The aim of this work is comparing three casting process simulation programs for porosity and microstructure prediction capabilities for die-casting. After confronting these results with experimentally measured data taken from real castings it could be said that simulation is pretty accurate for DAS microstructure prediction and hot-spot areas. Amount of measured porosity could not be compared with predicted values because specimens were not taken from the exact hot-spot areas.

Squeeze casting is the practise of solidifying metals under mechanically applied pressure via a slow displacement of a die volume. It has been shown that squeeze casting enhances the mechanical properties of cast metals. Research into other high integrity casting processes has shown that using techniques that enhance melt quality can further increase the mechanical properties. Therefore a bottom-tapped, bottom-fed squeeze casting machine was designed and built around a pre-existing squeeze casting die designed for uniaxial pressure application. This was used to obtain quantitative metallurgical and microstructural information on the squeeze castings produced, including the effects of common micro-alloying additions of strontium modifier and titanium modifier on the microstructure and hardness of a commercial aluminium silicon eutectic alloy. These were examined using a Taguchi design of experiments approach. It was found that squeeze casting reduced porosity and secondary dendrite arm spacing and increased hardness, and reduced or eliminated increases in porosity and secondary dendrite arm spacing associated with micro-alloying addition. The size of possibly deleterious iron-rich precipitates was reduced, and the morphology of such precipitates changed to a possibly less deleterious form without further alloy additions of manganese. It was also found that melt control and handling is essential for consistent quality of castings in the production of small volume squeeze castings, such as the ones produced in this experimental work.

This thesis entails a detailed microstructure analysis of directionally solidified (DS) Al-7Si alloys processed in microgravity aboard the International Space Station and similar duplicate ground based experiments at Cleveland State University. In recent years, the European Space Agency (ESA) has conducted experiments on alloy solidification in microgravity. NASA and ESA have collaborated for three DS experiments with Al- 7 wt. % Si alloy, aboard the International Space Station (ISS) denoted as MICAST6, MICAST7 and MICAST12. The first two experiments were processed on the ISS in 2009 and 2010. MICAST12 was processed aboard the ISS in the spring of 2014; the resulting experimental results of MICAST12 are not discussed in this thesis. The primary goal of the thesis was to understand the effect of convection in primary dendrite arm spacings (PDAS) and radial macrosegregation within DS aluminum alloys. The MICAST experiments were processed with various solidification speeds and thermal gradients to produce alloy with differences in microstructure features. PDAS and radial macrosegregation were measured in the solidified ingot that developed during the transition from one solidification speed to another. To represent PDAS in DS alloy in the presence of no convection, the Hunt-Lu model was used to represent diffusion-controlled growth. By sectioning cross-sections throughout the entire length of solidified samples, PDAS was measured and calculated. The ground-based (1-g) experiments done at Cleveland State University CSU were also analyzed for comparison to the ISS experiments (0-g). During steady state in the microgravity environment, there was a reasonable agreement between the measured and calculated PDAS. In ground-based experiments, transverse sections exhibited obvious radial macrosegregation caused by thermosolutal convection resulting in a non-agreement with the Hunt- Lu model. Using a combination of image processing techniques and Electron Microprobe Analysis, the extent of radial macrosegregation was found to be a function of processing conditions and PDAS.

