen Eigenschaften ermöglicht mittels einer Gießsimulation eine Vorhersage der Eigenschaften und damit eine werkstoffangepasste Konstruktion unter gezielter Ausnutzung des Werkstoffpotentials. Heutzutage werden bei der Berechnung von Gussbauteilen meist noch homogene Eigenschaften über das Bauteil angenommen, da genauere Werte nur sehr schwer zu ermitteln sind. Dies entspricht aber bei komplexen Bauteilgeometrien nicht der Realität und führt zu erheblichen Vorhersagefehlern, so dass die Modellierung und Optimierung des Gießverfahrens, umfassend die Gießform, Temperaturführung und gusstechnische Anpassung der Bauteilgeometrie, für komplexe Bauteile noch weiteres Verbesserungspotential aufweist.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur verbesserten Vorhersage der Werkstoffeigenschaften und Erleichterung der Optimierung des Gießverfahrens von geometrisch komplexen Bauteilen aufzuzeigen und eine einfache Geometrie für einen Probekörper, bzw. einen Probekörper selbst bereit zu stellen dessen Eigenschaften eine verbesserte Übertragbarkeit auf geometrisch komplexe Bauteile besitzt.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Probenkörper für die Bestimmung von Werkstoffeigenschaften und Gefügekennwerten von Metallgusswerkstoffen, insbesondere von Eisenlegierungen, wobei der Probenkörper einen zylindrischen Mantel (5) und mindestens 2 plattenförmige Stege (1, 2) aufweist, die vom Zentrum des Mantels durch ihn hindurch radial nach außen verlaufen, so dass innen liegende Stegbereiche (1', 2') und außen liegende Stegbereiche (2'') gebildet werden mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und durch ein Verfahren zur Modellierung oder Optimierung des Gießverfahrens für geometrisch komplexe Metallgussteile mit dickwandigen und dünnwandigen Bereichen, mit den Schritten

– Probeguss eines Probekörpers
– Ermittlung der Werkstoffeigenschaften und Gefügekennwerte des Probekörpers
– Anpassung des Gießverfahrens für die komplexen Metallgussteile auf der Grundlage der ermittelten Eigenschaften und Kennwerte,

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Für den erfindungsgemäßen Probenkörper ist dabei wesentlich, dass sich neben der rein geometrischen Widergabe der Größen- bzw. Dickenverhältnisse der komplexen Bauteile auch eine Widergabe der beim Gießen herrschenden thermischen Verhältnisse realisieren lässt. Dies wird durch einen Wabenförmigen Probekörper erreicht, der dünnwandige Stege und einen dickwandigen Mantel besitzt. Von besonderer Bedeutung sind dabei die innen liegenden Stegbereiche, die im engen Kontakt mit dem Mantel des Probenkörpers liegen. Nach dem Abguss des Probenkörpers stellt der vergleichsweise massive Mantel eine Wärmequelle für die innen liegenden Stegbereiche dar. Hierdurch erfahren diese Stegbereiche keine stetige Abkühlung, sondern kurz nach deren Erstarrung eine Wiedererwärmung und eine gewisse Haltezeit, die einen maßgeblichen Einfluss auf deren Gefügeausbildung ausübt. Der Effekt ist einer Glüh- oder Temperbehandlung vergleichbar. Durch geeignete Wahl der Wanddicken der innen liegenden Stege und des die Stege umgebenden Mantels können die thermischen Verhältnisse in sehr breiter Variabilität an die Zustände im realen komplex geformten Bauteil angepasst werden. Dabei weist der Probenkörper trotz seiner einfachen Form sehr unterschiedliche geometrische und thermische Bereiche auf. Im Gegensatz zu den innen liegenden Stegbereichen zeichnen sich die außen liegenden Bereiche durch eine schnelle und stetige Abkühlung aus. Diese Stegbereiche verhalten sich nahezu von der Wärmequelle des Mantels entkoppelt.
