DE102014111189A1

DE102014111189A1 - Verfahren zum Simulieren von Oxiden in Aluminiumgussteilen

Info

Publication number: DE102014111189A1
Application number: DE201410111189
Authority: DE
Inventors: Qigui Wang
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2013-08-13
Filing date: 2014-08-06
Publication date: 2015-02-19
Also published as: CN104368800B; CN104368800A; US9652566B2; US20150051879A1

Abstract

Ein Verfahren zum Simulieren von Aluminiumoxiddefekten in Aluminiumgussteilen umfasst, dass der Flächeninhalt einer freien Oberfläche für eine Vielzahl von Aluminiumpartikeln in einer Aluminiumschmelze ermittelt wird, dass der Flächeninhalt der freien Oberfläche für jedes Aluminiumpartikel gespeichert wird, dass die Änderung des Flächeninhalts der freien Oberfläche während des Füllens einer Gießform verfolgt wird und dass der gesamte Flächeninhalt eingebrachter oder Oberflächen-Oxidfilme basierend auf der Änderung des Flächeninhalts der freien Oberfläche während des Füllens der Gießform berechnet wird. Das Verfahren kann ferner umfassen, dass ein Skalarvariablenverfahren und ein Verfahren mit diskreten Partikeln miteinander gekoppelt werden, um die Aluminiumoxiddefekte in Aluminiumgussteilen zu simulieren.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft Voraussagen für Aluminiumoxide in Aluminiumgussteilen und insbesondere Methodiken und Techniken zum Simulieren und Voraussagen der Größe und des Volumenanteils von jungen Aluminiumoxiden, die während eines Gießform-Füllprozesses gebildet werden.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Oxidfilme bilden sich auf Aluminiumlegierungen, wenn diese einer Atmosphäre ausgesetzt werden, die Sauerstoff enthält. Speziell oxidiert Aluminium leicht bei der Anwesenheit von Luft (Gleichung (1)) oder Feuchtigkeit (Gleichungen (2) und (3)), wodurch sich schnell ein dünner, beständiger Schutz-Oxidfilm auf einer beliebigen freiliegenden Aluminiummetalloberfläche bildet, und zwar sowohl auf einer flüssigen als auch auf einer festen Oberfläche. 4Al + 3O₂ → 2Al₂O₃ (1) 3H₂O + 2Al → Al₂O₃ + 3H₂ (2) H₂ → 2[H]_Schmelze (3)
Da Aluminiumoxide thermodynamisch sehr stabil ist, ist es typischerweise in allen Aluminiumlegierungen vorhanden. Daher enthält eine beliebige Schmelzofenladung unvermeidbare Mengen an Aluminiumoxid als eine typische Beschichtung, die eine exogene Einschlussquelle darstellt. Während des Füllens der Gießform des Gussprozesses werden zusätzliche Aluminiumoxide gebildet, wenn die freie Oberfläche der Schmelzenfront mit Luft in Berührung kommt, und insbesondere dann, wenn die Geschwindigkeit der flüssigen Schmelze eine turbulente Strömung erzeugt. Es wird oft eine Unterscheidung getroffen zwischen Oxiden, die bereits in dem Schmelzofen existieren und als ”alte Oxide” bezeichnet werden, und denjenigen, die während des Füllens der Gießform erzeugt werden und als ”junge Oxide” bezeichnet werden. Campbell, J., Castings, Elsevier Butterworth-Heinemann, 2003; Q. G. Wang, C. J. Davidson, J. R. Griffiths und P. N. Crepeau, "Oxide Films, Pores and The Fatigue Lives of Cast Aluminum Alloys", Metall. Mater. Trans. vol. 37B (2006), S. 887–895. Für junde Oxide wurde die Ursache des Einbringens als ”Oberflächenturbulenz” beschrieben, eine Bezugnahme auf ein Phänomen, bei dem sich beispielsweise zwei oder mehr Strömungsfronten miteinander verbinden (Bifilme, Schlieren, Falten und Kaltschweißstellen) bei einer Kontraktion des Oberflächeninhalts einer Flüssigkeit (mit Faltenbildung der Oxidoberfläche) oder beim Durchgang einer Blase durch die Flüssigkeit.
Junge Oxide sind schädlicher für Materialeigenschaften als alte Oxide. Aufgrund des Fehlens einer Benetzung zwischen Oxidfilmen, die jeweils an einer trockenen Seite in jungen Oxiden gegeneinander gefaltet werden, entfaltet sich das eingebrachte Oxid während der Verfestigung, und es wirkt wie eine Lücke oder ein Riss in dem sich verfestigenden Aluminiumgussteil. Diese Risse können nicht nur die Anfangsorte für eine Porenbildung sein, sondern sie können auch in dem Festkörper eingefroren sein und die Zug- und Ermüdungsfestigkeit des Gussteils signifikant verringern. Die Bifilme können auch ein Warmreißen bewirken. Es wird angenommen, dass die eingebrachten Oxide die Viskosität der Schmelze erhöhen und dadurch die Fließfähigkeit verringern und die Einspeisung des Gussteils nachteilig beeinflussen. Oxidhäute an der Oberfläche können die sich zeigende Oberflächenspannung der Schmelzen signifikant vergrößern und die Wahrscheinlichkeiten der Bildung von Kaltschweißstellen, Schlieren und Auslauffehlern erhöhen.
In vielen Fällen, wie beispielsweise beim Hochdruck-Formgießen, tritt leicht eine turbulente Strömung in der Aluminiumschmelze auf. Das Problem der eingeschlossenen jungen Oxide kann entstehen, wenn die Geschwindigkeit des flüssigen Metalls an einem bestimmten Punkt in der Strömung ausreichend hoch ist, so dass diese unter der Schwerkraft zurückfällt und einen Teil ihrer eigenen Oberfläche einschließt. Es wird angenommen, dass diese kritische Geschwindigkeit für Al-, Mg-, Ti- und Fe-Legierungen zwischen 0,45 m/s und 0,5 m/s liegt. Campbell, J., Castings, Elsevier Butterworth-Heinemann, 2003. Es ist wünschenswert, unter dieser kritischen Geschwindigkeit zu bleiben, um die Anzahl der Oxide in dem Guss signifikant zu verringern. In Schwerkraft-Gießprozessen können die Geschwindigkeiten in dem Gießkelch oder dem Abwärts-Gießtrichterjedoch leicht 0,5 m/s überschreiten. Folglich bilden sich Oxide sogar, bevor das Metall in das Gieß- oder Angusskanalsystem eintritt. Diese Oxide können in das Gussteil hineingetragen werden und weisen die gleiche nachteilige Auswirkung auf wie Oxide, die in den Angusskanälen oder in dem Gießhohlraum gebildet werden. Niederdruck-Gießprozesse bieten eine verbesserte Steuerung über Füllgeschwindigkeiten, wodurch die Oxidbildung folglich im Allgemeinen verringert wird. Geschwindigkeiten in der Angusskanne überschreiten jedoch weiterhin 0,5 m/s, was zu einer Bildung von eingebrachten Oxiden führt.
