Gefügebeeinflussung durch elektromagnetisches Rühren

Hintergrund

"Bei der Erstarrung von metallischen und nichtmetallischen Schmelzen bilden sich Kristallite (Körner), ... Das Kristallwachstum bestimmt weitgehend das Gefüge und die Eigenschaften der Gußwerkstoffe." [1] Das Gefüge wird durch die chemische Zusammensetzung der Legierung und durch die Erstarrungsbedingungen bestimmt. Die Anwendung von elektromagnetischen Feldern erlaubt es, kontaktlos Einfluss auf Erstarrungsbedingungen, wie zum Beispiel Abkühlrate, Temperaturgradient, Temperaturfluktuationen und Konzentrationsgradient zu nehmen. Zum einen gelingt dies durch Einbringung einer zusätzlichen volumetrischen Heizung (induktive Wärmeeinkopplung), zum anderen kann durch eine Volumenkraft (Lorentzkraft) Konvektion sowohl erzeugt als auch gedämpft werden.

Schwerpunkt dieses Arbeitsfeldes ist es, einerseits Wissen darüber zu erlangen, wie Strömungen das Gefüge beeinflusst und andererseits wie man durch eine gezielte Steuerung der konvektiven Transportvorgänge in der Schmelze maßgeschneiderte Gefüge erzeugen kann. Ziel ist es, dass Gefüge anwendungsspezifisch zu optimieren bei gleichzeitiger Reduzierung des Energiebedarfes bzw. der Einsparung von Zuschlagstoffen, wie zum Beispiel chemischer Kornfeiner in Aluminiumlegierungen. [2]

Experimentelle Herangehensweise

Um den Einfluss der Strömung auf das Erstarrungsgefüge zu verstehen, ist eine ausreichende Kenntnis der Strömungsverhältnisse Voraussetzung. Zu diesem Zweck werden Geschwindigkeitsmessungen mittels Ultraschall-Doppler-Verfahren (UDV) in Schmelzen durchgeführt. Um den experimentellen Aufwand zu reduzieren und die messtechnische Zugänglichkeit zu verbessern, wird für grundlegende Untersuchungen in einer kalten Schmelze gemessen. Für diesen Zweck eignet sich die eutektische Legierung aus Ga, In und Sn sehr gut, da diese ungiftig ist und ihre Liquidus Temperatur mit 10,5 °C unterhalb der Raumtemperatur liegt. Ein experimenteller Aufbau für eine Strömungsmessung ist in Abbildung 1 dargestellt. Anhand dieser Messungen können die Magnetfelder so angepasst werden, dass eine maßgeschneiderte Strömung in der Schmelze entsteht. Mit Hilfe von dimensionslosen Kennzahlen werden die Messergebnisse auf technische Legierungssysteme übertragen.[3]

Bei den enstsprechenden Erstarrungsexperimenten werden PbSn und AlSi Legierungen eingesetzt. Verschiedene Magnetsysteme und Kokillen (Beispiele in Abbildung 1), ermöglichen die Realisierung einer großen Parametervielfalt bezüglich der Erstarrungsbedingungen.

Für die qualitative und quantitative Gefügeanalyse, werden die erstarrten zylindrischen Proben meist axial getrennt und großflächig präpariert. Ergänzend können auch mechanische Kennwerte bestimmt werden.

Abbildung 1: Prinzipielle experimentelle Möglichkeiten: Plexiglasbehälter gefüllt mit eutektischer GaInSn-Legierung für isotherme Fluidinvestitionen (links), Edelstahlform für Erstarrungsexperimente (Mitte) und kombinierte magnetische Systeme (MULTIMAG, rechts)

Wissenschaftliche Ergebnisse

Im Allgemeinen führt eine Strömung zu einer besseren Mischung in der flüssigen Phase. In den meisten technischen Legierungen sind die Löslichkeiten in der flüssigen und festen Phase unterschiedlich. Hierdurch baut sich beim Phasenübergang ein Konzentrationgradient vor der Erstarrungsfront auf. Durch eine Strömung kommt es im Volumen zu einer Homogenisierung des Temperatur- und Konzentrationsfeldes. Dadurch entsteht ein steilerer Temperatur und Konzentrationsgradient vor der Erstarrungsfront. Ist die Strömung turbulent entstehen zusätzlich Fluktuationen im Konzentrations- und Temperaturfeld.

