DE102013206136B4

DE102013206136B4 - Verfahren zur automatischen Quantifizierung eines Dendritarmabstandes in dendritischen Mikrostrukturen

Info

Publication number: DE102013206136B4
Application number: DE102013206136.6A
Authority: DE
Inventors: Qigui Wang; James W. Knight
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2012-04-12
Filing date: 2013-04-08
Publication date: 2023-04-20
Anticipated expiration: 2033-04-09
Also published as: DE102013206136A1

Abstract

Verfahren zum automatischen Quantifizieren eines Dendritenarmabstandes in dendritischen Mikrostrukturen eines Gussmaterials, wobei das Verfahren umfasst, dass:aus dem Gussmaterial eine interessierende Stelle ausgewählt wird;die interessierende Stelle automatisch analysiert wird, um eine Dendritzellengröße darin zu quantifizieren; unddie quantifizierte Dendritzellengröße durch eine theoretische Beziehung zwischen der Dendritzellengröße und dem Dendritenarmabstand in einen quantifizierten Dendritenarmabstand umgewandelt wird, wobeidie theoretische Beziehung zwischen der Dendritzellengröße und dem Dendritenarmabstand durch:DAS=(1−Veu)*DCSausgedrückt ist, wobei Veueinen tatsächlichen Volumenanteil eutektischer Phasen in einer Mikrostruktur definiert, welche für die interessierende Stelle spezifisch ist.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein die Quantifizierung der mikrostrukturellen Feinheit von Metallgussteilen und im Spezielleren die automatisierte Quantifizierung eines Dendritenarmabstandes (DAS) in dendritischen Mikrostrukturen von Metallgussteilen als eine Methode, das manuelle Vornehmen solcher Messungen zu vermeiden.
Die resultierende Mikrostruktur aller Gusskomponenten auf Aluminiumbasis (z. B. von Motorblöcken, Zylinderköpfen, Getriebeteilen oder dergleichen) ist naturgemäß durch die Legierungszusammensetzung im Allgemeinen und die Erstarrungsbedingungen im Spezielleren bestimmt. In hypoeutektischen Legierungen (d. h. jenen, die mehr Aluminium enthalten, als dem Eutektikum mit den anderen Legierungsbestandteilen entspricht, um den sekundären Dendritenarmabstand bei der Erstarrung zu reduzieren, wobei Beispiele davon A356 und 319, beide Al-7%Si-Mg-Varianten, umfassen) neigen die Materialien dazu dendritisch zu erstarren. Andere derartige Aluminiumlegierungsbeispiele, die eine dendritische Erstarrung zeigen, umfassen 354, 355, 360, 380, 383 und andere. Eine typische Mikrostruktur dieser Familie von Legierungen besteht aus einer primären dendritischen Phase und einer zweiten Phase von Teilchen wie z. B. Siliziumteilchen und eisenreichen intermetallischen Verbindungen. Die relativen Mengen, Größen und die relative Morphologie dieser Phasen in der Struktur im Gusszustand sind stark von den Gießbedingungen wie auch von der Legierungszusammensetzung abhängig. Die Dendritzellengröße (DCS) und DAS, gelegentlich als ein sekundärer Dendritenarmabstand (SDAS) bezeichnet, wurden lange Zeit verwendet, um die Feinheit des Gussteiles zu quantifizieren, die wiederum verwendet werden kann, um ein besseres Verständnis über das Material und die zugehörigen Eigenschaften zu erlangen, wobei - als eine allgemeine Regel - Gusskomponenten mit einem kleineren DAS dazu neigen, eine bessere Duktilität und ähnliche stehende mechanische Eigenschaften aufzuweisen.

Es wurden viele Anstrengungen unternommen, die Dendritenverfeinerung und ihre Beziehung zu den Erstarrungsbedingungen zu beschreiben, beginnend 1950 mit B. H. Alexander und F. N. Rhines, „Dendritic crystallization of alloys", JOM, 1950, 2, 1267-1273, die als Erste eine quantitative Grundlage für den Einfluss der Zusammensetzung und der Erstarrungsgeschwindigkeit für bestimmte Dendritenmerkmale erstellt haben. Die nachfolgende Tabelle 1 fasst die bekannte Literatur für die Beschreibung der Feinheit einer dendritischen Struktur in quantitativer Hinsicht zusammen. TABELLE 1

Mikrostrukturelle Parameter zur Beschreibung von Dendriten
Parameter	Symbol	Einheit	Definition
Dendritenarmabstand (Levy et al., 1969; Oswalt und Misra, 1980; Radhakrishna et al., 1980; Flemings et al., 1991)	DAS, λ	µm	Abstand zwischen genau definierten sekundären Dendritenarmen (von Mitte zu Mitte)
Dendritzellengröße (Spear und Gardner, 1963; Jaquet und Hotz, 1992)	DCSli	µm	Zufälliger Linienschnitt zwischen Dendritzellen
Dendritzellengröße (Cãceres et al. 1995)	DCSed	µm	flächenäquivalenter Kreisdurchmesser von Dendritzellen einschließlich Eutektikum
Dendritzellenanzahl (McLellan, 1982)	CPUA		Anzahl der Zellen pro Feld

Von diesen wurde in R.E. Spear and G.R. Gardner, „Dendrite cell size“, Trans. AFS, 1963, 71, 209-215 die Skala einer dendritischen Struktur mithilfe der Dendritzellengröße quantitativ beschrieben, welche durch einen zufälligen Linienschnitt beschafft wird und in ihrer 3(a) als DCSli bezeichnet wird. Spear und Gardner folgend, wurde in J. C. Jaquet and W. Hotz, „Quantative description of the microstructure of aluminum foundry alloys“, Cast Metals, 1992, 4, S. 200, ebenfalls der DCSli verwendet, um die Dendriten zu quantifizieren. In J. Levy, „The Structure of High-Angle Grain Boundaries in Aluminium“ phys. stat. sol. (b), 1969, 31: 193-201; K. J. Oswalt und M. S. Misra, „Dendrite arm spacing (DAS): a non-destructive test to evaluate tensile properties of premium quality alloy (Al-Si-Mg) castings“, Trans. AFS, 1980, 88, 845-862; K. Radhakrishna und S. Seshan, „Controlling DAS in aluminium alloy castings using chills“, Trans. AFS, 1992, 100, 667-671; und M. C. Flemings, „Behavior of metal alloys in the semisolid state“, Metall Mater Trans A, 1991, 22, 957-981 wurden DAS diskutiert, um die dendritische Struktur zu quantifizieren. In diesen Ansätzen, wird DAS durch ein Linienschnittverfahren beschafft, wobei die Linie so gewählt wird, dass sie eine Reihe genau definierter sekundärer Dendritenarme schneidet.
In D. L. McLellan, „Modelling microstuctural characteristics of Al-Si-Mg castings to develop product assurance“, Trans. AFS, 1982, 90, 173-191 wurde die Dendritzellenanzahl (CPUA) verwendet, um die Mikrostruktur zu quantifizieren, und behauptet, dass sie den Deformationsprozess genauer beschreibt als der DAS. Allerdings hatten Levy et al. (1969) die Messungen sowohl des DAS als auch der CPUA kritisch analysiert, um die Gussteilstruktur zu charakterisieren, und darauf hingewiesen, dass die Standardabweichung für die DAS-Messung kleiner war als für die CPUA-Messung, und auch die aus der CPUA berechnete mittlere Zellengröße größer ist als der mittlere DAS. Die Messung der CPUA beinhaltet primäre, sekundäre, und tertiäre Arme der Dendriten, wohingegen sich DAS-Messungen üblicherweise nur auf den sekundären Armabstand beziehen.

Die Verfahren in Verbindung mit der manuellen Messung des DAS wurden von dem Antragsteller der vorliegenden Erfindung häufig als eine Methode verwendet, eine DAS- Messung von Aluminiumgussteilen durchzuführen. Solch eine Prozedur umfasst allgemein zuerst die Zubereitung metallographischer Proben, die in Übereinstimmung mit bekannten Standards wie dem American Society of Testing and Materials Standard Guide for Preparation of Metallographie Specimens (auch als ASTM E3 bekannt) zubereitet werden, wobei ein Abschnitt davon in der nachfolgenden Tabelle 2 wiedergegeben ist. TABELLE 2

ASTM E3
Oberfläche	Schmiermittel	Typ/Größe des Schleifmittels ANSI (FEPA)	Zeit in Sekunden	Kraft^A in N (lbf)	Drehzahl⁸ der Walze	Drehung
Planschleifen
Papier/ Stein	Wasser	SiC/Al₂O₃ mit Körnung 120-320 (P120-400)	15-45	20-30 (5-8)	200-300^C	CO^D
Feinschleifen
festes Nylontuch	Verträgliches Schmiermittel	6-15µm Diamant	180-300	20-30 (5-8)	100-150	CO
Grobpolieren
Tuch mit niedrigen/ohne Noppen	Verträgliches Schmiermittel	3-6µm Diamant	120-300	20-30 (5-8)	100-150	CO
Endpolieren
Tuch mit mittleren/ hohen Noppen	Verträgliches Schmiermittel	1µm Diamant	60-120	10-20 (3-5)	100-150	CO
Kunstveloursleder^E	Wasser	0,04µm kolloidales Siliziumdioxid oder 0,05µm Aluminiumoxid	30-60	10-20 (3-5)	100-150	CON-TRA^F

^AKraft pro 30 mm (1¼ Inch) Durchmesser der Befestigung.
^BAntriebsköpfe rotieren im Allgemeinen mit einer Drehzahl zwischen 25 und 150 U/min.
^CSteinschleifer mit hoher Drehzahl rotieren im Allgemeinen mit einer Drehzahl größer als 1000 U/min.
^DKomplementäre Drehung, Oberfläche und Probe drehen sich in der gleichen Richtung.
^EOptionaler Schritt.
^FGegenläufige Drehung, Oberfläche und Probe drehen sich in der entgegengesetzten Richtung.

Es wird erwartet, dass die Oberfläche der zu analysierenden Probe von hinreichender Qualität ist, um die möglichst wahre Größe und Form der Teilchen widerzuspiegeln. In einer Form wird die Ebene des Schliffes eutektische Phasen umfassen, die verglichen mit der umgebenden Matrix dunkler erscheinen. Somit werden die metallographischen Proben schließlich in einer Form geschliffen, um eine ebene, nahezu spiegelbildliche Oberflächengüte zu erhalten. Es kann ein chemisches Ätzen verwendet werden, um den Kontrast der Dendritstruktur zu erhöhen, wobei das Ätzen in einer Form in Übereinstimmung mit ASTM E407 erfolgen kann. Die Probe ist bevorzugt sauber und trocken, während Schleifartefakte (z. B. eine Kometenschweifbildung, eine Grübchenbildung, die Bildung von Kratzern, ein Ausreißen und eine Fleckenbildung) bei einem Minimum gehalten werden sollten. Gleichermaßen sollte über Testbedingungen und -abweichungen im Vorhinein Übereinkunft herrschen. In einer bevorzugten Form wird jede Probe in vielen Sichtfeldern untersucht, von denen jedes einer starken (z. B. einer 100-fachen) Vergrößerung unterzogen wird, die von der Feinheit der Materialkörnung abhängig ist. Danach sollte ein Bild des zu messenden Sichtfeldes aufgenommen werden. In einer Form kann das Linienschnittverfahren zum Messen von DAS verwendet werden, wobei drei oder mehr Dendriten mit sichtbaren Dendritenstämmen mit zumindest drei Dendritenarmen pro Sichtfeld ausgewählt werden. Davon wird eine Linie von der Außenkante des ersten Dendritenarmes bis zu der Innenkante des letzten Dendritenarmes gezogen; ein Beispiel davon ist in 6 abgebildet. Die Distanz d für jeden Dendrit kann aufgezeichnet werden, während die Anzahl n₁, n₂, n₃ etc. der Dendritenarme, die für jede Messung gezählt werden, ebenfalls aufgezeichnet werden kann. Diese Abläufe können für jedes Sichtfeld wiederholt werden.
Derzeit können sowohl ein prozentualer Volumenanteil von Eutektika als auch die DCS in einem Bildanalysegerät automatisch bestimmt werden.
Die lokale Abkühlgeschwindigkeit beeinflusst nicht nur die Mikrostrukturfeinheit, sonder auch die Porenbildung. Aus diesem Grund ist die Tendenz vorhanden, häufiger den DAS zu verwenden, um die Mikrostrukturfeinheit zu quantifizieren. Das Problem mit der Messung des DAS besteht darin, dass er manuell gemessen werden muss, indem die genau definierten Dendritenarme in dem Bildanalysegerät identifiziert werden. Unglücklicherweise ist dies sowohl sehr zeitaufwändig als auch stark von der Fertigkeit des Benutzers oder der Einzelperson abhängig, welcher bzw. welche die Messung durchführt.
Aus der BDG-Richtlinie P220, VDG-Merkblatt: Bestimmung des Dendritenarmabstandes für Gussstücke aus Aluminium-Gusslegierungen, Juli 2011, S. 1-10. URL:

https://www.guss.de/fileadmin/user upload/richtlinien/bdg-richtlinie _p_220.pdf, sind Gussstücke aus Aluminiumgusslegierungen beschrieben. In CÄRCERES, C. H.; WAN, W. G.: Dendrite cell size and ductility of Al-Si-Mg casting alloys: Spear and Gardner revisited. In: International Journal of Cast Metals Research, Vol. 9, 1996, No. 3, S. 157-162 ist ein Zusammenhang zwischen der tensilen Duktilität in Gusslegierungen und der Dentritenzellengröße beschrieben.

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, verbesserte Verfahren zum automatischen Quantifizieren eines Dendritenarmabstandes sowie einen verbesserten Fertigungsartikel bereitzustellen.
ZUSAMMENFASSUNG DER VORLIEGENDEN ERFINDUNG
Diese Aufgabe wird gelöst durch Verfahren gemäß den unabhängigen Ansprüchen 1 und 5 sowie durch einen Fertigungsartikel gemäß dem unabhängigen Anspruch 7. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Das Unvermögen, automatisch DAS- und ähnliche Materialeigenschaftsstreuungen von Gusskomponenten zu berücksichtigen, wird durch die verschiedenen Aspekte der hierin veröffentlichten vorliegenden Erfindung behoben, wobei robuste, genaue und automatische Messungen des DAS in dendritischen Mikrostrukturen von Metallgussteilen zur Produktqualitätskontrolle wie auch zur Produktleistungs- und -haltbarkeitsanalyse verwendet werden können. In Übereinstimmung mit einer Ausführungsform ist ein Verfahren zum automatischen Vorhersagen einer Verteilung des DAS und ähnlicher Materialeigenschaften innerhalb einer Gusskomponente offenbart. Das Verfahren umfasst, dass eine Mikroprobe für die interessierenden Gussteilstelle genommen wird. In dem vorliegenden Kontext ist eine Mikroprobe eine metallographische Probe, die in einer Standardarbeitsvorschrift zur Mikrostrukturanalyse zubereitet wird. Eine solche Standardarbeitsvorschrift umfasst die der oben erläuterten ASTM E3. Dann wird die Probe automatisch analysiert. In einer Form kann ein Bildanalysegerät für die DCS verwendet werden, das entweder ein DCS-Linienschnitt (DCS_li)-Verfahren oder ein mittleres flächenäquivalentes Kreisdurchmesserverfahren (DCS_ed) verwendet. Daraus wird der gemessene DCS-Wert in Übereinstimmung mit einem theoretischen Ansatz in einen DAS umgewandelt, wobei der theoretische Ansatz zwischen dem DCS-Wert und dem DAS-Wert durch DAS = (1-Veu)*DCS ausgedrückt ist, wobei Veu einen tatsächlichen Volumenanteil eutektischer Phasen in einer Mikrostruktur definiert, welche für das ausgewählte Material spezifisch ist. Der quantifizierte DAS-Wert, der dem DCS-Wert entspricht, wird bevorzugt in ein benutzerfertiges Format wie z. B. einen für einen Menschen lesbaren Ausdruck oder Daten in einem computerlesbaren Format gepittet, auf den/das anschließend über eine Computerausdruckvorrichtung, einen computerlesbaren Algorithmus oder ein anderes geeignetes Mittel eingewirkt werden kann.
Wie derzeit ausgestaltet, kann die Automatisierung durch ein Programm oder einen ähnlichen Algorithmus stattfinden, das/der auf einem digitalen Computer laufen oder sonst wie ausgeführt werden kann, um die resultierende DAS-Datendarstellung zu erzeugen. In einer bevorzugten Form umfasst der digitale Computer bevorzugt eines oder mehrere von einer Eingabe, einer Ausgabe, einer Verarbeitungseinheit (oft als Zentraleinheit (CPU) bezeichnet) und einem Speicher, der solch einen Code, ein Programm oder einen Algorithmus in dem Speicher des Computers temporär oder permanent speichern kann, sodass auf die in dem Code enthaltenen Anweisungen durch die Verarbeitungseinheit auf der Basis von Eingangsdaten eingewirkt werden kann, sodass die durch den Code und die Verarbeitungseinheit erzeugten Ausgabedaten über eine Ausgabe an ein anderes Programm oder einen anderen Benutzer weitergeleitet werden können. In einer Form wird ein Daten enthaltender Abschnitt des Speichers (auch Operativspeicher genannt) als Arbeitsspeicher (RAM) bezeichnet, während ein Anweisungen enthaltender Abschnitt des Speichers (auch permanenter Speicher genannt) als ein Nur-Lese-Speicher (ROM) bezeichnet wird. Ein Datenbus oder ein ähnlicher Satz von Drähten und die zugeordneten Schaltkreise bilden einen geeignete Datenübertragungsweg, der die Eingabe, die Ausgabe, die CPU und den Speicher wie auch jegliche Peripheriegeräte in solch einer Weise miteinander verbinden kann, dass es dem System ermöglicht wird, als ein integriertes Ganzes zu arbeiten. Solch ein Computersystem wird als eines mit einer Neumann-Architektur (auch als Universal- oder speicherprogrammierbarer Computer bezeichnet) bezeichnet. Gleichermaßen wird ein speziell adaptierter Computer oder eine computerähnliche Datenverarbeitungsvorrichtung, welcher bzw. welche die typischen Merkmale einer Neumann-Architektur verwendet, um zumindest einige der Datenerfassungs-, -manipulations- oder ähnlichen Rechenfunktionen auszuführen, als innerhalb des Schutzumfanges der vorliegenden Erfindung liegend betrachtet.
In Übereinstimmung mit einer anderen Ausführungsform ist ein Verfahren zum automatischen Vorhersagen einer Verteilung des DAS und ähnlicher Materialeigenschaften innerhalb einer Gusskomponente offenbart. Das Verfahren umfasst, dass ein zu analysierendes Gussmaterial ausgewählt wird, ein Bildanalysegerät verwendet wird, um automatisch DCS-Informationen zu bestimmen, welche dem ausgewählten Material entsprechen, und dann die DCS-Informationen durch eine theoretische Beziehung zwischen den DCS- und den DAS-Informationen in DAS-Informationen umgewandelt werden, die theoretische Beziehung zwischen den DCS- und den DAS-Informationen durch DAS = (1-Veu)*DCS ausgedrückt ist, wobei Veu einen tatsächlichen Volumenanteil eutektischer Phasen in einer Mikrostruktur definiert, welche für das ausgewählte Material spezifisch ist.
In Übereinstimmung mit einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Fertigungsartikel offenbart. Der Artikel umfasst ein computerverwendbares Medium mit einem darin enthaltenen computerlesbaren Programmcode zum Quantifizieren von DAS-Eigenschaften eines Gussmaterials, sodass er in einem Universalcomputer oder eine speziell adaptierten Computer wie oben erläutert verwendet werden kann. Solch ein computerlesbarer Programmcode umfasst insbesondere einen Abschnitt, um zu bewirken, dass der Computer Daten, welche digitale Informationen entsprechen, die von einer Probe des Gussmaterials genommen wurden, annimmt oder liest, wie auch einen Abschnitt, um zu bewirken, dass der Computer die digitalen Informationen in DCS-Informationen umwandelt, zusätzlich zu einem Abschnitt, um die DCS auf der Basis einer theoretischen Beziehung zwischen diesen zwei Formen von Informationen umzuwandeln, wobei die theoretische Beziehung zwischen den DCS-Informationen und den DAS-Informationen durch DAS = (1-Veu)*DCS ausgedrückt ist, wobei Veu einen tatsächlichen Volumenanteil eutektischer Phasen in einer Mikrostruktur definiert, welche für das ausgewählte Material spezifisch ist. Überdies umfasst das Programm, welches in dem computerlesbaren Medium enthalten ist, einen Abschnitt zum Ausgeben der DAS-Informationen. Solch eine Ausgabe kann in einer maschinenlesbaren oder für Menschen lesbaren Form vorhanden sein. Auf diese Weise wird die auf dem computerlesbaren Medium enthaltene Bestimmung von DAS in einer automatisierten Weise ausgeführt, um dadurch die Notwendigkeit zu vermeiden, solche Informationen manuell zu beschaffen, wie oben erläutert. In einer spezielleren Form kann die Verwendung eines Bildanalysegeräts (oder einer ähnlichen Einrichtung) zum automatischen Bestimmen von Dendritzellengrößeninformationen, welche dem ausgewählten Gussmaterial entsprechen, durch Verwendung entweder der DCS_li oder der DCS_ed, wie oben erläutert, erfolgen. Ferner kann eine zu analysierende Stelle unter Verwendung einer metallographischen Standardtechnik (wie z. B. der dem oben erwähnten ASTM E3 entsprechenden) bestimmt werden. In einer speziellen Form liegen die digitalen Informationen, die gelesen oder anders angenommen werden, in der Form von digitalen Bildern wie z. B. jener vor, die durch das Bildanalysegerät, mit dem Bildanalysegerät zusammenwirkende Einrichtungen oder andere, Fachleuten bekannte Verfahren, abtastbar sind. In einer anderen speziellen Form kann das Gussmaterial eine Aluminiumlegierung im Allgemeinen und eine hypoeutektische Aluminiumlegierung im Speziellen sein.
Figurenliste
Die nachfolgende detaillierte Beschreibung spezifischer Ausführungsformen ist am besten beim Lesen in Verbindung mit den nachfolgenden Zeichnungen verständlich, in denen gleiche Strukturen mit gleichen Bezugsziffern bezeichnet sind und in denen:

1 ein Graph ist, der die offenbarten DAS- und DCS-Beziehungen empirisch und theoretisch (mit variierenden prozentualen Anteilen des Volumenanteils der eutektischen Phase in einer lokalen Mikrostruktur) zusammen mit den gemessenen DAS- und DCS-Werten für zwei verschiedene Aluminiumgusslegierungen 319 und A356 zeigt;
2A bis 2D zeigen, wie eine empirische und eine theoretische Beziehung zwischen DCS und DAS hergestellt werden kann;
3A eine Photomikrographie einer Aluminiumgusslegierung ist, wobei das Linienschnittverfahren verwendet wird, um die Größe der dendritischen Struktur wie z. B. DCS_li und DAS nach dem Stand der Technik zu messen;
3B eine Darstellung der Photomikrographie von 3A mit näheren Details einer speziellen Zellenstruktur unter Verwendung einer bekannten halbautomatischen Technik ist, wobei die Länge durch die Anzahl von Dendriten geteilt ist;
4 die Beziehung zwischen DAS und DCS für die Aluminiumlegierungen A356 und 319 unter Verwendung einer Beziehung auf empirischer Basis zeigt;
5 ein Flussdiagramm zeigt, welches die verschiedenen Schritte gemäß der vorliegenden Erfindung abbildet;
6A und 6B exemplarische Methoden zeigen, um eine DAS-Messung zu erreichen; und
7 ein Bildanalysegerät zeigt, das verwendet werden kann, um einen Dendritenarmabstand gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung automatisch zu quantifizieren.

Die in den Zeichnungen dargelegten Ausführungsformen sind rein illustrativ und sollen die durch die Ansprüche definierten Ausführungsformen nicht einschränken. Zudem werden einzelne Aspekte der Zeichnungen und der Ausführungsformen in Verbindung mit der nachfolgenden detaillierten Beschreibung offensichtlicher und besser verständlich.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Als Erstes Bezug nehmend auf die 1 und 7, wie oben erwähnt, wird einer von zwei Ansätzen verwendet, um einen gemessenen oder erfassten DCS-Wert in DAS umzuwandeln. Wie oben erläutert, kann eine automatisierte Methode zum Vorhersagen einer DAS-Verteilung innerhalb einer Gusskomponente umfassen, dass eine Mikroprobe für die interessierenden Gussteilstelle genommen wird und sie durch ein computerbasiertes Bildanalysegerät analysiert wird. Speziell Bezug nehmend auf 7 umfasst ein Bildanalysegerätsystem (hierin auch als Bildanalysesystem, Bildanalysegerät oder dergleichen bezeichnet) 300 einen Computer 310 oder eine ähnliche Datenverarbeitungseinrichtung, der/die eine Verarbeitungseinheit 310A (die in der Form eines oder mehrerer Mikroprozessoren vorhanden sein kann), einen oder mehrere Mechanismen für die Informationseingabe 310 (einschließlich einer Tastatur, einer Maus oder einer anderen Vorrichtung wie z. B. eines Stimmerkennungsempfängers (nicht gezeigt)), wie auch einen oder mehrere Lader 310C (die in der Form eines magnetischen oder optischen Speichers oder einer ähnlichen Speicherung in der Form von CDs, DVDs, eines USB-Ports oder dergleichen vorhanden sein können), einen oder mehrere Anzeigeschirme oder eine ähnliche Informationsausgabe 310D, einen Speicher 310E und ein computerlesbares Programmcodemittel (nicht gezeigt) zur Verarbeitung zumindest eines Teils der empfangenen Informationen bezüglich der Aluminiumlegierung umfasst. Wie Fachleute einsehen werden, kann der Speicher 310E in der Form eines Arbeitsspeichers (RAM, auch Großspeicher genannt, der zur temporären Speicherung von Daten verwendet werden kann) und ein Anweisungen speichernder Speicher in der Form eines Nur-Lese-Speichers (ROM) vorhanden sein. Zusätzlich zu anderen Formen der Eingabe, die nicht gezeigt sind (wie z. B. eine Internet- oder eine ähnliche Verbindung zu einer externen Datenquelle), können die Lader 310C als eine Möglichkeit dienen, um Daten oder Programmanweisungen von einem computerverwendbaren Medium (wie z. B. Flash-Driver oder den zuvor erwähnten CDs, DVDs oder ähnlichen Medien) in ein anderes (z. B. den Speicher 310E) zu laden. Wie Fachleute einsehen werden, kann der Computer 300 als eine eigenständige (d. h. selbstständige) Einheit vorhanden sein oder kann der Teil eines größeren Netzwerkes wie z. B. jener sein, die beim Cloudcomputing anzutreffen sind, bei dem sich verschiedene Rechner-, Software-, Datenzugriffs und -speichervorrichtungen an ganz verschiedenen physischen Orten befinden können. Solch eine Trennung der Rechnerquellen hindert solch ein System nicht daran, als ein Computer kategorisiert zu werden.
In einer speziellen Form kann der computerlesbare Programmcode in einem ROM geladen werden, der Teil des Speichers 310E ist. Solch ein computerlesbarer Programmcode kann auch als Teil eines Fertigungsartikels ausgebildet sein, sodass sich die in dem Code enthaltenen Anweisungen auf einer magnetisch lesbaren oder optisch lesbaren Platte oder einem anderen ähnlichen nicht-transitorischen, maschinenlesbaren Medium wie z. B. einer Flash-Memory-Vorrichtung, CDs, DVDs, EEPROMs, Floppy Disks oder einem anderen derartigen Medium befinden, welches in der Lage ist, maschinenausführbare Anweisungen und Datenstrukturen zu speichern. Auf solch ein Medium kann von dem Computer 310 oder einer anderen elektronischen Vorrichtung mit der Verarbeitungseinheit 310A zugegriffen werden, die verwendet wird, um Anweisungen von dem computerlesbaren Programmcode zu interpretieren. Wie Fachleute auf dem Gebiet der Computer einsehen werden, kann ein Computer 310, der einen Teil eines Bildanalysesystems 300 bildet, außerdem zusätzliche Chipsätze wie auch einen Bus und eine ähnliche Verdrahtung zum Weiterleiten von Daten und diesbezüglichen Informationen zwischen der Verarbeitungseinheit 310A und anderen Vorrichtungen (wie den zuvor erwähnten Eingabe-, Ausgabe und Speichervorrichtungen) umfassen. Wenn das Programmcodemittel in den ROM geladen ist, wird der Computer 310 des Systems 300 eine Maschine für einen speziellen Zweck, welche ausgestaltet ist, um eine optimale Gusskomponente in einer hierin beschriebenen Art und Weise zu bestimmen. In einem anderen Aspekt kann das System 300 nur der Anweisungscode (einschließlich des der verschiedenen Programmmodule (nicht gezeigt)) sein, während das System 300 in einem noch anderen Aspekt sowohl den Anweisungscode als auch ein computerlesbares Medium, wie oben erwähnt, umfassen kann.
Fachleute werden auch einsehen, dass es außer dem Ansatz einer manuellen Eingabe, welcher in der Eingabe 310B abgebildet ist (insbesondere in Fällen, in denen große Datenmengen eingegeben werden), andere Möglichkeiten gibt, um Daten und ähnliche Informationen zu empfangen, und dass jedes herkömmliche Mittel zum Bereitstellen solcher Daten, um es der Verarbeitungseinheit 310A zu ermöglichen, auf diese einzuwirken, innerhalb des Schutzumfanges der vorliegenden Erfindung liegt. Die Eingabe 310B als solche kann auch in der Form einer Leitung mit hohem Datendurchsatz (einschließlich der oben erwähnten Internetverbindung) vorhanden sein, um große Mengen von Code-, Eingangsdaten oder anderen Informationen in den Speicher 310E anzunehmen. Die Informationsausgabe 310D ist ausgestaltet, um Informationen bezüglich des gewünschten Gießansatzes an einen Benutzer (wenn die Informationsausgabe 310D z. B. in der Form eines Bildschirms vorhanden ist, wie gezeigt) oder an ein anderes Programm oder Modell weiterzuleiten. Fachleute werden gleichermaßen einsehen, dass die der Eingabe 310B und der Ausgabe 310D zugeordneten Merkmale zu einer einzigen funktionellen Einheit wie z. B. einer graphischen Benutzeroberfläche (GUI) kombiniert werden können.
Das Bildanalysesystem 300 wird verwendet, um Informationen aus Bildern 322, insbesondere mithilfe von metallographischen Techniken, zu entnehmen, um die Struktur mit den physikalischen Eigenschaften des interessierenden Materials in Beziehung zu setzen. Diese Eigenschaften würden die Zugfestigkeit, die Fließgrenze, die Dehnung und die Härte umfassen (sind aber nicht darauf beschränkt). Beginnend mit einer zubereiteten metallographischen Probe wird ein gestürztes Mikroskop 320 verwendet, um ein Bild 322 zu machen, das von der Kamera 330 aufgenommen wird. Typischerweise werden viele Bilder 322 durch die Verwendung eines motorisierten Verfahrtisches 340 und eines Verfahrtischmusters 350 aufgenommen. Dann wird an diesen digitalisierten Bildern 322 in einer computerbasierten Routine oder einem computerbasierten Algorithmus 360 eine Grau-Schwellwertoperation ausgeführt, um die Bildanalysesoftware zu bilden, die in dem Speicher 310E oder einem anderen geeigneten computerlesbaren Medium gespeichert werden kann. Dann misst die Routine 360 die Schwellenpixel des Bildes 322. Danach werden diese Daten analysiert, um das Endergebnis zu produzieren. Ein Verfahrtisch-Steuergerät 370 (das eine joystickartige Steuerung verwendet) wird verwendet, um die Mikroprobe von einem Feld zu einem anderen Feld in dem Mikroskop 320 zu bewegen, wobei die dreidimensionalen (kartesischen) x-, y- und z-(Brennpunkt)-Verfahrtisch-Bewegungen durch das Verfahrtisch-Steuergerät 370 gesteuert werden. Dies ermöglicht eine Bewegung über ein Verfahrtischmuster hinweg, um die Analyse vieler Sichtfelder über der Probe zu gestatten. Dieses automatisierte Verfahrtischmuster - welches Autofokusmerkmale umfasst - gestattet die Aufnahme großer Datenmengen in einer kurzen Zeitspanne. Der Joystick des Verfahrtisch-Steuergeräts 370 ermöglicht eine Bewegung des Verfahrtisches, während die Probe durch das Okular des Mikroskops 320 beobachtet wird, um die Auswahl spezieller Bereiche zu erleichtern, auf denen die Analyse durchgeführt wird.
Mit spezieller Bezugnahme auf 1 wird in einem ersten, nicht beanspruchten Ansatz eine empirische Formel verwendet, die aus den Versuchsdaten für verschiedene Materialien entwickelt wurde: $DAS = a * DCS + b$
wobei α und b Materialkonstanten sind, während in einem zweiten, erfindungsgemäßen Ansatz eine physikalisch basierte (d. h. theoretische) Gleichung verwendet wird: $DAS = (1 - V_{eu}) * DCS$
wobei V_eu der tatsächliche Volumenanteil eutektischer Phasen in einer lokalen Mikrostruktur ist.
Dieser zweite Ansatz würde robuste und automatische Messungen von DAS in dendritischen Mikrostrukturen von Metallgussteilen nicht nur zur Produktqualitätskontrolle sondern auch zur Produktleistungs- und -haltbarkeitsanalyse bereitstellen. In jedem von dem empirischen oder dem physikalisch basierten (d. h. theoretischen) Ansatz der obigen Gl. (1) und (2) kann der DAS in einer dendritischen Struktur von Aluminiumgusslegierungen wie z. B. A356 und 319 automatisch aus der Messung eines oder beider von DCS und dem eutektischen Volumenanteil V_eu bestimmt werden. Gleichermaßen ist in Gl. (2) V_eu = k*ƒ_eu, wobei ƒ_eu der theoretische Volumenanteil der eutektischen Phase der Legierung (unter Gleichgewichtsbedingungen) ist und k (> 1) ein Koeffizient zur Berücksichtigung der Volumenanteilzunahme eutektischer Phasen mit zunehmender Erstarrungs (Abkühl)-Geschwindigkeit (d. h. mit abnehmendem DAS) ist.
Die hierin erläuterte Erfindung ist besonders gut für hypoeutektische Metalle (d. h. jene mit einer dendritischen Struktur) geeignet. Die vorliegende Erfindung hilft maßgeblich dabei, eine mühsame, zeitaufwändige manuelle Messung von DAS zu eliminieren, als auch bedienerabhängige Fehler zu reduzieren, wobei andernfalls eine relativ große Standardabweichung (typischerweise in der Größenordnung von ±20 %) vorhanden sein kann. Dies sorgt wiederum für genauere und zuverlässigere DAS-Daten und spart auch Labortechnikerzeit und -kosten. In einer speziellen Form wird eine Mikroprobe genommen, die dann automatisch in einem Bildanalysegerät 300 unter Verwendung von entweder DCS_li oder DCS_ed hinsichtlich DCS analysiert wird. Der gemessene DCS-Wert wird dann in Übereinstimmung mit entweder dem empirischen oder dem physikalisch basierten (d. h. theoretischen) Ansatz, die oben erläutert sind, in DAS umgewandelt. Das Verfahren der vorliegenden Erfindung würde bedeutsamerweise robuste und automatische Messungen von DAS in dendritischen Mikrostrukturen von Metallgussteilen bereitstellen, die nicht nur zur Produktqualitätskontrolle sondern auch zur Produktleistungs- und Produkthaltbarkeitsanalyse verwendet werden können.
Zuerst Bezug nehmend auf die 2A bis 2D zusammen mit 5 sind Schritte in Verbindung mit dem automatischen Bestimmen von DAS unter Verwendung des DCS_li gezeigt. Zuerst Bezug nehmend auf 2A ist ein Bild der Mikrostruktur 10 im photographierten Zustand gezeigt, welches eine zu analysierende Region zeigt. Die Mikrostruktur 10 besteht aus primären Aluminiumdendriten 20 (weiß) und eutektischen Si- und Fereichen Teilchen 30 (schwarz) und eutektischem Aluminium 40 (dieses bildet keine Dendriten, besetzt aber stattdessen Stellen neben den eutektischen Teilchen 30). Als Nächstes Bezug nehmend auf 2B werden fünf konzentrische Kreise 50 mit bekannter Länge (in exemplarischer Form als 500 Mikrometer gezeigt) als ein Gitter in einem Bildanalysegerätsystem 300 (in 7 gezeigt) verwendet, um die DCS der in 2A gezeigten dendritischen Mikrostruktur 10 abzuschätzen. Der Wert von DCS wird mithilfe von $DCS = \frac{L}{n}$
abgeschätzt, wobei L die Gesamtlänge (der Umfang) der fünf Kreise ist und n die Gesamtzahl der Schnittpunkte der fünf kreisförmigen Linien ist, welche an Zellengrenzen schneiden. Als Nächstes Bezug nehmend auf 2C wird die Mikrostruktur 10 von 2A über die konzentrischen Kreise 50 von 2B gelegt, während das Bildanalysegerät 300 DCS und den prozentualen Volumenanteil der eutektischen Regionen 30 und 40 misst 2C zeigt außerdem die Prozedur der automatischen Messung der DCS in einem Bildanalysegerät 300, wobei das überlappte Bild mit den fünf Kreisen in der bearbeiteten Mikrostruktur 10 von 2A in dem Bildanalysegerät 300 ein oder mehrere Male gestreckt und dann abgetragen wird, um die eutektischen Regionen 30, 40 vollständig zu füllen, um die Anzahl der Segmente zu bestimmen (Abschneiden). So wird dann das bearbeitete Bild der Mikrostruktur 10 mit dem Bild aus den konzentrischen Kreisen 50 in dem Bildanalysegerät 300 kombiniert, um es diesem zu ermöglichen zu bestimmen, wie viele Segmente der konzentrischen Kreise 50 durch die eutektischen Regionen 30, 40 unterbrochen oder geschnitten werden. Die Gesamtzahl der Segmente in den konzentrischen Kreisen 50 ist der Wert n in der obigen Gl. (3). Es ist ersichtlich, dass die dunkle Region von 2C einer Verschmelzung der eutektischen Teilchen 30 und des eutektischen Aluminiums 40 entspricht.
Als Nächstes Bezug nehmend auf 2D zeigt ein Graph den Vergleich der mithilfe der in Gl. (2) dargelegten theoretischen Beziehung automatisch berechneten DAS mit einer erfassten oder manuell gemessenen DAS. Jeder Datenpunkt in 2D steht sowohl für den manuell gemessenen DAS-Wert von der horizontalen Achse wie auch den berechneten DAS-Wert von der vertikalen Achse. Die Volllinie zeigt an, dass der berechnete DAS-Wert exakt der gleiche ist wie der manuell gemessene DAS. Die zwei Strichlinien sind der durchschnittliche manuell gemessene DAS innerhalb einer Standardabweichung des manuell gemessenen DAS-Werts, und alle diese Datenpunkte liegen innerhalb dieser Grenze.
Als Nächstes Bezug nehmend auf 4 ist die Beziehung zwischen DAS und DCS gezeigt, wobei eine gute lineare Korrelation zwischen den experimentellen Daten offensichtlich ist. Während 1 die theoretische Beziehung zwischen DCS und DAS mit verschiedenen Eutektikumvolumina (man beachte z. B. den Beginn bei 0,0) zeigt, zeigt 4 (die eine Teilmenge von 1 bildet, da die Strichlinie in 1 die gleiche ist wie die Linie in 4) die Geradengleichung zeigt. Nachdem DCS automatisch bestimmt wurde (wie oben erwähnt), kann der DAS danach mithilfe von Gl. (1) empirisch abgeschätzt werden. Für die analysierten Versuchsdaten liegt der Gesamtfehler bei der Abschätzung von DAS aus dem DCS-Wert innerhalb von 5 %, was statistisch signifikant ist. Für A356 und 319 (die jeweils 6 bis 7 % Si enthalten) lautet die empirische Gleichung: $\begin{matrix} D A S = 0,6334 \times D C S - 8,4459 & (DCS > 15 μ m) \end{matrix}$
wobei R² ein Maß für die Anpassungsgüte einer linearen Regression ist; in der Version, die in den 1 und 4 abgebildet ist, beträgt R² - ein dimensionsloser Bruch zwischen 0,0 und 1,0 - 0,9516. Als Referenz bedeutet ein R²-Wert von 0,0, dass die Kenntnis eines Werts entlang der Abszisse (d. h. der x-Achse) nicht dabei hilft, den entsprechenden Wert auf der Ordinate (d. h. der y-Achse) vorherzusagen. Unter solchen Umständen besteht keine lineare Beziehung zwischen den X- und Y-Werten und die Ausgleichsgerade ist eine horizontale Linie, die durch den Mittelwert aller Y-Werte verläuft. Wenn hingegen R² gleich 1,0 ist, liegen alle Punkte exakt auf einer geraden Linie ohne Streuung, sodass die Kenntnis des X-Werts zu einer exakten Vorhersage des Y-Werts führt.