Um die Oxide in den endgültigen Aluminium-Gussprodukten zu minimieren und schließen zu beseitigen, ist es wünschenswert, Oxiddefekte in gegossenen Aluminiumkomponenten vorauszusagen, um ein optimiertes Anguss-/Speisersystem, eine optimierte Filterung und ein optimiertes Füllprofil entwickeln zu können.
Obgleich es eine erhebliche praktische Notwendigkeit gibt, die Größe und das Volumen von jungen Aluminiumoxiden zu simulieren und vorauszusagen, welche sich während eines Füllprozesses einer Gießform bilden, wurden dafür bisher noch kein zuverlässiges Verfahren und keine zuverlässige Technik veröffentlicht.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
In Hinblick auf die vorstehenden und andere Probleme sind Merkmale der vorliegenden Erfindung in der vorliegenden Offenbarung enthalten, die eine Voraussage und Simulation einer Oxidbildung während eines Füllprozesses einer Gießform ermöglichen.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Simulieren von Aluminiumoxiddefekten in Aluminiumgussteilen vorgesehen, umfassend, dass der Flächeninhalt einer freien Oberfläche für eine Vielzahl von Aluminiumpartikeln in einer Aluminiumschmelze ermittelt wird, dass der Flächeninhalt der freien Oberfläche für jedes Aluminiumpartikel gespeichert wird, dass die Änderung des Flächeninhalts der freien Oberfläche während des Füllens einer Gießform verfolgt wird und dass der gesamte Flächeninhalt eingebrachter oder Oberflächen-Oxidfilme basierend auf der Änderung des Flächeninhalts der freien Oberfläche während des Füllens der Gießform berechnet wird.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Simulieren einer Aluminiumoxid-Defektverteilung in Aluminiumgussteilen vorgesehen, umfassend, dass die Bewegung eingebrachter Aluminiumoxidpartikel verfolgt wird, indem die Auftriebskraft eingebrachter Aluminiumoxidpartikel in flüssigem Aluminium, die Reibungskraft der eingebrachten Oxidpartikel, die sich durch das flüssige Aluminium bewegen, die Basset-Kraft und die hinzugefügte Masse aufgrund der Beschleunigung oder Verlangsamung der eingebrachten Aluminiumoxidpartikel durch das flüssige Aluminium hindurch berücksichtigt werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Simulieren von Aluminiumoxiddefekten in Aluminiumgussteilen vorgesehen, umfassend, dass der Flächeninhalt einer freien Oberfläche für jedes Aluminiumpartikel in einer Aluminiumschmelze ermittelt wird, dass der Flächeninhalt der freien Oberfläche für jedes Aluminiumpartikel gespeichert wird und dass die Änderung des Flächeninhalts der freien Oberfläche während des Füllens einer Gießform verfolgt wird, dass der gesamte Flächeninhalt eingebrachter oder Oberflächen-Oxidfilme basierend auf der Änderung des Flächeninhalts der freien Oberfläche während des Füllens der Gießform berechnet wird, dass der gesamte Flächeninhalt erzeugter Bifilme ermittelt wird, dass der gesamte Flächeninhalt erzeugter Schlieren ermittelt wird und dass der gesamte Flächeninhalt erzeugter Kaltschweißstellen ermittelt wird. Der gesamte Flächeninhalt der Bifilme wird berechnet, indem die Berührungsfläche zwischen Fluidfronten, die unter Winkeln von mehr als 135 Grad aufeinandertreffen, für jedes Partikel gespeichert wird und indem über alle Flächeninhalte der Partikel summiert wird. Der gesamte Flächeninhalt der Schlieren wird berechnet, indem der Flächeninhalt der Bifilme gespeichert wird, die bei Temperaturen unterhalb der Liquidus-Temperatur erzeugt werden. Der gesamte Flächeninhalt der Kaltschweißstellen wird berechnet, indem der Flächeninhalt der Bifilme gespeichert wird, die bei Temperaturen unterhalb der mittleren Temperatur des Erstarrungsbereichs erzeugt werden.
Andere beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung werden anhand der nachstehend vorgesehenen ausführlichen Beschreibung offensichtlich werden. Es versteht sich, dass die ausführliche Beschreibung und die speziellen Beispiele, obgleich sie beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung offenbaren, lediglich zu Veranschaulichungszwecken gedacht sind und den Umfang der Erfindung nicht einschränken sollen.
KURZBSCHREIBUNG DER VERSCHIEDENEN ZEICHNUNGSANSICHTEN
Die nachfolgende ausführliche Beschreibung spezieller Ausführungsformen der Erfindung kann am besten verstanden werden, wenn sie in Verbindung mit den nachfolgenden Zeichnungen gelesen wird, in denen gleiche Strukturen mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet sind und von denen:
1 die Bildung eines Bifilms zeigt;
2 ein computergestütztes System und computergestütztes Verfahren zum Simulieren von Aluminiumoxid-Bifilmen zeigt;
3 eine Gießvorrichtung zum Kippgießen zeigt; und
4 eine schematische Darstellung geschnittener Abschnitte in einem Plattengussteil zeigt, das unter Verwendung eines Niederdruckprozesses hergestellt ist.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Das Voraussagen des Auftretens von Oxiden und mit diesen verbundener Defekte, bevor ein Herstellungsprozess ausgeführt wird, bietet einen signifikanten Wert. Alternativen der Formgebung und Herstellung können vor der Produktion und der Implementierung physikalischer Herstellungsprozesse erforscht und optimiert werden. Es wird angenommen, dass diese Formgebung und Optimierung vor der Produktion zu einer verbesserten Zuverlässigkeit in dem Produkt eines Metallgießprozesses führt. Das Modellieren der Bildung und Verteilung von Oxiden und mit diesen verbundenen Defekten unter Verwendung einer numerischen Analyse des vorgeschlagenen Systems trägt dazu bei, dieses Problem zu erleichtern.
Die vorliegende Offenbarung ist auf ein Verfahren zum Simulieren von Aluminiumoxiddefekten in Aluminiumgussteilen gerichtet, umfassend: dass der Flächeninhalt einer freien Oberfläche für eine Vielzahl von Aluminiumpartikeln in einer Aluminiumschmelze ermittelt wird; dass der Flächeninhalt der freien Oberfläche für jedes Aluminiumpartikel gespeichert wird; dass die Änderung des Flächeninhalts der freien Fläche während des Füllens einer Gießform verfolgt wird; und dass der gesamte Flächeninhalt eingebrachter oder Oberfläche-Oxidfilm basierend auf der Änderung des Flächeninhalts der freien Oberfläche während des Füllens der Gießform berechnet wird.
