DE19918005B4

DE19918005B4 - Verfahren zur Optimierung eines Gießverfahrens zur Herstellung eines Gußteils

Info

Publication number: DE19918005B4
Application number: DE1999118005
Authority: DE
Inventors: Martin Balliel
Original assignee: Alstom SA
Current assignee: Ansaldo Energia Switzerland AG
Priority date: 1999-04-21
Filing date: 1999-04-21
Publication date: 2011-06-22
Anticipated expiration: 2019-04-22
Also published as: DE19918005A1

Abstract

Verfahren zur Optimierung eines Gießverfahrens zur Herstellung eines Gußteils, das aus fließfähigem Gußmaterial durch Erstarren des Gußmaterials hergestellt wird, wobei das fließfähige Gußmaterial unter Ausbildung von Bereichen erstarrt, die von erstarrtem oder teilerstarrtem Gußmaterial oder der Form oder einem Kern vollständig umgeben werden, innerhalb denen fließfähiges Material eingeschlossen wird, das unter Volumenkontraktion erstarrt, wodurch Poren mit einem Volumen VPor gebildet werden, die dem Gußteil eine Porosität P verleiht, dadurch gekennzeichnet, – dass die Porosität P einer numerischen Nachbildung des Gußteils ausgehend von einer Material Form- und Prozeßparameterwahl berechnet wird, indem das Volumen VPor aller innerhalb des numerisch nachgebildeten Gußteils eingeschlossenen Poren derart ermittelt wird, dass das Gußteil mit einem dreidimensionalen nicht-strukturierten oder strukturierten Netz, bestehend aus einer Vielzahl einzelner Knotenpunkte, nachgebildet wird, und dass bei einer vorgegebenen Temperatur, der Solidus-Temperatur TSol, zur Bestimmung der eingeschlossenen Bereiche folgende Verfahrensschritte durchgeführt werden: a) Auswahl eines Start-Knotenpunktes i, der...

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Optimierung eines Gießverfahrens zur Herstellung eines Gußteils, das aus fließfähigem Gußmaterial durch Erstarren des Gußmaterials hergestellt wird, wobei das fließfähige Gußmaterial unter Ausbildung von Bereichen erstarrt, die von erstarrtem oder teilerstarrtem Gußmaterial oder dem Formstoff vollständig umgeben werden, innerhalb denen fließfähiges Material eingeschlossen wird, das unter Volumenkontraktion erstarrt, wodurch Poren mit einem Volumen V_Por gebildet werden, die dem Gußteil eine Porosität P verleihen.
Stand der Technik
Porositäten spielen bei der Bewertung von Bauteilen, die als Gußteile in der oben angegebenen Weise hergestellt werden, hinsichtlich ihrer mechanischen Belastbarkeit eine wichtige Rolle, zumal Porositäten i. a. die mechanischen Eigenschaften des Bauteils, insbesondere die Festigkeit bei Kriech-, Wechsel- und statischer Beanspruchung erheblich zu mindern vermögen. Die Bestimmung der Porosität trägt daher zur Kenntnis der Werkstoffeigenschaften für ein bestimmtes Bauteil bei und stellt einen Bewertungsparameter für die Güte des Herstellprozesses also des Gießverfahrens dar.
Für den vorwiegenden Anteil von Gußteilen, die mittels Gießprozessen hergestellt werden, werden als Gießmaterial dendritisch erstarrende Werkstoffe verwendet, die während der Abkühlphase unter Volumenkontraktion erstarren. So bilden sich während des Erstarrens innerhalb des Gußteils verfestigte Materialbereiche in Form feinster Verästelungsarme aus, die wiederum Bereiche, in denen noch nicht erstarrte Schmelze vorhanden ist, einschließen. Solange die noch nicht verfestigten Schmelzbereiche nicht vollständig von den bereits verfestigten Verästelungsarmen umschlossen sind, d. h. von sogenannten Speiser- oder Angußsystemen mit fließfähiger Schmelze versorgt werden können, wird fließfähiges Schmelzmaterial aufgrund der im Inneren der verfestigten Bereiche auftretenden Volumenkontraktion in diese Bereiche nachgeliefert. Die Nachspeisung von fließfähigem Schmelzmaterial erfolgt solange, bis das Innere dieser Bereiche vollständig erstarrt ist oder bis eine Nachspeisung aufgrund eines vollständigen Zusammenschlusses von verfestigten Verastelungsarmen erliegt. Im letztgenannten Fall bilden sich vollständig eingeschlossene Schmelzbereiche, in denen sich das eingeschlossene Schmelzmaterial durch Erstarren zusammenzieht, so daß sich im Inneren der eingeschlossenen Bereiche Hohlräume bilden, die als Poren die Porosität des jeweiligen Gußteils bestimmen.
Für die Ausbildung von Poren ist, bspw. der Temperaturgradient während der Abkühlphase innerhalb der erstarrenden Schmelze ein die Porosität stark beeinflussender Parameter. Ein hoher Temperaturgradient ist kennzeichnend für eine dichte Abfolge von Fest- und Flüssigzonen, wobei Festzonen bereits erstarrtes bzw. im Erstarren begriffenes Material bei niedrigeren Temperaturen und Flüssigzonen noch nicht erstarrtes Material bei höheren Temperaturen enthalten.
Ein hoher Temperaturgradient bedeutet somit eine vergleichsweise geringe, von der Schmelze zurückzulegende Distanz innerhalb des sich durch die verfestigten Verästelungsarme ausbildenden interdendritischen Netzwerks, d. h. fließfähiges Schmelzmaterial gelangt nur über kurze Wege aus den noch nicht erstarrten Flüssigzonen zu den bereits erstarrten bzw. im Erstarren begriffenen Festzonen.
Durch den Grad der Vernetztheit innerhalb des interdendritischen Netzwerks, die durch den Anteil aus Fest- und Flüssigzonen sowie durch den Verlauf und die sich ausbildende Feinheit der dendritischen Verästelungsarme bestimmt wird, ergibt sich der Fließwiderstand, der wiederum eine Einflußgröße auf die Porosität darstellt. So ist die sich bei der Erstarrung im Gußmaterial ausbildende Porosität um so geringer, je kleiner der Fließwiderstand, d. h. je dichter Fest- und Flüssigzonen aufeinanderfolgen und je größer der Temperaturgradient ist.
Außerdem hat die Abkühlrate bei der Erstarrung einen Einfluß auf die Porosität, da sie die zur Verfügung stehende Zeit für eine Nachspeisung bestimmt:
Eine beschleunigte Abkühlung des Werkstoffs erschwert die Nachspeisung erstarrender Bereiche, hingegen begünstigt ein langsames Abkühlen eine ausreichende Nachspeisung erstarrender Bereiche mit fließfähiger Schmelze, so daß sich erheblich weniger Poren ausbilden, wodurch sich eine deutlich geringere Porosität einstellt.
Der Zeitpunkt und Ort der Keimbildung der Poren bestimmt sich zum einen aus dem Druckabfall innerhalb des interdendritischen Netzwerks, zum anderen aber auch durch die zur Verfügung stehenden heterogenen Keime, z. B. Karbide und Oxide bei Metallen oder auch Grenzflächen zwischen festen und flüssigen Bereichen.
Wie bereits eingangs erwähnt bilden sich bevorzugt Poren innerhalb jener Bereiche, in denen sich die Schmelze nahe der Solidustemperatur befindet, d. h. der Übergangs-Temperatur zwischen der festen kristallinen Phase und der fließfähigen Phase eines Werkstoffs, und vollständig in verfestigten Verästelungsarmen, innerhalb sogenannter ”interdendritischer Zwickel” eingeschlossen ist. Vorzugsweise werden Bereiche als interdendritische Zwickel bezeichnet, die von Spitzen oder Armen von Dendriten eingeschlossen werden. Innerhalb jener Bereiche baut sich durch den Erstarrungsvorgang und die damit verbundene Volumenkontraktion ein Unterdruck auf, so daß es zur Porenkeimbildung kommt. So entstandene Poren sind in ihrem Ausmaß beschränkt auf die Größe der interdendritischen Zwickel zum Zeitpunkt und am Ort ihrer Entstehung.
Ein bekanntes Verfahren zur numerischen Berechnung bzw. Vorhersage von Bereichen mit Porosität ist die Auswertung der Niyama-Funktion. Sie stellt bei Erreichen einer gegebenen Temperatur im Erstarrungsbereich des Werkstoffs, z. B. bei der Solidustemperatur, an jeder Stelle im Werkstoff den Quotienten aus dem Betrag G des lokalen Temperaturgradienten (Ableitung der Temperatur nach den Ortskoordinaten) und der Quadratwurzel aus der lokalen Abkühlrate –dT/dt (Ableitung der Temperatur nach der Zeit) dar. Falls dieser Quotient kleiner ist als ein werkstoffspezifischer kritischer Grenzwert Krit, dann wird Porosität vorhergesagt: Krit > G/(–dT/dt)^1/2 ⇒ Porosität vorhergesagt (0.1) mit:

T:: Temperatur
t:: Zeit

Daneben gibt es weitere Ansätze, die z. B. nur den Betrag des lokalen Temperaturgradienten G auswerten oder andere Produkte des folgenden Typs: Krit > G^x × (–dT/dt)^y ⇒ Porosität vorhergesagt (0.2) mit: x, y ∊ Menge der reellen Zahlen
Der Formelzusammenhang (0.2) stellt in gewisser Weise eine verallgemeinerte Niyama-Funktion dar, aus der die ursprüngliche Niyama-Funktion in Formel (0.1) hervorgeht, wenn man x = 1 und y = –0.5 setzt. Sowohl die ursprüngliche als auch die verallgemeinerte Niyama-Funktion erlauben Vorhersagen über die Porosität, indem der Betrag des Temperaturgradienten G und die lokale Abkühlrate –dT/dt berechnet werden, jeweils gewichtet über die Exponenten x und y.
Die DE 41 17 316 A1 beschreibt ein Verfahren zur Bestimmung des Teilchengehalts in einer Schmelze eines vergießbaren Verbundwerkstoffes. Dabei wird die Schmelze in einem Tiegel bis zur Erstarrung abgekühlt, die Temperatur der Schmelze in Abhängigkeit von der Zeit gemessen und somit eine Abkühlkurve aufgenommen. Derartige Abkühlkurven weisen zwei auf den abfallenden Ästen der Kurve liegende Wendepunkte auf, deren Zeitdifferenz für den vorliegenden Teilchengehalt der Schmelze charakteristisch ist. Der Teilchengehalt der Materialprobe lässt sich anhand des über eine Eichmessung für die jeweiligen Versuchsbedingungen gewonnenen Zusammenhangs zwischen Zeitdifferenz und Teilchengehalt bestimmen.
Aus der DE 34 09 985 C2 gehen ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zum Bestimmen physikalischer Eigenschaften, wie Dichte, spezifische Oberfläche oder Verteilung des Porenvolumens auf Poren verschiedener Radien, einer porösen Materialprobe hervor. Das Verfahren umfasst folgende Merkmale: Aus einem Gefäß, das eine abgemessene Menge eines Gases enthält, wird Gas in ein die Materialprobe enthaltendes, insbesondere ein in ein thermostatisches Flüssigkeitsbad eingetauchtes, Gefäß überführt. Anschließend wird der Gasdruck gemessen, wobei als Gefäß ein mit einem Kolben versehener Zylinder verwendet und für einen Messzeitpunkt der Zylinderinhalt jeweils vollständig ausgestoßen wird. Die Porosität einer Materialprobe wird experimentell aufwendig gemessen.
Die DE 38 74 423 T2 betrifft einen Fühler zur Verwendung in einer Vorrichtung zum Messen der Konzentration eines Gases in einer Metallschmelze, so dass der Gesamtinhalt des Gases in dem Metall bestimmt werden kann. Insbesondere befasst sich die Druckschrift mit einem Fühler zur direkten Messung von in flüssigem Metall gelöstem Wasserstoff.
Die DE 690 16 048 T2 betrifft ein elektrolytisches Verfahren zum Ätzen von Metallstücken, insbesondere von stranggegossenen Metallstücken, um die innere Qualität des Metallstückes durch visuelle Analyse der geätzen Oberfläche zu untersuchen.
Der Druckschrift DE 694 23 788 T2 ist ein Verfahren zur Herstellung von Kupferstäben durch kontinuierliches Gießen zu entnehmen, bei dem eine Gasanalysesonde aus einem monolithischen Körper eines gasdurchlässigen, flüssig-Metallundurchdringlichen Materials mit einer bestimmten Porosität und Porengröße zum Einsatz kommt.
In dem Artikel von „Konrad Weiss, Christoph Honsel und Joachim Gundlach: Möglichkeiten der Simulationstechnik, 1999” wird eine Erläuterung zur ”RWP-WinCast Simulationssoftware zur Prozesssimulation und Produktentwicklung” gegeben. Diese Erstarrungssimulation beruht auf der Berechnung der Temperatur für jeden Punkt innerhalb eines Gußkörpers für jeden Zeitpunkt. Die Berücksichtigung der bei der Erstarrung von Metallen freiwerdenden latenten Wärme erfolgt mit der Temperaturkorrektur-Methode. Die im ersten Schritt errechneten Temperaturen werden damit nachträglich korrigiert, so dass die Kenntnis über eine zeitliche Veränderung der Temperaturverteilung innerhalb eines in eine Gießform eingebrachten Gießmaterials vorliegt. In einem weiteren separat vorzunehmenden Berechnungsvorgang werden Kriteriumsfunktonen angewandt, wie z. B. z. B. Lunker – und Porenkriterium, Niyama-Kriterium, um eine qualitative Vorhersage für das Auftreten von Poren und Lunkern angeben zu können. Beispielsweise wird beim Niyama-Kriterium untersucht, ob der Quotient aus dem Betrag des lokalen Temperaturgradienten und der Quadratwurzel der lokalen Abkühlrate kleiner oder größer als ein bestimmter Grenzwert ist, d. h. ob Porosität vorhergesagt wird oder nicht.
Darstellung der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Optimierung eines Gießverfahrens zur Herstellung eines Gußteils anzugeben, mit dem es möglich ist, die den Gießprozeß wesentlich beeinflussenden Prozeßparameter dahingehend zu optimieren, daß die Porosität des Gußteils reduziert wird. Insbesondere soll es möglich sein, Verbesserungen bei der Wahl des Gußmaterials, der Form des Gußteils sowie der Einstellungen von Prozeßparametern treffen zu können, wie bspw. Temperaturverhalten während der Abkühlung, Ausbildung des Anguß-Speisersystems etc..
Die Lösung der der Erfindung zugrundeliegenden Aufgabe ist im Anspruch 1 angegeben. Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens nach Anspruch 1 sind Gegenstand der Unteransprüche.
Die Erfindung basiert auf dem Gedanken, daß im Hinblick auf die Optimierung des gesamten Gießprozesses der Porosität in einem Gußteil eine besondere Bedeutung zukommt und eine Bestimmung der Porosität durch Ermittlung aller innerhalb des Gußteils eingeschlossenen Poren vorgenommen werden kann.
Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zur Optimierung eines Gießverfahrens zur Herstellung eines Gußteils, das aus fließfähigem Gußmaterial durch Erstarren des Gußmaterials hergestellt wird, wobei das fließfähige Gußmaterial unter Ausbildung von Bereichen erstarrt, die von erstarrtem oder teilerstarrtem Gußmaterial oder der Form oder einem Kern vollständig umgeben werden, innerhalb denen fließfähiges Material eingeschlossen wird, das unter Volumenkontraktion erstarrt, wodurch Poren mit einem Volumen V_Por gebildet werden, die dem Gußteil eine Porosität P verleiht, durch folgende Verfahrensschritte weitergebildet:
Berechnen der Porosität P einer numerischen Nachbildung des Gußteils ausgehend von einer Material-, Form- und Prozeßparameterwahl, indem das Volumen V_Por aller innerhalb des numerisch nachgebildeten Gußteils eingeschlossenen Poren derart ermittelt wird, dass das Gußteil mit einem dreidimensionalen nicht-strukturierten oder strukturierten Netz, bestehend aus einer Vielzahl einzelner Knotenpunkte, nachgebildet wird. Bei einer vorgegebenen Temperatur, der Solidus-Temperatur T_Sol, werden zur Bestimmung der eingeschlossenen Bereiche folgende Verfahrensschritte durchgeführt:

a) Auswahl eines Start-Knotenpunktes i, der eine Temperatur T_i aufweist und bei dem gilt: T_i > T_Sol,
b) Suche nach allen Nachbarknotenpunkten j, die eine Temperatur T_j aufweisen, für die gilt: T_j > T_Sol,
c) Bei Vorliegen weiterer Nachbarpunkte werden zu jedem Nachbarpunkt alle weiteren Nachbarpunkte gesucht, für die ebenfalls T_j > T_Sol gilt,
d) Abbruch der Suche, falls keine weiteren Nachbarpunkte gefunden werden und Zusammenfassung aller miteinander verbundenen Nachbarpunkten zu einer Gruppe, die einen eingeschlossenen Bereich darstellt,
e) Wiederholung der Schritte a)–d) unter Auswahl neuer Start-Knotenpunkte, die noch nicht gruppiert sind, bis das gesamte Gußteil in Gruppen oder Bereiche unterteilt ist, und dass die ermittelten Gruppen oder Bereiche als porös markiert werden, falls sie keinen Kontakt zu einem Anguß-/Speisersystem mehr haben.

Nachfolgend wird iterativ eine Variation der Material-, Form- und Prozeßparameter derart durchgeführt, dass die berechnete Porosität P der numerischen Nachbildung des Gußteils minimiert wird. Schließlich werden die als Ergebnis der iterativen Variation gewonnenen Material-, Form- und Prozeßparameter auf das Gießverfahren zur Herstellung des Gußteils angewandt.
Neben der Material- und Formwahl für das Gußteil können auch Systemparameter variiert werden, wie Spezifika des Anguß-Speisersystems, thermische Isolations- sowie Heizungs- und Abkühlvorkehrungen, um die Porosität zu reduzieren.
Bedingt u. a. durch die Geometrie des Gußteils selbst sowie dem Verhalten der Isothermen nahe der Solidustemperatur kommt es während des Abkühlvorgangs der gegossenen Form zu Bereichen aus fließfähiger Schmelze oder mit einem Schmelzeanteil, die ganz oder teilweise von der Nachspeisung durch weitere Schmelze mit Kontakt zu einem Speiser- oder Angußsystem abgeschnitten sind. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn ein von der Solidusisotherme eingeschlossener Bereich entsteht, so daß sich, wie bereist erläutert die verbleibende Erstarrungskontraktion als interdendritische Porosität niederschlägt.
Anstelle der Solidustemperatur kann auch eine andere Temperatur im Bereich der Erstarrung des Werkstoffes gesetzt werden, solange sie die Grenztemperatur für eine Nachspeisung durch den Werkstoff repräsentiert, ab der eine Nachspeisung erliegt. Dabei wird angenommen, daß sich die Form, der Kern und etwaige Einsetzteile des Gußteils nicht verformen, indem bspw. ein sich im Wege der Kontraktion entstehendes Volumendefizit ausgeglichen wird. Eine derartige Verformung ist i. a. nicht erwünscht, da sie gleichzeitig die äußere Form des Bauteils bzw. des Gußteils verändert, insbesondere könnte an gewissen Bauteiloberflächen lokal zu wenig Material vorhanden sein.
In Abhängigkeit vom Volumen V_Ein des eingeschlossenen Bereichs, in dem fließfähiges Gußmaterial enthalten ist, und der Temperatur zum Zeitpunkt des Materialeinschlusses läßt sich das Porositätsvolumen innerhalb dieses eingeschlossenen Bereichs wie folgt berechnen:
mit folgenden Größen:

VPor:: Porositätsvolumen
VEin:: Volumen des eingeschlossenen Bereichs
ρ:: temperaturabhängige Dichte
T:: Temperatur zum Zeitpunkt des Einschließens
TSol:: Solidustemperatur oder kritische Temperatur

Die Berechnung des Porositätsvolumens V_Por läßt sich vereinfachen, indem man eine konstante Temperatur T₀ zum Zeitpunkt des Materialeinschlusses innerhalb des eingeschlossenen Bereichs zugrunde legt. Das kann z. B. der integrale Mittelwert der Temperatur im eingeschlossenen Bereich zum Zeitpunkt des Einschließens sein. In diesem Fall geht die obenstehende Formel über in
Das Porositätsvolumen V_Por kann zweckmäßigerweise ins Verhältnis zum Volumen V_Ein des eingeschlossenen Bereichs gesetzt werden, um eine Richtgröße P für die Porosität zu gewinnen, die dem Volumenverhältnis der beim Abkühlvorgang auftretenden Poren zum ursprünglich vorliegenden Bereich von der Nachspeisung abgeschnittener Schmelzen im Gußteil entspricht: P = V_Por/V_Ein × 100% (2)
P wird als mittlere Porosität im eingeschlossenen Volumen V_Ein bezeichnet. Dabei ist zu beachten, daß es sich bei P um die mittlere Porosität im gesamten, jeweils eingeschlossenen Bereich handelt, die i. a. nicht homogen verteilt ist, sondern sich in den oben beschriebenen interdendritischen Zwickeln sowie hin zum Wärmezentrum des Bereichs konzentriert, so daß lokal innerhalb des Bereichs erheblich höhere Porositätswerte auftreten können.
Ziel ist es nun durch Variation aller den Gießprozeß beeinflussender Parameter ein Minimum für die Porosität P bei einer vorgegebenen Gußform zu erhalten.
Das beschriebene Verfahren ist sowohl auf die konventionelle wie auch auf die sogenannte gerichtete Erstarrung anwendbar, jedoch ist es vorteilhaft bei einer Ausbildung eines interdendritischen Netzwerks ergänzend ein weiteres Porositätskriterium, wie etwa die Auswertung der Niyamafunktion heranzuziehen, um auch die durch unvollkommene Nachspeisung, etwa bei geringem Temperaturgradienten und/oder zu schneller Abkühlung begünstigte Porositätsbildung zu berücksichtigen.
Der wesentliche Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens gegenüber den Verfahren des Typs gemäß Formel (0.2) besteht darin, daß die Topologie des Volumens der Schmelze und/oder des Fest-Flüssig-Bereiches auf Bereiche untersucht wird, welche von einer Nachspeisung durch ein Speiser- oder Angußsystem abgeschnitten sind, so daß sich wegen der Volumenkontraktion beim Erstarren Poren bilden.
Im Gegensatz dazu liefert das bekannte Verfahren unter Verwendung des Formelzusammenhangs (0.2) lediglich die Möglichkeit einer lokalen Auswertung an jeder einzelnen Stelle im Bauteil, die insbesondere in jenen Fällen keine oder eine deutlich zu geringe Gefahr von Porosität vorhersagen kann, falls die Auswertung an Randbereichen des Volumens der Schmelze und/oder des Fest-Flüssig-Bereiches erfolgt. Diese Ränderbereiche sind z. B. die äußere Form des Gußteils selbst, der Kern oder etwaige Einsetzteile innerhalb des Gußteils, durch deren geometrische Form eine Nachspeisung in einen durch Porosität gefährdeten Bereich der Schmelze und/oder des Fest-Flüssig-Bereiches nicht möglich ist. Damit liefert das dargestellte Verfahren eine wesentliche Erweiterung der Vorhersage von Porosität.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung exemplarisch beschrieben. Es zeigt:
1 Querschnittsdarstellung durch ein Gußteil mit porösen Bereichen
Stark abstrahiert ist in 1 ein Ausschnitt eines dreidimensionalen Gußteils 1 dargestellt, zu dessen numerischer Nachbildung dem Gußteil ein dreidimensionales, nichtstrukturiertes oder strukturiertes Netz 2, vorzugsweise ein Finite-Element-Netz, bestehend aus einer Vielzahl einzelner Knotenpunkte 3, einbeschrieben wird. Dies erfolgt mit an sich bekannten Netzgeneratoren, wie sie vielfach in der computerunterstützen Konstruktion von Bauteilen Verwendung finden.
Das erfindungsgemäße Verfahren beginnt zur Ermittlung der sich während der Abkühlphase innerhalb des gegossenen Gußteils einstellenden Porosität an einem Zeitpunkt und bei einer bestimmten Temperaturverteilung innerhalb des Gußteils, die nahe der Solidustemperatur oder einer anderen Temperatur, die im Erstarrungsbereich des Werkstoffes liegt.
Zu diesem Zeitpunkt werden bei einer vorgegebenen Temperatur zur Bestimmung der eingeschlossenen Bereiche V_Ein sowie der im Inneren der Bereiche eingeschlossenen Poren V_Por folgende Verfahrensschritte nacheinander durchgeführt:
Aus der Vielzahl der innerhalb des in das Gußteil einbeschriebene Finite-Element-Netz enthaltenen Knotenpunkte wird ein sogenannter Start-Knotenpunkt i ausgewählt, der eine Temperatur T_i aufweist, für die gilt: T_i > T_Sol. An diesem Knotenpunkt liegt das Gußmaterial in einem fließfähigen Zustand vor und ist durch den Abkühlvorgang noch nicht erstarrt.
Anschließend werden alle Nachbarknotenpunkte j zu dem vorstehend ausgewählten Start-Knotenpunkt i gesucht, für die die gleiche Temperaturbedingung gilt, nämlich: T_j > T_Sol.
Um einen zusammenhängenden Volumenbereich aufzufinden, in dem fließfähiges Gußmaterial vorhanden ist, werden wiederholt zu den vorstehend aufgefundenen Knotenpunkten bzw. Nachbarknotenpunkten alle weiteren Nachbarknotenpunkte gesucht, für die die vorstehende Temperaturbedingung ebenfalls zutrifft. Die Suche nach weiteren Nachbarknotenpunkten wird dann abgebrochen, wenn das Temperaturkriterum T_j > T_Sol nicht mehr zutrifft. Alle aufgefundenen Knotenpunkte, in denen fließfähiges Gußmaterial vorliegt, werden zu einer Gruppe zusammengefaßt und bilden einen sogenannten eingeschlossenen Bereich.
Um das Volumen des gesamten Gußteils zu erfassen, wird innerhalb des Finite-Element-Netzes nach weiteren Start-Knotenpunkten gesucht, an denen die vorstehend beschriebenen, iterativ nacheinander durchzuführenden Verfahrensschritte wiederholt angewendet werden. Auf diese Weise kann das gesamte Gußteil zu einem bestimmten Zeitpunkt und bei einer vorgegebenen Temperaturerteilung in Bereiche unterteilt werden, in denen noch fließfähiges Gußmaterial vorhanden ist, die jeweils von bereits erstarrten Gußmaterialbereichen der Form und/oder einem Kern eingeschlossen sind.
Um den gesamten Abkühlvorgang kontinuierlich zu simulieren, werden die vorstehend beschriebenen Verfahrensschritte wiederholt in nacheinand erfolgenden Zeitschritten durchgeführt, innerhalb denen sich das Gußteil abkühlt, wodurch immer weniger Bereiche dem vorstehend genannten Temperaturkriterium T_j > T_Sol entsprechen, da sie bereits die Erstarrungstemperatur unterschritten haben. Derartige Bereiche bzw. Gruppen werden als porös markiert, falls sie keinen Kontakt zum Anguß Speisersystem mehr haben, und finden bei der Untersuchung in nachfolgenden Zeitschritten keine weitere Berücksichtigung.
Ausgehend von der Voraussetzung, daß im erstarrenden Gußteil keine Wiederaufschmelzung eintritt, wird man die bisher als porös markierten Gruppen in nachfolgenden Zeitschritten nicht mehr untersuchen. Will man das Phänomen einer möglichen Wiederaufschmelzung aber mit berücksichtigen, so wird man auch die bereits markierten Gruppen in nachfolgenden Zeitschritten wie die übrigen Bereiche des Finite-Element-Netzes untersuchen müssen.
Das erfindungsgemäße Verfahren liefert somit alle von der Solidusisotherme, der Form und/oder einem Kern eingeschlossenen Volumina innerhalb des Gußteils, sobald sie nicht mehr in Kontakt mit dem Anguß-/Speisersystem stehen, also in dem Moment, wenn sie ihre größte Ausdehnung haben. Daraufhin werden die Porositätskenndaten eingeschlossenes Volumen V_Ein, Porenvolumen V_Por und Porosität P ausgegeben.
Wenn nur die Grenzflächen des Gußteils zum Anguß-/Speisersystem als Kontaktstellen selektiert werden, können auch die Speiser bzw. der Anguß selbst als eingeschlossene Volumina markiert werden, sobald sie den Kontakt zur Grenzfläche mit dem Gußteil verlieren. Dies erlaubt zum einen eine jeweilige Porositätsvorhersage, aber auch als Plausibilitätstest eine Summation aller Porenvolumen, welche bezogen auf das Schmelzvolumen kleiner gleich der maximal möglichen Porosität P_Max aufgrund von Erstarrungsschrumpfung des Gießmetalls sein sollte. T₁ ist entwerder die sogenannte Liquidustemperatur (Vernachlässigung der thermischen Schrumpfung vor Erstarrungsbeginn) oder die Anfangstemperatur der Schmelze:
Die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ermittelte Porösität innerhalb eines erstarrten Gußteils kann nun als Vergleichsgröße für weitere Berechnungen dienen, bei denen das Gießverfahren durch veränderte Prozeßparameter, wie beispielsweise andere Gußmaterialien, andere Anguß-Speisersysteme, veränderte Abkühlraten etc., variiert wird. Stellt sich beim Vergleich heraus, daß die mit veränderten Prozeßbedingungen erhaltene Porösität innerhalb des Gußteils abnimmt, so können auf diese Weise iterativ erhebliche Verbesserungen am gesamten Gießverfahren erhalten werden.
Bezugszeichenliste

1: Gußteil
2: Netz
3: Knotenpunkt
VEin: Volumen des eingeschlossenen Bereichs
VPor: Porositätsvolumen

Claims

Verfahren zur Optimierung eines Gießverfahrens zur Herstellung eines Gußteils, das aus fließfähigem Gußmaterial durch Erstarren des Gußmaterials hergestellt wird, wobei das fließfähige Gußmaterial unter Ausbildung von Bereichen erstarrt, die von erstarrtem oder teilerstarrtem Gußmaterial oder der Form oder einem Kern vollständig umgeben werden, innerhalb denen fließfähiges Material eingeschlossen wird, das unter Volumenkontraktion erstarrt, wodurch Poren mit einem Volumen V_Por gebildet werden, die dem Gußteil eine Porosität P verleiht, dadurch gekennzeichnet, – dass die Porosität P einer numerischen Nachbildung des Gußteils ausgehend von einer Material Form- und Prozeßparameterwahl berechnet wird, indem das Volumen V_Por aller innerhalb des numerisch nachgebildeten Gußteils eingeschlossenen Poren derart ermittelt wird, dass das Gußteil mit einem dreidimensionalen nicht-strukturierten oder strukturierten Netz, bestehend aus einer Vielzahl einzelner Knotenpunkte, nachgebildet wird, und dass bei einer vorgegebenen Temperatur, der Solidus-Temperatur T_Sol, zur Bestimmung der eingeschlossenen Bereiche folgende Verfahrensschritte durchgeführt werden: a) Auswahl eines Start-Knotenpunktes i, der eine Temperatur T_i aufweist und bei dem gilt: T_i > T_Sol, b) Suche nach allen Nachbarknotenpunkten j, die eine Temperatur T_j aufweisen, für die gilt: T_j > T_Sol, c) Bei Vorliegen weiterer Nachbarpunkte werden zu jedem Nachbarpunkt alle weiteren Nachbarpunkte gesucht, für die ebenfalls T_j > T_Sol gilt, d) Abbruch der Suche, falls keine weiteren Nachbarpunkte gefunden werden und Zusammenfassung aller miteinander verbundenen Nachbarpunkte zu einer Gruppe, die einen eingeschlossenen Bereich darstellt, e) Wiederholung der Schritte a)–d) unter Auswahl neuer Start-Knotenpunkte, die noch nicht gruppiert sind, bis das gesamte Gußteil in Gruppen oder Bereiche unterteilt ist, und dass die ermittelten Gruppen oder Bereiche als porös markiert werden, falls sie keinen Kontakt zu einem Anguß-/Speisersystem mehr haben, – dass iterativ eine Variation der Material-, Form- und Prozeßparameter derart durchgeführt wird, dass die berechnete Porosität P der numerischen Nachbildung des Gußteils minimiert wird, und – dass die als Ergebnis der iterativen Variation gewonnenen Material-, Form- und Prozeßparameter auf das Gießverfahren zur Herstellung des Gußteils angewandt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Volumen V_Por nach folgendem Zusammenhang berechnet wird:
mit V_Por Porositätsvolumen V_Ein Volumen eines eingeschlossenen Bereichs, in dem fließfähiges Gußmaterial enthalten ist V Volumen ρ Temperaturabhängige Dichte T Temperatur zum Zeitpunkt des Materialeinschlusses innerhalb der eingeschlossenen Bereiche T_Sol Solidustemperatur oder kritische Temperatur, bei der die Nachspeisung wesentlich herabgesetzt ist.

wobei vorausgesetzt wird, daß die äußere Form des Gußteils während des Erstarrungsvorganges weitgehend unverändert bleibt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Volumen V_Por unter Annahme einer konstanten Temperatur T₀ innerhalb der eingeschlossenen Bereiche während der Ausbildung des erstarrenden, die Bereiche einschließenden Materials nach folgendem Zusammenhang berechnet wird:
mit V_Por Porositätsvolumen V_Ein Volumen eines eingeschlossenen Bereichs, in dem fließfähiges Gußmaterial enthalten ist ρ Temperaturabhängige Dichte T₀ konstante Temperatur zum Zeitpunkt des Materialeinschlusses innerhalb eines eingeschlossenen Bereichs (z. B. integraler Mittelwert der Temperatur des eingeschlossenen Bereichs) T_Sol Solidustemperatur oder kritische Temperatur, bei der die Nachspeisung wesentlich herabgesetzt ist
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Porosität P als mittlere Porosität ermittelt wird und nach folgendem Zusammenhang bestimmt wird:
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das gesamte vom Gußteil eingeschlossene Volumen nach Bereichen untersucht wird, die vollständig von bereits erstarrtem oder teilerstarrtem Gußmaterial oder der Form oder einen Kern umschlossen sind und keine Speisung von fließfähigem Gußmaterial erfahren.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bestimmung der sich im Inneren ausbildenden Porosität P zusätzlich das Niyama-Kriterium herangezogen wird, nach dem lokal, z. B. punktweise, das Gußteil dahingehend untersucht wird, ob an dem jeweiligen Punkt innerhalb des Gußteils der Quotient aus einem lokal vorherrschenden Temperaturgradienten G und der Quadratwurzel aus einer lokalen Abkühlrate kleiner als ein werkstoffspezifischer kritischer Grenzwert Krit ist, so liegt Porosität vor, wenn gilt:
mit G Temperaturgradient, Ableitung der Temperatur T nach einer Ortskoordinate T Temperatur t Zeit
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bestimmung der sich im Inneren ausbildenden Porosität P zusätzlich ein anderes Kriterium herangezogen wird, nach dem lokal, vorzugsweise punktweise, das Gußteil dahingehend untersucht wird, ob an dem jeweiligen Punkt innerhalb des Gußteils eine mathematische Funktion f aus einem lokal vorherrschenden Temperaturgradienten G und/oder einer lokalen Abkühlrate kleiner als ein werkstoffspezifischer kritischer Grenzwet Krit ist, so liegt Porosität vor, wenn gilt: Krit > f(G, dT/dt)
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass für jede Gruppe V_Por, V_Ein und/oder P ermittelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Materialerstarrung innerhalb des Gußteils durch Abkühlung erfolgt und daß der Abkühlvorgang in eine Vielzahl einzelner aufeinanderfolgender Zeitschritte aufgeteilt wird, innerhalb jedem der einzelnen Zeitschritte die Verfahrensschritte zur Bestimmung der Gruppen oder Bereiche durchgeführt wird, die als porös markiert werden, wobei jene Gruppen in nachfolgenden Zeitschritten keine Berücksichtigung finden, die als porös markiert worden sind, bis keine weiteren Punkte mit T_i > „Vorgegebene Temperatur”, z. B. T_Sol, gefunden werden, so daß schließlich alle während der Abkühlung entstehenden „porösen” Gruppen oder Bereiche vorliegen.