STALPK Tunnväggigt aluminiumgjutgods * Kortare ledtider vid framställning av tunnväggigt aluminiumpressoch kokillgjutgods med kundanpassade egenskaper Slutrapport. Del A Projektnummer: 01070
ST 23
STALPK Tunnväggigt aluminiumgjutgods * Kortare ledtider vid framställning av tunnväggigt aluminiumpressoch kokillgjutgods med kundanpassade egenskaper Slutrapport. Del A Projektnummer: 01070
© 2004, Svenska Gjuteriföreningen
INNEHÅLLSFÖRTECKNING Sida 1
Sammanfattning....................................................................................................... 1
2 2.1 2.2 2.3 2.4
Inledning ................................................................................................................... 1 Bakgrund.................................................................................................................... 1 Genomförande............................................................................................................ 2 Projektets målsättning................................................................................................ 2 Tack............................................................................................................................ 3
3 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 3.7
Verktygstillverkning med Rapid-Tooling-systemet MST .................................... 3 MST-systemet ............................................................................................................ 3 Tillverkade verktyg.................................................................................................... 3 Tester för ingjutning av kanaler i verktyget för temperaturstyrning.......................... 4 Provgjutning av aluminium i MST-verktyg............................................................... 4 Slutsatser .................................................................................................................... 7 Ekonomi vid konventionella verktyg och MST-verktyg ........................................... 8 Framtida planer för MST-tekniken ............................................................................ 9
4 4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 4.6
Verktygstillverkning med Precision Sprayforming (PSF) ................................... 9 PSF-tekniken.............................................................................................................. 9 Fördelar med PSF-metoden ..................................................................................... 10 Gjorda försök ........................................................................................................... 11 Resultat .................................................................................................................... 12 Kostnadsaspekter vid verktygstillverkning.............................................................. 13 Framtidsplaner ......................................................................................................... 14
5 5.1 5.2 5.3 5.4
Försök...................................................................................................................... 14 Anpassning av forminsatser..................................................................................... 14 Gjutning ................................................................................................................... 14 Diskussion................................................................................................................ 17 Slutsatser .................................................................................................................. 18
6 Gjutsimulering av användning av verktyg tillverkat med PSF-tekniken ........ 18 6.1 Beskrivning av tekniken .......................................................................................... 18 6.2 Genomförda försök .................................................................................................. 19 7
Rapporter................................................................................................................ 23
Bilaga 1........................................................................................................................... 24 Bilaga 2........................................................................................................................... 26
STÖPFORSK
1
1 SAMMANFATTNING Inom ramen för den nordiska samarbetsorganisationen STÖPFORSK har genomförts projektet ”STALPK – Tunnväggigt Al-gjutgods. Kortare ledtider vid framställning av tunnväggigt aluminiumpress- och kokillgjutgods med kundanpassade egenskaper”. Vid genomförandet har projektet varit uppdelat i följande två delar: A B
Kortare ledtider - Rapid Tooling Förbättrade materialegenskaper
Här föreliggande rapport avser delprojekt A. I projektet har två nya tekniker för snabb verktygstillverkning vidareutvecklats och testats. Den ena metoden, MST-metoden, baseras på indirekt tillverkning av verktyget genom att en metallslurry vid rumstemperatur gjuts över en modell. Slurryn består av olika metallpulver, stålpulver och pulver av en kopparlegering. Bindning av metallpulvret och därigenom hållfasthet erhålls genom sintring i en inert atmosfär. Den andra metoden, PSF-metoden, baseras på en kombination av sprayformning och precisionsgjutning i keramiska formar. Båda teknikerna har provats. Försök har gjorts med verktyg tillverkade med MST-metoden vid såväl statisk kokillgjutning som vid lågtryckskokillgjutning och pressgjutning. Verktyg tillverkat med PSF-metoden har testats dels som ett smidesverktyg, dels vid pressgjutning. Intressanta och för framtiden lovande resultat har erhållits med både MST- och PSF-verktyg. Vid exempelvis försöken med MST-verktygen vid statisk kokillgjutning och vid lågtryckskokillgjutning kunde inget signifikant slitage noteras efter gjutning av ca 100 detaljer. Vid försök med PSF-verktyg vid smidning uppnåddes längre verktygslivslängd än vid verktyg med normala verktygsinsatser. Gjutsimuleringsförsök har gjorts med verktyg tillverkade med MST-metoden. Aktuellt gjutstycke var ett aluminiumhjul. Simuleringarna visade bl a att det med stor sannolikhet skulle vara gynnsamt att temperera verktyget med varm olja som strömmar genom kylkanaler i närheten av formhålighetens överyta. 2 INLEDNING 2.1 Bakgrund Två mycket stora och betydelsefulla gjutgodsanvändare i Norden är fordonsoch telekomindustrierna, som tillsammans sysselsätter över 500 000 personer och omsätter flera hundra miljarder kronor. Dessa industrier ställer extremt höga krav på gjutgods beträffande bland annat kortare ledtider, förbättrad processäkerhet, förbättrade materialegenskaper, förbättrad ytjämnhet hos gjutgodset och defektfrihet. Ett ytterligare krav är tunnväggigare gjutgods för
STÖPFORSK
2 att därigenom uppnå en viktsminimering. Dessa kvalitets- och egenskapskrav påverkar även kraven på gjutgods för andra typer av gjutgodsanvändare. Mot denna bakgrund har den nordiska samarbetsorganisationen på gjuteriområdet, STÖPFORSK, genomfört ett projekt med titeln ”STALPK – Tunnväggigt Al-gjutgods. Kortare ledtider vid framställning av tunnväggigt aluminiumpress- och kokillgjutgods med kundanpassade egenskaper”. Vid genomförandet har projektet varit uppdelat i följande två delar: A B
Kortare ledtider - Rapid Tooling Förbättrade materialegenskaper
Här föreliggande rapport avser delprojekt A. Delprojekt B redovisas i en separat rapport. Kortare ledtider - Rapid Tooling Inom telekomindustrin är produkternas livslängd ofta kort. I Norden är genomsnittliga produktlivstiden drygt ett år medan den i Japan endast är fyra månader. Ur konkurrens- och marknadssynpunkt är framtagningstiden för prototyp och ledtiden till färdig produkt ytterst viktig. Huvuddelen av alla kokill- och pressgjutverktyg tillverkas idag genom maskinbearbetning av blockmaterial. När den geometriska utformningens komplexitet ökar, ökar även den erforderliga bearbetningstiden. Dessutom medför bearbetningen avfall i form av spånor. För verktyg med djupa kaviteter är det inte ovanligt att 60% av utgångsmaterialet blir avfall. Det föreligger ett klart behov för en verktygstillverkningsteknik, som kan minska ledtiderna och en tillverkningsprocess, som är oberoende av verktygets komplexitet. Ett behov föreligger även av en tillverkningsteknik som minimerar eller helst eliminerar avfallet. 2.2 Genomförande Båda delprojekten, A och B, har genomförts i ett nära samarbete mellan de i projektet deltagande nordiska forskningsorganisationerna och nordisk gjuteriindustri. Kostnaderna vid genomförandet har täckts dels med anslag från Nordisk Industrifond, dels med nationella forskningsanslag. Industrin i de nordiska länderna har även ställt resurser till förfogande vid arbetets genomförande. I arbetet har sammanlagt åtta forskningsorganisationer deltagit tillsammans med ett stort antal nordiska gjuterier. En förteckning över forskningsorganisationerna samt deltagande gjuterier ges i bilaga 1. För arbetet har en styrgrupp varit tillsatt. En förteckning över medlemmar i denna samt övriga i projektarbetet deltagande personer ges i bilaga 2. 2.3 Projektets målsättning
STÖPFORSK
3 Den övergripande målsättningen för delprojekt A i STALPK-projektet har varit: Minskad tid från idé till färdig produkt genom utnyttjande av Rapidtooling - teknik. Mål: två veckor.
2.4 Tack Ett varmt tack framförs till Nordisk Industrifond och alla de företag, som välvilligt ställt personella och materiella resurser till förfogande vid arbetets utförande. 3. VERKTYGSTILLVERKNING MED RAPID-TOOLING-SYSTEMET MST 3.1 MST-systemet Namnet MST står för Metal Slurry Tooling. Tekniken baseras på indirekt tillverkning genom att en metallslurry vid rumstemperatur gjuts över en modell. Metallslurryn består av olika metallpulver, stålpulver och pulver av en kopparlegering. Slurryn härdar vid rumstemperatur. Modellen kan lossas från det gjutna slurrygjutstycket och ett perfekt avtryck fås av modellen. Bindning av metallpulvret och därigenom hållfasthet erhålls genom sintring i en inert atmosfär. Modellerna representerar ett negativ av verktyget och tillverkas i plast eller vax. Material i modellerna kan vara två-komponent ureol eller liknande, epoxy uppbyggd med stereolitografiteknik eller en blandning av plast som t ex POM. Även vaxmodeller tillverkade med Actua Thermojet-teknik kan användas. Verktygsramen kan vara en del av det slutgiltiga verktyget och tillverkas då i stål. Eftersom MST-systemet använder den aktuella halvan som modell, är det möjligt att tillverka modeller från delarna. Det färdiga verktyget är uppbyggt i ett poröst material med densiteten 5,6 g/cm3 och draghållfastheten 200 – 300 MPa. Det kan lätt bearbetas med volframkarbidstål. Med rätt utrustning är tiden för att tillverka ett verktyg 3 – 7 dagar. Erforderlig utrustning är beroende på aktuella storlekar hos gjutramar och konstruktion hos modellen. 3.2 Tillverkade verktyg 3.2.1 Verktyg för statisk kokillgjutning Tre verktyg har tillverkats. Detta har omfattat tillverkning av tre uppsättningar av gjutramar, två uppsättningar av plastmodeller och en modell i aluminium. 3.2.2 Verktyg för lågtryckskokillgjutning En verktygshalva har tillverkats. Detta har omfattat tillverkning av en gjutram och en gjutmodell i plast.
