DE102015105041B4

DE102015105041B4 - Verfahren zum Ermitteln einer Hautschichtdicke in Hochdruckformgussteilen

Info

Publication number: DE102015105041B4
Application number: DE102015105041.2A
Authority: DE
Inventors: Qigui Wang; Wenying Yang; James W. Knight
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2014-04-15
Filing date: 2015-04-01
Publication date: 2019-01-03
Anticipated expiration: 2035-04-02
Also published as: DE102015105041A1; CN105021152A; US20150294448A1; CN105021152B; KR20150118915A; US9576352B2

Abstract

Verfahren zum Ermitteln einer Hautschichtdicke in einer Hochdruckformgusskomponente (100), wobei das Verfahren umfasst, dass:mehrere Bilder (5) empfangen werden, die an einer Schnittfläche an einer Position (110, 120, 130, 140, 150, 160) von Interesse in einer Probe der Komponente (100) erfasst werden und verschiedenen Tiefen in der Probe der Komponente (100) entsprechen;ein eutektischer Volumenanteil in jedem der mehreren empfangenen Bilder (5) ermittelt wird;der ermittelte Volumenanteil mit einer vorausgesagten Quantität verglichen wird; undDifferenzen in dem Vergleich mit der Hautschichtdicke korreliert werden.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Diese Erfindung betrifft allgemein die Quantifizierung von Eigenschaften in Hochdruckformguss-Aluminiumlegierungen (HPDC-Aluminiumlegierungen) und insbesondere eine verbesserte quantitative metallographische Methodik, um eine Hautschichtdicke in solchen Gusskomponenten genau zu messen.
HPDC (das auch als Formgießen bezeichnet wird) wird ausgiebig für die Herstellung leichtgewichtiger Aluminiumlegierungskomponenten im Allgemeinen und speziell bei Kraftfahrzeugkomponenten verwendet, wie beispielsweise bei Motorblöcken und Getriebegehäusen und auch bei Kolben oder Aufhängungsteilen. Geringe Kosten für eine Produktion mit großen Stückzahlen, enge Abmessungstoleranzen (endabmessungsnah) und eine glatte Oberflächenbeschaffenheit sind alles positive Eigenschaften, welche HPDC derart attraktiv machen. Anders als Legierungen (wie beispielsweise 319 oder 356), die typischerweise nicht bei HPDC verwendet werden, sind bestimmte Aluminiumlegierungen, wie beispielsweise 380, 383, 390 oder dergleichen, aufgrund ihrer Kosten, Festigkeit, Fließfähigkeit und der im Allgemeinen guten Korrosionsbeständigkeitsqualitäten besonders gut für HPDC geeignet.
Ein Nachteil des herkömmlichen HPDC-Prozesses ist, dass die Teile aufgrund des Vorhandenseins von Porosität in dem Gussteil, die aus der Dynamik resultiert, die dem HPDC-Prozess eigen ist, für eine Wärmebehandlung nicht zugänglich sind. Im Allgemeinen wird angenommen, dass mittels HPDC hergestellte Aluminiumteile einen Außenhautbereich aufweisen, der einen inneren Bereich umgibt. Bei einer solchen Struktur zeigt der Bereich, der typischerweise der Haut zugeordnet ist, eine relativ defektfreie, dichte Mikrostruktur und weist bessere mechanische Eigenschaften als der Bereich auf, welcher den inneren Gebieten zugeordnet ist, in welchen Lücken, Porosität und verwandte Defekte vorhanden sind. Diese Defekte sind im Allgemeinen durch verschiedene Faktoren bedingt, von denen einer die Schrumpfung der Legierung von einem flüssigen Metall mit geringer Dichte zu einem festen Gussteil mit hoher Dichte während der Verfestigung ist. Ein weiterer beitragender Faktor ist die Bildung von Gasen, beispielsweise von Wasserstoff oder von Dämpfen aufgrund der Zersetzung von Schmiermitteln an der Wand des Formwerkzeugs, während noch ein weiterer Faktor beliebige eingeschlossene Luft ist, die aufgrund der Geschwindigkeit auftritt, mit der das Formwerkzeug mit der Metallschmelze gefüllt wird.
Daher zeigt HPDC spezifische Konstruktionsherausforderungen. Trotz der ortsspezifischen Natur der mechanischen Eigenschaften, die vorstehend erwähnt wurde, nehmen herkömmliche Konstruktionsansätze das Vorhandensein einer einheitlichen Mikrostruktur und von einheitlichen Eigenschaften über die Gesamtheit der Gusskomponente an; vieles davon ist durch die Schwierigkeit bedingt, die Hautschichtdicke genau zu ermitteln. Solche vereinfachende Annahmen können wiederum zu unrealistischen Voraussagen von Struktureigenschaften der Komponente durch eine Analyse mittels finiter Elemente (FEA) oder durch ein verwandtes quantitatives Analysewerkzeug führen. Ungenaue Voraussagen können bei Ausfallanalysen der Komponente besonders problematisch sein, da dies entweder zu einem teuren Wartungsaufwand oder zu einer uneffizienten Überdimensionierung der Komponente führt; in beiden Fällen beeinträchtigen solche Ungenauigkeiten die Fähigkeit des Konstrukteurs der Komponente, HPDC-Materialien und -Prozesse in vollem Umfang zu nutzen.
Die DE 10 2013 206 136 A1 beschreibt ein Verfahren, mit welchem eutektische Volumenanteile in einer Probe einer Hochdruckformgusskomponente anhand von Bildern ermittelt werden, die an einer metallischen Oberfläche erfasst werden.
Eine Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren und ein Herstellungserzeugnis zu schaffen, mit denen eine Hautschichtdicke in einer Hochdruckformgusskomponente auf eine zuverlässige und kostengünstige Weise ermittelt werden kann.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren und ein Herstellungserzeugnis mit den Merkmalen der jeweiligen unabhängigen Ansprüche gelöst.
