Magnetfeldkontrollierte Erstarrungsvorgänge

Neue Anwendungen speziell im Automobil- und Luftfahrtsektor stellen die Gießereitechnik heute vor neue Herausforderungen im Hinblick auf die Herstellung immer größerer, dünnwandigerer und komplexerer Gussteile bei gleichzeitig geforderten, höheren spezifischen Festigkeitseigenschaften. Die Fertigung von Gussteilen, die den hohen Qualitätsansprüchen genügen, erfordert eine durchdachte Prozessführung mit speziellen Maßnahmen, die eine kontrollierte Erstarrung des Gusskörpers gewährleisten.

Magnetfeldgetriebene Strömungen während der Erstarrung metallischer Legierungen bestimmen den Wärme-und Stofftransport in der Schmelze und damit die Keimbildung und das Kornwachstum. Die Vorteile des elektromagnetischen Rührens bzgl. Regelbarkeit und Kontaktfreiheit werden genutzt, um den Einfluß einer gegebenen Strömungsstruktur auf den Prozeß der Erstarrung metallischer Legierungen zu untersuchen.


Eine elektromagnetisch kontrollierte Konvektionsströmung (B ~ 1...10 mT) ermöglicht eine gezielte Beeinflussung des Gefüges und der mechanischen Eigenschaften metallischer Gussteile

Magnetfeldgetriebene Strömung während der Erstarrung Ohne Magnetfeld In einem rotierenden Magnetfeld (B=10 mT, f=50 Hz)
Verbesserung der Werkstoffeigenschaften durch:
  • Kornfeinung
  • Unterdrückung dendritischen Kornwachstums
  • Vermeidung von Materialseigerungen
Resultat:
  • Optimale Einstellung der mechanischen Eigenschaften bereits im Ergebnis des Gussprozesses
  • Weitere energie- und kostenintensive Arbeitsschritte werden eingespart

Im Rahmen des Sonderforschungsbereichs 609 der Deutschen Forschungsgemeinschaft SFB 609: ELEKTROMAGNETISCHE STRÖMUNGSBEEINFLUSSUNG IN METALLURGIE, KRISTALLZÜCHTUNG UND ELEKTROCHEMIE werden gemeinsam mit der TU Dresden grundlegende experimentelle und numerische Untersuchungen zum Einfluss einer elektromagnetisch induzierten Konvektion der Schmelze auf das erstarrte Gefüge von Legierungen durchgeführt. Mit Hilfe eines rotierenden Magnetfeldes konnte in PbSn-Legierungen der Übergang von einem kolumnar-dendritischen zu einem globulitischen Gefüge erreicht werden. Der Volumenanteil des globulitischen Gefüges hängt bei gleichbleibenden Abkühlbedingungen direkt von der magnetischen Taylor-Zahl ab und kann durch eine definierte Einstellung der Strömungsverhältnisse kontrolliert werden. Gleichzeitig wurde im Ergebnis des elektromagnetischen Rührens eine deutliche Kornfeinung im Gefüge nachgewiesen.

Erstmalig gelang es mit Hilfe des Ultraschall-Doppler-Verfahrens, Strömungsgeschwindigkeiten in der flüssigen Phase während des Erstarrungsprozesses zu messen. Diese neue experimentelle Möglichkeit ist essentiell für die weiteren Arbeiten hinsichtlich der Aufklärung des Zusammenhangs zwischen Strömungsfeld und den Merkmalen des primären Erstarrungsgefüges und stellt eine Voraussetzung für die Erarbeitung und Umsetzung von Strategien für eine Optimierung von Gefügemerkmalen durch den Einsatz maßgeschneiderter Magnetfelder dar.