STÖPFORSK
4
3.2.3 Verktyg för pressgjutning Två identiska verktygsuppsättningar har tillverkats. Detta har omfattat framtagning av en gjutram, en SLA-modell och en plastmodell. 3.3 Tester för ingjutning av kanaler i verktyget för temperaturstyrning I teorin tillåter MST-konceptet placering av kanaler i verktyget för att styra temperaturen. Kvaliteten hos aluminiumgjutgods är bland annat beroende av styrningen av temperaturen i verktyget. Ur simuleringssynpunkt var det en önskan om kylkanaler i verktyget för att studera inverkan på gjutgodset. Tekniken baseras på att böja ett rör till önskad form, placera detta i en gjutram och sedan gjuta metallslurry. På detta sätt bäddas röret in i metallslurrymaterialet. Åtskilliga prov gjordes med raka och böjda rör. Utgående från dessa prov kunde dras den slutsatsen att ett övergripande problem var skillnader i termisk utvidgning hos röret och metallslurryverktyget, vilket ledde till sprickor i verktyget. Flera metoder för att lösa detta problem testades men utan framgång. Med hänsyn till tillgänglig ekonomisk ram bedömdes detta problem vara för stort för att lösas. 3.4 Provgjutning av aluminium i MST-verktyg 3.4.1 Verktyg för statisk kokillgjutning Totalt tillverkades med MST-metoden inom STALPK-projektet tre verktyg för statisk kokillgjutning. Verktygen tillverkades genom gjutning av metallslurrymaterial över antingen modeller tillverkade i uretan eller modeller tillverkade genom stereolitografi. Som exempel på verktyg visas i bild 1 det tredje verktyget som tillverkades. En aluminiummodell användes.
STÖPFORSK
5
Bild 1
Verktyg för statisk kokillgjutning framställt med MST-metoden.
Genomförande Alla tre verktygen öppnades och stängdes för hand. De gjutna komponenterna stöttes ut ur verktyget genom manuellt hanterade utstötare. Gjutförsöken gjordes vid gjuteriet Temponik, Danmark. Den för gjutningen använda aluminiumlegeringen hölls konstant vid 780°C i en elektriskt upphettad degel och överfördes till verktygets inlopp manuellt. Försök gjordes med verktyg upphettade från 250°C till 550°C. Såväl oblackade verktyg som verktyg blackade med ett påsprutat keramiskt skikt testades. Avluftningshål för att möjliggöra för luft att lämna formhåligheten under gjutningen var upptagna i verktygsytan. Resultat Allmänt gäller att resultaten från gjutningarna visar att alla tre verktygen kunde användas för tillverkning av kokillgjutna komponenter. Dock visade resultaten klart att vissa försöksbetingelser gav bättre resultat än andra. Om verktygen inte var blackade med ett keramiskt skikt hade aluminiumsmältan en tendens att stelna innan hela formhåligheten fyllts med smälta, dvs endast delar av komponenterna erhölls. Detta problem kunde delvis lösas genom förvärmning av verktyget till en temperatur över 500°C. Trots detta blev fortfarande de flesta komponenterna ej helt fullgjutna och man fann att förvärmning av verktyget till en så hög temperatur som denna resulterade i komponenter med grov struktur. Genom blackning av verktygsytan med ett keramiskt skikt kunde verktygen användas ner till en temperatur på 250°C, varigenom erhölls komponenter med en mer finkornig struktur. Dock erhölls en del ej fullgjutna komponenter även när verktygsytan var blackad med ett keramiskt skikt. Man fann att endast efter det att verktyget försetts med avluftningshål, kunde fullgjutna komponenter erhållas fortlöpande. 3.4.2 Verktyg för lågtryckskokillgjutning Ett verktyg för lågtryckskokillgjutning tillverkades med en uretanmodell, som togs fram utgående från ett existerande verktyg (bild 2).
STÖPFORSK
6
Bild 2
Undre verktygshalva för lågtryckskokillgjutning tillverkad med MST-metoden.
Genomförande Verktyget provades under industriella förhållanden med utrustning vid gjuteriet Secure, Danmark. Verktyget blackades med ett keramiskt skikt. Resultat Totalt göts ett hundra komponenter genom lågtryckskokillgjutning med användning av ett verktyg tillverkat med MST-tekniken. För att undersöka verktygsytan togs det keramiska blackskiktet bort genom sandblästring. Tanken var att sandblästringen skulle slita bort bindemedlet, som binder samman partiklarna i metallslurrymaterialet. Verktyget uppvisade inget signifikant tecken på erosion beroende på reaktion mellan aluminium och metallslurrymaterialet. 3.4.3 Pressgjutning Två identiskt lika pressgjutverktyg tillverkades. I det första var endast formhåligheten acceptabel. I det andra var både kärnan och formhåligheten acceptabla. Det första verktyget tillverkades med en modell framtagen genom stereolitografi. Modellen hade dålig planhet och dimensionsnoggrannhet. Det andra verktyget tillverkades med en uretanmodell framtagen utgående från originalverktyget. Resultatet blev ett verktyg med bättre dimensionsnoggrannhet. Genomförande Båda verktygen testades i en pressgjutmaskin vid Danmarks Tekniske Universitet. Dessa försök beskrivs närmare i avsnitt 5.
STÖPFORSK
7
Innan någon gjutning gjordes oxiderades verktygsytorna genom att de värmdes up till 500°C i luft. Detta gjordes för att skydda dem från korrosion när det smälta aluminiumet kom i kontakt med verktygsytan. Resultat Den första försöksserien genomfördes med verktyget där endast formhåligheten var tillverkad med MST-material. Beroende på den dåliga planheten hos verktyget, erhöll alla gjutna komponenter stora grader längs kanten. Dessutom fann man att ett antal kylribbor på komponenten inte kunde tas ut ur formhåligheten utan slets av under utstötningsfasen. Under gjutförsöken visade det första verktyget tecken på mikrosprickor efter 20 skott. Detta ledde till inträngningar av aluminium i sprickorna , vilket troligen ökade friktionen mellan komponentens yta och verktyget. Efter ca 50 skott kunde det fina nätverket av ”mikrograder” ses över hela verktygsytan. Både kärna och formhålighet testades i det andra verktyget. Innan några tester gjordes polerades verktygsytan i hopp om att detta skulle minska friktionen och möjliggöra att hela komponenten kunde stötas ut ur verktyget. Dock resulterade även proven i detta verktyg i att kylribborna slets av från komponentens yta. Man fann vidare att i verktygsytan började bildas mikrosprickor efter endast 25 skott. 3.5 Slutsatser 3.5.1 Verktyg för statisk kokillgjutning a.
Inget signifikant verktygsslitage kunde noteras efter tillverkning av ca 100 detaljer i ett verktyg
b.
Det bästa resultatet erhölls efter att på verktygsytan sprayats ett keramiskt skikt
c.
Med MST-tekniken kunde tillverkas relativt tunnväggiga komponenter (ner till tjockleken 2 mm)
3.5.2 Verktyg för lågtryckskokillgjutning a.
Inget signifikant verktygsslitage kunde upptäckas efter tillverkning av hundra detaljer i ett verktyg.
b.
Ingen skillnad i kvalitet hos komponenterna kunde noteras mellan komponenter tillverkade i originalverktyget och i MST-verktyget.
3.5.3 Verktyg för pressgjutning a.
Efter ca 40 skott uppträdde små sprickor i verktyget tillverkat med MSTtekniken.
STÖPFORSK
8 b.
Gjutförsök visade att MST-materialet möjliggör tillverkning av komponenter, som skulle vara svåra att tillverka med ej poröst material.
c.
Ytan hos pressgjutna komponenter tillverkade i MST-baserat material är mindre jämna än komponenter tillverkade i konventionella verktyg.
d.
Friktionen mellan komponenten och verktygsytan är hög, vilket gör att komponenten blir svårare att stöta ut jämfört med vid konventionella verktyg.
3.6 Ekonomi vid konventionella verktyg och MST-verktyg I allmänhet är tiden för konstruktion av ett konventionellt verktyg och ett verktyg för MST-tekniken den samma. Kostnadsdifferensen mellan konventionellt och MST-verktyg ligger under tillverkningsfasen. Normalt gäller att när den geometriska komplexiteten hos ett verktyg ökar, så ökar även tiden för tillverkning av detta med konventionella metoder. Dessutom kan vissa geometriska former, som t ex skarpa inre hörn, inte tillverkas genom endast fräsning utan även gnistning tillkommer. Eftersom MST-tekniken är en gjutteknik, har det ingen betydelse om materialet används för att tillverka ett enkelt eller ett komplicerat verktyg. För en given verktygsstorlek är tiden för att tillverka ett verktyg med MSTmaterial den samma oberoende av komplexiteten. En annan viktig fördel föreligger med MST-tekniken när flera lika verktyg skall tillverkas. Eftersom MST-tekniken använder modeller som kan återanvändas, kan ett nytt verktyg tillverkas på ett par dagar när en modell föreligger. När rätt utrustning finns tillgänglig för tillverkning av verktyg med MSTtekniken, är tiden för tillverkning av ett verktyg 3 – 7 dagar. Rätt utrustning innebär att verktygsstorleken skall matcha en standardram för gjutningen. Om en modell kan konstrueras så att den passar en existerande gjutram, är det enkelt att anpassa modellen till gjutramen före gjutning. För en verktygshalva är tiden för gjutning och torkning en till två dagar följda av ytterligare en dag för värmebehandling. Därtill kommer vanligtvis en dag för bearbetning av verktyget för att detta skall passa i maskinen. Dock måste observeras att en viss överlappning föreligger mellan operationerna. Exempelvis kan en andra verktygshalva tillverkas medan en första värmebehandlas. MST-tekniken är visserligen inte lämplig för tillverkning av alla verktyg, men utan tvekan kan fastslås att för verktyg som inte kräver stor noggrannhet, t ex verktyg för leksaksindustrin, kan verktygskostnaden minskas med 50% och ledtiderna från flera veckor till under en vecka.