Die vorliegenden Erfinder haben ermittelt, dass ein genaues quantitatives Verständnis der Hautschichtdicke entscheidend bei der Entwicklung von Herstellungsprozessen ist, die zu verbesserten Mikrostrukturen und einer damit verbundenen Zuverlässigkeit in mittels HPDC hergestellten Aluminiumlegierungskomponenten führen. Zu diesem Zweck haben sie ein neues metallographisches Verfahren zum Quantifizieren der lokalen Hautschichtdicke in HPDC-Aluminiumteilen entwickelt. Insbesondere haben die vorliegenden Erfinder entdeckt, dass der Volumenanteil eutektischer Phasen im Hautschichtbereich aufgrund der schnelleren Abkühlungsrate (und der verringerten Diffusionsrate) von gelösten Stoffen im verfestigten Hautschichtbereich relativ zu der verbleibenden, sich verfestigenden Flüssigkeit des inneren Bereichs höher als derjenige in den inneren Bereichen (d.h. Kernbereichen) ist. Dieser Volumenanteil kann automatisch gemessen und mit der Dicke der Hautschicht in einer Bildanalyse unter Verwendung einer speziell entwickelten Routine korreliert werden. Insbesondere haben die vorliegenden Erfinder erkannt, dass die Dicke der Hautschicht mit der Distanz von der freien Oberfläche des Gussteils zu dem Ort korreliert ist, an dem sich der Volumenanteil der eutektischen Phase basierend auf der Abkühlungs- und Diffusionsdynamik, die vorstehend erwähnt ist, von dem höheren Wert auf einen geringeren Wert ändert. Der hierin beschriebene Ansatz liefert ein robustes und schnelles Mittel, um Eigenschaftsveränderungen in HPDC-Gusskomponenten, die durch die Hautschichtdicke bedingt sind, genauer zu ermitteln. Dies trägt wiederum dazu bei, dass Konstrukteure die Leistungsfähigkeit und Haltbarkeit einer Komponente mit einem höheren Grad an Genauigkeit voraussagen, was zu einer verbesserten, effizienteren Produktkonstruktion bei gleichzeitiger Verringerung der Wartungskosten führt.
Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Ermitteln der Hautschichtdicke in einem HPDC-Metallgussteil offenbart. Insbesondere ermöglicht der vorliegende Ansatz die genaue Ermittlung der Hautschichtdicke durch die Messung des eutektischen Volumenanteils. Das Verfahren umfasst, dass ein Bild (oder mehrere Bilder) eines Ortes von Interesse in einer Metallgussprobe oder einem Metallgussobjekt empfangen wird. Gemäß einer Form umfasst das Bild ein großes Mosaik verschiedener Felder, welche das Objekt bilden, als eine Möglichkeit zum Unterteilen des empfangenen Bildes in kleinere geometrische Gitterformen, in denen eutektische und nicht eutektische Abschnitte des abgetasteten Bildes leichter quantifiziert werden können. Sobald das Bild der Probe, die analysiert wird, empfangen wurde, wird der eutektische Volumenanteil ermittelt. Dieser Volumenanteil wird anschließend mittels vorbestimmter (d.h. bekannter) Quantitäten einer bekannten Legierung (wie beispielsweise 380 oder dergleichen), die in dem HPDC-Metallgussteil verwendet wird, mit der Hautschichtdicke korreliert.
Gemäß einer speziellen Form wird die vorausgesagte Quantität durch spezielle Positionen in einem Phasendiagramm (beispielsweise einem binären Phasendiagramm) der bekannten Legierung festgelegt. Das Empfangen der Bilder kann ebenso durch ein Bildanalysesystem ausgeführt werden, während die Ermittlung eines eutektischen Volumenanteils vorzugsweise ausgeführt wird, indem kontrastierende helle und dunkle Abschnitte der empfangenen Bilder bei jeder Tiefenschicht an der Position von Interesse in der Komponente quantifiziert werden. Algorithmen (die bei einer Form durch einen Prozessor oder eine verwandte Computereinrichtung ausgeführt werden können) führen die Vergleiche der idealisierten Legierung und der empfangenen Bilder unter Verwendung verschiedener Punkte am Zusammenlaufen zwischen der Solidus-, Solvus- und der eutektischen isothermen Linie und auch unter Verwendung bekannter anfänglicher Flüssiglegierungskonzentrationen der primären Legierungsbestandteile (wie beispielsweise Aluminium und Silizium in dem Fall einer Legierung 380 oder anderer mit HPDC kompatibler Legierungen) aus. Auf diese Weise kann eine genaue Ermittlung dessen, wo der äußere Bereich (welcher der Hautschichtdicke entspricht) endet und wo der innere Bereich (welcher einer Schicht entspricht, die innerhalb der Hautschichtdicke enthalten ist) beginnt, basierend auf Differenzen zwischen den vorausgesagten und gemessenen Werten bekannt werden.
Gemäß einer anderen speziellen Form umfasst das Verfahren, dass ein computergestütztes System konfiguriert wird, um zahlreiche Bilder zu empfangen, die verschiedenen Tiefen an einer Position von Interesse in einer Probe der Komponente entsprechen. Anhand dessen kann ein eutektischer Volumenanteil in jedem der empfangenen Bilder ermittelt werden, indem kontrastierende Abschnitte in den Bildern quantifiziert werden, wonach der ermittelte Volumenanteil mit einer vorausgesagten Phasendiagrammquantität der bekannten Legierung verglichen wird. Auf diese Weise werden Differenzen zwischen der vorausgesagten Quantität und dem ermittelten Volumenanteil verwendet, um eine Korrelation mit der Hautschichtdicke herzustellen.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst ein Verfahren zum Ermitteln der Hautschichtdicke in einer HPDC-Komponente, dass ein Bildanalysesystem konfiguriert wird, um Bilder zu empfangen, die verschiedenen Tiefen an einer Position von Interesse in einer Probe der Komponente entsprechen. Anhand dessen wird ein eutektischer Volumenanteil in jedem der empfangenen Bilder ermittelt, indem kontrastierende Abschnitte quantifiziert werden und indem der ermittelte Volumenanteil mit einer vorausgesagten Phasendiagrammquantität einer bekannten Legierung verglichen wird, die in der Komponente verwendet wird. Wie zuvor werden Differenzen zwischen der vorausgesagten Quantität und dem ermittelten Volumenanteil mit der Hautschichtdicke korreliert.