Unter anfänglicher Bezugnahme auf 1 sind mehrere Formen von Defekten in einer Aluminiumlegierung gezeigt. Beim Aufheizen in eine flüssige Form 100 Wechselwirken verschiedene Strömungen des Aluminiums (beispielsweise eine erste Strömung 110 und eine zweite Strömung 120 sowie Tropfen 130) auf verschiedene Weisen miteinander. Wenn die Verarbeitung in einer sauerstoffhaltigen Umgebung erfolgt, können sich Oxidfilme 140 an der äußeren Oberfläche des flüssigen Aluminiums bilden, einschließlich an der ersten Strömung 110, der zweiten Strömung 120 und den Tropfen 130. Ein Bifilm 170 bildet sich, wenn die zwei Oxidfilme 140 der jeweiligen ersten Strömung 110 und zweiten Strömung 120 aufeinandertreffen. Bifilme bilden sich auch, wenn durch Turbulenz verursachte Tropfen auf der Metallströmung landen, wie es bei 150 gezeigt ist. Obgleich Bifilme 150, 170 ein inhärenter Bestandteil nahezu jedes Gießprozesses sind, sind sie im Allgemeinen für die mechanischen Eigenschaften eines Gussteils nicht schädlich, solange der Oxidfilm 140 nicht aufgrund des Faltungsvorgangs in das Volumen der Legierung eingebracht wird, wie es bei Position 160 gezeigt ist, wenn zwei separate Strömungen, die erste Strömung 110 und die zweite Strömung 120, unter großen Winkeln aufeinandertreffen (typischerweise mehr als 135 Grad, wobei eine Strömung bei einem Spritzvorgang auf eine andere Strömung auftrifft, so dass sich ein Hohlraum zwischen diesen bildet). Eine solche Formation kann signifikante Auswirkungen auf die gesamte Materialintegrität und anschließend auf die Ausschussraten der Gussteile haben. Auf ähnliche Weise können eingeschlossene Gase 180 aufgrund des Gießvorgangs des flüssigen Metalls gebildet werden, wodurch zusätzliche eingebrachte Oxide erzeugt werden.
Schlieren und Kaltschweißstellen sind andere Typen von Bifilmen, die zusätzlich gebildet werden können. In einer Simulation wird die Berührungsfläche für jedes Partikel gespeichert, was ermöglicht, dass der gesamte Flächeninhalt eines möglichen Bifilms durch eine Summation über alle solche Flächeninhalte von Partikeloberflächen berechnet wird. Schlieren (nicht gezeigt) werden als Bifilme verfolgt, die bei Temperaturen unterhalb der Liquidus-Temperatur erzeugt werden. Kaltschweißstellen (die eine Form des Bifilms 170 sind) bilden sich, wenn zwei Strömungen des flüssigen Metalls zu kalt zum Verbinden sind, wenn sie aufeinander treffen, so dass die Oxidoberfläche an der Außenseite beider Metallströmungen verhindert, dass sich die Strömungen miteinander verbinden; spezieller werden sie als Bifilme verfolgt, die bei einer Temperatur unterhalb der mittleren Temperatur des Erstarrungsbereichs (d. h. (Liquidus + Solidus)/2) erzeugt werden. Kaltschweißstellen sind möglicherweise dadurch schädlich, dass sie als Risse in dem Teil wirken und ziemlich groß sein können. Wie bei den durch Turbulenz verursachten Bifilmen kann der Flächeninhalt der Schlieren und Kaltschweißstellen durch eine Summation über alle Partikelflächeninhalte berechnet werden, und er liefert einen Index der Gussqualität. Darüber hinaus kann der gesamte Flächeninhalt der eingebrachten oder Oberflächen-Oxidfilme berechnet werden, indem der Flächeninhalt der freien Oberfläche während des Füllens der Gießform verfolgt wird. Das Modell der vorliegenden Erfindung kann verwendet werden, um anzugeben, wo sich die Kaltschweißstelle wahrscheinlich bildet, und um zu schätzen, wie groß sie ist und wie viel Einfluss sie auf das Leistungsverhalten des Teils haben würde. Diese Analyse ermöglicht Änderungen und Überarbeitungen der Formgebung, um eine beliebige vorausgesagte Bildung von Kaltschweißstellen zu beseitigen. Beispielsweise können Geometrie- und Prozessoptimierungsschritte verwendet werden, um Kaltschweißstellen basierend auf den Informationen, die anhand des Modells gemäß der vorliegenden Erfindung erhalten werden, zu verringern oder zu beseitigen. Spezielle Beispiele können das Verändern des Füllweges oder der Füllgeschwindigkeit umfassen, um zusammenlaufende Strömungen zu vermeiden. Auf ähnliche Weise kann ein solches Verändern des Füllwegs, dass das Metall nicht so viel Wärme verliert, bevor es mit der anderen Strömung zusammentrifft, zum Beseitigen des Kaltschweißstellendefekts verwendet werden.
Ein noch weiterer Defekt mit Makroskalagröße, der in Betracht gezogen werden kann, ist eingeschlossenes Gas 180. Wenn flüssiges Metall in eine Gießform gegossen oder gedrückt wird, ist es möglich, dass große Gasblasen darin eingeschlossen werden. Wenn Angusskomponenten nicht korrekt geformt sind, können signifikante Mengen an Gas in die Gießform angesaugt werden. Bei einigen Gießansätzen (beispielsweise beim Hochdruck-Formgussprozess und beim Pressgussprozess (squeeze-casting)) füllt das Metall die Gießform schneller, als das Gas aus dem Hohlraum der Gießform evakuiert werden kann, wodurch bewirkt wird, dass das Metall das eingeschlossene Gas umgibt. Das Gas im Inneren der Gießform/des Formwerkzeugs kann aus einer Beschichtung des Formwerkzeugs, aus einem Schmiermittel des Formwerkzeugs oder aus Gießform-Bindemitteln resultieren.
Gemäß einer Ausführungsform des Verfahrens zum Simulieren von Aluminiumoxiddefekten in Aluminiumgussteilen wird ein Skalarvariablenansatz verwendet, um die Aluminiumoxidbildung und -verteilung zu verfolgen. Bei der numerischen Modellierung ist es ein Ansatz, Skalarvariablen an der Metallfront einzuführen, um die Erzeugung von Oberflächenoxiden zu lokalisieren. Die Gleichungen der computergestützten Fluiddynamik (CFD-Gleichungen), die für einen solchen Ansatz gelöst werden, sind die 3D-Übergangs-Navier-Stokes-Gleichungen (4), kombiniert mit den Gleichungen des Volumens des Fluids (VOF-Gleichungen) (5) für die freie Oberfläche und die Kontinuitätsgleichung (6).
δρF / δt = –[ δ / δx(u_xρF) + δ / δy(u_yρF) + δ / δz(u_zρF)] (5) δρ / δt = –[ δ / δx(ρu_x) + δ / δy(ρu_y) + δ / δz(ρu_z)] (6)
Die 3D-Übergangs-Navier-Stokes-Gleichung (4) wird bei einer Ausführungsform des Verfahrens zum Simulieren von Aluminiumoxiddefekten in Aluminiumgussteilen verwendet, um die Geschwindigkeit der Aluminiumschmelze an jedem jeweiligen Ort zu ermitteln.