Der wabenförmige Probenkörper ist im Prinzip auf sehr unterschiedliche Metalllegierungen und Gießverfahren anwendbar. Besonders geeignet ist die Verwendung des Probekörpers bei Metall-Gusslegierungen, bei denen eine Temperung einen deutlichen Einfluss auf die Werkstoffeigenschaften ausübt. Besonders geeignet sind die Probengeometrie und das Verfahren für Gusseisen, insbesondere mit Vermiculargraphit (GJV), nach dem Sandgussverfahren. GJV ist ein Eisen-Kohlenstoff-Gusswerkstoff, dessen als Graphit vorliegender Kohlenstoffanteil überwiegend in vermicularer Form vorliegt.
Mithilfe des Probenkörpers ist es möglich die Konstruktion und Herstellung von dünnwandigen Gussbauteilen wie ZKG oder Zylinderköpfe aus GJV gezielt zu verbessern. Fertigungs- und anforderungsgerechte Aspekte in Gusskonstruktionen können im Vorfeld berücksichtigt und das volle Werkstoffpotential genutzt werden. Durch die Vorhersage der mechanischen Eigenschaften und Bereitstellung für die Lastfallberechnung wird der Loop der virtuellen Bauteilentwicklung geschlossen und damit die Verringerung von Prototypen, die Einsparung von Entwicklungszeiten und letztendlich die Reduktion von Entwicklungskosten ermöglicht.
Die Erfindung wird anhand schematischer Zeichnungen, sowie experimenteller Ergebnisse im Folgenden näher beschrieben.
Dabei zeigen:
1 Seitliche Ansicht eines Probenkörpers mit Mantel (3) und Stegen (1, 2, 3 und 4), welche entsprechende innen liegende Bereiche (1', 2', 3', 4') und außen liegende Bereiche (1'', 2'', 3'', 4'') aufweisen,
2 Querschnitt durch einen Probenkörper mit Mantel (3) und Stegen (1, 2, 3 und 4), welche entsprechende innen liegende Bereiche (1', 2', 3', 4') und außen liegende Bereiche (1'', 2'', 3'', 4'') aufweisen,
3 Abkühlkurve eines Stufenkeils an verschiedenen Stufen (S1, S5, S6, S7),
4 Abkühlkurve eines Probenkörpers an zwei Stegbereichen (A2, I2) und zwei Bereichen des Mantels (M2, M8),
5 Grundgefüge eines Stufenkeils aus GJV an unterschiedlichen Stufen
6 Grundgefüge eines wabenförmigen Probekörpers aus GJV an unterschiedlichen Stellen der dünnwandigen Stege
Der erfindungsgemäße Probenkörper ist in seiner Grundform zylindrisch aufgebaut. Die äußere Form kann dabei an das Bauteil angepasst sein und rund, oval oder ein Polygon sein. Hinsichtlich der Genauigkeit der Messergebnisse und dem Herstellungsaufwand sind insbesondere rechteckige, wie beispielsweise in 1 dargestellt oder runde Formen zu bevorzugen. Vom Zentrum des Zylinders gehen mindestens 2 plattenförmige Stege (1, 2) aus, die sich durch den Mantel (5) und darüber hinaus erstrecken. Die Stege werden dabei den geometrischen Verhältnissen der dünnwandigen Bereiche des komplex geformten Bauteils angepasst. Dies bedeutet insbesondere, dass die Wanddicken von Stegen und Bauteil vergleichbar sind. Über die Anzahl der Stege lässt sich Genauigkeit der Vorhersagen erhöhen. Besonders zweckmäßig sind 2, 3 und insbesondere 4 Stege. Ein quadratischer Mantel mit 4 Stegen, gemäß 1, bildet einen hinsichtlich Herstellungsaufwand und Verfahrensgenauigkeit bevorzugten wabenförmigen Probenkörper.
Die Dicke der plattenförmigen Stege (1, 2) muss beim erfindungsgemäßen Probenkörper deutlich unterhalb der Dicke des Mantels (3) liegen, damit der Effekt einer Wiedererwärmung durch den Mantel stattfinden kann. Die Größenverhältnisse von Mantel zu Stegen sind so zu wählen, dass der Mantel mindestens die 3-fache Wärmekapazität der innen liegenden Stege aufweist. Bevorzugt liegt das Verhältnis der Wärmekapazitäten von Stege zu Mantel bei 1 zu 3 bis 1 zu 9.