Gemäß einem noch weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Herstellungsartikel offenbart, der ein durch einen Computer verwendbares Medium mit einem computerlesbaren Programmcode umfasst, der darin verkörpert ist, um die Hautschichtdicke in einer Hochdruckformgusskomponente zu ermitteln.
Figurenliste
Die nachfolgende ausführliche Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann am besten verstanden werden, wenn sie in Verbindung mit den folgenden Zeichnungen gelesen wird, in welchen gleiche Strukturen durch gleiche Bezugszeichen angegeben sind und von denen:

1 ein computergestütztes System gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung zeigt, welches verwendet werden kann, um die Hautschichtdicke zu messen und zu quantifizieren;
2A eine Schnittfläche einer angenommenen gegossenen Aluminiumlegierung zeigt;
2B eine metallographische Darstellung des Gussteils von 2A mit einem darübergelegten Gitter zeigt;
2C eine Mikrostruktur eines angenommenen Hautschichtbereichs einer mittels HPDC hergestellten Komponente unter Verwendung der Legierung 380 zeigt;
2D eine Mikrostruktur eines angenommenen zentralen Kernbereichs einer mittels HPDC hergestellten Komponente unter Verwendung der Legierung 380 zeigt;
3 ein repräsentatives Al-Si-Phasendiagramm unter Gleichgewichtsbedingungen (durchgezogene Linien) und Nicht-Gleichgewichtsbedingungen (gestrichelte Linien) zeigt;
4 ein Kraftfahrzeug-Getriebegehäuse aus einer angenommenen HPDC-Aluminiumlegierung mit sechs unterschiedlichen Positionen an verschiedenen Probebereichen zeigt;
5A und 5B Beispiele metallographischer Bilder des ersten der Bereiche des Getriebegehäuses von 4 zeigen und Messergebnisse eutektischer Phasen und der Porosität umfassen, wobei 5A für ein Mikrostrukturbild des Bereichs und der momentanen Messposition vorgesehen ist und 5B eine Graphik für den gemessenen Flächenanteil der eutektischen Phase über die Wanddicke in dem Bereich ist;
6A und 6B Beispiele metallographischer Bilder des zweiten der Bereiche des Getriebegehäuses von 4 zeigen und Messergebnisse eutektischer Phasen und der Porosität umfassen, wobei 6A für ein Mikrostrukturbild des Bereichs und der momentanen Messposition vorgesehen ist und 6B eine Graphik für den gemessenen Flächenanteil der eutektischen Phase über die Wanddicke in dem Bereich ist;
7A und 7B Beispiele metallographischer Bilder des zweiten der Bereiche des Getriebegehäuses von 4 zeigen und Messergebnisse eutektischer Phasen und der Porosität umfassen, wobei 7A für ein Mikrostrukturbild des Bereichs und der momentanen Messposition vorgesehen ist und 7B eine Graphik für den gemessenen Flächenanteil der eutektischen Phase über die Wanddicke in dem Bereich ist;
8A und 8B Beispiele metallographischer Bilder des zweiten der Bereiche des Getriebegehäuses von 4 zeigen und Messergebnisse eutektischer Phasen und der Porosität umfassen, wobei 8A für ein Mikrostrukturbild des Bereichs und der momentanen Messposition vorgesehen ist und 8B eine Graphik für den gemessenen Flächenanteil der eutektischen Phase über die Wanddicke in dem Bereich ist;
9A und 9B Beispiele metallographischer Bilder des zweiten der Bereiche des Getriebegehäuses von 4 zeigen und Messergebnisse eutektischer Phasen und der Porosität umfassen, wobei 9A für ein Mikrostrukturbild des Bereichs und der momentanen Messposition vorgesehen ist und 9B eine Graphik für den gemessenen Flächenanteil der eutektischen Phase über die Wanddicke in dem Bereich ist;
10A und 10B Beispiele metallographischer Bilder des zweiten der Bereiche des Getriebegehäuses von 4 zeigen und Messergebnisse eutektischer Phasen und der Porosität umfassen, wobei 10A für ein Mikrostrukturbild des Bereichs und der momentanen Messposition vorgesehen ist und 10B eine Graphik für den gemessenen Flächenanteil der eutektischen Phase über die Wanddicke in dem Bereich ist.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Als Erstes auf 1 Bezug nehmend, kann ein automatisiertes Verfahren zum Messen eutektischer Phasen auf einem Digitalcomputer oder einer verwandten elektronischen Einrichtung ausgeführt werden, der bzw. die als ein Bildanalysesystem (IA-System) 1 ausgebildet ist; ein solches System kann auch als ein Bildanalysatorsystem, ein Bildanalysator oder dergleichen bezeichnet werden. In Situationen, in denen das System 1 auf die Weise computerbasiert ist, wie es nachstehend diskutiert wird (und auch bei geeigneten Varianten davon), wird es derart bezeichnet, dass es eine von-Neumann-Architektur aufweist. Auf ähnliche Weise wird ein speziell angepasster Computer oder eine mit einem Computer in Beziehung stehende Datenverarbeitungseinrichtung, welche die typischen Merkmale einer solchen Architektur verwendet, um zumindest einen Teil der Datenerfassung, der Datenverarbeitung oder verwandter computergestützter Funktionen auszuführen, als kompatibel mit dem Verfahren der vorliegenden Erfindung angesehen. Fachleute werden einsehen, dass durch einen Computer ausführbare Anweisungen, welche die Berechnungen verkörpern, die an anderer Stelle in dieser Offenbarung diskutiert werden, ausgeführt werden können, um die Ziele zu erreichen, die in der vorliegenden Erfindung dargelegt sind.