Die Gleichung des Volumens des Fluids (5) wird bei einer Ausführungsform des Verfahrens zum Simulieren von Aluminiumoxiddefekten in Aluminiumgussteilen verwendet, um den Flächeninhalt der freien Oberfläche des geschmolzenen Aluminiums zu verfolgen.
Die Kontinuitätsgleichung (6) wird bei einer Ausführungsform des Verfahrens zum Simulieren von Aluminiumoxiddefekten in Aluminiumgussteilen verwendet, um die Erhaltung der Masse sicherzustellen.
In dem Skalarvariablenverfahren kann ferner eine Konvektions-Diffusions-Transportgleichung (7) verwendet werden. Die Konvektions-Diffusions-Transportgleichung berücksichtigt die zufällige Bewegung der eingebrachten oder Oberflächen-Oxidfilme mit Diffusions- und Geschwindigkeits-Vorspannung.
Bei einer Ausführungsform des Verfahrens zum Simulieren von Aluminiumoxiddefekten in Aluminiumgussteilen werden ein Skalarvariablenverfahren und ein Verfahren mit diskreten Partikeln miteinander gekoppelt, um die Aluminiumoxiddefekte in Aluminiumgussteilen zu simulieren. Das Verfahren mit diskreten Partikeln beschreibt die Oxide als diskrete Partikel. Das Verfahren mit diskreten Partikeln wird mittels einer modifizierten Basset-Boussinesq-Oseen-Gleichung (8) eingeführt.
Die 3D-Übergangs-Navier-Stokes-Gleichungen (4), die Gleichungen des Volumens des Fluids (VOF-Gleichungen) (5) und die Kontinuitätsgleichung (6) werden in Kombination mit der modifizierten Basset-Boussinesq-Oseen-Gleichung (8) gelöst, um die einzelnen diskreten Oxidpartikel zu modellieren.
Der Skalarvariablenansatz ist für eine Analyse mittels computergestützter Fluiddynamik leicht zu programmieren. Das Verfahren mit diskreten Partikeln bietet jedoch den Vorteil, die Bewegung zwischen Oxiden und dem flüssigen Aluminiummetall direkt zu modellieren. Bei dem Verfahren mit diskreten Partikeln werden die Oberflächen-Oxidfilme verfolgt und einzelnen Partikeln zugeordnet. Die modifizierte Basset-Boussinesq-Oseen-Gleichung (8) berücksichtigt mehrere unterschiedliche Kräfte, die auf jedes diskrete Oxidpartikel wirken. Die modifizierte Basset-Boussinesq-Oseen-Gleichung (8) behandelt und berücksichtigt die Auftriebskraft eingebrachter Oxidpartikel in flüssigem Aluminium, die Reibungskraft eingebrachter Oxidpartikel, die sich durch das flüssige Aluminium bewegen, die Basset-Kraft und die hinzugefügte Masse aufgrund der Beschleunigung oder Verlangsamung der eingebrachten Aluminiumoxidpartikel durch das flüssige Aluminium. Bei einer Ausführungsform wird die Reibungskraft eingebrachter Oxidpartikel berücksichtigt, die sich durch das flüssige Aluminium bewegen, und die Reibungskraft berücksichtigt insbesondere die Form der Aluminiumoxidpartikel.
Bei einer Ausführungsform eines Verfahrens zum Simulieren von Aluminiumoxiddefekten in Aluminiumgussteilen werden Oxidfilme als Teil der Simulation an allen freien Oberflächenorten erzeugt, an denen sich bisher noch keine Oxidfilmpartikel befanden. Der Flächeninhalt der freien Oberfläche jedes Aluminiumpartikels wird gespeichert. Durch das Nachverfolgen des gesamten Flächeninhalts der freien Oberfläche und der Änderung während des Füllens der Gießform kann der gesamte Flächeninhalt der eingebrachten oder Oberflächenoxide berechnet werden.
Gemäß einer Ausführungsform eines Verfahrens zum Simulieren von Aluminiumoxiddefekten in einem Aluminiumgussteil wird der gesamte Flächeninhalt erzeugter Bifilme ermittelt. Der gesamte Flächeninhalt der Bifilme wird berechnet, indem die Berührungsfläche zwischen Fluidfronten, die unter Winkeln von mehr als 135 Grad aufeinandertreffen, für jedes der Vielzahl von Partikeln gespeichert wird und indem über alle Flächeninhalte der Partikel summiert wird.
Gemäß einer Ausführungsform eines Verfahrens zum Simulieren von Aluminiumoxiddefekten in einem Aluminiumgussteil wird der gesamte Flächeninhalt erzeugter Schlieren ermittelt. Der gesamte Flächeninhalt der Schlieren kann berechnet werden, indem der Flächeninhalt der Bifilme gespeichert wird, die bei Temperaturen unterhalb der Liquidus-Temperatur erzeugt werden.
Bei einer Ausführungsform eines Verfahrens zum Simulieren von Aluminiumoxiddefekten in einem Aluminiumgussteil wird der gesamte Flächeninhalt erzeugter Kaltschweißstellen ermittelt. Der gesamte Flächeninhalt der Kaltschweißstellen wird berechnet, indem die Fläche der Bifilme gespeichert wird, die bei Temperaturen unterhalb der mittleren Temperatur des Erstarrungsbereichs erzeugt werden. Die mittlere Temperatur des Erstarrungsbereichs ist wiederum gleich (Liquidus + Solidus)/2.