Magnésio e suas ligas têm adquirido importância cada vez mais significativa como material estrutural de peso leve despertando um singular interesse pela indústria uma vez que oferece a melhor relação peso/resistência entre os metais. Os campos mais conhecidos de sua aplicação consistem na construção de veículos, na aeronáutica, manipulação industrial (robôs, automatização) e tecnologia de comunicação. Em particular, a indústria automobilística tem crescentemente ampliado a utilização de ligas de magnésio na produção de peças que vão desde caixas de câmbio até aros de rodas. As principais razões para este desenvolvimento são: mudanças na legislação ambiental, as exigências de cliente, e objetivos corporativos que requerem veículos mais leves diminuindo o consumo de combustível. O uso do magnésio para aplicações estruturais em altas temperaturas é limitado devido a sua baixa resistência à fluência. Isso se deve ao enfraquecimento do contorno de grão a partir da precipitação descontínua da fase b-Mg17Al12 de baixo ponto de fusão. Dentre as ligas de magnésio desenvolvidas para resistência à fluência, as ligas do sistema Mg-Al-RE-Ca oferecem ótimo desempenho com resultados similares à liga de alumínio ADC12. Muitos trabalhos sobre o sistema de ligas Mg-Al-RE-Ca foram realizados visando compreender a relação entre microestruturas e propriedades mecânicas. Entretanto, poucos estudos relacionaram a influência das variáveis de solidificação na formação das microestruturas. O presente trabalho tem como objetivo realizar um estudo em uma liga Mg-4%Al-3%La-1%Ca analisando a influência das variáveis térmicas tais como taxas de resfriamento, velocidade da isoterma liquidus e gradientes de temperatura, na formação de estruturas, na transição colunarequiaxial e espaçamento dendrítico durante o processo de solidificação. A previsão das distintas estruturas, tais como zona colunar e equiaxial é de grande interesse para avaliação e projeção das propriedades mecânicas dos fundidos. Dessa forma, a liga estudada foi submetida à solidificação unidirecional vertical ascendente e análise térmica. Foram realizadas análises metalográficas nos lingotes solidificados. Os resultados colaboram para uma melhor compreensão do fenômeno de solidificação da liga e serve como ferramenta no desenvolvimento de modelos de previsões de formação de micro e macroestruturas que influenciam diretamente nas propriedades mecânicas. / Due to their superior weight/resistance relation, magnesium and its alloys have been acquiring a great deal of importance in the modern industry, specially as lightweight structural materials in the fields of vehicle construction, aeronautics, industrial robotics, automation, and communication technologies. In particular, the automotive industry has been increasingly expanding the use of magnesium alloys in the production of auto-parts, ranging from gearbox housings to steering wheels. The main reasons for this developments are changes in environmental legislations, new customer requirements, and corporate policies regarding fuel consumption and weight/power relations. The use of magnesium alloys for structural applications at high temperatures is limited due to the precipitation of the discontinuous phase b-Mg17Al12, which in fact, weakens the grain boundary during service resulting in a low creep resistance. Among the magnesium alloys developed for creep resistance, the alloys of the system Al-Mg-RE-Ca offer optimum performance with results similar to the ADC12 aluminum alloy. Many studies on the Al-Mg-RE-Ca system alloys were aimed to understand the relationship between microstructure and mechanical properties. However, few studies undertake the influence of the solidification variables in the microstructure formation. This work aims to study the influence of some thermal variables such as temperature gradients, solidification and growth tip rate on the formation of microstructures, the columnar/equiaxial transition and dendrite arm spacing, during the solidification process of a Mg-4%Al-3%La- 1%Ca alloy. The prediction of the different structures, such as the columnar and the equiaxial regions is of great interest for the assessment and projection of the mechanical properties of the casts. Therefore, the alloy studied in this work were submitted to thermal analysis during an unidirectional vertical ascending solidification, as well as optical and scanning electron microscopy characterization. The results contribute to a better understanding of the solidification phenomena of the magnesium alloys, as well as a tool in the development of numerical models for the prediction of structures which directly influence the mechanical properties of the parts.

