Mathematische Modellierung der Ausscheidung ... - OPUS-Datenbank

5 Ergebnisse und Diskussion 75
d)
D=11,7 mm
Abbildung 5.14: Simulation der Erstarrung im Laborofen DS-Unit 4 des Lehrstuhls WTM
mit 10 mm/min Abzugsgeschwindigkeit im Bridgman-Prozess von Opel (2009) [Ope09]. (a)
Erstarrungsgeschwindigkeit, (b) Temperaturgradient bei der Erstarrung, (c) Dendritenarmstammabstand
λ jeweils an der Oberfläche, (d) 3D-Projektion der Gussform. Man kann die
Erstarrung in drei Bereiche einteilen. 1. schnell erstarrter Bereich an der Kühlplatte, 2. inhomogen
erstarrter Übergangsbereich und 3. die homogene Zone.
Die Simulation ergibt in den größten Teilen der Probestäbe eine Abkühlrate von ca. 0,75
K/s während der Erstarrung. Dies stimmt hervorragend mit den Werten überein, die aus
den experimentell gemessenen Dendritenstammabständen mit der Gleichung (2.2) bestimmt
wurden. Nur ca. 1 cm vor der Kühlplatte erhöht sich die Abkühlrate auf 1,15 K/s.
Zur Einordnung fasst Tabelle 5.4 typische Abkühlraten bei der Erstarrung zusammen. Allerdings
muss betont werden, dass in dem Modell zunächst einige Parameter, insbesondere
die Wärmeübergangskoeffizienten, sorgfältig kalibriert werden müssen [Ope09].
Tabelle 5.4: Typische Abkühlraten bei der Erstarrung mit unterschiedlichen industriellen
und Laborverfahren. HRS: High Rate Solidification = Bridgman-Verfahren, LMC: Liquid
Metal Cooling, DSC: Differential Scanning Calorimetry
Verfahren Abkühlrate T & K/s Dendritenabstand λ / µm
industrielles HRS 0,05 600
Labor-DSC 0,1 globular
industrielles LMC 0,25 300
Labor-HRS 0,25 – 1,0 150 - 250
5.3.2 Segregation
Bei der dendritischen Erstarrung tritt unvermeidlich Segregation der Legierungselemente
zwischen dem Dendritenkern und dem interdendritischen Bereich auf. Insbesondere die
195 mm