Die Simulation von Aluminiumoxiddefekten in Aluminiumgussteilen kann bei einer Ausführungsform auch in einer Kombination mit einem Computer 310 durchgeführt werden. Der Algorithmus, der als Gleichungen 4–8 offenbart ist, kann auf einem Digitalcomputer ausgeführt werden, laufen oder auf andere Weise realisiert werden, um die resultierende Datendarstellung von Aluminiumoxiddefekten in Aluminiumgussteilen zu erzeugen. Gemäß einer bevorzugten Form umfasst der Digitalcomputer eines oder mehrere einer Eingabe, einer Ausgabe, einer Verarbeitungseinheit (die oft als zentrale Verarbeitungseinheit (CPU) bezeichnet wird) und einen Speicher, der einen Code, ein Programm oder einen Algorithmus vorübergehend oder dauerhaft in dem Speicher des Computers speichern kann, so dass die Anweisungen, die in dem Code, Programm oder Algorithmus enthalten sind, basierend auf Eingabedaten derart durch die Verarbeitungseinheit ausgeführt werden, dass Ausgabedaten, die durch den Code und die Verarbeitungseinheit erzeugt werden, mittels der Ausgabe zu einem anderen Programm oder zu einem Benutzer übertragen werden können. Gemäß einer Form wird der Daten enthaltende Abschnitt des Speichers (der auch als Arbeitsspeicher bezeichnet wird) als Speicher mit zufälligem Zugriff (RAM) bezeichnet, während ein Anweisungen enthaltender Abschnitt des Speichers (der auch als Permanentspeicher bezeichnet wird) als Festwertspeicher (ROM) bezeichnet wird. Ein Datenbus oder ein mit diesem verbundener Satz von Drähten und dazugehörende Schaltungen bilden einen geeigneten Datenkommunikationspfad, der die Eingabe, die Ausgabe, die CPU und den Speicher sowie eine beliebige periphere Ausrüstung auf eine solche Weise verbinden kann, dass ermöglicht wird, dass das System als ein integriertes Ganzes arbeitet. Ein solches Computersystem wird derart bezeichnet, dass es eine von-Neumann-Architektur aufweist (und wird auch als Allzweckcomputer oder Computer mit gespeicherten Programmen bezeichnet). Auf ähnliche Weise wird angenommen, dass ein speziell angepasster Computer oder eine mit einem Computer in Beziehung stehende Datenverarbeitungseinrichtung, welche die Kernmerkmale einer von-Neumann-Architektur verwendet, um zumindest einiges von der Datenerfassung, Datenbeeinflussung oder verwandten Computerfunktionen auszuführen, innerhalb des Umfangs der vorliegenden Erfindung liegt. Fachleute werden einsehen, dass durch einen Computer ausführbare Anweisungen, welche die vorstehend diskutierten Berechnungen verkörpern, die das Messen und Berechnen einer Oxidbildung und -bewegung betreffen, zum Erreichen der Ziele ausgeführt werden können, wie sie in der vorliegenden Erfindung dargelegt sind.
Unter Bezugnahme auf 2 umfasst ein System 300 bei einer Ausführungsform einen Computer 310 oder eine verwandten Datenverarbeitungseinrichtung, der bzw. die eine Verarbeitungseinheit 310A (die in der Form eines oder mehrerer Mikroprozessoren oder verwandter Verarbeitungsmittel vorliegen kann), einen oder mehrere Mechanismen zur Informationseingabe (die eine Tastatur, eine Maus oder eine andere Einrichtung umfassen, wie beispielsweise einen Spracherkennungsempfänger (nicht gezeigt)) sowie eine oder mehrere Ladeeinrichtungen 310C (die in der Form eines magnetischen oder optischen Speichers oder einer verwandten Speichereinrichtung in der Form von CDs, DVDs, USB-Anschlüssen oder dergleichen vorliegen können), einen oder mehrere Anzeigeschirme oder verwandte Informationsausgaben 310D, einen Speicher 310E und ein computerlesbares Programmcodemittel umfasst, um zumindest einen Teil der empfangenen Informationen, die sich auf die Aluminiumlegierung beziehen, zu verarbeiten. Fachleute werden einsehen, dass der Speicher 310E in der Form eines Arbeitsspeichers (RAM, auch als Massenspeicher bezeichnet, der zum vorübergehenden Speichern von Daten verwendet werden kann) und in der Form eines Anweisungen speichernden Speichers als Festwertspeicher (ROM) vorliegen kann. Zusätzlich zu anderen Formen der Eingabe, wie beispielsweise einer Internet- oder verwandten Verbindung zu einer äußeren Datenquelle, können die Ladeeinrichtungen 310C als eine Möglichkeit dienen, um Daten oder Programmanweisungen von einem computerlesbaren Medium (wie beispielsweise von Flash-Laufwerken oder den zuvor erwähnten CDs, DVDs oder verwandten Medien) zu einem anderen (wie beispielsweise dem Speicher 310E) zu übertragen. Fachleute werden einsehen, dass der Computer als eine autonome (d. h. eigenständige) Einheit existieren kann oder dass er Teil eines größeren Netzes sein kann, wie beispielsweise eines solchen, das bei der Cloud-Datenverarbeitung angetroffen wird, bei der verschiedene Berechnungs-, Software-, Datenzugriffs- und Speicherservices an verschiedenen physikalischen Orten vorliegen können. Eine solche Trennung der computertechnischen Ressourcen verhindert nicht, dass ein solches System als ein Computer kategorisiert wird.
Gemäß einer speziellen Form kann der computerlesbare Programmcode, der die vorstehend erwähnten Algorithmen und Formeln (wie beispielweise die Gleichungen 4–8) enthält, in das ROM geladen werden, das Teil des Speichers 310E ist. Ein solcher computerlesbarer Programmcode kann auch als Teil eines Herstellungsartikels gebildet werden, so dass sich die Anweisungen, die in dem Code enthalten sind, auf einer magnetisch lesbaren oder optisch lesbaren Scheibe oder einem anderen verwandten, nichtflüchtigen und maschinenlesbaren Medium vorhanden sind, wie beispielsweise auf einer Flash-Speichereinrichtung, auf CDs, auf CVDs, auf EEPROMs, auf Disketten oder einem anderen solchen Medium, das in der Lage ist, durch eine Maschine ausführbare Anweisungen und Datenstrukturen zu speichern. Auf ein solches Medium kann durch den Computer 310 oder eine andere elektronische Einrichtung zugegriffen werden, die eine Verarbeitungseinheit 310A aufweist, die zum Interpretieren von Anweisungen aus dem computerlesbaren Code verwendet wird. Fachleute der Computertechnik werden verstehen, dass ein Computer 310, der einen Teil des Simulationssystems für die Oxidbildung in Aluminiumoxiden 300 bildet, zusätzlich weitere Chipsätze sowie einen Bus und eine dazugehörende Verdrahtung zum Übertragen von Daten und verwandten Informationen zwischen der Verarbeitungseinheit 310A und anderen Einrichtungen umfassen kann (wie beispielsweise zwischen den zuvor erwähnten Eingabe-, Ausgabe- und Speichereinrichtungen). Nachdem die Programmcodemittel in das ROM geladen sind, wird der Computer 310 des Systems 300 zu einer Maschine für einen speziellen Zweck, die ausgebildet ist, um einen Gießprozess mit optimalen Komponenten auf eine Weise zu ermitteln, die hierin beschrieben ist. Gemäß einem anderen Aspekt kann das System 300 nur der Anweisungscode sein (einschließlich desjenigen der verschiedenen Programmmodule), während gemäß einem noch anderen Aspekt das System sowohl den Anweisungscode als auch ein computerlesbares Medium wie etwa diejenigen, die vorstehend erwähnt sind, umfassen kann.