STÖPFORSK
9
3.7 Framtida planer för MST-tekniken 3.7.1 Statisk kokillgjutning Resultaten från försöken som beskrivits ovan har sammanfattningsvis visat att MST-materialet kan användas för tillverkning av verktyg för statisk kokillgjutning. Det har också visats att det är möjligt att gjuta klenare sektioner än vad som kan göras vid statisk kokillgjutning med konventionellt använda verktyg. Beträffande statisk kokillgjutning är de framtida planerna för MST-baserade verktyg att kontakta kommersiella kokillgjuterier och visa dem vad som kan uppnås med MST-verktyg och genomföra ytterligare försök tillsammans med dem. 3.7.2 Lågtryckskokillgjutning Försöksresultaten vid användning av MST-verktyg vid lågtryckskokillgjutning var mycket positiva. Det huvudsakliga problemet med att införa MST-verktyg vid denna process har inget med själva gjutprocessen att göra utan det är en fråga om storlek. För närvarande startar storleken hos komponenter vid lågtryckskokillgjutning vanligen vid eller över den maximala storlek som är möjlig med MST-tekniken. För att kunna komma in på marknaden för lågtryckskokillgjutning med MSTbaserade verktyg, måste både blandnings- och gjutmöjligheterna, som idag är tillgängliga, uppgraderas. Gjutramar måste byggas som är möjliga att använda för tillverkning av verktyg på 100 kg eller mer. 3.7.3 Pressgjutning Försöken med MST-baserade verktyg visade klart att porstorleken i verktygsytan måste minskas innan MST-baserade verktyg kan användas problemfritt vid pressgjutning. Detta fordrar fortsatt utvecklingsarbete. Därför är de närmaste framtida planerna på detta område att söka ytterligare utvecklingsanslag antingen nationellt eller internationellt, (t ex EU-finansierat CRAFT-projekt) så att detta arbete kan fullföljas.
4. VERKTYGSTILLVERKNING MED PRECISION SPRAYFORMING (PSF) 4.1 PSF-tekniken Vid VTT har utvecklats Rapid Tooling tekniken Precision Sprayforming (PSF). Tekniken har tillämpats och delvis utvecklats inom projektet STALPK. Metoden kombinerar fördelarna med sprayformning och precisionsgjutning i keramiska formar. Principen för PSF framgår av bilderna 3 och 4. Processtegen vid PSF-metoden är följande: 1
Utgå från en beskrivning av verktygsinsatsen i en CAD-fil.
STÖPFORSK
10
2
CAD-filen görs om till en modell. Härvid används en rapid prototypingmetod som stereolitografi (SLA). Alternativt används NC-fräsning eller konventionella modelltillverkningsmetoder.
3
En keramisk form tillverkas utgående från modellen. VTT har utvecklat ett speciellt keramiskt material som har tillräcklig hållfasthet för de stora stötvisa mekaniska och termiska påkänningarna och som uppfyller dimensionsnoggrannhet såväl som andra processkrav.
4
Sprayformning av verktygsstål eller annan legering i den keramiska formen.
5
Normalt behöver arbetsytan på verktygsinsatsen ej bearbetas. Bearbetning krävs endast av sidoytan och baksidan för att en god passning skall erhållas i moderverktyget. Arbetsytan slipas eller poleras om så krävs i vissa fall.
VTT använder en sprayformningsmaskin av typ Osprey. Utrustningen har en 50 kg N2 -skyddad induktionsugn. Sprayformningskapaciteten är 20-30 kg/minut. Den största diametern av en insats som kan tillverkas är 250 mm.
Bild 3. Principen för PSF-metoden.
4.2 Fördelar med PSF-metoden Fördelarna med PSF-metoden kan väntas vara följande: 1
Stora kostnadsfördelar genom att smält material direkt överförs till (nästan) färdiga verktygsinsatser. Kostnaderna beräknas kunna reduceras med 30 - 50% jämfört med traditionella metoder.
STÖPFORSK
11 2
Ledtiden för tillverkning av verktygsinsatser kan kortas ner från månader till veckor, även till några få dagar.
3
Vid PSF-metoden kan korrekt utformade kylkanaler läggas in i verktygsinsatsen i samband med sprayformningen. Insatsernas funktion vid förhöjda temperaturer förbättras.
4
Snabb stelning av materialet i insatserna ger en fin mikrostruktur utan makrosegringar. Härigenom fås förbättrad skärbarhet och nötningsbeständighet.
5
Möjliggör användning av höglegerade specialstålslegeringar, vilket är svårt vid konventionella processer.
6
Sprayformade varmarbetsstål kan uppfylla olika hårdhetskrav utan högtemperaturhärdning. Därigenom minimeras formförändringarna under värmebehandling.
7
En dimensionsnoggrannhet på ± 0,05 mm kan uppnås.
Bild 4. Exempel på processteg: Modell (överst t v); keramisk form (överst till höger); sprayformad insats obearbetad (nedtill t v); smideinsats med sidan och baksidan bearbetad (nedtill t h). 4.3 Gjorda försök Den första komponenten där PSF tillämpades var ett smidesverktyg för en yxa (bild 4). Orsaken till att välja just denna komponent som första exempel var att verktyget är enklare än normala pressgjutverktyg men förhållandena under smidning är mycket krävande. Diametern på insatsen var 200 mm efter sprayformning och 190 mm efter bearbetning. Den sprayformade insatsen placerades som den undre halvan av verktyget till en 900-ton smidespress.
STÖPFORSK
12 Andra försök gjordes med pressgjutverktyg som visas i bilderna 5 och 6. Gjutförsök med komponenten i bild 5 utfördes i industrin medan gjutförsök med insatsen i bild 6 utfördes vid Danmarks Tekniske Universitet. I dessa fall lades inga kylkanaler in i verktygsinsatsen i samband med sprayformningen. Vid sprayningen användes patenterade verktygsstål med sammansättningar enligt tabell 1. Dessa gjutförsök redovisas närmare i avsnitt 5.
Bild 5. Komponenten för industriella försök med sprayformad insats. Insatsen som motsvarar bilden till vänster tillverkades med PSF-metoden medan insatsen motsvarande bilden tillhöger bearbetades fram ur ett sprayformat ämne.
Bild 6. Insatsen som tillverkades med PSF-metoden för gjutförsök vid DTU. Tabell 1. Sammansättningar av sprayade verktygsstål, %. C 0,35 - 0,90
Si 0,80 - 1,20
Mn 0,2 - 0,5
Cr 4,75 - 5,50
Mo 1,10 - 1,75
V ≤ 3,5
4.4 Resultat I projektet gjordes två insatser för yxan. Med den första insatsen kunde tillverkas 4000 yxor medan man med den andra insatsen med litet modifierad legeringssammansättning först kunde tillverka 10800 yxor och sedan efter en
STÖPFORSK
13 omarbetning t o m 12500 yxor. Med normala insatser är den maximala tillverkningsmängden vanligen ca 9000 yxor. Den industriella pressgjutverktygsinsatsen tillverkad med PSF-metoden (bild 5) godkändes först av pressgjuteriet i fråga men senare fann man några små porer på vertikala ytor. Därför utfördes inga gjutförsök med detta verktyg. Däremot beslutade man att insatsen som bearbetats fram ur ett sprayformat ämne skulle tas i bruk. Vid framtagning av här föreliggande rapport föreligger inga resultat. Formen på insatsen för gjutförsök på DTU var mycket krävande för PSFmetoden på grund av kylribbor på produkten. Bredd/höjd-förhållandet hos kylribborna var nästan tre. Med sprayformning är det mycket svårt att helt fylla djupa fördjupningar. Så var det också i detta fall och resultatet var att ribborna stannade i insatsen när verktyget öppnades. Även förslitning av insatsen kunde noteras efter sju utförda gjutningar. Orsaken till detta och problem med porer i den industriella insatsen är användningen av bara en atomiseringsenhet och dysa. Det är mycket viktigt att under sprayning det första skiktet kan täckas tillräckligt fort med det andra skiktet. Med endast en dysa är detta svårt om ytan av insatsen är för stor. Storleken av den industriella insatsen var ca 190 x 177 mm och diametern hos insatsen för försöken vid DTU var 220 mm.
4.5 Kostnadsaspekter vid verktygstillverkning VTT har kalkylerat preliminära kostnader för tillverkning insatser med PSFmetoden (tabell 2). Fördelar hos metoden betonas både tid- och konstnadsmässigt när tillverkningsserierna är så långa att endast ett par av insatser inte räcker till, eftersom för det andra paret modeller inte behöver tillverkas. Tabell 2. Kostnader och genomgångstider för PSF-metoden vid tillverkning av ett par av insatser med diametern 500 mm och tjockleken 100 mm. Produktionsled
Arbetsdagar
VTT’s kostnader
1
440
260
0,5
165
135
Modelltillverkning
1
500
500
Tillverkning av keramisk form
1
150
90
Sprayformning
1
1120
880
Kontroll
1
150
90
Värmebehandling
1
85
55
Justeringa av sidoytor
1
375
225
1000
500
7,5
3985
2735
5
2880
1840
3-D design av modeller Modellmaterial
Anläggningskostnad Summa Summa excl. modellkostnad
Industriell kostnad
STÖPFORSK
14
Framtidsutsikter 4.6 Framtidsplaner VTT fortsätter att vidareutveckla PSF-metoden. Sprayformningsmaskinen kommer att förändras så att smältkapaciteten blir 70 kg och maskinen skall utrustas med två dysor. Efter dessa förbättringar växer insatsernas största möjliga diameter till ca 400 mm och de porositetsproblem som uppstod vid tillverkning av den industriella pressgjutningsinsatsen och DTU-insatsen kan undvikas. VTT har som mål att PSF-metoden skall bli en kommersiell metod inom två till tre års tid. 5. FÖRSÖK 5.1 Anpassning av forminsatser Forminsatser tillverkade vid Teknologisk Institut och VTT anpassades till verktygsramen för ett redan existerande verktyg så att gjutförsök kunde utföras i pressgjutmaskinen vid DTU. Endast de yttre måtten anpassades. Inga ändringar gjordes av geometrin och ytan på formhåligheten eller av formverktyget i övrigt i förhållande till vad som skapats vid respektive rapid tooling-metod. En uppsättning kylplattor tillverkades och spändes fast på formverktygens baksida innan dessa sattes på plats i verktygsramen (bild 7). För forminsatsen framtagen vid VTT tillverkades en speciell ram så att den cirkulära forminsatsen kunde monteras i en ram med kvadratiskt uttag (bild 8) 5.2 Gjutning Den gjutna detaljen är en däckel med kylflänsar. Detaljen är 120 x 120 mm. Kylflänsarna är 20 mm höga.