Das System 1 umfasst einen Computer 10 oder eine verwandte Datenverarbeitungsausrüstung, der bzw. die eine Verarbeitungseinheit 11 (die in der Form eines oder mehrerer Mikroprozessoren oder verwandter Verarbeitungsmittel vorliegen kann), einen oder mehrere Mechanismen für eine Informationseingabe 12 (einschließlich einer Tastatur, einer Maus oder einer anderen Einrichtung, wie beispielsweise eines Empfängers einer Spracherkennung (nicht gezeigt)) und auch eine oder mehrere Ladeeinrichtungen 13 (die in der Form eines magnetischen oder optischen Speichers oder einer verwandten Speichereinrichtung in der Form von CDs, DVDs, eines USB-Anschlusses oder dergleichen vorliegen können), einen oder mehrere Bildschirme zur Anzeige oder eine verwandte Informationsausgabe 14, eine Speichereinrichtung 15 und ein computerlesbares Programmcodemittel (nicht gezeigt) umfasst, um zumindest einen Teil der empfangenen Informationen zu verarbeiten, die sich auf die Aluminiumlegierung beziehen. Wie Fachleute einsehen werden, kann die Speichereinrichtung 15 in der Form eines Arbeitsspeichers (RAM, auch als Massenspeicher bezeichnet, der für die vorübergehende Speicherung von Daten verwendet werden kann) und einer die Anweisungen speichernden Speichereinrichtung in der Form eines Festwertspeichers (ROM) vorliegen. Zusätzlich zu anderen Formen der Eingabe, die nicht gezeigt sind (beispielsweise über eine Internet- oder verwandte Verbindung mit einer außerhalb befindlichen Datenquelle) können die Ladeeinrichtungen 13 als eine Möglichkeit dienen, um Daten oder Programmanweisungen von einem durch einen Computer verwendbaren Medium (wie beispielsweise Flash-Laufwerken oder den zuvor erwähnten CDs, DVDs oder verwandten Medien) in ein anderes zu laden (beispielsweise in die Speichereinrichtung 15). Wie Fachleute einsehen werden, kann der Computer 10 als eine autonome (d.h. eigenständige) Einheit existieren, oder er kann Teil eines größeren Netzes sein, wie beispielsweise von solchen, die bei der Cloud-Datenverarbeitung angetroffen werden, wobei sich verschiedene Berechnungs-, Software-, Datenzugriffs- und Speicherungsdienste an ungleichen physikalischen Orten befinden 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 enthält, in das ROM geladen werden, das Teil der Speichereinrichtung 15 ist. Ein solcher computerlesbarer Programmcode kann auch als Teil eines Herstellungserzeugnisses gebildet sein, so dass sich die Anweisungen, die in dem Code enthalten sind, auf einer magnetisch lesbaren oder optisch lesbaren Disk oder einem anderen verwandten, nichtflüchtigen und maschinenlesbaren Medium, wie beispielsweise einer Flash-Speichereinrichtung, CDs, DVDs, EEPROMs, Disketten, oder einem anderen solchen Medium befinden, das in der Lage ist, durch eine Maschine ausführbare Anweisungen und Datenstrukturen zu speichern. Auf ein solches Medium kann durch den Computer 10 oder eine andere elektronische Einrichtung zugegriffen werden, der bzw. die die Verarbeitungseinheit 11 aufweist, die zum Interpretieren von Anweisungen aus dem computerlesbaren Programmcode verwendet wird. Zusammen definieren der Prozessor 11 und ein beliebiger Programmcode, der ausgebildet ist, um durch den Prozessor 11 ausgeführt zu werden, ein Mittel zum Ausführen einer oder mehrerer Berechnungen der Größe und Verteilung von Poren, die hierin diskutiert werden. Wie Fachleute der Computertechnik verstehen werden, kann ein Computer 10, der einen Teil des Bildanalysesystems 1 bildet, zusätzlich weitere Chipsätze und auch einen Bus sowie eine dazu gehörende Verkabelung aufweisen, um Daten und verwandte Informationen zwischen der Verarbeitungseinheit 11 und anderen Einrichtungen (wie beispielsweise der zuvor erwähnten Eingabe, Ausgabe und den Speichereinrichtungen) zu übertragen. Nachdem das Programmcodemittel in das ROM geladen ist, wird der Computer 10 des Systems 1 eine Maschine zu einem speziellen Zweck, die ausgebildet ist, um Eigenschaften der Hautschichtdicke einer HPCD-Komponente auf eine Weise zu ermitteln, die hierin beschrieben ist. Gemäß einem weiteren Aspekt kann das System 1 lediglich aus dem Anweisungscode bestehen (einschließlich desjenigen der verschiedenen Programmmodule (nicht gezeigt)), während gemäß einem noch weiteren Aspekt das System 1 sowohl den Anweisungscode als auch ein computerlesbare Medium umfassen kann, wie beispielsweise eines derjenigen, die vorstehend erwähnt sind.
Fachleute werden ebenso einsehen, dass es außer dem Ansatz mit manueller Eingabe, der durch die Eingabe 12 dargestellt ist, andere Möglichkeiten zum Empfangen von Daten und verwandten Informationen gibt (insbesondere in Situationen, in denen große Datenmengen eingegeben werden) und dass ein beliebiges, herkömmliches Mittel zum Liefern solcher Daten, damit die Verarbeitungseinheit 11 mit diesen betrieben werden kann, innerhalb des Umfangs der vorliegenden Erfindung liegt. Somit kann die Eingabe 12 auch in der Form einer Datenleitung mit hohem Durchsatz vorliegen (einschließlich der vorstehend erwähnten Internetverbindung), um große Mengen an Code, Eingabedaten oder anderen Informationen in die Speichereinrichtung 15 aufzunehmen. Die Informationsausgabe 14 ist ausgebildet, um Informationen, die mit dem gewünschten Gussteilansatz in Verbindung stehen, für einen Benutzer (wenn die Informationsausgabe 14 beispielsweise in der Form eines Bildschirms vorliegt, wie es gezeigt ist) oder an ein anderes Programm oder ein anderes Modell auszugeben. Fachleute werden ebenso einsehen, dass die Merkmale, die der Eingabe 12 und der Ausgabe 14 zugeordnet sind, zu einer einzigen Funktionseinheit kombiniert werden können, wie beispielsweise einer graphischen Benutzerschnittstelle (GUI).
Als Nächstes auf 2A und 2B in Verbindung mit 1 Bezug nehmend, wird das IA-System 1 verwendet, um Informationen aus den Bildern 5 zu entnehmen, und zwar insbesondere unter Verwendung von metallographischen Techniken zum Erfassen eutektischer Eigenschaften der Gussteilprobe oder des Gussteilobjekts von Interesse. Beginnend mit einer vorbereiteten (beispielsweise polierten) metallographischen Probe, wird ein Mikroskop 20 oder eine verwandte Scanner- oder visuelle Erfassungseinrichtung verwendet, um eine Ausgabe 14 des Bildes 5 zu vergrößern und anzuzeigen, das durch die Kamera 30 erfasst wird. Typischerweise werden viele Bilder 5 durch die Verwendung eines Verschiebetisches 40 und eines Stufenmusters 50 erfasst. Ein Tischcontroller 70 (der eine Steuerung verwendet, die einem Steuerhebel ähnlich ist) kann verwendet werden, um das Mikroskopbild der Materialprobe über eine zwei- oder dreidimensionale (kartesische) Reihe von (fokussierten) x-, y- und z-Tischbewegungen von einem Feld zu einem anderen Feld in dem Mikroskop 20 zu bewegen. Dies ermöglicht eine Bewegung über ein Stufenmuster 50, um das Analysieren mehrerer Sichtfelder über die Probe zu ermöglichen. Dieses automatisierte Stufenmuster 50 - das Autofokus-Merkmale aufweist - ermöglicht die Erfassung großer Datenmengen in einer kurzen Zeitdauer. Der Steuerhebel des Tischcontrollers 70 ermöglicht eine Bewegung des Tisches, während die Probe durch das Okular des Mikroskops 20 beobachtet wird, um die Auswahl spezieller Bereiche zu erleichtern, über welche die Analyse der vorliegenden Erfindung ausgeführt wird.
Am Anfang wird eine Mikrostruktur eines repräsentativen Aluminiumgussteils, welche in 2A gezeigt ist, durch das IA-System 1 als ein Mikroskopbild optisch erfasst oder auf andere Weise empfangen. Gemäß einer speziellen Form kann das Mikroskopbild als ein Mosaikbild, das aus kleineren unterteilten Abschnitten gebildet ist, betrachtet, gespeichert und analysiert werden. Das digitale Bild der Mikrostruktur wird einmal oder mehrmals in dem IA-System 1 gedehnt und anschließend erodiert, um den eutektischen Bereich besser hervorzuheben, indem dieser beispielsweise derart dargestellt wird, dass er in 2B vollständig als verdunkelter Bereich gefüllt wird. Der Flächenanteil des dunklen Bereichs wird durch das IA-System 1 gemessen. Während eine dunkle und helle (beispielsweise schwarze und weiße) Bilddarstellung bevorzugt ist, können optional Graustufen in diesen digitalisierten Bildern 5 in einer computerbasierten Routine oder einem computerbasierten Algorithmus 60 verwendet werden (welche Graustufen in einer durch den Benutzer lesbaren Form auf einer Anzeige dargestellt werden), welcher die Bildanalysesoftware bildet, die in dem Speicher 15 oder in einem anderen geeigneten computerlesbaren Medium gespeichert ist. In einem solchen Fall verwendet das IA-System 1 die Graustufenniveaus und teilt die Niveaus zwischen Schwarz und Weiß in viele Zweierpotenzintervalle auf (beispielsweise zwischen 0 und 256 für 8-Bit-Datenformate). Bei einer bevorzugten Form werden die alternierenden dunklen und hellen Abschnitte des empfangenen Bildes durch das optische Mikroskop 20 (oder eine verwandte mechanisierte Einrichtung) basierend auf dem Graustufenkontrast zwischen den eutektischen und nicht-eutektischen Abschnitten automatisch identifiziert. Das IA-System 1 übernimmt anschließend diese identifizierten Abschnitte und misst diese automatisch aus. 2C und 2D zeigen repräsentative Hautbereiche (2C) und innere Bereiche (2D) einer angenommenen HPDC-Probe einer A380-Legierung, die zum Vorbereiten eines Getriebegehäuses verwendet wird.
Als Nächstes wird die Beziehung zwischen der Abkühlungsrate und dem Volumenanteil eutektischer Phasen ermittelt. 3 zeigt schematisch die Auswirkung der Abkühlungsrate auf den Verfestigungsprozess anhand des Phasendiagramms. Unter der Gleichgewichtsbedingung für die Verfestigung (d.h. für den inneren Bereich des Gussteils, in dem eine sehr langsame Verfestigung stattfindet) folgt die Änderung der Phasenumwandlung und der Legierungszusammensetzungen sowohl im flüssigen als auch im festen Zustand den durchgezogenen Linien in der Figur, während sich unter der Bedingung einer schnellen Abkühlung (d.h. im äußeren oder Hautschichtbereich des Gussteils) die Konzentration des gelösten Stoffs sowohl in der festen als auch in der flüssigen Phase entlang der gestrichelten Linien der Figur ändert. Wie vorstehend erwähnt wurde, ist der Volumenanteil eutektischer Phasen in der schnell verfestigten Mikrostruktur für eine beliebige gegebene anfängliche Legierungszusammensetzung erhöht. In dem gezeigten Beispiel weist eine binäre Aluminium-Siliziumlegierung eine Konzentration C des gelösten Siliziums in einem Aluminium-Lösungsmittel auf. Die Position A repräsentiert den Schnittpunkt der Solvus-Linie S1, der Solidus-Linie S2, der Aluminiummatrix und der eutektischen isothermen Linie EIL für die maximale Si-Lösbarkeit (oder den maximalen Si-Gehalt) in der Aluminiummatrix eines äußeren Bereichs der Legierung, die Position B repräsentiert den Schnittpunkt der Solvus-Linie S1, der Solidus-Linie S2 der Aluminiummatrix und der eutektischen isothermen Linie EIL für die maximale Si-Lösbarkeit (oder den maximalen Si-Gehalt) in der Aluminiummatrix eines inneren Bereichs der Legierung, die Position D repräsentiert einen eutektischen Punkt eines inneren Schichtbereichs, und die Position E entspricht dem eutektischen Punkt eines äußeren Schichtbereichs. Daher haben die Schwierigkeiten bei der Verwendung einer einzelnen Kurve (beispielsweise der eutektischen Linie B-D bei langsamer Verfestigung) zum Berechnen des theoretischen eutektischen Volumenanteils (und auch der Differenzen des eutektischen Volumenanteils zwischen der Hautschicht und dem Kern) bei einer sehr schnellen Abkühlung die vorliegenden Erfinder dazu veranlasst, die eutektische Linie B-D abwärts zu der Position zu bewegen, die durch die Linie A-E repräsentiert wird; diese Bewegung (die durch die nachstehenden Gleichungen dargestellt wird) gleicht die theoretischen Voraussagen für den eutektischen Volumenanteil mit den beobachteten experimentellen Ergebnissen ab.
Unter der Gleichgewichtsbedingung für die (sehr langsame) Verfestigung, die dem inneren Bereich (d.h. dem Kernbereich) des Gussteils entspricht, kann der Volumenanteil der eutektischen Phase geschätzt werden durch: $E u t e k t i s c h e V o l - %_{i n n e r e r B e r e i c h} = (C_{w / o} - B_{w / o}) / (D_{w / o} - B_{w / o})$
oder: $E u t e k t i s c h e V o l - %_{i n n e r e r B e r e i c h} = B C / B D$
Auf ähnliche Weise kann der Volumenanteil der eutektischen Phase unter der Bedingung der schnellen Abkühlung, die dem äußeren Bereich (d.h. dem Hautschichtbereich) des Gussteils entspricht, ebenso anhand des Phasendiagramms unter Verwendung der gestrichelten Linien geschätzt werden: $E u t e k t i s c h e V o l - %_{ä u ß e r e r B e r e i c h} = (C_{w / o} - A_{w / o}) / (E_{w / o} - A_{w / o})$
oder: $E u t e k t i s c h e V o l - %_{ä u ß e r e r B e r e i c h} = A C / A E$
Insbesondere liefern die vorstehenden Gleichungen eine quantitative Schätzung für ein binäres Al-Si-Phasendiagramm. Wenn man daher berücksichtigt, dass eine tatsächliche Legierung (wie beispielsweise 380 oder dergleichen) ferner mehrere Legierungskomponenten umfasst, kann die Verwendung von Computersoftware für die Thermodynamik zum Berechnen der Mikrostrukturen, die bei einer sehr schnellen Abkühlungsrate verfestigt werden, schwierig oder unverhältnismäßig teuer sein. Stattdessen nutzen die vorstehenden Schätzungen die Tatsache, dass die durchgezogenen Linien in dem Phasendiagramm bekannt sind und dass anhand dieser eine Basislinie (beispielsweise für die binäre Al-Si-Legierung) festgelegt werden kann. Die gestrichelten Linien - die den Punkten A und E in der Figur entsprechen und in der bekannten Technik nicht gut etabliert sind - werden erzeugt (durch die vorstehenden Gleichungen), um eine Beziehung zu der tatsächlichen Abkühlungsrate der fraglichen Komponenten herzustellen. Da die Konzentration der Gewichtsprozente von A (d.h. A_w/o) unter den schnelleren Abkühlungsbedingungen kleiner als diejenige der langsameren Abkühlungsbedingungen von B ist, ist der Volumenprozentanteil der eutektischen Phase in der schnell abgekühlten Hautschicht größer als derjenige der langsam verfestigten zentralen Kernbereiche. Wie als Nächstes beschrieben wird, können die vorstehenden Gleichungen verwendet werden, um einen solchen Volumenanteil der eutektischen Phase mit den sich unterscheidenden äußeren und inneren Bereichen zu korrelieren.
Es wurden Proben an sechs unterschiedlichen Positionen des Getriebegehäuses 100 von 4 erfasst; der Flächenprozentanteil der eutektischen Phase wurde durch eine Bildanalyseroutine, die in dem IA-System 1 verkörpert ist, über eine unterschiedliche Anzahl von Sichtfeldern bei 200-facher Vergrößerung erfasst. Der Flächenprozentanteil der eutektischen Phase umfasst eutektische Partikel und eutektisches Aluminium zwischen den Partikeln, während die Aluminiummatrix nicht einheitlich ist, wobei viele Alpha-Aluminiumdendrite vorhanden sind. Die eutektischen Siliziumpartikel (dunkelgraue Schrift und Blätter) sind im Zentrum der Abschnitte vollständig unmodifiziert und an den Oberflächen modifiziert. Im Allgemeinen sind diese unmodifizierten Siliziumpartikel groß und länglich, und sie führen zu einer geringen Fließfähigkeit und Robustheit des Materials gegenüber Bruch. Der Grad der Modifikation korreliert mit dem Flächenprozentanteil der vorhandenen eutektischen Phase.