Bevorzugt liegt die Dicke der Stege (1, 2) unterhalb von 50% derjenigen des Mantels (3). Die Dicke der Stege liegt besonders bevorzugt im Bereich von 1 bis 15 mm und die Dicke des Mantels im Bereich von 10 bis 45 mm. Auch bei sehr langen Stegen, das bedeutet hoher radialer Ausdehnung, ergibt sich hierdurch in jedem Fall ein Mantel-naher Bereich, der eine Wiederaufwärmung durch den Mantel erfährt. Bevorzugt ist die Länge der innen liegende Stegbereiche (1', 2') bei 1 bis 3 fachen der Dicke des Mantels. Dies hängt unter anderem davon ab, welche Legierung vergossen und welcher Gieß-Formstoff verwendet werden sollen.
Der erfindungsgemäße Probenkörper hat den Vorteil einer hohen Variabilität. So können die Stege (1, 2) jeweils unterschiedliche Dicken aufweisen aber auch die Dicke des inneren (1') und des äußeren Stegbereichs (1'') eines jeweiligen Stegs (1) unterschiedlich sein. In der Regel ist es zweckmäßig, dass alle Stege voneinander verschiedene unterschiedliche Dicke und ein Steg jeweils gleiche Dicke aufweist. Um weitere Messwerte zu erhalten ist es zweckmäßiger die Stegzahl auf 3, 4, 5, 6 oder noch weiter zu erhöhen.
Der außen liegende Stegbereich (1'', 2'') muss dabei zumindest so lang sein, dass der wärmespeisende Effekt des Mantels (3) an deren Außenkante vernachlässigbar ist. Dies ist typischerweise bei einer Mindestlänge im Bereich des 1,5 bis 3 fachen der Dicke des Mantels erreicht. Die Länge, bzw. radiale Ausdehnung, der innen und der außen liegenden Stegbereiche (1', 1'') eines jeweiligen Steges (1) sind zweckmäßigerweise in etwa gleich groß zu wählen.
Die Höhe des Probekörpers richtet sich nach der Größe des Realbauteils und nach der gewünschten Menge an analysefähigem Probenmaterial. Die Größe des Probenkörpers hat jedoch wiederum Einfluss auf die thermischen Verhältnisse. Durch eine große Höhe wird die thermische Masse gesteigert, was zu einer ungünstigen Beeinflussung der Modellbetrachtung führen kann.
Die Höhe des Probenkörpers liegt typischerweise im Bereich des 1 bis 10 fachen der Länge eines Steges.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft das Verfahren zur Modellierung oder Optimierung des Gießverfahrens für geometrisch komplexe Metallgussteile mit dickwandigen und dünnwandigen Bereichen.
Das Verfahren umfasst die Schritte:

– Probeguss eines Probekörpers
– Ermittlung der Werkstoffeigenschaften und Gefügekennwerte des Probekörpers
– Anpassung der Gießsimulation und des Gießverfahrens für die komplexen Metallgussteile auf der Grundlage der ermittelten Eigenschaften und Kennwerte.

Als Probekörper für den Probeguss wird erfindungsgemäß ein Körper ausgewählt mit zylindrischem Mantel (5) und mindestens 2 plattenförmigen Stegen (1, 2), die vom Zentrum des Mantels durch ihn hindurch radial nach außen verlaufen. Die Größenverhältnisse von Mantel und Stegen werden so eingestellt, dass die Stege nach dem Erstarren in der Gießform zumindest partiell wieder durch die Restwärme des Mantels auf eine Plateautemperatur (T) aufgeheizt werden. Die Wideraufwärmung der innen liegenden Stegbereiche führt erfindungsgemäß zu einer Umwandlung des Gefüges und einer Veränderung der mechanischen Eigenschaften. Die Plateautemperatur muss dabei in einem für die jeweilige Metalllegierung üblichen Bereich einer Temper- oder Glühbehandlung liegen. Ein verfahrensgemäß besonders geeigneter Probenkörper ist beispielsweise in 1 wiedergegeben.