Bild 7
Verktygsinsats med styrningar och kylplatta
STÖPFORSK
15
Bild 8
Hela formverktyget för försök vid Danmarks Tekniske Universitet
I båda verktygen har det visat sig vara omöjligt att forma kylflänsarna. Försök gjordes med två olika typer av släppmedel. Gjutningar gjordes därför med flänsarna sittande kvar i kaviteten. De använda gjutparametrarna är: Fas 1: Smältans temperatur Inloppshastighet Tryck i smältan omedelbart efter skott Hålltryck
660°C 10 m/s 470 bar 625 bar
Fas 2: Smältans temperatur Inloppshastighet Tryck i smältan omedelbart efter skott Hålltryck
660°C 40 m/s 780 bar 1 280 bar
Använd gjutlegering: SS 4254 (AlSi9Cu3Fe) 5.2.1 MST-verktyg Det första gjutförsöket gjordes i ett verktyg bestående av en fast del tillverkad med MST-tekniken och en rörlig del tillverkad i Orvar Supreme. Den först levererade verktygshalvan var inte plan i partytan, vilket orsakade kraftiga partgrader vid gjutningen. Det kompletta MST-verktyget hade en avvikelse från planhet på upp till 0,3 mm i partytan. Här bildades inga partgrader. Man valde att ej oxidera det kompletta verktyget eftersom man vid gjutning med den först levererade verktygshalvan noterade att den termiska nedbrytningen av verktyget var mycket snabbare än korrosionen. I en andra försöksomgång göts med olja som släppmedel i stället för antilodpasta och vattenbaserat släppmedel. Kylflänsarna satt ohjälpligt fast i formen efter det första skottet. På formverktygets yta kunde man se att aluminium trängt in i porer i ytan på formverktyget. Detta innebär att det är omöjligt att formge kylflänsarna i den använda formen eftersom det
STÖPFORSK
16 inträngande aluminiumet hänger samman med det gjutna ämnet. Det samma gäller för det öra, som hänger samman med den rörliga formdelen. Efter 25 skott börjar sprickor bildas i verktygsytan i den rörliga verktygshalvan. I den fasta verktygshalvan skedde detta efter cirka 40 skott. Efter 160 skott uppstod problem med att formge ämnet vid inloppen. Inträngningen av smälta är så kraftig i den yta som ligger över parten att gjutstycket inte kan tas ur verktyget som en enhet. Totalt göts i formverktyget 200 ämnen. Bild 9 visar ämne nr 195 och en närbild på ytan över inloppet.
Bild 9
A (till vänster). Detalj nr 195 B (till höger). Den del av detalj nr 195, som i bilden till vänster ligger separat från resten av detaljen. Det som syns är den sida som på bild A är vänd ner mot bordsplattan. 5.2.2 PSF-verktyg Endast en fast verktygshalva tillverkad med PSF-tekniken vid VTT levererades. Gjutning skedde med en andra verktygshalva tillverkad i Orvar Supreme. Även med PSF-verktyget satt kylflänsarna ohälpligt fast i verktyget vid första gjutningen. Detta gällde både vi användning av vatten- och oljebaserat släppmedel. Man bedömde att inte heller med detta verktyg var det direkt möjligt att gjuta kylflänsarna beroende på ojämna ytor i verktygets formhålighet. Dessutom är det på den del av formhålighetens yta som är plan stora ojämnheter och förhållandevis stora avvikelser från planhet. Storleken på avvikelserna från planhet uppmättes ej eftersom lokala avvikelser var överskuggande. Detsamma gäller formverktygets partyta. Det visade sig att det var inte enbart kylflänsarna som satt fast i formen utan alla ytor som ligger vinkelrätt mot verktygets partyta. Därför var det nödvändigt att bryta sönder nästan alla detaljerna innan de kunde tas ut ur verktyget. Orsaken är att det uppstår lokala motsläppningar som en följd av ojämnheter i formverktygsytorna. Totalt göts nio ämnen i verktyget. Överraskande var att man kunde iakttaga att formen uppvisade förslitning på den sida, som var vänd mot inloppet. Här utsätts formen för störst termisk belastning. Bild 10 visar formverktyg och gjutet ämne efter nio skott.
STÖPFORSK
17
Bild 10
A (till vänster). PSF-verktyg efter 9 skott B (till höger). Detalj nr 9. Sprickor syns på detaljens sidor
5.3 Diskussion 5.3.1 MST-verktyg MST- insatser har tillverkats i två omgångar. Vid gjutning med den först levererade fasta verktygshalvan användes ett vattenbaserat släppmedel. Vid den verktygshalva som levererades i en andra omgång, användes olja som släppmedel. Det ser ut som om slitaget på verktyget är minst vid användning av olja som släppmedel. Alla levererade verktygsinsatser avviker väsentligt från planhet i formens partyta. Det var dock inga problem med partgrader vid gjutning i den sista levererade verktygshalvan. Kanske är planhetstoleranserna för partytan snävare än absolut nödvändigt. Formmaterialet är poröst. Detta är till viss fördel vid gjutningen eftersom luft, som annars skulle ha blivit innesluten har möjlighet att komma ut. Dock uppstår problem med inträngningar av smälta i porer i formverktygsytan. Detta innebär att det har inte varit möjligt att gjuta den valda geometrin eftersom de gjutna ämnena sitter fast i formen. 5.3.2 PSF-verktyg Ytorna på formverktyget är ojämna, vilket innebär att lokal motsläppning uppstår på de ytor, som är vinkelräta mot verktygets partyta. Därigenom är det mycket svårt att ta ut de gjutna ämnena ur verktyget. Speciellt gäller detta när man utnyttjar ett eftermatningstryck i pressgjutmaskinen. Eftersom PSF-verktyget är tillverkat i ett mer vanligt stål än MST-verktyget, förväntades att PSF-verktyget skulle uppvisa väsentligt bättre livslängd än MST-verktyget. Det visade sig dock att så var inte fallet. Efter 9 skott i PSFverktyget kunde noteras att formverktygsytan börjar brytas ner vid inloppet. Orsaken till detta har diskuterats under punkt 4.4.Man var mycket noggranna med att skydda formverktygsytan under gjutningen.
STÖPFORSK
18
5.4 Slutsatser 5.4.1 MST Det har inte varit möjligt att gjuta kylflänsar och liknande områden med tunnväggiga ytor vinkelräta mot verktygets partyta. Sprickor i formverktygsytan börjar bildas ganska snabbt men det är möjligt att gjuta vidare till dess att inträngningarna i formverktygsytan blir så stora att det är omöjligt att ta ut de gjutna ämnena ur verktyget. Detta var fallet efter 160 skott. 5.4.2 PSF Det var inte möjligt att gjuta kylflänsar. Det var inte heller möjligt att gjuta den övriga delen av gjutstycket utan kylflänsar. Verktygsytan var för dålig. Plana ytor återges ej tillfredsställande. Man kunde notera att efter 9 skott var sammanhållningen otillfredsställande mellan det översta skiktet på verktyget och det bakomliggande basmaterialet. Den sida som ligger vänd mot inloppet bryts ner.
6 GJUTSIMULERING AV ANVÄNDNING AV VERKTYG TILLVERKAT MED PSF TEKNIKEN 6.1 Beskrivning av tekniken I samband med tillverkning av verktyg för statisk kokillgjutning och för lågtryckskokillgjutning med användning av verktyg tillverkade med Rapid Tooling-teknik är det önskvärt att verktyget skall ge de bästa möjliga förhållandena för gjutning av den aktuella komponenten så att de mekaniska egenskaperna blir optimala. Detta hänger starkt samman med de avsvalningsförhållanden som kan uppnås i verktyget. Ett formverktyg är egentligen en typ av värmeväxlare där man tar ut överhettningsvärmet och smältvärmet i smältan före stelnandet och en betydande värmemängd efter stelnandet innan komponenten kan tas ut ur verktyget och hanteras utan att den förlorar formen. I STALPK-projektet ingår två framställningsmetoder för verktyg, vilka båda två i teorin skulle ge en stor grad av frihet då det gäller placering av kylkanaler i verktyget redan under dettas tillverkning. Det skulle alltså inte vara nödvändigt att borra upp kylkanalerna efteråt. En av framställningsmetoderna i STALPK-projektet är MST-tekniken (se avsnitt 3) utvecklad vid Dansk Teknologisk Institut. Vid konstruktion av verktyg bör man använda gjutsimulering för att på bästa sätt kunna bedöma olika placeringar av kylkanaler och vilket kylmedium som bör användas.
STÖPFORSK
19
6.2 Genomförda försök En enkel komponent valdes ut för verktygstillverkning med Rapid Toolingtekniken MST. Komponenten var ett hjul i aluminiumgjutlegeringen AlSi10Mg. Idag gjuts hjulet vid det danska gjuteriet Secure A/S, ett av de deltagande gjuterierna i STALPK-projektet. Hjulet gjuts vid detta gjuteri genom lågtryckskokillgjutning i ett stålverktyg. Vid genomförda gjutsimuleringar användes indata från processen vid Secure. Hjulgeometrin och kokillgeometrin beskrevs i 3D med hjälp av Pro/Engineer utgående från befintliga 2D-ritningar och överfördes till preprocessorn i Magmasoft. Därefter genererades ett beräkningsnät. Den första simuleringen genomfördes utan användning av annan extra kylning än kylning i centrum med luft. I de efterföljande simuleringarna användes kylkanaler som beskrevs som ringar direkt i preprocessorn i Magmasoft. 6.2.1 Dagens process Den första simuleringen genomfördes med ståldata för formverktyget hämtade från Magmasofts databas och med luftkylning i centrum på samma sätt som processen sker idag. Centrumkylningen angavs vara aktiv hela tiden. Gjutlegeringen som användes var AlSi10Mg. Även för denna hämtades data från Magmasofts databas. Tryckstegringsförloppet under formfyllningen och takttider angavs utgående från detta inhämtade från gjuteriet. Gjutning simulerades under fem cykler med följande data: -
Stålverktyg Gjuttemperatur: 750°C Kokilltemperatur: 370°C Luftkylning i centrum med lufttemperaturen 40°C.