Fachleute werden ebenso einsehen, dass es andere Weisen gibt, um Daten und verwandte Informationen außer durch einen Ansatz mit manueller Eingabe zu empfangen, wie sie in der Eingabe 310B gezeigt ist (insbesondere in Situationen, in denen große Datenmengen eingegeben werden), und das ein beliebiges herkömmliches Mittel zum Liefern solcher Daten, um der Verarbeitungseinheit 310A zu ermöglichen, mit diesen zu arbeiten, innerhalb des Umfangs der vorliegenden Erfindung liegt. Somit kann die Eingabe 310 auch in der Form einer Datenleitung mit hohem Durchsatz vorliegen (einschließlich der zuvor erwähnten Internetverbindung), um große Mengen an Code, Eingabedaten oder anderen Informationen in den Speicher 310E aufzunehmen. Die Informationsausgabe 310D ist ausgebildet, um Informationen, die sich auf den gewünschten Gießansatz beziehen, an einen Benutzer (wenn die Informationsausgabe beispielsweise in der Form eines Bildschirms vorliegt) oder an ein anderes Programm oder Modell zu übertragen. Fachleute werden auf ähnliche Weise einsehen, dass die Merkmale, die der Eingabe 310B und der Ausgabe 310D zugeordnet sind, in eine Funktionseinheit, wie beispielsweise eine graphische Benutzerschnittstelle (GUI), kombiniert werden können.
Die Gültigkeit des Verfahrens zum Simulieren von Aluminiumoxiddefekten in Aluminiumgussteilen wurde durch einen Vergleich von Simulationsmodelldaten und physikalischen Experimenten überprüft. Unter Bezugnahme auf 3 wurde eine Gussanalyse mit Kippgießen ausgeführt. Eine Gießvorrichtung 400 zum Kippgießen wurde betrieben, um einen Satz von Gussstäben zu gießen, die in einer Zugstab-Gießform 410 gebildet wurden. Der Guss mittels Kippgießen bestand aus der Vorbereitung des Satzes von Gussstäben, die anschließend für Zugfestigkeits- und Elongationsmessungen verwendet wurden. Die Gießprozedur mit Kippgießen besteht aus einem derartigen Kippen der Gießvorrichtung 400 zum Kippgießen, das flüssiges Aluminium 420 in die Zuführungskanäle 430 und in die Zugstab-Gießformen 410 strömt, um den Satz der Gussstäbe zu bilden.
Die Drehgeschwindigkeit des Kippens wird variiert, um ein unterschiedliches Verhalten des flüssigen Aluminiums 420 zu erzeugen, wenn es in den Zuführungskanal 430 strömt. Das Testen wurde speziell bei Kippgeschwindigkeiten von 7, 14, 28 und 43 Grad pro Sekunde ausgeführt, beginnend bei einer horizontalen Position. Ein zusätzliches Testen wurde bei einer Kippgeschwindigkeit von 7 Grad pro Sekunde ausgeführt, beginnend bei einer Anfangsposition mit einer Neigung von –20 Grad. Der Start bei einer Neigung von –20 Grad bedeutet, dass die Gießvorrichtung 400 zum Kippgießen nach ungefähr 2,9 Sekunden mit einer Kippgeschwindigkeit von 7 Grad pro Sekunde durch die horizontale Position hindurchtritt.
Während des Kippens der Gießvorrichtung 400 zum Kippgießen wurde der Flächeninhalt der freien Oberfläche des flüssigen Aluminiums 420 als Funktion der Zeit berechnet. Zusätzlich erzeugt der Algorithmus Oxidpartikel an der Oberfläche des flüssigen Aluminiums 420 und eingefaltete Oberflächenoxide an Positionen, an denen das flüssige Aluminium lokal kontrahiert ist. Die Oxide an der Oberfläche wurden zwangsläufig mit lokalen Positionen an der freien Oberfläche in Übereinstimmung gebracht. Die Bewegung der eingefalteten oder eingebrachten Oxide wurde jedoch unter Verwendung des offenbarten diskreten Partikelmodells verfolgt.
Während des Kippens der Gießvorrichtung 400 zum Kippgießen wird eine große Menge an Oxiden eingebracht, wenn sich die freie Oberfläche mit der Bildung einer hydraulischen Welle an den Enden des Gussteils zurückfaltet. Wenn das flüssige Aluminium 420 abrupt auf das Ende des Zuführungskanals 430 trifft, wird das flüssige Aluminium auf sich selbst zurückgefaltet, wodurch eine Vielzahl von eingebrachten Oxiden erzeugt wird. Diese eingebrachten Oxide werden schnell ausgebreitet und sind relativ gleichmäßig über die Zugstab-Gießform 410 und dadurch über den Satz von Gussstäben verteilt.
Es wird angenommen, dass die ausgebreiteten Oxide eine Verringerung des Weibull-Moduls von Gussstäben bewirken (siehe J. Campbell, Castings, 2. Ausgabe, Oxford: Butterworth-Heinemann, 2003.). Daher würde eine Korrelation zwischen dem Vorherrschen ausgebreiteter, eingebrachter Oxide und dem Weibull-Modul in einem Gussstab erwartet werden. Eine quantitative Messung des gesamten Flächeninhalts des Oxidfilms, der in das Gussteil eingebracht wird, wurde für jede Drehgeschwindigkeit der Gießvorrichtung 400 zum Kippgießen berechnet. Die Korrelation zwischen den vorausgesagten Oxiden und dem Weibull-Modul veranschaulicht die Gültigkeit des Modells.

Der berechnete Flächeninhalt der eingebrachten Oxidoberfläche und der experimentell gemessene Weibull-Modul sind nachstehend für mehrere Drehgeschwindigkeiten der Gießvorrichtung 200 zum Kippgießen angegeben.

Drehgeschwindigkeit	Flächeninhalt der eingebrachten Oxidoberfläche (cm²)	Weibull-Modul
Drehgeschwindigkeit	Flächeninhalt der eingebrachten Oxidoberfläche (cm²)	Zugfestigkeit	Dehnbarkeit
7 Grad/s	55,07	19,5	2,2
14 Grad/s	55,41	16,0	3,9
28 Grad/s	63,02	13,0	2,4
43 Grad/s	80,11	17,0	3,8
7 Grad/s; 20 Grad zurück	14,71	35,5	7,8

Gemäß einem zweiten Beispiel für die experimentelle Validierung einer Ausführungsform eines Verfahrens zum Simulieren von Aluminiumoxiddefekten in einem Aluminiumgussteil wurde eine Analyse eines Niederdruckgussteils ausgeführt. Ein zweites Beispiel der Oberflächen-Oxidmodellierung umfasste Plattengussteile 500, die unter Verwendung eines Niederdruckprozesses hergestellt wurden. Das Gussteil wurde mit der Aluminiumlegierung 319 hergestellt. Drei Plattengussteile 500 wurden gleichzeitig in einem 3-fach-Angusskanalsystem hergestellt. Anfänglich waren 67 Sekunden erforderlich, um den Anguss und die Angusskanäle zu füllen, und weitere 3,6 bis 4,6 Sekunden waren notwendig, um jede der drei Platten zu füllen.