Am Probekörper lassen sich die üblichen Werkstoffkennwerte ermitteln, insbesondere jedoch Härte, Zugfestigkeit, Wärmeleitfähigkeit und die Gefügeausbildung. Durch Ausmessen der Werkstoffeigenschaften an unterschiedlichen Positionen des Probekörpers können Korrelationsfunktionen abgeleitet werden.
Als lokale Werkstoffeigenschaften der Probe sind insbesondere die Härte, Zugfestigkeit, Dehngrenze, Bruchdehnung, E-Modul und Wärmeleitfähigkeit von Bedeutung.
Durch die Implementierung der Korrelationsfunktionen in ein Berechnungstool können mittels der Gießsimulation die lokalen Gefügeausbildungen wie Graphit-, Ferrit-, Zementit-, Zwischenphasen- und Perlitanteil, sowie die Graphitausbildung und der Perlitlamellenabstand vorhergesagt werden. Durch entsprechende Korrelationsfunktionen zwischen den Gefügekennwerten und der mechanischen Eigenschaften ist die Vorhersage der lokalen Härte, Dehngrenze, Zugfestigkeit, Bruchdehnung, des E-Modul und der Wärmeleitfähigkeit möglich. Dies lässt dann auf das lokale Bauteil übertragen und entsprechende Verbesserungen des Gießverfahrens oder der Bauteilgeometrie vornehmen. Für den Probekörper sind nur ausnahmsweise nicht das gleiche Gießverfahren und der gleiche Gießformstoff zu verwenden, wie für das reale Bauteil. Das Verfahren ist gut geeignet für das Gießen von Grauguss, GJV oder GGG. Besonders geeignet sind die Probengeometrie und das Verfahren für das Gießen komplexer Bauteile aus Gusseisen mit Vermiculargraphit (GJV). Dies ist ein Eisen-Kohlenstoff-Gusswerkstoff, dessen als Graphit vorliegender Kohlenstoffanteil überwiegend in vermicularer Form vorliegt.
Plateautemperatur und Verweilzeit bei dieser Temperatur sind für die innen liegenden Stegbereiche hinsichtlich der Verhältnisse im realen Bauteil anpassbar.
Sobald die Wanddicken der kritischen Bauteilbereiche in den Stegen abgebildet sind, stellen sich die für die Vorhersage des realen Körpers erforderlichen thermischen Verhältnisse mit hinreichender Genauigkeit nahezu von selbst ein. Mit dem Probekörper lassen sich in Vorteilhafter Weise, sowohl die dünnwandigen wie die dickwandigen Bauteilbereiche erfassen.
Im Falle von GJV ist die Probengeometrie bevorzugt so einzustellen, dass sich eine Plateautemperatur im Bereich von 800 bis 1200°C 1100°C einstellt. Dies betrifft insbesondere die Bauteilgeometrie von Zylinderkurbelgehäusen. Die Verweilzeit der innen liegenden Stegebereiche im Bereich der Plateautemperatur liegt bevorzugt bei mindestens 100 sec. Komplexes Bauteil und Probenkörper werden bevorzugt im Sandguss-Maschinenformverfahren hergestellt. Bei diesem Verfahren können die Modelle und Kernkästen wiederholt benutzt werden. Die Form und die Kerne sind nur einmal verwendbar, es handelt sich demnach um „verlorene Formen".
Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird anhand von Versuchsbespielen im Vergleich zu Ergebnissen an einem konventionellen Stufenkeil dargestellt. Die Untersuchungen beziehen sich auf den Sandguss von GJV.