Simuleringen visade att man med dessa förutsättningar med stor sannolikhet kommer att få en dålig eftermatning av hjulbanan. Banan och navet har inte kontakt med varandra under slutet av stelningsförloppet. Detta tyder på att banan inte blir tillräckligt eftermatad efter denna tidpunkt med resultatet att man får porer eller sugningar i banan. Förhållandena förbättrades dock något under den fjärde och femte gjutcykeln. Det var efter denna simulering naturligt att göra en simulering för att se vad som händer om man försöker kyla hjulbanan kraftigare. 6.2.2 Dagens process plus extra luftkylning vid banan Två kylkanaler beskrivs i preprocessorn till Magmasoft och ett nytt beräkningsnät genererades. Gjutningen simulerades under fem cykler med följande utgångsvärden: -
Stålverktyg Gjuttemperatur: 765°C Kokilltemperatur: 370°C Luftkylning i centrum med lufttemperaturen 40°C
STÖPFORSK
20 -
Extra kylning av hjulbanan med luft med temperaturen 40°C
Simuleringsresultaten visade att man var på spåret till en lösning men att kylningen av området kring banan fortsatt var för dålig för att man skulle undvika att detta område stelnar senare än navet. Sannolikt kommer det även vid denna processuppläggning att bildas porer och sugningar i banområdet beroende på otillräcklig eftermatning. Resultatet blev dock även här bättre i den femte cykeln. 6.2.3 Stelning av hjul i stålverktyg med oljekylning I denna version av simuleringen användes varm olja som kylmedium i stället för luft. Detta gjordes eftersom varm olja kan bidra till att hålla en mer stabil temperatur i verktyget och att den kan avlägsna mer värme på grund av högre värmekapacitet än luft. Varm olja vid 300°C har 90 gånger högre kylförmåga än rumstempererad luft. Man genererade i denna försöksomgång även två kylkanaler i ring runt inloppet. Fem gjutcykler simulerades med följande data: -
Stålverktyg Gjuttemperatur: 765°C Kokilltemperatur: 370°C Luftkylning i centrum med olja med temperaturen 300°C Extra kylning av hjulbanan med olja med temperaturen 300°C
Stelningsförloppet i stålverktyget med kylkanaler genom vilka strömmar varm olja med temperaturen 300°C visar att eftermatningsförhållandena är lovande. 6.2.4 Stelning av hjul i verktyg tillverkade med MST-tekniken och med oljekylning En kylkanal utformad som en ring i en kokill är svår att tillverka. Det närmaste man kommer är en rad kanaler, som borras in i verktyget. Därefter pluggas några av dem så att man får fram önskat strömningsmönster. Kylkanalerna kommer således inte att ligga lika långt från formhålighetens yta överallt. Med MST-tekniken har man dock i teorin en möjlighet att placera kylkanalerna där man önskar. Kanalerna kan böjas till önskad form i förväg och placeras på rätt plats runt modellen av verktyget innan en slurry av verktygsmaterialet hälls på plats. Problem kan dock uppstå under härdningsprocessen. När värme tillförs kan inbyggda spänningar i rören utlösas, vilket kan medföra att de kommer att avvika från önskad form. Därför bör kylkanalerna glödgas innan de placeras i formen. Då kommer de sannolikt att behålla sin form under härdningsprocessen. Metall Slurry Tooling är ett nytt material utan kända data för värmeledning, specifikt värme och densitet. Därför gjordes en liten undersökning för att mäta och beräkna dessa data som funktion av temperaturen. Med kännedom om dessa data gjordes en ny simulering. Därvid användes i övrigt samma startvärden som vid tidigare gjutsimuleringar för fem cykler: -
Verktyg: Metal Slurry Tooling Gjuttemperatur: 765°C Kokilltemperatur: 370°C
STÖPFORSK
21 -
Luftkylning i centrum med olja med temperaturen 300°C Extra kylning av hjulbanan med olja med temperaturen 300°C
I de första cyklerna visade simuleringarna att det är problem med att få god eftermatning men för varje cykel får man en gradvis förbättring. I den tredje cykeln, som visas i bild 11, ser det ut som om eftermatning kan ske ända tills den yttre ringen har stelnat. Därigenom kommer risken för bildande av porositeter och sugningar som följd av dålig eftermatning att vara mindre.
STÖPFORSK
22
Bild 11 Stelningsförlopp för cykel tre vid gjutning i verktyg tillverkade med Metal Slurry Tooling-tekniken. I verktyget har lagts in kylkanaler genom vilka strömmar olja med temperaturen 300°C. En öppen förbindelse föreligger mellan nav och bana till dess att banan har stelnat 6.2.5 Resultat I projektet har genomförts en analys av stelningsförlopp vid lågtryckskokillgjutning av ett hjul i aluminiumlegeringen AlSi10Mg. Analysen gjordes med användning av MAGMAlpdc, som är ett applikationsprogram till Magmasoft speciellt anpassat till de speciella förhållanden som råder vid lågtryckskokillgjutning. Bakgrund till arbetet var att undersöka möjligheten för att temperera verktyget för att uppnå en mer stabil och reproducerbar produktion. Detta var speciellt aktuellt vid tillverkning av ett verktyg för gjutning av aluminiumhjul med användning av Metal Slurry Tooling- processen, som utvecklats vid Teknologisk Institut, Danmark. Analysen visar att det med stor sannolikhet skulle vara gynnsamt att temperera verktyget med varm olja som strömmar genom kylkanalerna i närheten av formhålighetens överyta. Förvärmd varm olja avlägsnar mer värme under stelningsprocessen än luft och gör dessutom processen mer stabil. I praktiken gör Metal Slurry Tooling-processen det möjligt att placera kylkanalerna mycket lämpligt i förhållande till ytan mellan gjutgodset och formverktyget. Man skulle kunna böja till stålrör och placera dessa på plats mot modellen innan slurryn hälls på. Under den första härdningsprocessen kommer rören att ligga stilla men under den andra delen kommer metall med hög temperatur att tränga in i materialet. Om rören inte är glödgade så att förspänningarna avlägsnats, kommer man att få problem med att hålla dem på plats när infiltreringen sker. Försök har gjorts att lägga in kylrör i enklare verktyg för att undersöka om de kommer att ligga på sin plats under processen. Det visade sig då att det i praktiken kommer att vara svårt att utnyttja den ursprungliga Metal Slurry Tooling-processen vid iläggning av kylrör. Utvecklingsarbetet för att lösa detta problem bedömdes vara för omfattande för att kunna genomföras inom ramen för aktuellt projekt. Projektet haltar således något på denna punkt eftersom det inte var möjligt att följa upp simuleringsresultaten med gjutförsök, temperaturmätningar och undersökning av gjutgodset för att se effekten av verktygstemperering. Metoden har dock demonstrerats. Verktyget som har varit föremål för simuleringar tillverkades dock med Metal Slurry Tooling-tekniken i ett tidigt stadium av projektet utan att förböjda rör lades in i verktyget. Att döma av simuleringsresultaten är det gynnsamt att temperera verktyget vid tillverkning av de aktuella aluminiumhjulen. Man uppnår därigenom en stabil process med god reproducerbarhet.
STÖPFORSK
23
6.2.6 Framtidsutsikter Simulering av gjutprocessen bör vara ett led i arbetet vid tillverkning av verktyg för lågtryckskokillgjutning. Den i föreliggande projekt genomförda analysen visar att det med stor sannolikhet skulle vara gynnsamt att temperera verktyget med varm olja som strömmar igenom kylkanaler, som ligger i närheten av formhålighetens överyta. Metal Slurry Tooling-processen gör det i framtiden möjligt att placera kylkanaler i formverktyget nära överytan mot formhåligheten. Om problemen i samband med inläggning av kylrör kan lösas, kommer Metal Slurry Toolingtekniken att vara en mycket intressant teknik att arbeta med vid tillverkning av formverktyg. 7 RAPPORTER 1
Niels Bramsø och Stuart Clyens: Thin Walled Aluminium Castings Manufacturing Tools with Rapid Tooling System MST. Dansk Teknologisk Institut. December 2003
2
Freddy Syvertsen: Verktøy til lavtrykkstøping av et hjul. SINTEFRapport nr STF24 F03262. 2003-05-15
3
Yunfeng Yang och Pentti Eklund: Ny Rapid Tooling-metod för tillverkning av verktygsinsatser. GJUTERIET 2003:2 sid 12-13
STÖPFORSK
24
BILAGA 1 PROJEKTDELTAGARE A. FORSKNINGSORGANISATIONER (Nedan angivna tel- och faxnummer samt e-postadresser avser kontaktpersoner vid respektive organisation i detta projekt) -
Danmarks Tekniske Universitet Institut for Produktion og Ledelse Bygn. 425 LYNGBY Danmark Tel: +45 45 25 47 19 Fax: +45 45 93 45 70 e-post:
[email protected]
-
IceTec Material- och produktionsteknik REYKJAVIK Island Tel: +354 570 71 72 Fax: +354 570 71 11 e-post:
[email protected]
-
Ingenjörshögskolan i Jönköping Avdelningen för Komponentteknologi inriktning Gjutning JÖNKÖPING Sverige Tel: +46 36 15 61 02 Fax: +46 36 16 65 60 e-post:
[email protected]
-
SINTEF Materialteknologi TRONDHEIM Norge Tel: +47 73 59 29 38 Fax: +47 73 59 05 90 e-post:
[email protected]
-
Svenska Gjuteriföreningens Service AB JÖNKÖPING Sverige Tel: +46 36 30 12 07 Fax: + 46 36 16 68 66 e-post:
[email protected]
-
Tekniska Högskolan i Helsingfors Laboratoriet för Gjuteriteknik ESBO Finland
STÖPFORSK
25 Tel: +358 9 451 3515 Fax: +358 9 451 39 37 e-post:
[email protected] -
Teknologisk Institut Center for Materialeteknologi Tåstrup Danmark Tel: +45 72 20 30 91 Fax: +45 72 20 31 12 e-post:
[email protected]
-
VTT Tillverkningsteknik ESBO Finland Tel: +358 9 456 55 70 Fax: +358 9 460 627 e-post:
[email protected]
B DELTAGANDE INDUSTRIFÖRETAG Från industrin har bl a följande företag deltagit: -
Jyskän Metalli , Finland
-
Laihian Metalli, Finland
-
Metallic, Danmark (Gjuteriet numera nedlagt)
-
Nokia Networks, Finland
