Physikalische Modellierung von Cu-Sn Guss

Bei der Gussteilfertigung realer Metalle ist die Messung oder auch nur Beobachtung der verschiedenen Strömungsfelder, die sich bei unterschiedlichen Einfüllmechanismen ergeben, durch die Undurchsichtigkeit der Schmelze und die beteiligten hohen Temperaturen schwierig oder überhaupt unmöglich. Als Konsequenz wurden verschiedenste mathematische und physikalische Modelle entwickelt um die Strömungen in Gussanlagen (hauptsächlich für Stahlguss) zu bestimmen. Während die mathematischen Modelle im Allgemeinen gut akzeptiert sind, wurde ihre Qualität immer öfter daran gemessen wie gut sie die Strömungen in physikalischen Wassermodellen vorhersagen können. Im Fall von Stahlguss werden zur physikalischen Modellierung der auftretenden Strömungsfelder in der Schmelze oft Wassermodelle und "Partikel Image Velozimetrie (PIV)" oder ähnliche Strömungsfeldmesstechniken verwendet. Der interessanteste Bereich in dieser Art der Untersuchungen ist der Bereich rund um den eingetauchten Einfüllstutzen und industrielle Forschungsgruppen testen das Design neuer Einfüllstutzen mit PIV Messungen in der Nähe der Einströmöffnung. Die diesbezüglichen PIV Messungen ignorieren dabei die Ausbildung einer Erstarrungsfront entweder ganz oder berücksichtigen sie nur durch eine Änderung der Gussgeometrie von zylindrisch auf konisch. Für den Guss von Stahl ist das eine gute Näherung, da sich der Bereich der Durcherstarrung des Strangs einige Meter vom Einfüllstutzen entfernt befindet. Es gibt aber andere Metalle und Legierungen wo sich die Erstarrungsfront viel näher am Einfüllstutzen befindet und ihr Einfluss auf die Strömungen daher sowohl in der numerischen wie auch in der physikalischen Modellierung einbezogen werden muss. Eine kürzlich veröffentlichte Arbeit am Department of Materials Science and Engineering, University of California, Berkeley hat gezeigt, dass im Fall von Aluminiumguss die Distanz zwischen der Einströmöffnung des flüssigen Metalls und der Erstarrungsfront nur ca. 0,4 Meter beträgt. Neue Berechnungen und die Zusammenarbeit mit Industriepartnern des Forschungsinstituts des Antragstellers haben ergeben dass diese Distanz im Fall von Cu-Sn Legierungen in derselben Größenordnung liegt. Wenn man daher ein physikalisches Modell für die Messung der bei Cu-Sn Guss auftretenden Strömungsbilder bauen will, muss es den Abstand und die Form der Erstarrungsfront berücksichtigen. Für das physikalische Modell des Aluminiumguss hat die Forschungsgruppe in Berkeley die parabolische Form der Erstarrungsfront durch eine mit porösem Material bedeckte umgedrehte Pyramide vereinfacht. Diese festgelegte Form basierte auf einer fixen Gussgeometrie und Gussgeschwindigkeit. Das Modell zeigte eine gute Übereinstimmung mit dem numerischen Modell und bot die Möglichkeit den Einfluss neuer Geometrien des Einfüllstutzens auf die Strömungsfelder zu testen. Was es aber nicht konnte war den Einfluss unterschiedlicher Formen der Erstarrungsfront und damit unterschiedlicher Gussgeschwindigkeiten zu testen. Das Ziel des vorgelegten Projektes ist es, den existierenden Messaufbau für den Cu-Sn Guss abzuändern und dahingehend zu verbessern, dass der Einfluss der Position und Form der Erstarrungsfront auf das Strömungsbild untersucht werden kann. Das fertige Modell soll dem Experimentator die Möglichkeit geben, die Form der Erstarrungsfront gemäß den Vorhersagen unterschiedlicher numerischer Modelle anzupassen und die gemessenen Strömungsfelder mit den berechneten zu vergleichen. Wenn neue numerischen Berechnungen eine andere Form der Erstarrungsfront vorhersagen, sei es durch eine Änderung der Gussgeschwindigkeit, sei es durch Verbesserung des numerischen Modells, so soll der flexible Aufbau ein einfaches Mittel darstellen um die neuen Resultate durch die entsprechenden Strömungsfeldmessungen in Wasser zu überprüfen. Unabhängig von der Möglichkeit unterschiedliche numerische Modelle zu testen wird eine systematische Untersuchung des Einflusses der Erstarrungsfront auf das Strömungsfeld das Verständnis des gesamten Prozesses verbessern.