Das erste Sichtfeld erstreckte sich von der gegossenen Oberfläche des Bereichs bis zu einer Tiefe von 0,396 mm (der Tiefe eines einzelnen Sichtfelds). Die Analyse wurde mit Inkrementen von 0,396 mm bis zu der entgegengesetzten Wand fortgesetzt. Die Bereiche 110, 120, 130 und 150 weisen eine gegossene Oberfläche an beiden Seiten auf, während die Bereiche 140 und 160 eine gegossene Oberfläche an dem ersten Sichtfeld und eine maschinell bearbeitete Oberfläche an dem letzten Sichtfeld aufweisen. Jedes Sichtfeld ist ungefähr 0,525 mm mal 0,396 mm groß, bei einer Fläche von 0,208 mm². Der Bildanalysator weist bei einer 200-fachen Vergrößerung (d.h. einer 200X-Vergrößerung) eine Auflösung von 0,326797 µm/Pixel auf, und die Messungenauigkeit (d.h. die Ungenauigkeit, die mit dem Tischmikrometer verbunden ist, und die Ungenauigkeit, die mit der Auflösung verbunden ist) beträgt ±0,6430 µm.
Der Flächenprozentanteil der Porosität wurde durch die Bildanalyseroutine über die aufgezeichneten Sichtfelder bei einer 200X-Vergrößerung ermittelt. Die kleinste Abmessung, die für den Flächenprozentanteil verwendet wurde, beträgt 10 µm². Die Analyse des Flächenprozentanteils der eutektischen Phase wurde über die Wanddicke in jedem Bereich ausgeführt, und es sind Mosaikbilder der Mikroabschnitte in 5A, 6A, 7A, 8A, 9A und 10A gezeigt. Die gemessenen Flächenprozentanteile der eutektischen Phase in den entsprechenden Proben sind in 5B, 6B, 7B, 8B, 9B und 10B gezeigt. Jeweilige gemessene Flächenprozentanteile der Porosität in den Proben (nicht gezeigt) können ebenso eingebunden werden, um einen Nachweis für die hohe Porosität in dem inneren Bereich (dem Kernbereich) zu liefern.
Unter spezieller Bezugnahme auf 5A und 5B sind Messergebnisse eutektischer Phasen und der Porosität gezeigt, die bei achtundfünfzig unterschiedlichen Sichtfeldtiefen erfasst wurden. Insbesondere zeigt 5A ein Mikrostrukturbild des Bereichs 110 und der momentanen Messposition, während 5B eine Abbildung des Prozentanteils der eutektischen Phase an jedem der achtundfünfzig Probenpunkte zeigt, die den Tiefen der Wanddicke entsprechen. Basierend auf den Messwerten, die in 5B gezeigt sind, ist zu erkennen, dass die Hautschichtdicke für diese spezielle Position in dem Getriebegehäuse zwischen 8 und 10 Sichtfeldtiefen liegt (was einer Dicke zwischen 3 und 4 mm äquivalent ist). Ähnliche Ergebnisse sind für die verbleibenden Probenpositionen von 6A bis 10B zu erkennen, wobei (beispielsweise) 6A und 6B zeigen, dass die Hautschichtdicke für diese spezielle Position in dem Getriebegehäuse zwischen 2 und 3 Sichtfeldtiefen liegt (was eine Dicke zwischen 0,8 und 1,2 mm äquivalent ist).
Es wird angemerkt, dass Ausdrücke wie „vorzugsweise“, „üblicherweise“ und „typischerweise“ hierin nicht verwendet werden, um den Umfang der beanspruchten Erfindung einzuschränken oder zu implizieren, dass bestimmte Merkmale kritisch, essentiell oder sogar wichtig für die Struktur oder die Funktion der beanspruchten Erfindung sind. Stattdessen sind diese Ausdrücke nur dazu gedacht, alternative oder zusätzliche Merkmale hervorzuheben, die bei einer speziellen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet werden können oder auch nicht. Darüber hinaus wird der Ausdruck „im Wesentlichen“ hierin verwendet, um den inhärenten Grad an Ungenauigkeit zu repräsentieren, der einem beliebigen quantitativen Vergleich, einem beliebigen Wert, einem beliebigen Messwert oder einer anderen Darstellung zugeschrieben werden kann. Somit kann dieser Ausdruck den Grad repräsentieren, um den eine quantitative Darstellung von der angegebenen Referenz abweichen kann, ohne dass dies zu einer Änderung in der Basisfunktion des vorliegenden Gegenstands führt.
Nachdem die Erfindung im Detail und durch Bezugnahme auf deren spezielle Ausführungsformen beschrieben wurde, wird offensichtlich werden, dass Modifikationen und Abweichungen 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 insbesondere in Erwägung gezogen, dass die vorliegende Erfindung nicht notwendigerweise auf diese bevorzugten Aspekte der Erfindung beschränkt ist.