Magnésio e suas ligas têm adquirido importância cada vez mais significativa como material estrutural de peso leve despertando um singular interesse pela indústria uma vez que oferece a melhor relação peso/resistência entre os metais. Os campos mais conhecidos de sua aplicação consistem na construção de veículos, na aeronáutica, manipulação industrial (robôs, automatização) e tecnologia de comunicação. Em particular, a indústria automobilística tem crescentemente ampliado a utilização de ligas de magnésio na produção de peças que vão desde caixas de câmbio até aros de rodas. As principais razões para este desenvolvimento são: mudanças na legislação ambiental, as exigências de cliente, e objetivos corporativos que requerem veículos mais leves diminuindo o consumo de combustível. O uso do magnésio para aplicações estruturais em altas temperaturas é limitado devido a sua baixa resistência à fluência. Isso se deve ao enfraquecimento do contorno de grão a partir da precipitação descontínua da fase b-Mg17Al12 de baixo ponto de fusão. Dentre as ligas de magnésio desenvolvidas para resistência à fluência, as ligas do sistema Mg-Al-RE-Ca oferecem ótimo desempenho com resultados similares à liga de alumínio ADC12. Muitos trabalhos sobre o sistema de ligas Mg-Al-RE-Ca foram realizados visando compreender a relação entre microestruturas e propriedades mecânicas. Entretanto, poucos estudos relacionaram a influência das variáveis de solidificação na formação das microestruturas. O presente trabalho tem como objetivo realizar um estudo em uma liga Mg-4%Al-3%La-1%Ca analisando a influência das variáveis térmicas tais como taxas de resfriamento, velocidade da isoterma liquidus e gradientes de temperatura, na formação de estruturas, na transição colunarequiaxial e espaçamento dendrítico durante o processo de solidificação. A previsão das distintas estruturas, tais como zona colunar e equiaxial é de grande interesse para avaliação e projeção das propriedades mecânicas dos fundidos. Dessa forma, a liga estudada foi submetida à solidificação unidirecional vertical ascendente e análise térmica. Foram realizadas análises metalográficas nos lingotes solidificados. Os resultados colaboram para uma melhor compreensão do fenômeno de solidificação da liga e serve como ferramenta no desenvolvimento de modelos de previsões de formação de micro e macroestruturas que influenciam diretamente nas propriedades mecânicas. / Due to their superior weight/resistance relation, magnesium and its alloys have been acquiring a great deal of importance in the modern industry, specially as lightweight structural materials in the fields of vehicle construction, aeronautics, industrial robotics, automation, and communication technologies. In particular, the automotive industry has been increasingly expanding the use of magnesium alloys in the production of auto-parts, ranging from gearbox housings to steering wheels. The main reasons for this developments are changes in environmental legislations, new customer requirements, and corporate policies regarding fuel consumption and weight/power relations. The use of magnesium alloys for structural applications at high temperatures is limited due to the precipitation of the discontinuous phase b-Mg17Al12, which in fact, weakens the grain boundary during service resulting in a low creep resistance. Among the magnesium alloys developed for creep resistance, the alloys of the system Al-Mg-RE-Ca offer optimum performance with results similar to the ADC12 aluminum alloy. Many studies on the Al-Mg-RE-Ca system alloys were aimed to understand the relationship between microstructure and mechanical properties. However, few studies undertake the influence of the solidification variables in the microstructure formation. This work aims to study the influence of some thermal variables such as temperature gradients, solidification and growth tip rate on the formation of microstructures, the columnar/equiaxial transition and dendrite arm spacing, during the solidification process of a Mg-4%Al-3%La- 1%Ca alloy. The prediction of the different structures, such as the columnar and the equiaxial regions is of great interest for the assessment and projection of the mechanical properties of the casts. Therefore, the alloy studied in this work were submitted to thermal analysis during an unidirectional vertical ascending solidification, as well as optical and scanning electron microscopy characterization. The results contribute to a better understanding of the solidification phenomena of the magnesium alloys, as well as a tool in the development of numerical models for the prediction of structures which directly influence the mechanical properties of the parts.

Magnésio e suas ligas têm adquirido importância cada vez mais significativa como material estrutural de peso leve despertando um singular interesse pela indústria uma vez que oferece a melhor relação peso/resistência entre os metais. Os campos mais conhecidos de sua aplicação consistem na construção de veículos, na aeronáutica, manipulação industrial (robôs, automatização) e tecnologia de comunicação. Em particular, a indústria automobilística tem crescentemente ampliado a utilização de ligas de magnésio na produção de peças que vão desde caixas de câmbio até aros de rodas. As principais razões para este desenvolvimento são: mudanças na legislação ambiental, as exigências de cliente, e objetivos corporativos que requerem veículos mais leves diminuindo o consumo de combustível. O uso do magnésio para aplicações estruturais em altas temperaturas é limitado devido a sua baixa resistência à fluência. Isso se deve ao enfraquecimento do contorno de grão a partir da precipitação descontínua da fase b-Mg17Al12 de baixo ponto de fusão. Dentre as ligas de magnésio desenvolvidas para resistência à fluência, as ligas do sistema Mg-Al-RE-Ca oferecem ótimo desempenho com resultados similares à liga de alumínio ADC12. Muitos trabalhos sobre o sistema de ligas Mg-Al-RE-Ca foram realizados visando compreender a relação entre microestruturas e propriedades mecânicas. Entretanto, poucos estudos relacionaram a influência das variáveis de solidificação na formação das microestruturas. O presente trabalho tem como objetivo realizar um estudo em uma liga Mg-4%Al-3%La-1%Ca analisando a influência das variáveis térmicas tais como taxas de resfriamento, velocidade da isoterma liquidus e gradientes de temperatura, na formação de estruturas, na transição colunarequiaxial e espaçamento dendrítico durante o processo de solidificação. A previsão das distintas estruturas, tais como zona colunar e equiaxial é de grande interesse para avaliação e projeção das propriedades mecânicas dos fundidos. Dessa forma, a liga estudada foi submetida à solidificação unidirecional vertical ascendente e análise térmica. Foram realizadas análises metalográficas nos lingotes solidificados. Os resultados colaboram para uma melhor compreensão do fenômeno de solidificação da liga e serve como ferramenta no desenvolvimento de modelos de previsões de formação de micro e macroestruturas que influenciam diretamente nas propriedades mecânicas. / Due to their superior weight/resistance relation, magnesium and its alloys have been acquiring a great deal of importance in the modern industry, specially as lightweight structural materials in the fields of vehicle construction, aeronautics, industrial robotics, automation, and communication technologies. In particular, the automotive industry has been increasingly expanding the use of magnesium alloys in the production of auto-parts, ranging from gearbox housings to steering wheels. The main reasons for this developments are changes in environmental legislations, new customer requirements, and corporate policies regarding fuel consumption and weight/power relations. The use of magnesium alloys for structural applications at high temperatures is limited due to the precipitation of the discontinuous phase b-Mg17Al12, which in fact, weakens the grain boundary during service resulting in a low creep resistance. Among the magnesium alloys developed for creep resistance, the alloys of the system Al-Mg-RE-Ca offer optimum performance with results similar to the ADC12 aluminum alloy. Many studies on the Al-Mg-RE-Ca system alloys were aimed to understand the relationship between microstructure and mechanical properties. However, few studies undertake the influence of the solidification variables in the microstructure formation. This work aims to study the influence of some thermal variables such as temperature gradients, solidification and growth tip rate on the formation of microstructures, the columnar/equiaxial transition and dendrite arm spacing, during the solidification process of a Mg-4%Al-3%La- 1%Ca alloy. The prediction of the different structures, such as the columnar and the equiaxial regions is of great interest for the assessment and projection of the mechanical properties of the casts. Therefore, the alloy studied in this work were submitted to thermal analysis during an unidirectional vertical ascending solidification, as well as optical and scanning electron microscopy characterization. The results contribute to a better understanding of the solidification phenomena of the magnesium alloys, as well as a tool in the development of numerical models for the prediction of structures which directly influence the mechanical properties of the parts.