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Video 1: Erstarrung einer übereutektischen PbSn Legierung unter dem Einfluss eines rotierenden elektromagnetischen Magnetfeldes

Links in Abbildung 2 ist das Makrogefüge auf der Mantelfläche einer Sn – 15 Gew.% Pb -Legierung sichtbar. In der ersten Phase erstarrt das Metall ohne Konvektion. Dies wird durch eine Kühlung am Boden erreicht. In dieser Zusammensetzung kristallisiert zu Beginn der Starrung ein Sn-Mischkristall aus. Die bleireiche Restschmelze ist schwerer, so dass sich eine stabile Dichteschichtung bildet. Die Sn-Mischkristalle wachsen entgegen dem Temperaturgradienten nach oben, wodurch ein Gefüge mit vertikalen kolumnaren Körnern entsteht. Nachdem ca. 25% der Probe erstarrt sind wurde mit einem Magnetfeld eine rotierende Strömung erzeugt. Diese rotierende Strömung generiert aufgrund der horizontalen Grenzschichten eine sekundäre meridionale Strömung in Form von zwei toroidalen Wirbeln (rechts im Abbildung 2). Durch die sich ergebene spiralförmige Strömungsstruktur kommt es zum bevorzugten Wachstum der kolumnaren Körner in Richtung des neuen Temperatur- bzw. Konzentrationsgradienten, da die Strömung zinnreiche Schmelze an die Erstarrungsfront transportiert und damit die Unterkühlung erhöht. Wäremes Fluid strömt an den Seitenwänden nach unten und dann entlang der Erstarrungsfront in das Innere der Probe. Auf diesem Weg kühlt es sich ab und nimmt das sich bei der Erstarrung an den Dendritenspitzen und im oberen Bereich des Zweiphasengebietes ausscheidende, überschüssige Blei auf. Der radiale Transport der bleireichen Schmelze führt zur Bildung makroskopischer Segregationen entlang der Achse. In der oberen Hälfte der Probe kommt es zum equiaxialen Wachstum mit einem scharfen Übergang (CET) zum kolumnaren Bereich.[4]

Abbildung 2: Erstarrung einer SnPb-Legierung mit vertikalem Temperaturgradienten. Nach dem ersten Viertel wurde eine Rotationskonvektion erzeugt: erstarrter Körper (links), frontaler Schnitt durch den erstarrten Körper (Mitte), eutektischer Inhalt im frontalen Bereich (rechts)

Am HZDR wurden fortgeschrittene Rührmethoden entwickelt, bei denen durch die Nutzung zeitlich modulierter Magnetfelder in der Lage war, die Herausbildung von Makrosegregation zu minimieren oder gar ganz zu verhindern.[3] Diese mittels elektromagnetischen Rührens korngefeinte Gefüge weisen eine deutliche Festigkeitssteigerung auf. Außerdem wird die Streuung der mechanischen Eigenschaften in der Probe klar reduziert. [5] Neben dem Einsatz magnetischer Wechselfelder werden in der Literatur weitere Methoden zur Erzielung feinkörniger Gefüge vorgeschlagen. Es hat sich u.a. gezeigt, dass die Anwendung starker Strompulse zu einer Kornfeinung führt. Der damit verbundene Wirkmechanismus war lange umstritten. Experimente am HZDR in der jüngsten Vergangenheit konnten zeigen, dass auch bei dieser Methode eine intensive erzwungene Konvektion in der Schmelze erzeugt wird, mit deren Hilfe Einfluss auf das Erstarrungsgefüge genommen werden kann. [6] Durch Kombination mit einem Permanentmagnetfeld kann die Strömungsintensität weiter erhöht werden. Ein weiteres vielversprechendes Einsatzfeld von magnetischen Gleichfeldern ist die Strömungskontrolle beim der Formfüllung in Gießprozessen. Durch die Beruhigung der einströmenden Schmelze und der damit einhergehenden Stabilisierung der freien Oberfläche können strömungsinduzierte Gießdefekte, wie das Auftreten von Poren dramatisch verringert werden.[7] Aktuelle Forschungsthemen sind die Auswirkung einer elektromagnetischen Gefügebeeinflussung auf die Verpressbarkeit von Aluminium-Knetlegierungen und der Einfluss der Strömung auf die Ausscheidungsmorphologie von intermetallischen Phasen.

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Referenzen

[1] Schatt, W. und Worch, H.: Werkstoffwissenschaften, 8. Auflage, Deutscher Verlag für Grundstoffindustrie Stuttgart, 1996
[2] Metan, V.; Eigenfeld, K.; Räbiger, D.; Leonhardt, M.; Eckert, S.: Grain size control in Al-Si Alloys by grain refinement and electromagnetic stirring, Journal of Alloys and Compounds 487(2009)1-2, 163-172
[3] Willers, B.; Eckert, S.; Nikrityuk, Petr A.; Räbiger, D.; Dong, J.; Eckert, K.; Gerbeth, G.: Efficient melt stirring using pulse sequences of a rotating magnetic field: II Application during solidification of Al-Si alloys, Metallurgical and Materials Transactions B 39(2008)2, 304-316
[4] Willers, B.; Eckert, S.; Michel, U.; Haase, I.; Zouhar G.: The columnar-to-equiaxed transition in Pb-Sn alloys affected by electromagnetically driven convection, Materials Science and Engineering A 402, pp.55-65, 2005
[5] Räbiger, D.; Willers, B.; Eckert, S.: Flow control during solidification of AlSi-alloys by means of tailored AC magnetic fields and the impact on the mechanical properties, Materials Science Forum 790-791(2014), 384-389
[6] Räbiger, D.; Zhang, Y.; Galindo V.; Franke S.; Willers B.; Eckert S.: On the relevance of melt convection to grain refinement in Al-Si alloys solidified under the impact of electric currents, Acta Materialia 79 (2014), 327-338
[7] Eckert, S.; Galindo, V.; Gerbeth, G.; Witke, W.; Buchenau, D.; Gerke-Cantow, R.; Nicolai, H.-P.; Steinrücken, U. Strömungskontrolle bei Formfüllung mittels Magnetfeldern, Giesserei 92(2005)5, 26-31

weitere Arbeiten in diesem Themenbereich

[8] Zhang, Y.; Räbiger, D.; Willers, B.; Eckert, S.: The effect of pulsed electrical currents on the formation of macrosegregation in solidifying Al - Si hypoeutectic phases , International Journal of Cast Metals Research 30(2017)1, 13-19
[9] Räbiger, D.; Zhang, Y.; Galindo, V.; Franke, S.; Willers, B.; Eckert, S.: Experimental study on directional solidification of Al-Si alloys under the influence of electric currents, IOP Conference Series: Materials Science and Engineering 143(2016)1, 012021
[10] Kaya, H.; Çadirli, E.; Gündüz, M.; Räbiger, D.; Eckert, S.: Depencency of Structure, Mechanical and Electrical Properties on Rotating Magnetic Field in the Bi-Sn-Ag Ternary Eutectic Alloy , International Journal of Materials Research 107(2016)4, 362-371
[11] Zhang, Y.; Räbiger, D.; Eckert, S.: Solidification of pure aluminium affected by a pulsed electrical field and electromagnetic stirring, Journal of Materials Science 51(2016)4, 2153-2159
[12] Cadirli, E.; Kaya, H.; Räbiger, D.; Eckert, S.; Gündüz, M.: Effect of rotating magnetic field on the microstructures and physical properties of Al-Cu-Co ternary eutectic alloy, Journal of Alloys and Compounds 647(2015), 471-480
[13] Eckert, S.; Nikrityuk, P. A.; Räbiger, D.; Willers, B.; Eckert, K.: Anwendung zeitmodulierter Magnetfelder zur Strömungskontrolle während der gerichteten Erstarrung metallischer Legierungen, Berg- und hüttenmännische Monatshefte 154(2009)3, 117-120
[14] Eckert, S.; Nikrityuk, Petr A.; Räbiger, D.; Eckert, K.; Gerbeth, G.: Efficient melt stirring using pulse sequences of a rotating magnetic field: I - Flow field in a liquid metal column, Metallurgical and Materials Transactions B 39(2007), 374-386