Claims

Verfahren zum Ermitteln einer Hautschichtdicke in einer Hochdruckformgusskomponente (100), wobei das Verfahren umfasst, dass: mehrere Bilder (5) empfangen werden, die an einer Schnittfläche an einer Position (110, 120, 130, 140, 150, 160) von Interesse in einer Probe der Komponente (100) erfasst werden und verschiedenen Tiefen in der Probe der Komponente (100) entsprechen; ein eutektischer Volumenanteil in jedem der mehreren empfangenen Bilder (5) ermittelt wird; der ermittelte Volumenanteil mit einer vorausgesagten Quantität verglichen wird; und Differenzen in dem Vergleich mit der Hautschichtdicke korreliert werden.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die vorausgesagte Quantität spezielle Positionen in einem Phasendiagramm einer bekannten Legierung umfasst, die in der Komponente (100) verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei das Empfangen durch ein Bildanalysesystem (1) mit zumindest einem Algorithmus (60) ausgeführt wird, der darin programmiert ist.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei das Ermitteln eines eutektischen Volumenanteils umfasst, dass eine Quantifizierung kontrastierender heller und dunkler Abschnitte eines jeweiligen der empfangenen Bilder (5) verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei der zumindest eine Algorithmus (60) den Vergleich ausführt.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei das Ermitteln eines eutektischen Volumenanteils durch den Algorithmus (60) anhand der folgenden Berechnungen ausgeführt wird: $E u t e k t i s c h e V o l - %_{i n n e r e r B e r e i c h} = B C / B D$
$E u t e k t i s c h e V o l - %_{ä u ß e r e r B e r e i c h} = A C / A E$
wobei A eine Position in dem Phasendiagramm repräsentiert, die dem Schnittpunkt der Solvus-Linie, der Solidus-Linie und der eutektischen isothermen Linie für einen äußeren Bereich der Legierung entspricht, die in der Komponente (100) verwendet wird, B eine Position in dem Phasendiagramm repräsentiert, die dem Schnittpunkt der Solvus-Linie, der Solidus-Linie und der eutektischen isothermen Linie für einen inneren Schichtbereich der Legierung entspricht, die in der Komponente (100) verwendet wird, C eine anfängliche Flüssiglegierungskonzentration von Aluminium oder Silizium der Legierung repräsentiert, die in der Komponente (100) verwendet wird, D eine Position in dem Phasendiagramm repräsentiert, die dem eutektischen Punkt eines inneren Schichtbereichs der Legierung entspricht, die in der Komponente (100) verwendet wird, und E dem eutektischen Punkt eines äußeren Schichtbereichs der Legierung entspricht, die in der Komponente (100) verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei der äußere Bereich der Hautschichtdicke entspricht und der innere Bereich einer Schicht entspricht, die innerhalb der Hautschichtdicke enthalten ist.
Verfahren zum Ermitteln einer Hautschichtdicke in einer Hochdruckformgusskomponente (100), wobei das Verfahren umfasst, dass: ein Bildanalysesystem (1) konfiguriert wird, um mehrere Bilder (5) zu empfangen, die an einer Schnittfläche an einer Position (110, 120, 130, 140, 150, 160) von Interesse in einer Probe der Komponente (100) erfasst werden und die variierenden Tiefen in der Probe der Komponente (100) entsprechen; ein eutektischer Volumenanteil in jedem der empfangenen Bilder (5) ermittelt wird, indem kontrastierende helle und dunkle Abschnitte quantifiziert werden; und der ermittelte Volumenanteil mit einer vorausgesagten Phasendiagrammquantität einer bekannten Legierung verglichen wird, die in der Komponente (100) verwendet wird, wobei Differenzen zwischen der vorausgesagten Quantität und dem ermittelten Volumenanteil verwendet werden, um eine Korrelation mit der Hautschichtdicke herzustellen.
Herstellungserzeugnis, das ein durch einen Computer (10) verwendbares Medium mit einem computerlesbaren Programmcode umfasst, der darin verkörpert ist, um eine Hautschichtdicke in einer Hochdruckformgusskomponente (100) zu ermitteln, wobei der computerlesbare Programmcode in dem Herstellungserzeugnis umfasst: einen computerlesbaren Programmcodeabschnitt, um zu bewirken, dass der Computer (10) Daten erfasst, die zu digitalen Informationen von Bildern (5) gehören, die an einer Schnittfläche an einer Position (110, 120, 130, 140, 150, 160) von Interesse in einer Probe der Hochdruckformgusskomponente (100) erfasst werden und verschiedenen Tiefen in der Probe der Komponente (100) entsprechen; einen computerlesbaren Programmcodeabschnitt, um zu bewirken, dass der Computer (10) die digitalen Informationen in einen eutektischen Volumenanteil verarbeitet; einen computerlesbaren Programmcodeabschnitt, um zu bewirken, dass der Computer (10) den eutektischen Volumenanteil mittels eines Algorithmus, der auf einer empirischen Beziehung und/oder einer theoretischen Beziehung basiert, in eine entsprechende Hautschichtdicke umwandelt; und einen computerlesbaren Programmcodeabschnitt, um zu bewirken, dass der Computer (10) eine Ausgabe erzeugt, die der Hautschichtdicke entspricht.
Herstellungserzeugnis nach Anspruch 9, wobei der computerlesbare Programmcodeabschnitt zum Bewirken, dass der Computer (10) den eutektischen Volumenanteil durch einen Algorithmus, der auf einer empirischen Beziehung und/oder einer theoretischen Beziehung basiert, in eine entsprechende Hautschichtdicke umwandelt, durch den Algorithmus unter Verwendung der folgenden Berechnungen ausgeführt wird: $E u t e k t i s c h e V o l - %_{i n n e r e r B e r e i c h} = B C / B D$
$E u t e k t i s c h e V o l - %_{ä u ß e r e r B e r e i c h} = A C / A E$
wobei A eine Position in dem Phasendiagramm repräsentiert, die dem Schnittpunkt der Solvus-Linie, der Solidus-Linie und der eutektischen isothermen Linie für einen äußeren Bereich der Legierung entspricht, die in der Komponente (100) verwendet wird, B eine Position in dem Phasendiagramm repräsentiert, die dem Schnittpunkt der Solvus-Linie, der Solidus-Linie und der eutektischen isothermen Linie für einen inneren Schichtbereich der Legierung entspricht, die in der Komponente (100) verwendet wird, C eine anfängliche Flüssiglegierungskonzentration von Aluminium oder Silizium der Legierung repräsentiert, die in der Komponente (100) verwendet wird, D eine Position in dem Phasendiagramm repräsentiert, die dem eutektischen Punkt eines inneren Schichtbereichs der Legierung entspricht, die in der Komponente (100) verwendet wird, und E dem eutektischen Punkt eines äußeren Schichtbereichs der Legierung entspricht, die in der Komponente (100) verwendet wird.