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Für den Zylinderkopf ist das Schwerkraftgießen ein etabliertes Gießverfahren. Jedoch gehen die Gießereien in der Ausführung des Schwerkraftgusses unterschiedlich vor. Durch die mannigfaltigen Anschnittsysteme und die sich dadurch ergebenden Vor- bzw. Nachteile bei der Herstellung entstehen Unterschiede bei Qualität und Kosten. Ziel dieser Arbeit ist es, Standards und Vereinheitlichungen während der Produktentstehung eines Zylinderkopfes zu etablieren, um eine gleichbleibende Qualität der Zylinderköpfe in den Gießereien zu gewährleisten. Dazu sind vielfältige Ansatzpunkte zu verfolgen. Eine Möglichkeit ist die geometrische Beurteilung des Zylinderkopfs, wie z.B. Wandstärken, Speisungswege und die Außengeometrien. Die nach Lastenheftvorgaben zu erfüllenden Eigenschaften spielen gleichermaßen eine Rolle und haben Einfluss auf die Wahl des Gießverfahrens. Mit Hilfe von speziellen Entscheidungsmethoden ist eine Vorauswahl für ein Gießverfahren möglich. Des Weiteren werden mittels experimentellen Untersuchungen die Entscheidungen gestützt. Die Gießsimulation ist als zusätzliches Auslegungswerkzeug einzusetzen. Hierbei sind Gussfehler im Bauteil zu lokalisieren und zu vermeiden. Unzureichende Speisungswege oder zu geringe Wandstärken durch komplizierte Kerngeometrien sind zu ermitteln. Des Weiteren sind Vorhersagen zu Dendritenarmabständen und Materialausnutzung (Speiserdimensionierung) möglich, die direkt mit der Wahl des Gießverfahrens zusammenhängen. Die Verzahnung von Geometrie- und Metallurgiefaktoren führt idealerweise zur Definition von Standardisierungsaspekten zur Auswahl der Gießtechnologie bei der Zylinderkopfentwicklung. Durch eine parallele Produkt- und Prozessentwicklung ist eine Verkürzung des Produktentstehungsprozesses erreichbar.

Solving of this diploma thesis is evaluation porosity in sequence on mechanical properties from different Al alloys. Castings were made by gravity casting to the iron-mould or gravity casting to the sand. Measurements (mechanical properties, porosity, DAS - dendrite arm spacing, shape factors and sphericity) were statistically analysed and dependencies which were detected were processed to the graphs.