Vergleichsmessung an Stufenkeil:
Für die Untersuchungen des Zusammenhangs zwischen Erstarrung, Abkühlung, Gefüge und den mechanischen Eigenschaften wird zu Vergleichszwecken ein Stufenkeil ausgewählt. Dies ist eine in der Literatur und Praxis übliche Probengeometrie. Die Geometrie des Stufenkeils ist schematisch in 3 dargestellt. Der Stufenkeil weist unterschiedliche Wandstärken auf, wie sie auch in realen Bauteilen wie dem ZKG vorkommen. Die dickste Stufe besitzt eine Wandstärke von 57 mm. Von der Stufe 2 bis zur Stufe 7 nimmt die Wandstärke von 30, 17, 11, 7, 4 auf 2 mm ab. Die einzelnen Stufen, bzw. die Messergebnisse der Stufen tragen die Bezeichnung S1 bis S7. Das bedeutet, dass es mit abnehmender Wandstärke zu einer schnelleren Erstarrung und schnelleren Abkühlung kommt. Der Temperaturverlauf der Stufen 1S1, S5, S6 und S7 über die Zeit nach dem Abguss ist in 3 graphisch dargestellt. Prinzipiell weist der Stufenkeil ein gekoppeltes Erstarrungs- und Abkühlungsverhalten auf. Das bedeutet, dass es mit abnehmender Wandstärke zu einer schnelleren Erstarrung und schnelleren Abkühlung kommt. Der Temperaturverlauf ist stetig und abnehmend.
Als wesentliche Kenngröße für die physikalischen Eigenschaften des Gussmetalls wurde für den Stufenkeil eine Gefügeanalyse durchgeführt. Die unterschiedlichen Gefüge für die Stufen S1 bis S7 sind in 5 dargestellt.
Es hat sich gezeigt, dass sich im realen Bauteil des Zylinderkopfes (ZK) die dünnen inneren Bereiche zunächst sehr schnell abkühlen. Es bilden sich mehrere thermische Zentren aus. Diese thermischen Zentren sind deutlich wärmer als die inneren dünnen Bereiche. Im Verlauf der weiteren Abkühlung verlagert sich das thermische Zentrum in die Mitte des Zylinderkopfes. Nun sind die inneren dünnen Wände wärmer als die massiven Bereiche. Damit erfahren die dünnen Bereiche im Inneren eine schnelle Erstarrung, aber eine langsame Festphasenumwandlung. Solch ein Verhalten kann mit dem Stufenkeil und den meisten bisher vorliegenden Probengeometrien nicht beschrieben werden.
Beispielmessung an wabenförmigem Probenkörper
Als Probenkörper wurde ein quadratischer wabenförmiger quadratischer Zylinder mit 4 Stegen, gemäß 1 und 2 heran gezogen. Der Probenkörper ist charakterisiert durch äußere Stegbereiche (1''), (2''), (3''), (4'') mit Wandstärken von 2, 4, 6 und 8 mm, die nachfolgend auch A2, A4, A6 und A8 genannt werden. Im Inneren des Probenkörpers befinden sich innen liegende Stege (1'), (2'), (3'), (4') mit den gleichen Wandstärken (I2, I4, I6 und I8). Innerhalb eines jeweiligen Stegs ändert sich die Dicke somit nicht. Die Länge der Stege (1, 2, 3, 4) betrug jeweils 100 mm, wobei die inneren und die äußeren Stegbereiche jeweils eine Länge von 40 mm aufwiesen. Zwischen den inneren und äußern Stegen befindet sich ein 20 mm dicker quadratischer Mantel (5). Der Kreuzungsbereich von Steg und Mantel wird mit, M2, M4, M6 und M8 bezeichnet. Die Höhe des Probenkörpers lag bei 200 mm.