-
Rolvsöy Metallindustri, Norge
-
Temponik, Danmark
-
Toolman , Finland
-
Fibo, Norge
-
Volvo, Sverige
-
Gjuteriföreningens medlemsgjuterier inom området press- och kokillgjutning av aluminium
STÖPFORSK
26
BILAGA 2. DELTAGARE I PROJEKTET STALPK Land
Deltagare
Företag
Telefon
e-post
Danmark
Kim Brincker
Alucast I B ApS, Farum
+45 44 34 02 34
[email protected]
Niels Bramsø
+45 72 20 30 92
[email protected]
Stuart Clyens
+45 72 20 30 75
[email protected]
Finland
Island Norge
Sverige
Flemming Hansen
Alucast I B ApS, Farum
+45 56 16 90 19
[email protected]
Jan Lemkow
Teknologisk Institut, Tåstrup
+45 72 20 30 91
[email protected]
Erik Smith
A/S Temponik, Skive
+45 97 52 79 11
[email protected]
Niels Tiedje
IPL, DTU, Lyngby
+45 45 25 47 19
[email protected]
Juhani Eklund
Tekniska Högskolan i Helsingfors, Esbo
+358 50 55 39 230
[email protected]
Pentti Eklund
VTT Industriella System, Esbo
+358 94 56 55 70
[email protected]
Juhani Orkas
Tekniska Högskolan i Helsingfors, Esbo
+358 9 451 3515
[email protected]
Birgir Johannesson
IceTec, Reykjavik
+354 570 71 00
[email protected]
Ingolfur Thorbjörnsson IceTec, Reykjavik
+354 570 71 72
[email protected]
Arne Fon
Fibo, Holmestrand
+47 33 09 99 32
[email protected]
Jan Ove Löland
Alcoa, Farsund
+47 38 38 90 08
[email protected]
Freddy Syvertsen
SINTEF Materialteknologi, Trondheim
+47 73 59 29 38
[email protected]
Arja Karppinen
Svenska Gjuteriföreningen, Jönköping
+46 36 30 12 09
[email protected]
Maria Nylander Hall
Svenska Gjuteriföreningen, Jönköping
+46 36 30 12 24
[email protected]
Salem Seifeddine
Ingenjörshögskolan i Jönköping, Jönköping
+46 36 15 77 00
[email protected]
Ingemar Svensson
Svenska Gjuteriföreningen, Jönköping
+46 36 30 12 19
[email protected]
Ingvar L Svensson
Ingenjörshögskolan i Jönköping, Jönköping
+46 36 15 61 02
[email protected]
STÖPFORSK
27
STALPK Tunnväggigt aluminiumgjutgods * Kortare ledtider vid framställning av tunnväggigt aluminiumpressoch kokillgjutgods med kundanpassade egenskaper Slutrapport. Del B Projektnummer: 01070
ST 24
STALPK Tunnväggigt aluminiumgjutgods * Kortare ledtider vid framställning av tunnväggigt aluminiumpressoch kokillgjutgods med kundanpassade egenskaper Slutrapport. Del B Projektnummer: 01070
© 2004, Svenska Gjuteriföreningen
INNEHÅLLSFÖRTECKNING Sida 1
Sammanfattning............................................................................................................1
2 2.1 2.2 2.3 2.4
Inledning ........................................................................................................................2 Bakgrund.........................................................................................................................2 Genomförande.................................................................................................................2 Projektets målsättning.....................................................................................................3 Tack.................................................................................................................................3
3 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6
Förbättrade materialegenskaper.................................................................................3 Pressgjutningsförsök .......................................................................................................3 Hållfasthetsutveckling för ett fläktblad gjutet i en aluminiumlegering ..........................4 Inverkan av förädling med strontium..............................................................................7 Densitet och termisk värmeutvidgningskoefficient hos några aluminiumlegeringar .....8 Värmekonduktivitet hos aluminiumlegeringar ...............................................................8 Kvalitetshöjning av en aluminiumprodukt....................................................................11
4
Rapporter.....................................................................................................................11
Bilaga 1................................................................................................................................13 Bilaga 2................................................................................................................................15
STÖPFORSK
-1-
1 SAMMANFATTNING Inom ramen för den nordiska samarbetsorganisationen STÖPFORSK har genomförts projektet ”STALPK – Tunnväggigt Al-gjutgods. Kortare ledtider vid framställning av tunnväggigt aluminiumpress- och kokillgjutgods med kundanpassade egenskaper”. Vid genomförandet har projektet varit uppdelat i följande två delar: A B
Kortare ledtider - Rapid Tooling Förbättrade materialegenskaper
Här föreliggande rapport avser delprojekt B. I projektet har pressgjutningsförsök utförts med syftet att uppnå förbättrade materialegenskaper. Med utgångspunkt från tidigare forskningsprojekt valdes legeringarna AlSi12Fe och AlSi9Cu3Fe som baslegeringar för arbete inom STALPK-projektet. Innan pressgjutningsförsöken kunde startas intrimmades ett speciellt för provstavstillverkning framtaget pressgjutverktyg. Intrimningen gjordes med användning av statistisk försöksplanering. Målet var att uppnå Rm ≥350 MPa och A5 ≥ 5 %. Det uppnåddes dock inte för ett och samma material och tillstånd. Presslätt, som är en legering, som utvecklats inom ett tidigare av Nordisk Industrifond delfinansierat projekt, har dock i tidigare arbete visat att potentialen finns. Tillsatser av Mg och Cu samt använda värmebehandlingar (T4, T5, T6) visade förväntade trender. Utvecklingsarbetet har bedrivits med målet att höja hållfastheten för ett fläktblad gjutet i en aluminiumlegering. Provgjutningar gjordes med såväl pressgjutning som med statisk kokillgjutning och gjutning i sandform. Vidare gjordes gradientstelningsförsök i laboratorieskala. Försöken visade bl a att med hög stelningshastighet erhålls en fin mikrostruktur med litet dendritarmsavstånd och fint utspridda nålar, vilket resulterar i goda mekaniska egenskaper. Gradientstelningsförsöken visade att pressgjutningsförfarandet har en förbättringspotential. Inverkan av förädling med strontium har studerats med användning av gradientstelningsförsök. Resultaten visade bl a att störst inverkan på de mekaniska egenskaperna har stelningshastigheten. Ökad kunskap om olika aluminiumlegeringar är önskvärd i samband med bl a gjutsimuleringar. Detta gäller bl a kunskap rörande olika aluminiumlegeringars densitet och värmeutvidgningskoefficient. Mot denna bakgrund har som ett delprojekt inom STALPK noggranna studier gjorts av dessa egenskaper hos några aluminiumlegeringar.
STÖPFORSK
-2-
Värmekonduktiviteten hos aluminiumlegeringar har undersökts dels genom litteraturstudier, dels praktiska försök. Försöken inriktades mot ingjutning av kopparinsatser i gjutgodset vid pressgjutning. Adhesionen mellan insatserna och pressgjutgodset studerades. Vidare har laboratorieprov utförts. Undersökningarna visar att en potential finns för att öka värmekonduktiviteten. I ett av delprojekten inom STALPK har arbete utförts för att höja kvaliteten hos en gjuten produkt. Härvid användes bl a gjutsimulering som ett hjälpmedel. 2 INLEDNING 2.1 Bakgrund Två mycket stora och betydelsefulla gjutgodsanvändare i Norden är fordons- och telekomindustrierna, som tillsammans sysselsätter över 500 000 personer och omsätter flera hundra miljarder kronor. Dessa industrier ställer extremt höga krav på gjutgods beträffande bland annat kortare ledtider, förbättrad processäkerhet, förbättrade materialegenskaper, förbättrad ytjämnhet hos gjutgodset och defektfrihet. Ett ytterligare krav är tunnväggigare gjutgods för att därigenom uppnå en viktsminimering. Dessa kvalitets- och egenskapskrav påverkar även kraven på gjutgods för andra typer av gjutgodsanvändare. Mot denna bakgrund har den nordiska samarbetsorganisationen på gjuteriområdet, STÖPFORSK, genomfört ett projekt med titeln ”STALPK – Tunnväggigt Al-gjutgods. Kortare ledtider vid framställning av tunnväggigt aluminiumpress- och kokillgjutgods med kundanpassade egenskaper”. Vid genomförandet har projektet varit uppdelat i följande två delar: A B
Kortare ledtider - Rapid Tooling Förbättrade materialegenskaper
Här föreliggande rapport avser delprojekt B. Delprojekt A redovisas i en separat rapport. 2.2 Genomförande Båda delprojekten, A och B, har genomförts i ett nära samarbete mellan de i projektet deltagande nordiska forskningsorganisationerna och nordisk gjuteriindustri. Kostnaderna vid genomförandet har täckts dels med anslag från Nordisk Industrifond, dels med nationella forskningsanslag. Industrin i de nordiska länderna har även ställt resurser till förfogande vid arbetets genomförande.
STÖPFORSK
-3-
I arbetet har sammanlagt åtta forskningsorganisationer deltagit tillsammans med ett stort antal nordiska gjuterier. En förteckning över forskningsorganisationerna samt deltagande gjuterier ges i bilaga 1. För arbetet har en styrgrupp varit tillsatt. En förteckning över medlemmar i denna samt övriga i projektarbetet deltagande personer ges i bilaga 2. 2.3 Projektets målsättning Den övergripande målsättningen för delprojekt B i STALPKprojektet har varit: -
10% brottförlängning för de bästa aluminiumgjutlegeringarna Möjlighet att kunna prediktera mekaniska egenskaper vid simulering Ökad värmekonduktivitet hos en utvald aluminiumgjutlegering Gjutgods med minskade väggtjocklekar. Ca 2 mm är ett rimligt mål.
