Numerisch gestützte Untersuchung einer erstarrungsbegleitenden Ultraschallbehandlung der Legierung AlSi7Mg0,3

Abstract

Der Gießprozess stellt einen der wichtigsten Fertigungsschritte in der Prozessfolge zur Herstellung metallischer Komponenten dar. Eine saubere Schmelze, ein feinkörniges Gefüge und eine gleichmäßige Erstarrung sind die grundlegenden Voraussetzungen für die Fertigung qualitativ hochwertiger Gussteile und wirken sich daher auf alle nachfolgenden Prozessschritte aus. Um diesen Kriterien gerecht zu werden, kommen derzeit vorwiegend chemische Zusätze, die Rotorentgasung (Impeller) sowie energieintensive Technologien für die Beheizung und Kühlung der Kokillen zum Einsatz. Trotz dieser umfassenden Maßnahmen, die zur Qualitätssteigerung, der Modifizierung des Gefüges und der daraus resultierenden Optimierung der mechanischen Eigenschaften unternommen werden, können die gewünschten Eigenschaften häufig nicht homogen über das gesamte Gussteil hinweg erzeugt werden. Eine große Schwachstelle, insbesondere für im Schwerkraftkokillengießverfahren hergestellte Gussteile, stellen die speisernahen Gussteilbereiche dar. Zum Zwecke der Speisung und aufgrund exogener Erstarrungsbedingungen erstarrt die Schmelze dort zuletzt und weist aufgrund des Zusammenhangs zwischen Erstarrungsgeschwindigkeit und des daraus resultierenden Gefüges daher die auf das gesamte Gussteil bezogenen schlechtesten Eigenschaften auf. An diese Problematik knüpft der in dieser Dissertation verfolgte Ansatz an. Das Ziel der vorliegenden Arbeit war die Entwicklung und Untersuchung einer industriell nutzbaren Ultraschallbehandlung erstarrender Aluminiumschmelzen der Legierung AlSi7Mg0,3 für das Schwerkraftkokillengießen. Die grundsätzliche Idee lag darin, die seit Langem untersuchte Wirkung der Ultraschallbehandlung, während der Erstarrung ein feinkörnigeres Gefüge zu erzeugen, auf einen konkreten industriellen Anwendungsfall zu übertragen. Zu diesem Zweck wurde am Beispiel von zwei geometrisch unterschiedlichen Gussteilen untersucht, wie sich eine während der Erstarrung und aus dem Speiser heraus durchgeführte Ultraschallbehandlung auf das Gefüge und die mechanischen Eigenschaften des Gussteils, vorrangig jedoch auf die zuletzt erstarrenden, speisernahen Bereiche auswirkt. Mit Hilfe der im Anschluss durchgeführten Untersuchungen konnte gezeigt werden, dass durch den Einsatz der Ultraschallbehandlung die angestrebte Verbesserung der mechanischen Eigenschaften dieser Sektoren gelingen kann und letztlich lokal höher belastbare Gussteile erzeugt werden können, die darüber hinaus Potentiale zur Optimierung nachgelagerte Fertigungsschritte bergen. Gleichzeitig konnten grundlegende Faktoren erarbeitet werden, die bei der Prozessgestaltung einer derart angewandten Ultraschallbehandlung zu berücksichtigen sind. Neben der gezielten industriellen Anwendung stellte vor allem die Simulation der Ultraschallbehandlung bislang eine große Schwierigkeit dar, durch die weitere Erkenntnisgewinne ermöglicht werden könnten und die daher von hoher Bedeutung für Weiterentwicklungen ist. Grund dafür sind nach wie vor die simultane Berechnung mehrerer komplexer physikalischer Modelle zur Simulation der ultraschallbedingten Kavitation und akustischen Strömung sowie die erforderlichen sehr kleinen Rechenschritte und die sehr feine Diskretisierung der Modelle, die durch die hohe Frequenz und geringe Amplitude der Ultraschallbehandlung bedingt sind. Bisherige Ansätze konzentrierten sich daher vornehmlich auf die zweidimensionale Modellierung einzelner Effekte der Ultraschallbehandlung, durch die die komplexe Interaktion der separaten Effekte untereinander und in einem dreidimensionalen Fluidvolumen somit jedoch nicht betrachtet werden konnten. Vom Standpunkt einer industriell nutzbaren Applikation der Ultraschalltechnologie und den damit einhergehenden hohen Anforderungen an die Prozesssicherheit, lag eine der wesentlichen Bestrebungen der vorliegenden Arbeit in der Einbettung des eigentlichen untersuchten Prozesses in einen ganzheitlichen prozessualen Kontext. Daher lag der zweite Schwerpunkt der Untersuchungen auf der Erstellung eines umfassenden Simulationsmodells, das in der Lage ist, gegenüber den bisherigen Simulationsansätzen alle wesentlichen Effekte der Ultraschallbehandlung (Schallwellenausbreitung, Kavitation, akustische Strömung) in einem dreidimensionalen Modell abzubilden und zudem auf einen gießtechnologischen Anwendungsfall übertragen werden kann. Unter Verwendung einer bereits in der Gießereiindustrie eingesetzten CFD-Software konnte zunächst ein isothermes Simulationsmodell erstellt werden, dessen Ergebnisse sowohl qualitativ als auch quantitativ hohe Übereinstimmung mit bisherigen Untersuchungen und Messungen in der Literatur aufweist. Durch das darauf aufbauende Erstarrungsmodell zur Simulation der Ultraschallbehandlung der beiden genannten Gussteile konnten darüber hinaus die Mechanismen hinter den erzielten Ergebnissen plausibel nachvollzogen und das Simulationsmodell in vielen Bereichen validiert werden. Die Verzahnung der beiden Ansätze, der untersuchten erstarrungsbegleitenden Ultraschallbehandlung und der Prozesssimulation, schafft einen ganzheitlichen Ansatz für eine industriell nutzbare Anwendung dieser Technologie, der eine gezielte Ultraschallbehandlung zur Fertigung optimierter Gussteile aus Aluminium möglich macht.