Mit dem wabenförmigen Probekörper wurde simultan ein gekoppeltes und entkoppeltes Erstarrungs- und Abkühlungsverhalten festgestellt. Der Temperaturverlauf für die Positionen I2, M2, A2 und M8 sind in 4 wiedergegeben. Die inneren dünnen Stege (1'), (2'), (3'), (4') erstarrten sehr schnell. Im Laufe der weiteren Abkühlung wanderte das thermische Zentrum in die Mitte des Probekörpers. Dies führte dazu, dass die inneren Stege durch den Mantel aufgeheizt werden und anschließend zusammen mit dem dicken Mantel langsam abkühlen. Die äußeren Stege verhielten sich dagegen ähnlich wie der Stufenkeil. Hier kam es zu einer schnellen Erstarrung, gekoppelt mit einer anschließenden schnellen Abkühlung. Wie die Abkühlkurve des 2 mm Außenstegs (A2) zeigt, wird auch dieser Steg von dem Mantel beeinflusst. Der Wiederaufheizeffekt erfolgt jedoch erst in der Nähe der eutektoiden Umwandlungstemperatur. In diesem Fall war der Einfluss des Mantels ohne wesentliche Wirkung auf die Gefügeausbildung. Die 4 mm, 6 mm und 8 mm Außenstege wiesen das gleiche Verhalten, jedoch in abgeschwächter Form auf.
Für den Temperaturverlauf in der Position I2 ist deutlich ein Temperaturplateau bei ca. 1000–1050°C zu erkennen, das sich über ca. 400 sec. erstreckt. Auch für die Position A2 besteht noch ein geringes Plateau der Temperatur. Der Temperaturbereich von ca. 650°C ist jedoch für eine Veränderung von Gefüge und mechanischen Eigenschaften ohne Bedeutung.
In 6 ist die Grundgefügeausbildung der 2 mm und 4 mm Stege (1, 3) in den Bereichen A2, M2 und I2, respektive A4, M4 und I4 des GJV-Probenkörpers abgebildet. Die Gefügebilder verdeutlichen, dass das Gussmetall sowohl nach dem stabilen als auch nach dem metastabilen System erstarrt ist. Vor allem der 2 mm Außensteg, entsprechend A2, ist durch die dort vorherrschenden geringen Erstarrungszeiten weiß erstarrt. Das thermische Zentrum wanderte während der Abkühlung zur Mitte des Probenkörpers, was dazu führte, dass die inneren Stege nach der Erstarrung durch den thermischen Einfluss des Mantels bis über 1050°C wiederaufgeheizt wurden. Bei der entsprechenden Temperung wurde prinzipiell der carbidisch gebundene Kohlenstoff bei ca. 950–1050°C in elementaren Kohlenstoff aufgespalten.
Der 2 mm Außensteg (A2) wurde zwar ebenfalls wiederaufgeheizt, hier war der Effekt jedoch offensichtlich deutlich geringer ausgeprägt und fand erst im Bereich der eutektoiden Phasenumwandlung statt.
In den Mantelbereichen lag vergleichbar zu den dickwandigen Stufen des Stufenkeils ein überwiegend perlitisches Grundgefüge vor. Die Grundgefügeausbildung des I2-Stegs (1'), unterschied sich dagegen wesentlich von dem A2-Steg und M2-Mantel. Hier war neben den Graphitpartikeln und Perlitkolonien eine helle Phase zu erkennen, die ähnlich wie die Eisencarbide im A2-Steg länglich und zum Teil um den Graphit angeordnet waren. Die nachfolgende Wiederaufheizung des I2-Stegs auf bis zu 1060°C, die langsame Abkühlung und die Graphitausbildung deuten auf eine Temperung des Stegs hin. Durch die Temperung bzw. durch dessen Graphitisierungsglühen, auch Carbidzerfallsglühen genannt, wurden die Eisencarbide aufgelöst und in Eisen (3Fe) und elementaren Kohlenstoff (C) zerlegt, Im I4-Steg war durch die nodulare Ausscheidung des Graphits und die damit verbundenen kürzeren Diffusionswege vermehrt Ferrit in Form von Ferrithöfen vorzufinden. Der A4-Steg wies in der Stegmitte ein meliertes Gefüge mit wenigen Eisencarbiden auf, deren Anteil mit Abstand zum Mantel durch die geringeren Erstarrungszeiten anstieg.