2.4 Tack Ett varmt tack framförs till Nordisk Industrifond och alla de företag, som välvilligt ställt personella och materiella resurser till förfogande vid arbetets utförande. 3 FÖRBÄTTRADE MATERIALEGENSKAPER 3.1 Pressgjutningsförsök Försök har utförts med ett provstavsverktyg framtaget av Gjuteriföreningen. Detta verktyg har utbytbara insatser för dragprovstavar i varierande tjocklek, utmattningsprovstav och korrosionsplatta. Intrimningen av verktyget har skett genom statistisk försöksplanering, böjprov, dragprov och okulärkontroll av ytter- och brottytor. De processparametrar som har visat sig ha positiv inverkan på resultatet i provstavarna är sen omslagspunkt, hög inloppshastighet, ökad cykeltid och högt vakuum. Även ”ordinär” AlSi9Cu3Fe-legering uppvisade relativt goda brottförlängningsvärden, 2-3 %, då gjutprocessen var gynnsam. Porhalten i provstavarna var låg. Dock behöver provstavsverktyget intrimmas och förbättras ytterligare. Defekter finns troligen i stavarna i form av kallflagor. Med utgångspunkt från tidigare forskningsprojekt, valdes legeringarna AlSi12Fe och AlSi9Cu3Fe som baslegeringar för arbetet inom STALPK-projektet. Den förstnämnda legeringen har i gradientstelningsförsök, som utförts i samarbete med Ingenjörshögskolan i Jönköping, uppvisat särskilt goda brottförlängningsvärden, ca 15 %. Den sistnämnda legeringen
STÖPFORSK
-4-
förefaller ha en potential på brottförlängningsvärden på upp till ca 13 %. Att förbättra duktiliteten har varit fokus för arbetet under lång tid. Målet för STALPK-projektet har varit att uppnå Rm ≥350 MPa och A5 ≥ 5 %. Det har dock inte uppnåtts för ett och samma material och tillstånd. Presslätt, som är en legering, som utvecklats inom ett tidigare av Nordisk Industrifond delfinansierat projekt, har dock i tidigare arbete visat att potentialen finns. Tillsatser av Mg och Cu samt använda värmebehandlingar (T4, T5, T6) visade förväntade trender. Det som är nytt – och viktigt – är att kunna kvantifiera nivåerna mer handgripligt. Silumin togs fram med ”Presslättspecifikation” d v s låg järnhalt (ca 0,50 %), Fe/Mn balanserad och förädlad med Sr. Legeringen kallas i STALPK-projektet Silumin P. Denna legering har goda egenskaper i gjuttillstånd och brottförlängning på ca 4 %. Legeringen kan ges högre Rp0,2 genom tillsats av 0,30% Mg. Magnesiumhalten gör legeringen också utskiljningshärdbar. Resttöjningsgränsen kan genom T6-behandling ökas med ca 15 %, jämfört med gjuttillstånd. Upplösningsbehandling av en variant med ca 0,3 % Mg visade brottförlängningsvärden på ca 7 %. Legeringen Presslätt har som nämnts ovan tagits fram i tidigare arbete. I STALPK-projektet har provats två varianter Presslätt Light och Presslätt Herkules. Den förstnämnda varianten har för legeringsintervallet låga Cu- och Mg-halter (förväntad god duktilitet) och den andra varianten höga Cu- och Mg-halter (förväntad hög hållfasthet). Presslätt Light uppvisade en brottförlängning på ca 4,5 % i gjuttillstånd, vilket är bra. I upplösningsbehandlat tillstånd är värdet drygt 10 %. Den förväntade höga Rp0,2 och Rm för Presslätt Herkules uteblev, även om värdena är relativt höga. Högre värden har erhållits för Presslätt. Detta indikerar förekomst av defekter (ökad oxidationsbenägenhet och/eller ogynnsamma intermetaller t ex Mg2Si). Allt undersökt material uppvisar mycket låg porhalt och ingen förekomst av skadlig järnfas (β-fas). Ändå skulle resultaten med avseende på brottförlängning kunnat vara bättre. Kvantifiering och inverkan av andra defekter är värdefullt för fortsatt arbete. Det har observerats stor mängd förstelnad fas samt kallflagor i materialet. Ett antal förslag har lämnats på fortsatt arbete. 3.2 Hållfasthetsutveckling för ett fläktblad gjutet i en aluminiumlegering Ett exempel på tunnväggigt aluminiumgjutgods är fläktblad. Kraven på hållfasthet hos dessa är höga.
STÖPFORSK
-5-
Med syfte att undersöka mikrostrukturens inverkan på de mekaniska egenskaperna och samtidigt optimera dessa har gradientstelningsförsök gjorts. Jämförelser gjordes med provstavar uttagna dels ur kommersiellt pressgjutna fläktblad, dels motsvarande blad kokillgjutna och gjutna i sandform. Totalt pressgöts och undersöktes 12 fläktblad (bild 1). Använd legering var EN AC-46000. Av bilden framgår var i fläktbladet provstavarna togs. Fläktvingarna röntgenundersöktes och porositetsgraden bestämdes enligt ASTM E505. Pressgjutningsförsöken gjordes i en pressgjutmaskin med låskraften 600 ton. Bild 2 visar var provstavar togs ut ur kokill- och sandgjutna fläktblad. Provstavarna togs ut ur delar av godset där röntgenundersökningar visat närvaro av porositeter.
Bild 1
Pressgjutet fläktblad. Markeringen anger var i bladet provstavarna togs ut
Bild 2
Kokillgjutet fläktblad. Markeringen anger var i bladet provstavarna togs ut
STÖPFORSK
-6-
Vid gradientstelningsförsöken användes följande hastigheter: 0,03 mm/s, 0,3 mm/s och 3 mm/s. Vid varje hastighet gjordes 2 försök. Ett exempel på erhållna resultat från provningar av dragprovstavar uttagna ur pressgjutna fläktblad visas i bild 3. Motsvarande för provstavar uttagna ur sand- och kokillgjutna fläktblad visas i bild 4.
Bild 3
Hållfasthet i provstavar uttagna ur fläktblad vid pressgjutning och hållfasthet uppnådd vid gradientstelningsförsök
Bild 4
Hållfasthet i provstavar uttagna ur fläktblad vid statisk kokillgjutning
Sammanfattningsvis visar genomförda undersökningar att storleken hos dendritcellerna och längden på den järnbärande fasen
STÖPFORSK
-7-
har en stor inverkan på draghållfasthet och seghet hos aluminiumgjutlegeringar. Begynnande sprickbildning kan kopplas till längden på den järnbärande fasen och till storleken hos kiselpartiklar. De mekaniska egenskaperna, speciellt förlängningen, tycks bero i första hand på längden hos ß - partiklar. Längden är i sin tur beroende på avståndet mellan dendritarmarna. Som framgår av bild 5 kan noteras ett klart samband mellan dendritarmsavståndet och längden hos ß-fasen.
Bild 5
Längd hos ß-fasen vid olika dendritarmsavstånd
Generellt gäller sammanfattningsvis: -
Med hög stelningshastighet erhålls en fin mikrostruktur med litet dendritarmsavstånd och fint utspridda nålar, vilket resulterar i goda mekaniska egenskaper.
-
Huvudorsaken till de låga mekaniska egenskaperna är sannolikt närvaron av järn-bärande nålformiga faser. Ju högre stelningshastigheten är ju kortare blir nålarna.
-
Gradientstelningsmetoden visar att pressgjutningsförfarandet har en förbättringspotential.
-
Beroende på den stora spridningen i porositetsnivå i förhållande till hållfasthet och seghet kan inget samband mellan porositetsnivå och hållfasthet noteras.
STÖPFORSK
-8-
3.3 Inverkan av förädling med strontium Som ett delprojekt inom projektet STALPK har inom ramen för ett examensarbete vid Ingenjörshögskolan i Jönköping undersökts de mekaniska egenskaperna i strontiummodifierade aluminiumkisellegeringar. Detta gjordes genom att utföra dragprov på gradientgjutna och sandgjutna provstavar. Legeringen som användes var SS 4253 modifierad med olika halter av strontium. Resultaten har analyserats med hjälp av mikroskopi och olika former av diagram. Störst inverkan på de mekaniska egenskaperna har stelningshastigheten. Ju snabbare hastigheten är, ju bättre blir egenskaperna. Snabbare stelning ger en finare och mer fibrös struktur. En lyckad strontiummodifiering är mest tydlig vid lägre hastigheter och bör vara att föredra vid gjutning i sandform. En halt av 200 ppm Sr och högre verkar ge ett jämnare resultat vid dragprov. Högre strontiumhalt ger grövre kiselpartiklar. Generellt gör värmebehandling kiselpartiklarna sfäriska och något större på grund av koalesens. 3.4 Densitet och termisk värmeutvidgningskoefficient hos några aluminiumlegeringar Ökad kunskap om olika aluminiumlegeringar är önskvärd i samband med bl a gjutsimuleringar. Detta gäller bl a kunskap rörande olika aluminiumlegeringars densitet och värmeutvidgningskoefficient. Mot denna bakgrund har som ett delprojekt inom STALPK noggranna studier gjorts av dessa egenskaper hos några aluminiumlegeringar. Arbetet utgör en del inom ett doktorandarbete. Vid undersökningarna har använts en dilatometer samt matematisk analys av mätresultaten. De aktuella egenskaperna bestämdes som funktion av temperaturen. Aktuella legeringar är aluminiumlegeringar med olika halter av magnesium och koppar. Resultat föreligger för de olika legeringarna både i smält och i fast tillstånd.
