Simulation assisted castability evaluation of magnesium alloys

Abstract

The aim of this study is to evaluate the castability of magnesium casting alloys for gravity easting processes. The evaluation was done by using simulation software's. The main purpose of alloying is to improve the material properties. Simultaneously alloying affects to thermo physical properties and behaviour of the metal during casting process. By using virtual tools expensive and time consuming casting trials can be avoided.

The term cast ability covers not only the behaviour of molten and so1idif'ing metal in mould but also the easiness of handling the metal during the casting process. One of the challenges relating to magnesium is the high reactivity of the metal especially in high temperatures. This makes it difficult to handle magnesium during casting and it has to be done under protective atmosphere.

Accurate material data is essential when using numerical simulation tools. Understanding of theoretical background of numerical modelling is also vital. Low quality of data and wrong numerical methods can lead to false interpretation of the casting process.

Mainly the mould filling and solidification was used on evaluation the cast ability of magnesium alloys, both in simulation and reality. It is essential to control the mould and melt temperatures during the casting process. The heat control of the investment casting process was studied in this research. Forced air was used for additional cooling of the mould and electromagnetic field was used for production for local heating of the mould during solidification.

The cast ability of alloy can be partially predicted by using simulation tools. Not all phenomena, like chemical reactions between melt and surrounding atmosphere, can be evaluated by using simulation tools. The filling and solidification simulation results can be used as a basis for process parameter optimisation. Heat control of ceramic mould can be controlled by using forced air cooling or additional local heating. The methods used in this research need to be developed further before they can be applied to production.

Työn tavoitteena oli selvittää gravitaatiovaluprosesseihin kehitettyjen magnesiumvaluseosten valettavuutta simulointiohjelmistojen avulla. Seostamalla pyritään muuttamaan metalliseoksen materiaaliominaisuuksia, samalla muutetaan myös sen termofysikaalisia ominaisuuksia, jotka vaikuttavat seoksen käyttäytymiseen valun aikana. Virtuaalitekniikoilla voidaan välttää kalliiden ja aikaa vievien koevalujen valaminen, ainakin osittain.

Valettavuuden käsitteeseen liittyy paitsi sulan juoksevuus ja jähmettyminen, myös metallin käsittelyn helppous valamisen eri vaiheissa. Yhtenä haasteena magnesiumilla on sen reaktiivisuus, mikä tekee siitä sulana hankalasti käsiteltävän. Sulaa magnesiumia on käsiteltävä valun aikana suojakaasun alaisena. Simuloinnin tehokas käyttö edellyttää paitsi valussa tapahtuvien ilmiöiden hallintaa, myös tarkkoja tietoja käytettävistä materiaaleista. Puutteelliset lähtötiedot ja huonosti valitut numeeriset mallit saattavat johtaa vääriin tuloksiin ja johtopäätöksin valun käyttäytymisestä.

Simuloinnin avulla arvioitiin magnesiumseosten valettavuutta, lähinnä sulan virtauksen, muotin täyttymisen ja lämmönsiirron kannalta. Muotin lämpötilan hallinta on tärkeää etenkin sellaisten magnesiumseosten kaltaisten materiaalien osalta, joiden lämpökapasiteetti ja entalpia ovat pieniä. Tarkkuusvalumuotin lämmönhallintaa tutkittiin simuloinnin lisäksi kokeellisesti. Muotin jäähdyttämiseen käytettiin paineilmaa ja muotin paikalliseen lämmitykseen sähkömagneettista kenttää.

Työn tuloksena saatiin selville simulointitulokseen olennaisimmin vaikuttavat parametrit. Kaikkia valettavuuteen vaikuttavia muuttujia, kuten sulan reaktiivisuutta, ei voida kuitenkaan simulointiohjelmilla ennustaa. Muotin täyttymisen ja jähmettymisen simuloinnilla on mahdollista saadaan riittävän tarkat tulokset oikeiden prosessiparametrien löytämiseksi. Muotin lämpötilan hallintaa voidaan tehostaa lisäjäähdytyksellä ja lämmityksellä. Tässä työssä käytettyjä menetelmiä ei kuitenkaan voida siirtää suoraan tuotantoon vaan ne vaativat jatkokehitystä.