The casting process represents one of the most important production steps in the process sequence for the production of metallic components. A clean melt, a fine-grained structure and uniform solidification are the basic prerequisites for the production of high-quality cast parts and therefore affect all subsequent process steps. In order to meet these criteria, chemical additives, rotor degassing (impeller) and energy-intensive technologies for heating and cooling the moulds are currently used. Despite these comprehensive measures, which are undertaken to increase quality, to modify the microstructure and to optimise the resulting mechanical properties, it is often not possible to produce the desired properties homogeneously over the entire casting. A major weak point, especially for castings produced by gravity die casting, are the casting areas close to the feeders. For the purpose of feeding and due to exogenous solidification conditions, the melt solidifies here last and, due to the relationship between the solidification rate and the resulting microstructure, therefore has the worst properties related to the entire casting. The approach pursued in this dissertation is linked to this problem. The aim of this thesis was the development and investigation of an industrially usable ultrasonic treatment of solidifying aluminium melts of the alloy AlSi7Mg0.3 (A356) for gravity die casting. The basic idea was to transfer the effect of the ultrasonic treatment, which had long been investigated to produce a finer grain structure during solidification, to a specific industrial application. For this purpose, two geometrically different castings were used as examples to investigate how an ultrasonic treatment carried out during solidification and out of the riser had an effect on the microstructure and the mechanical properties of the casting, but primarily on the areas close to the riser that solidified last. With the help of the subsequent investigations, it was possible to show that the desired improvement in the mechanical properties of these sectors can be achieved through the use of ultrasonic treatment and that ultimately more homogeneous load-bearing castings can be produced, which also hold potential for optimising downstream production steps. At the same time, fundamental factors could be worked out which have to be taken into account in the process design of such an applied ultrasonic treatment. In addition to targeted industrial applications, the simulation of ultrasonic treatment in particular has so far represented a major challenge. The reason for this is still the simultaneous calculation of several complex physical models for the simulation of ultrasonic cavitation and acoustic flow as well as the necessary very small calculation steps and very fine discretization of the models, which are caused by the high frequency and low amplitude of the ultrasonic treatment. Previous approaches therefore concentrated primarily on the two-dimensional modelling of individual effects of ultrasound treatment, through which the complex interaction of the separate effects with each other and in a three-dimensional fluid volume could not be observed. From the point of view of an industrially usable application of ultrasonic technology and the associated high demands on process safety, one of the essential efforts of the present work was to embed the actual process under investigation in a holistic process-related context. Therefore, the second focus of the investigations was on the creation of a comprehensive simulation model, which is able to depict all essential effects of ultrasonic treatment (sound wave propagation, cavitation, acoustic flow) in a three-dimensional model and can also be transferred to a casting application. Using CFD software already used in the foundry industry, an isothermal simulation model was initially created, the results of which are highly consistent both qualitatively and quantitatively with previous investigations and measurements in the literature. Furthermore, the resulting solidification model for the simulation of the ultrasonic treatment of the two castings mentioned could plausibly reproduce the mechanisms behind the achieved results and partially validate the simulation model. The integration of the two approaches, the solidification ultrasonic accompanying treatment and the process simulation, creates a holistic approach for an industrially usable application of this technology, which enables a targeted ultrasonic treatment for the production of optimized cast parts made of aluminium.