Die vorausgesagten Füllzeiten aufgrund der Simulationsergebnisse lagen in allgemeiner Übereinstimmung mit experimentellen Messungen bei ungefähr 4,5 Sekunden. Zusätzlich wurde das zentrale Plattengussteil 500 während der Simulation langsamer als die äußeren zwei Plattengussteile 500 gefüllt, was mit den experimentellen Daten übereinstimmt. Die Ursache der Abweichung bezüglich der Füllgeschwindigkeiten war eine Differenz in der Angusskanalbreite zwischen den Angusskanälen; der zentrale Angusskanal des Gussteils war um 10% enger als diejenigen, die zu den zwei seitlichen Plattengussteilen 500 führten.
Die quantitative Analyse unter Verwendung einer Ausführungsform eines Verfahrens zum Simulieren von Aluminiumoxiddefekten in Aluminiumgussteilen wurde verwendet, um die Bildung und Verteilung von Oxiden in den Gussplatten vorauszusagen. Oxide, die in das flüssige Metall aufgrund von einfachen Schwingungen der freien Oberfläche eingebracht werden, und die entsprechende Ausdehnung und Kontraktion der freien Oberfläche wurden ermittelt. Gemäß dem Modell wurden die meisten der Oxide in den Hauptangusskanälen in das flüssige Metall eingebracht, sie traten durch die Angüsse hindurch und wurden nahezu zufällig in den gesamten Plattengussteilen 500 verteilt.
Es wurden experimentelle Messungen der Oxide in den Plattengussteilen ausgeführt. Unter Bezugnahme auf 4 wurden die Plattengussteile 500 in Scheiben 510 geschnitten. Anschließend wurde jede Scheibe 510 in sechs geschnittene Teile 320 aufgebrochen. Das Aufbrechen in sechs geschnittene Teile 520 lieferte 5 Paare gebrochener Oberflächen 530 für eine Prüfung sowohl unter einem optischen als auch einem Elektronenmikroskop. Die Oxide an den gebrochenen Oberflächen 530 wurden gemessen, um einen numerischen Wert für das Vorhandensein eines Oxids in jeder Scheibe 510 zu erhalten.
Ein direkter Vergleich der experimentell erhaltenen Oxidverteilung und den Ergebnissen des numerischen Modells ist schwierig, da sich die experimentellen Daten auf einer 2-dimensionalen Bruchoberfläche 530 befinden, während die numerischen Modellvoraussagen 3-dimensional sind. Es kann jedoch eine Schätzung ausgeführt werden, in dem der gesamte Flächeninhalt der Oberfläche der Oxide, der an jeder Scheibe 510 gemessen wird, mit dem gesamten Flächeninhalt der Oberfläche verglichen wird, der gemäß der Voraussage in einem dünnen Volumen des Materials an jedem Scheibenort auftritt. Die dünne Scheibe kann beispielsweise 2 mm dick sein. Die experimentellen Daten und die vorausgesagten Modelldaten werden anschließend beide auf ihre jeweiligen Schnittflächen normiert. Obwohl der Vergleich in Abhängigkeit von der 3d-Scheibendicke variiert, gibt es eine vernünftige Übereinstimmung zwischen dem Experiment und den numerischen Voraussagen.

Der Vergleich des experimentellen Oxidflächeninhalts und des numerisch vorausgesagten Oxidflächeninhalts ist nachstehend für jede Scheibe 310 angegeben.

	Plattengussteil 500 #1		Plattengussteil 500 #2
	Experimentell (% des Flächeninhalts)	Numerisch (% des Flächeninhalts)	Experimentell (% des Flächeninhalts)	Numerisch (% des Flächeninhalts)
Scheibe #1	0,16737	0	0,587664	0
Scheibe #2	0,04847	0,015528	0,171129	0
Scheibe #3	0,01076	0,0141579	0,367017	0,067304654
Scheibe #4	0,14392	0	0,009974	0,021122236
Scheibe #5	0,17200	0,0904752	0,108399	0,03136189
Scheibe #6	0,07699	0,2857618	0,208749	0,034045213
Scheibe #7	0,02100	0,1495055	0,956955	0,121348268
Scheibe #8	0,02931	0,0849407	0,192826	0,177654307
Scheibe #9	0,02301	0,0905781	0,036395	0,078818913
Scheibe #10	0,10359	0,1168197	0,090026	0,098823974
Scheibe #11	0,06290	0,114474	0,064042	0,133405724
Scheibe #12	0,18355	0,1801676	0,012546	0,09041363
Scheibe #13	3,15643	0,198393	1,904812	0,036072929
Scheibe #14	0,02975	0,056675	0,171041	0,175137701
Scheibe #15	0,01820	0,103092	0,693263	0,35388985
Scheibe #16	1,33981	0,0705863	0,125022	0,102227055
Scheibe #17	0,05827	0,023553	0,051881	0,145591953
Scheibe #18	0,29361	0,0250361	0,088189	0,060223063
Scheibe #19	0,07874	0,1550779	0	0,130970366
Scheibe #20	0,03911	0,0174871	0,113561	0
Scheibe #21	0,06203	0,0395794	0,221697	0,048243583
Scheibe #22	0,37305	0,1137188	3,961592	0,013249083

Es wird angemerkt, dass Begriffe wie ”vorzugsweise”, ”üblicherweise” und ”typischerweise” hierin nicht verwendet werden, um den Umfang der beanspruchten Erfindung einzuschränken oder um zu implizieren, dass bestimmte Merkmale kritisch, wesentlich oder sogar wichtig für die Struktur oder Funktion der beanspruchten Erfindung sind. Stattdessen sind diese Begriffe lediglich dazu gedacht, alternative oder zusätzliche Merkmale hervorzuheben, die in einer speziellen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet werden können oder auch nicht.
Zu Zwecken der Beschreibung und Definition der vorliegenden Erfindung wird angemerkt, dass der Begriff ”im Wesentlichen” hierin verwendet wird, um den inhärenten Grad an Unsicherheit zu repräsentieren, der einem beliebigen quantitativen Vergleich, Wert, einer beliebigen quantitativen Messung oder anderen Darstellung zugeschrieben werden kann. In dem vorliegenden Zusammenhang kann der Begriff ”im Wesentlichen” hierin auch verwendet werden, um den Grad zu repräsentieren, um den eine quantitative Darstellung von einer angegebenen Referenz abweichen kann, ohne dass dies zu einer Änderung in der Basisfunktion des betreffenden Gegenstands führt. Er wird somit verwendet, um den inhärenten Grad an Unsicherheit zu repräsentieren, der einem beliebigen quantitativen Vergleich, Wert, einer beliebigen quantitativen Messung oder anderen Darstellung zugeschrieben werden kann, welche sich auf eine Anordnung von Elementen oder Merkmalen bezieht, die, obgleich gemäß der Theorie erwartet werden würde, dass sich eine exakte Entsprechung oder ein exaktes Verhalten zeigt, in der Praxis eine etwas weniger exakte Verkörperung sein können.