Der Unterschied zwischen DAS und DCS steht in Beziehung mit dem Volumenanteil V_eu eutektischer Phasen. Das Linienschnittverfahren wurde entwickelt, indem gemessene Daten mit einer Ausgleichsgeradengleichung korreliert werden. Bei dem oben erwähnten Linienschnittverfahren (DCS_li) ist die DCS gleich dem Wert der Gesamtlänge der Linien (z. B. dem Umfang von fünf Kreisen der konzentrischen Kreise 50) dividiert durch die Gesamtzahl von Schnittpunkten an den Zellengrenzen. Somit wird das Linienschnittverfahren verwendet, um zu DCS-Werten zu gelangen, die wiederum verwendet werden, um auf der Basis der obigen Gl. (1) oder (2) in DAS-Werte umgewandelt zu werden. Das Linienschnittverfahren als solches beschafft automatisch DAS, unabhängig davon, ob der empirisch basierte oder der physikalisch basierte Ansatz verwendet wird. Es ist zu sehen, dass der in Gl. (3) verwendete DCS-Wert die Breite der Zellengrenzen nicht berücksichtigt, die mit dem Volumenanteil V_eu eutektischer Phasen oder Regionen 30, 40 in Beziehung steht. Anders ausgedrückt überschätzt das DCS-Verfahren die Dendritzellengröße, indem es nur den Volumenanteil V_eu eutektischer Phasen 30, 40 als Teil der Dendriten 20 behandelt. Der Volumenanteil V_eu eutektischer Phasen, die den Regionen 30, 40 entsprechen, kann abhängig von der Legierungszusammensetzung beträchtlich sein. In den Aluminiumlegierungen A356 (7 % Si) und 319 (6 % Si, 3,5 % Cu) beträgt der Volumenanteil V_eu eutektischer Phasen etwa 50 %. Es wird einzusehen sein, dass es die Schwarz-Weiß-Darstellung der in der Fig. gekennzeichneten Phasen oder Regionen 30 und 40 schwierig macht, diese zu identifizieren und zu unterscheiden, da sie als miteinander verschmolzen erscheinen (da beide schwarz dargestellt sind); dennoch werden Fachleute einsehen, dass andere Darstellungen (z. B. farbige) die Abgrenzungsstellen deutlicher zeigen würden.
Wie oben erwähnt, kann der DAS auch mithilfe der physikalisch basierten oben stehenden Gl. (2) von oben bestimmt werden. Für Aluminiumgusslegierungen kann der theoretische Volumenanteil ƒ_eu eutektischer Phasen aus vorhandenen Phasendiagrammen oder Thermodynamik-Rechnersoftware, wie Fachleuten bekannt, bestimmt werden. Der theoretische Volumenanteil ƒ_eu eutektischer Phasen beträgt z. B. etwa 49 % für A356 (7 % Si, 0,4 % Mg) bzw. 43 % für 319 (6 % Si, 1 % Fe, 0,5 % Mn, 3,5 % Cu).
In Wahrheit läuft die Erstarrung von Aluminiumgussteilen nie unter Gleichgewichtsbedingungen ab. Wegen der begrenzten Diffusion der gelösten Stoffe in erstarrten Aluminiumdendriten mit dem Anstieg der Erstarrungsgeschwindigkeit ist der tatsächliche Volumenanteil V_eu eutektischer Phasen üblicherweise größer als der theoretische Wert ƒ_eu. Für Legierungen mit einem hohen Diffusionsvermögen von Elementen wie Si variiert der Koeffizient k von 1 bis 1,1, während bei Legierungen mit Elementen, die ein geringes Diffusionsvermögen aufweisen, wie Cu, der Koeffizient k von 1 bis 1,2 variiert. Dies ist in guter Übereinstimmung mit den experimentellen Daten, die in den 1 und 4 gezeigt sind.
Als Nächstes Bezug nehmend auf die 3A und 3B ist ein Beispiel einer typischen Legierungsmikrostruktur 110 gezeigt, um zu illustrieren, wie das Linienschnittverfahren verwendet wird, um die Größe der dendritischen Struktur wie z. B. DCS_li und DAS gemäß dem Stand der Technik zu messen, während 3B die Zellenstruktur für das Bild in 3A zeigt, wie mithilfe einer bekannten halbautomatischen Technik an dem Bildanalysegerät 300 mit einer Bildanalysesoftware bestimmt. Wie oben erwähnt, kann das Bildanalysegerät eine Maschine (und/oder eine Software) sein, um eine moderne Bildbearbeitung, eine Verbesserung und Analyse durchzuführen. In diesem Ansatz wird die Länge L2 durch die Anzahl der Dendriten (in diesem Fall fünf) dividiert, um den DAS zu ergeben. In einer Form ist der DCS_ed-Parameter als der durchschnittliche flächenäquivalente Durchmesser definierte, während die Cäceres et al.-Referenz mit dem Titel Dendrite cell size, welche in der oben stehenden Tabelle 1 erläutert wurde, einen anderen Parameter, den mittleren flächenäquivalenten Kreisdurchmesser einer Dendritzelle, DCS_ed, gemessen mit einer halbautomatischen Technik, verwendet haben, um die Dendrite 120 zu definieren. In dem vorliegenden Kontext ist ein halbautomatischer Ansatz einer, bei dem Teile der Analyse den Einsatz manueller Schritte (z. B. in einem oder mehreren der mittleren Schritte) beinhalten. Dies entspricht grob dem Messverfahren von Dendrite cell size von Jaquet und Hotz, welches in Tabelle 1 ebenfalls erwähnt ist. Es ist üblich, das in 3A gezeigte Verfahren zu verwenden, um DAS und DCS manuell zu messen. Speziell Bezug nehmend auf 3B ist ein Ergebnis der Analyse gezeigt, nachdem alle von den eutektischen Regionen 30, 40 der 2A und 2C auf eine Liniendarstellung reduziert wurden. Alle Regionen (durch die Fläche A dargestellt) als solche werden als primäre Dendritzellen betrachtet. Der Kreis C besitzt die gleiche Fläche wie die repräsentative Region A.
Als Nächstes Bezug nehmend auf 5 zeigt ein Flussdiagramm gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung verschiedene Schritte 200 zum automatischen Quantifizieren von DAS für eine Mikroprobe eines untersuchten Materials. Wie oben erläutert, können viele der Schritte 200 (oder alle) automatisiert sein (wie z. B. durch geeignete Algorithmen, die so ausgestaltet sind, dass eine computer- oder durch einen ähnlichen Prozessor angesteuerte Vorrichtung auf sie einwirken kann). Zu Beginn wird eine Mikroprobe des untersuchten Materials (nicht gezeigt, aber allgemein dem in 2A gezeigten ähnlich) zubereitet, 210. In einer Form wird die Mikroprobe zuerst von einem Abschnitt in dem interessierenden Gussteil geschnitten. Die abgeschnittene Probe wird dann mit einem Harz thermisch befestigt, um einen kurzen Zylinder zu bilden, der die interessierende Fläche der abgeschnittenen Probe auf einem Ende des Zylinders aufweist. Nach dem Befestigen wird das Probestück nass geschliffen (z. B. mit Sandpapier oder dergleichen), um die Oberfläche des Metalls freizulegen. Anschließend wird das Probestück mit einem feineren und einem feineren abrasiven Medium geschliffen. Sobald die Informationen 220 (z. B. digitale Bilder) betreffend die Mikroprobe hergestellt sind, können diese Informationen verarbeitet werden, 230. In Fällen, in denen die Informationen z. B. in der Form eines gescannten digitalen Bildes vorliegen, können diese dann in einer Weise ähnlich der oben erwähnten von 2C verarbeitet werden. Das (oben erläuterte) Linienschnittverfahren 240 kann verwendet werden, um das Bild zu analysieren, um DCS-Informationen 250 zu erzeugen. Davon ausgehende werden die DCS-Informationen einer Bildanalyse 260 auf der Basis von Fläche- oder Volumenprozentanteilen unterzogen. Danach kann DAS über einen oder den anderen der oben erwähnten empirisch basierten oder theoretisch basierten Ansätze berechnet werden, 270. Diese Informationen können an einen Benutzer oder an zusätzliche nachfolgende Quantifizierungsprogramme, Routinen, Algorithmen, wie auch an Ausdruck- oder Speichervorrichtungen zur späteren Verwendung ausgegeben werden.
Es wird darauf hingewiesen, dass Angaben hierin, dass eine Komponente einer Ausführungsform auf eine spezielle Weise „ausgestaltet“ ist oder eine spezielle Eigenschaft oder Funktion in einer speziellen Weise erfüllt, strukturelle Angaben im Gegensatz zu Angaben einer vorgesehenen Verwendung sind. Im Spezielleren bezeichnen die Bezugnahmen auf die Art, in der eine Komponente „ausgestaltet“ ist, hierin einen bestehenden physikalischen Zustand der Komponente und sind als solche als eine eindeutige Anführung der strukturellen Eigenschaften der Komponente zu verstehen. In gleicher Weise wird darauf hingewiesen, dass, um Ausführungsformen hierin zu beschreiben und zu definieren, die Ausdrücke „im Wesentlichen“ und „ungefähr“ hierin verwendet werden, um den natürlichen Grad von Unsicherheit darzustellen, der einem beliebigen quantitativen Vergleich, Wert, einer beliebigen Messung oder anderen Darstellung zugeordnet werden kann, und als solches den Grad darstellen können, um den eine quantitative Darstellung von einer angegebenen Referenz abweichen kann, ohne dass dies zu einer Änderung in der grundlegenden Funktion des betrachteten Gegenstandes führt.
Bezugszeichenliste
2 D