Die Validierung der Gießsimulation erfolgte mit dem Gießsimulationsprogramm MAGMASOFT^®. Zum Abgleich der Simulation wurden zunächst die gemessenen temperaturabhängigen thermophysikalischen Eigenschaften in die Simulationsdatenbank von MAGMASOFT^® implementiert. Im zweiten Schritt wurden die Simulationsrandbedingungen wie Gießzeit, Gießtemperatur, Formtemperatur und Wärmeübergangskoeffizient (HTC) (Gussbauteil/Formstoff) definiert. Mit diesen Einstellungen wurde eine Gießsimulation des Gießsystems, bestehend aus Stufenkeil, Spannungsgitter und erfindungsgemäßem Probenkörper durchgeführt. Wichen bei dem anschließenden Vergleich der Abkühlkurven die simulierten von den gemessenen ab, wurden die Simulationsrandbedingungen wie z. B. der Wärmeübergangskoeffizient verändert und eine weitere Simulationsschleife durchgeführt.

Claims

Probenkörper für die Bestimmung von Werkstoffeigenschaften und Gefügekennwerten von Metallgusswerkstoffen, insbesondere von Eisenlegierungen, dadurch gekennzeichnet, dass der Probenkörper einen zylindrischen Mantel (5) und mindestens 2 plattenförmige Stege (1, 2) aufweist, die vom Zentrum des Mantels durch ihn hindurch radial nach außen verlaufen, so dass innen liegende Stegbereiche (1', 2') und außen liegende Stegbereiche (2') gebildet werden.
Probenkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der plattenförmigen Stege (1, 2) unterhalb 50% der Dicke des Mantels (3) liegt.
Probenkörper nach einem der voran gegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der Stege im Bereich von 1 bis 15 mm und die Dicke des Mantels im Bereich von 10 bis 45 mm liegt.
Probenkörper nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Stege (1, 2) jeweils unterschiedliche Dicken aufweisen und/oder die Dicke des inneren (1') und des äußeren Stegbereichs (1'') eines jeweiligen Stegs (1) unterschiedlich sind.
Probenkörper nach einem der voran gegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Probenkörper insgesamt 4 Stege (1, 2, 3, 4) aufweist.
Probenkörper nach einem der voran gegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die radiale Ausdehnung der innen und der außen liegenden Stegbereiche (1', 1'') eines jeweiligen Steges (1) in etwa gleich sind.
Probenkörper nach einem der voran gegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Größenverhältnisse von Mantel zu Stegen so gewählt werden, dass der Mantel mindestens die 3-fache Wärmekapazität der Stege aufweist.
Verfahren zur Modellierung oder Optimierung des Gießverfahrens für geometrisch komplexe Metallgussteile mit dickwandigen und dünnwandigen Bereichen, mit den Schritten – Probeguss eines Probekörpers – Ermittlung der Werkstoffeigenschaften und Gefügekennwerte des Probekörpers – Anpassung des Gießverfahrens für die komplexen Metallgussteile auf der Grundlage der ermittelten Eigenschaften und Kennwerte, dadurch gekennzeichnet, dass ein Probenkörper mit zylindrischem Mantel (5) und mindestens 2 plattenförmigen Stegen (1, 2), die vom Zentrum des Mantels durch ihn hindurch radial nach außen verlaufen, gegossen wird, wobei die Größenverhältnisse von Mantel und Stegen so gewählt werden, dass die Stege nach dem Erstarren in der Gießform zumindest partiell wieder durch die Restwärme des Mantels auf eine Plateautemperatur (T) aufgeheizt werden.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein Probekörper nach einem der Ansprüche 1 bis 6 gewählt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren auf den Grauguss, GJV oder GGG angewendet wird.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Plateautemperatur einen Bereich von 800 bis 1200°C umfasst.
Verfahren nach einem der voran gegangenen Ansprüche 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Verweilzeit der Stegebereiche im Bereich der Plateautemperatur bei mindestens 100 sec. liegt.
Verfahren nach einem der voran gegangenen Ansprüche 7 bis 11 bei der Optimierung der Konstruktion und des Gießverfahrens von Zylinderkurbelgehäusen oder Zylinderköpfen von Kraftfahrzeugmotoren.