3.5 Värmekonduktivitet hos aluminiumlegeringar En omfattande litteraturstudie har gjorts rörande värmekonduktivitet hos aluminiumlegeringar och aluminiumkompositer. I litteraturstudien beaktades speciellt gränsskiktsförhållande, vätning och adhesion. Resultat från litteraturstudien har katalogiserats och dokumenterats. Litteraturstudien har resulterat i ökad kunskap om värmekonduktivitetsproblem i industrin och givit underlag för utveckling av olika processer i industriell skala. Vidare har
STÖPFORSK
-9-
underlag erhållits för att koncentrera fortsatt arbete mot de mest lovande teknikerna för att öka konduktiviteten hos elektroniskt kapslingsmaterial. Olika kompositmaterial för att öka värmekonduktiviteten hos aluminiumlegeringar har utvärderats. Olika steg i olika gjutprocesser har studerats i detalj. Utvärderingen visade att användning av kopparinsatser i aluminiumgjutgodset var en lämplig teknik för att öka värmekonduktiviteten. Tillverkningsteknik samt kemisk sammansättning hos kommersiella produkter utnyttjande denna teknik har studerats. Genomförande av försök Försök har gjorts i industrin med kopparinsatser i gjutgodset. Använd gjutmetod var pressgjutning. Adhesionen mellan insatserna och pressgjutgodset studerades. Vidare har laboratorieprov gjorts varvid kopparinsatser (plåtar) doppades ner i en vanlig aluminium-kisellegering. Olika ytbehandlingar av kopparinsatserna testades. Adhesionen och vätningen studerades. Provningsparametrar var smälttemperatur, doppningstid, ytbehandling och temperatur hos plåtarna. Provade plåttemperaturer var 300°C och 20°C. Smältans temperatur varierades mellan 650°C och 680°C. Provade ytbehandlingar var rengöring med aceton, sandblästring och behandling av ytan med en blandning av svavelsyra (1%) + ammoniumsulfat (5%) + H2O. Vid utvärdering av resultaten från såväl pressgjutningsförsöken i industrin som från doppningsförsöken i laboratorieskala användes elektronmikroskop. Försöksresultat Resultaten från pressgjutningsförsöken visade att adhesionen mellan kopparinsatserna och aluminiumlegeringen lokalt kunde vara mycket bra. Dock kunde en övergångszon förekomma på flera platser i gränsskiktet mellan kopparinsatsen och grundmaterialet. Mängden, fördelningen och morfologin hos kiselfasen i övergångszonen kunde avvika från basmaterialet. Dessutom kunde några porer förekomma i zonen. Dessa porer kan vara luftblåsor eller vätgasblåsor. Vätgaskoncentrationen kan dock minskas genom avgasning av aluminiumsmältan. Luftblåsor kan reduceras genom användning av vakuum i formverktyget. Laboratorieförsöken visade att aluminium-kiselbeläggningen runt kopparinsatsen kan spricka under stelning och svalning. Det är mycket viktigt att beakta skillnaden i värmekonduktivitet mellan aluminium-kisellegeringen och kopparinsatsen liksom skillnaden i avsvalningshastighet mellan beläggning och insats. Modifiering av
STÖPFORSK
- 10 -
det eutektiska kislet i aluminium-kisellegeringar väntas minska spricktendensen i gjutgodset genom att öka dess seghet. Försök visade att förvärmning av kopparinsatsen innan gjutprocessen bildar ett oxidskikt på insatsens yta. Ett oxidlager bildar en barriär av metallisk koppar och förhindrar att detta löses upp i aluminiumsmältan. Den ej oxiderade (ej förvärmda) kopparinsatsen tycks å andra sidan lösas upp mycket snabbt i aluminium-kiselsmältan eftersom oxidbarriären inte finns på dess yta. Förvärmning av insatsen påverkar starkt dess tendens till att lösas upp i aluminium-kiselsmältan. Ett oxidskikt minskar emellertid värmekonduktiviteten i övergångszonen. Förvärmning rekommenderas ej för insatser använda vid pressgjutna komponenter. Kopparinsatserna har sannolikt ej tillräcklig tid för att lösas upp i smältan under den snabba formfyllningsprocessen vid pressgjutning och den därpå följande kylningen och svalningen. Dessutom förhindrar ett aluminiumskal upplösning av metalliskt koppar i smältan. Experimentresultat bekräftar att adhesionen mellan kopparn och aluminiumlegeringen erhålls omdelbart när kopparn börjar lösa sig i aluminiumsmältan. Laboratorieprov visade att en behandling av insatsens yta med svavelsyra (1%) och ammoniumsulfat (5%) + vatten förbättrar adhesionen mellan kopparinsatsen och aluminium-kiselsmältan. Sandblästring förbättrar adhesionen även om insatsens yta inte behandlats kemiskt. Sandblästring är inte nödvändig för kemisk behandling för att uppnå fullgod adhesion mellan koppar och aluminium-kisellegeringen. Sandblästring förbättrar adhesionen mellan koppar och aluminium genom att göra insatsens yta "råare" och därigenom öka ytan. Sandblästring av ytan rengör dessutom ytan från föroreningar och oxider. Kemisk behandling av ytan kan dock vara användbar för borttagning av oxider utan sandblästring. Bild 6 visar egenskaper och adhesion hos aluminium-kiselskiktet på kopparinsatsen.
STÖPFORSK
- 11 -
Bild 6
Egenskaper och adhesion hos aluminium-kiselskiktet på kopparinsatsen.
3.6 Kvalitetshöjning av en aluminiumprodukt Problem förelåg med en gjuten aluminiumprodukt vid ett isländskt gjuteri. Genom forskningsinsatser har kvaliteten hos denna produkt successivt förbättrats. Genomförda experiment -
Smältabehandling före gjutning Legeringssammansättning har ändrats. Nu används en legering med 10% kisel mot tidigare 7%. Gjutförsök med olika parametrar Formverktygstemperaturen sänktes från 430°C till 380°C Trycket i gjutgodset sänktes från 1,5 - 1,7 bar till 0,5 bar Dragprovningar har gjorts på stavar gjutna med olika parametrar (tryck och temperatur).
Resultat Gjutgodsets kvalitet har höjts. Kontroll har visat att ytornas kvalitet är mycket bättre än tidigare. Det finns fortfarande porositeter i gjutgodset i den del av godset som fyllts sist, men de är färre än tidigare. Det är mindre mängd föroreningar i porerna än tidigare. Den nya legeringen har bättre gjutbarhet och är lättare att gjuta. Draghållfastheten påverkades ej av temperatur och tryck under gjutningen. Gjutsimulering Gjutsimuleringar har gjorts vid Ingenjörshögskolan i Jönköping av aktuellt problemgjutstycke. Simuleringarna påvisade
STÖPFORSK
- 12 -
sugningsporositeter i samma partier på gjutgodset som i praktiken. Användning av en liten matare (15 mm hög och 4-5 mm tjock) visade vid simulering felfritt gjutgods. Vid diskussioner i projektgruppen framkom synpunkter på att denna matare var orealistisk. Ytterligare försök med aktuellt gjutstycke är planerade. 4 RAPPORTER 1
Arja Karppinen, Marie Lorentzon och Maria Nylander: STALPK. Höghållfast pressgjutgods. Gjuteriföreningsrapport.
2
Salem Seifeddine, Torsten Sjögren och Ingvar L Svensson: Strength development in HPDC EN AC 46000 cast aluminium alloy. Ingenjörshögskolan i Jönköping. November 2003.
3
Salem Seifeddine, Torsten Sjögren och Ingvar L Svensson: Strength development in gravity die and sand cast EN AC 43100 aluminium alloy. Ingenjörshögskolan i Jönköping. November 2003
4
Daniel Isus Feu. Study of volume dilatation in solid and liquid state of aluminium alloys. Ingenjörshögskolan i Jönköping. Final Project 2001.
5
Matilda Johansson och Marie Lorentzon: Mechanical properties in strontium modified aluminum-silicon casting alloys. Ingenjörshögskolan i Jönköping. Diploma Work 2002.
6
Juhani Eklund:
7
Birgir Jóhannesson: Sterk og Tæringarþolin álmelmi. Rapport ITI 303/HTD03
STÖPFORSK
- 13 -
BILAGA 1 PROJEKTDELTAGARE A. FORSKNINGSORGANISATIONER (Nedan angivna tel- och faxnummer samt e-postadresser avser kontaktpersoner vid respektive organisation i detta projekt) -
Danmarks Tekniske Universitet Institut for Produktion og Ledelse Bygn. 425 LYNGBY Danmark Tel: +45 45 25 47 19 Fax: +45 45 93 45 70 e-post:
[email protected]
-
IceTec Material- och miljöteknik REYKJAVIK Island Tel: +354 570 71 72 Fax: +354 570 71 11 e-post:
[email protected]
-
Ingenjörshögskolan i Jönköping Avdelningen för Komponentteknologi inriktning Gjutning JÖNKÖPING Sverige Tel: +46 36 15 61 02 Fax: +46 36 16 65 60 e-post:
[email protected]
-
SINTEF Materialteknologi TRONDHEIM Norge Tel: +47 73 59 29 38 Fax: +47 73 59 05 90 e-post:
[email protected]
-
Svenska Gjuteriföreningens Service AB JÖNKÖPING Sverige Tel: +46 36 30 12 07 Fax: + 46 36 16 68 66 e-post:
[email protected]
-
Tekniska Högskolan i Helsingfors Laboratoriet för Gjuteriteknik ESBO
STÖPFORSK
- 14 -
Finland Tel: +358 9 451 3515 Fax: +358 9 451 39 37 e-post:
[email protected] -
Teknologisk Institut Center for Materialeteknologi Tåstrup Danmark Tel: +45 72 20 30 91 Fax: +45 72 20 31 12 e-post:
[email protected]
-
VTT Tillverkningsteknik ESBO Finland Tel: +358 9 456 55 70 Fax: +358 9 460 627 e-post:
[email protected]
B DELTAGANDE INDUSTRIFÖRETAG Från industrin har bl a följande företag deltagit: -
Jyskän Metalli , Finland
-
Laihian Metalli, Finland
-
Metallic, Danmark (Gjuteriet numera nedlagt)
-
Nokia Networks, Finland
-
Rolvsöy Metallindustri, Norge
-
Temponik, Danmark
-
Toolman , Finland
-
Fibo, Norge
-
Volvo, Sverige
-
Gjuteriföreningens medlemsgjuterier inom området pressoch kokillgjutning av aluminium
STÖPFORSK
- 15 -
BILAGA 2. DELTAGARE I PROJEKTET STALPK Land
Deltagare
Företag
Telefon
e-post
Danmark
Kim Brincker
Alucast I B ApS, Farum
+45 44 34 02 34
[email protected]
Niels Bramsø
+45 72 20 30 92
[email protected]
Stuart Clyens
+45 72 20 30 75
[email protected]
Finland
Island Norge
Sverige
Flemming Hansen
Alucast I B ApS, Farum
+45 56 16 90 19
[email protected]
Jan Lemkow
Teknologisk Institut, Tåstrup
+45 72 20 30 91
[email protected]
Erik Smith
A/S Temponik, Skive
+45 97 52 79 11
[email protected]
Niels Tiedje
IPL, DTU, Lyngby
+45 45 25 47 19
[email protected]
Juhani Eklund
Tekniska Högskolan i Helsingfors, Esbo
+358 50 55 39 230
[email protected]
Pentti Eklund
VTT Industriella System, Esbo
+358 94 56 55 70
[email protected]
Juhani Orkas
Tekniska Högskolan i Helsingfors, Esbo
+358 9 451 3515
[email protected]
Birgir Johannesson
IceTec, Reykjavik
+354 570 71 74
[email protected]
Ingolfur Thorbjörnsson IceTec, Reykjavik
+354 570 71 72
[email protected]
Arne Fon
Fibo, Holmestrand
+47 33 09 99 32
[email protected]
Jan Ove Löland
Alcoa, Farsund
+47 38 38 90 08
[email protected]
Freddy Syvertsen
SINTEF Materialteknologi, Trondheim
+47 73 59 29 38
[email protected]
Arja Karppinen
Svenska Gjuteriföreningen, Jönköping
+46 36 30 12 09
[email protected]
Maria Nylander Hall
Svenska Gjuteriföreningen, Jönköping
+46 36 30 12 24
[email protected]
Salem Seifeddine
Ingenjörshögskolan i Jönköping, Jönköping
+46 36 15 77 00
[email protected]
Ingemar Svensson
Svenska Gjuteriföreningen, Jönköping
+46 36 30 12 19
[email protected]
Ingvar L Svensson
Ingenjörshögskolan i Jönköping, Jönköping
+46 36 15 61 02
[email protected]