*1): I-4 Motorblock (Legierung 319)
*2): V-8 Motorblock (Legierung 319)
*3): V-8 Motorblock (Legierung 356)
*4): Gemessener DAS + 1σ
*5): Gemessener SDAS -1σ

5

210: Mikroprobenzubereitung
220: Digitale Bilder der Mikroprobe
230: Bildverarbeitung - Verschmelzen eutektischer Phasen
240: Verwenden des Linienschnittverfahrens mit konzentrischen Kreisen
250: Bildanalyse der DCS
260: Bildanalyse eutektischer Phasen (Flächen-% oder Vol.-%)
270: Berechnung des DAS - Gl. (1) oder Gl. (2)

Claims

Verfahren zum automatischen Quantifizieren eines Dendritenarmabstandes in dendritischen Mikrostrukturen eines Gussmaterials, wobei das Verfahren umfasst, dass: aus dem Gussmaterial eine interessierende Stelle ausgewählt wird; die interessierende Stelle automatisch analysiert wird, um eine Dendritzellengröße darin zu quantifizieren; und die quantifizierte Dendritzellengröße durch eine theoretische Beziehung zwischen der Dendritzellengröße und dem Dendritenarmabstand in einen quantifizierten Dendritenarmabstand umgewandelt wird, wobei die theoretische Beziehung zwischen der Dendritzellengröße und dem Dendritenarmabstand durch: $DAS = (1 - V_{eu}) * DCS$
ausgedrückt ist, wobei V_eu einen tatsächlichen Volumenanteil eutektischer Phasen in einer Mikrostruktur definiert, welche für die interessierende Stelle spezifisch ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die quantifizierte Dendritzellengröße mithilfe eines Dendritzellengrößen-Linienschnittverfahrens bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die quantifizierte Dendritzellengröße mithilfe eines mittleren flächenäquivalenten Kreisdurchmesserverfahrens bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend, dass der quantifizierte Dendritenarmabstand in ein benutzerfertiges Format ausgegeben wird.
Verfahren zum automatischen Quantifizieren eines Dendritenarmabstandes in dendritischen Mikrostrukturen, wobei das Verfahren umfasst, dass: ein zu analysierendes Gussmaterial ausgewählt wird; ein Bildanalysegerät verwendet wird, um automatisch Dendritzellengrößeninformationen zu bestimmen, welche dem ausgewählten Material entsprechen; und die Dendritzellengrößeninformationen auf der Basis einer theoretischen Beziehung in einen entsprechenden Dendritenarmabstand umgewandelt werden, wobei die theoretische Beziehung zwischen der Dendritzellengröße und dem Dendritenarmabstand durch: $DAS = (1 - V_{eu}) * DCS$
ausgedrückt ist, wobei V_eu einen tatsächlichen Volumenanteil eutektischer Phasen in einer Mikrostruktur definiert, welche für das ausgewählte Material spezifisch ist.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei das Gussmaterial eine hypoeutektische Aliminiumlegierung ist.
Fertigungsartikel, umfassend ein computerverwendbares Medium mit einem darin enthaltenen computerlesbaren Programmcode zum automatischen Quantifizieren eines Dendritenarmabstandes für ein Gussmaterial, wobei der computerlesbare Programmcode in dem Fertigungsartikel umfasst: einen computerlesbaren Programmcodeabschnitt, um zu bewirken, dass der Computer Daten betreffend digitale Informationen einer interessierenden Stelle innerhalb einer Gussmaterialprobe annimmt; einen computerlesbaren Programmcodeabschnitt, um zu bewirken, dass der Computer die digitalen Informationen zu Dendritzellengrößeninformationen verarbeitet; einen computerlesbaren Programmcodeabschnitt, um zu bewirken, dass der Computer die Dendritzellengrößeninformationen durch einen Algorithmus auf der Basis einer theoretischen Beziehung in einen entsprechenden Dendritenarmabstand umwandelt, wobei die theoretische Beziehung zwischen der Dendritzellengröße und dem Dendritenarmabstand durch: $DAS = (1 - V_{eu}) * DCS$
ausgedrückt ist, wobei V_eu einen tatsächlichen Volumenanteil eutektischer Phasen in einer Mikrostruktur definiert, welche für das ausgewählte Material spezifisch ist; und einen computerlesbaren Programmcodeabschnitt, um zu bewirken, dass der Computer eine Ausgabe erzeugt, welche dem Dendritenarmabstand entspricht.
Fertigungsartikel nach Anspruch 7, wobei der computerlesbare Programmcodeabschnitt, um zu bewirken, dass der Computer die digitalen Informationen in Dendritzellengrößeninformationen umwandelt, umfasst, dass eines von einem Dendritzellengrößen-Linienschnittverfahren und einem mittleren flächenäquivalenten Kreisdurchmesserverfahren verwendet wird.