Nachdem die Erfindung im Detail und unter Bezugnahme auf spezielle Ausführungsformen von dieser beschrieben wurde, ist offensichtlich, dass Modifikationen und Variationen möglich sind, ohne von dem Umfang der Erfindung abzuweichen, der in den beigefügten Ansprüchen definiert ist. Obgleich einige Aspekte der vorliegenden Erfindung hierin als bevorzugt oder besonders vorteilhaft identifiziert werden, wird spezieller in Betracht gezogen, dass die vorliegende Erfindung nicht notwendigerweise auf diese bevorzugten Aspekte der Erfindung beschränkt ist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

Campbell, J., Castings, Elsevier Butterworth-Heinemann, 2003 [0003]
Q. G. Wang, C. J. Davidson, J. R. Griffiths und P. N. Crepeau, ”Oxide Films, Pores and The Fatigue Lives of Cast Aluminum Alloys”, Metall. Mater. Trans. vol. 37B (2006), S. 887–895 [0003]
Campbell, J., Castings, Elsevier Butterworth-Heinemann, 2003 [0005]
J. Campbell, Castings, 2. Ausgabe, Oxford: Butterworth-Heinemann, 2003 [0043]

Claims

Verfahren zum Simulieren von Aluminiumoxiddefekten in Aluminiumgussteilen, umfassend, dass: der Flächeninhalt einer freien Oberfläche für eine Vielzahl von Aluminiumpartikeln in einer Aluminiumschmelze ermittelt wird; der Flächeninhalt der freien Oberfläche für jedes Aluminiumpartikel gespeichert wird; die Änderung des Flächeninhalts der freien Oberfläche während des Füllens einer Gießform verfolgt wird; und der gesamte Flächeninhalt eingebrachter oder Oberflächen-Oxidfilme basierend auf der Änderung des Flächeninhalts der freien Oberfläche während des Füllens der Gießform berechnet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei ein Skalarvariablenverfahren und ein Verfahren mit diskreten Partikeln miteinander gekoppelt werden, um die Aluminiumoxiddefekte in Aluminiumgussteilen zu simulieren.
Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend, dass der gesamte Flächeninhalt von erzeugten Bifilmen ermittelt wird, wobei der gesamte Flächeninhalt der Bifilme berechnet wird, indem die Berührungsfläche zwischen Fluidfronten, die unter Winkeln von mehr als 135 Grad aufeinandertreffen, für jedes der Vielzahl von Partikeln gespeichert wird und indem über alle Flächeninhalte der Partikel summiert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Geschwindigkeit der Aluminiumschmelze unter Verwendung des Algorithmus ermittelt wird:
wobei der Flächeninhalt der freien Oberfläche unter Verwendung des Algorithmus verfolgt wird: δρF / δt = –[ δ / δx(u_xρF) + δ / δy(u_yρF) + δ / δz(u_zρF)] und wobei die Erhaltung der Masse unter Verwendung des Algorithmus sichergestellt wird: δρ / δt = –[ δ / δx(ρu_x) + δ / δy(ρu_y) + δ / δz(ρu_z)].
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Bewegung eines diskreten eingebrachten Oxidpartikels durch den Algorithmus beschrieben wird:
Verfahren nach Anspruch 4, wobei die Bewegung eines diskreten eingebrachten Oxidpartikels durch den Algorithmus beschrieben wird:
Verfahren nach Anspruch 6, wobei das Verfahren durch einen Computer mit den in diesem programmierten Algorithmen ausgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei die Geschwindigkeit der Aluminiumschmelze unter Verwendung des Algorithmus ermittelt wird:
wobei der Flächeninhalt der freien Oberfläche unter Verwendung des Algorithmus verfolgt wird: δρF / δt = –[ δ / δx(u_xρF) + δ / δy(u_yρF) + δ / δz(u_zρF)]; wobei die Erhaltung der Masse unter Verwendung des Algorithmus sichergestellt wird: δρ / δt = –[ δ / δx(ρu_x) + δ / δy(ρu_y) + δ / δz(ρu_z)]; und wobei die Bewegung der eingebrachten oder Oberflächen-Oxidfilme durch den Algorithmus beschrieben wird:
Verfahren zum Simulieren der Verteilung von Aluminiumoxiddefekten in Aluminiumgussteilen, umfassend, dass: die Bewegung eingebrachter Aluminiumoxidpartikel verfolgt wird, indem die Auftriebskraft eingebrachter Aluminiumoxidpartikel in flüssigem Aluminium, die Reibungskraft eingebrachter Oxidpartikel, die sich durch das flüssige Aluminium bewegen, die Basset-Kraft und die hinzugefügte Masse aufgrund der Beschleunigung oder Verlangsamung der eingebrachten Aluminiumoxidpartikel durch das flüssige Aluminium berücksichtigt werden.
Verfahren zum Simulieren von Aluminiumoxiddefekten in Aluminiumgussteilen, umfassend, dass: der Flächeninhalt einer freien Oberfläche für eine Vielzahl von Aluminiumpartikeln in einer Aluminiumschmelze ermittelt wird; der Flächeninhalt der freien Oberfläche für jedes Aluminiumpartikel gespeichert wird; die Änderung des Flächeninhalts der freien Oberfläche während des Füllens einer Gießform verfolgt wird; der gesamte Flächeninhalt eingebrachter oder Oberflächen-Oxidfilme basierend auf der Änderung des Flächeninhalts der freien Oberfläche während des Füllens der Gießform berechnet wird; der gesamte Flächeninhalt erzeugter Bifilme ermittelt wird; der gesamte Flächeninhalt erzeugter Schlieren ermittelt wird; und der gesamte Flächeninhalt erzeugter Kaltschweißstellen ermittelt wird; wobei der gesamte Flächeninhalt der Bifilme berechnet wird, indem die Berührungsfläche zwischen Fluidfronten, die unter Winkeln von mehr als 135 Grad aufeinandertreffen, für jedes Partikel berechnet wird und indem über alle Flächeninhalte der Partikel summiert wird; wobei der gesamte Flächeninhalt der Schlieren berechnet wird, indem der Flächeninhalt der Bifilme gespeichert wird, die bei Temperaturen unterhalb der Liquidus-Temperatur erzeugt werden; wobei der gesamte Flächeninhalt der Kaltschweißstellen berechnet wird, indem der Flächeninhalt der Bifilme gespeichert wird, die bei Temperaturen unterhalb der mittleren Temperatur des Erstarrungsbereichs erzeugt werden; wobei die Geschwindigkeit der Aluminiumschmelze unter Verwendung des Algorithmus ermittelt wird:
wobei der Flächeninhalt der freien Oberfläche unter Verwendung des Algorithmus verfolgt wird: δρF / δt = –[ δ / δx(u_xρF) + δ / δy(u_yρF) + δ / δz(u_zρF)], und wobei die Erhaltung der Masse unter Verwendung des Algorithmus sichergestellt wird: δρ / δt = –[ δ / δx(ρu_x) + δ / δy(ρu_y) + δ / δz(ρu_z)]; und wobei die Bewegung eines diskreten eingeschlossenen Oxidpartikels durch den Algorithmus beschrieben wird: