STALPK. Tunnväggigt aluminiumgjutgods

Transkript

1 STALPK Tunnväggigt aluminiumgjutgods * Kortare ledtider vid framställning av tunnväggigt aluminiumpressoch kokillgjutgods med kundanpassade egenskaper Slutrapport. Del A Projektnummer: ST 23

2 STALPK Tunnväggigt aluminiumgjutgods * Kortare ledtider vid framställning av tunnväggigt aluminiumpressoch kokillgjutgods med kundanpassade egenskaper Slutrapport. Del A Projektnummer: 01070

3 2004, Svenska Gjuteriföreningen

4 INNEHÅLLSFÖRTECKNING Sida 1 Sammanfattning Inledning Bakgrund Genomförande Projektets målsättning Tack Verktygstillverkning med Rapid-Tooling-systemet MST MST-systemet Tillverkade verktyg Tester för ingjutning av kanaler i verktyget för temperaturstyrning Provgjutning av aluminium i MST-verktyg Slutsatser Ekonomi vid konventionella verktyg och MST-verktyg Framtida planer för MST-tekniken Verktygstillverkning med Precision Sprayforming (PSF) PSF-tekniken Fördelar med PSF-metoden Gjorda försök Resultat Kostnadsaspekter vid verktygstillverkning Framtidsplaner Försök Anpassning av forminsatser Gjutning Diskussion Slutsatser Gjutsimulering av användning av verktyg tillverkat med PSF-tekniken Beskrivning av tekniken Genomförda försök Rapporter Bilaga Bilaga

5 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 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

6 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 2.3 Projektets målsättning 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.

7 STÖPFORSK 3 Den övergripande målsättningen för delprojekt A i STALPK-projektet har varit: 2.4 Tack Minskad tid från idé till färdig produkt genom utnyttjande av Rapidtooling - teknik. Mål: två veckor. 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 3.2 Tillverkade verktyg Verktyg för statisk kokillgjutning Verktyg för lågtryckskokillgjutning 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/cm 3 och draghållfastheten 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. Tre verktyg har tillverkats. Detta har omfattat tillverkning av tre uppsättningar av gjutramar, två uppsättningar av plastmodeller och en modell i aluminium. En verktygshalva har tillverkats. Detta har omfattat tillverkning av en gjutram och en gjutmodell i plast.

8 STÖPFORSK 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 3.4 Provgjutning av aluminium i MST-verktyg Verktyg för statisk kokillgjutning 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. 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.

9 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 Verktyg för lågtryckskokillgjutning 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. Ett verktyg för lågtryckskokillgjutning tillverkades med en uretanmodell, som togs fram utgående från ett existerande verktyg (bild 2).

10 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 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.

11 STÖPFORSK Slutsatser 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 Verktyg för statisk kokillgjutning Verktyg för lågtryckskokillgjutning Verktyg för pressgjutning 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. 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) 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. a. Efter ca 40 skott uppträdde små sprickor i verktyget tillverkat med MSTtekniken.

12 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.

13 STÖPFORSK Framtida planer för MST-tekniken Statisk kokillgjutning Lågtryckskokillgjutning Pressgjutning 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. 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. 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.

14 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 N 2 -skyddad induktionsugn. Sprayformningskapaciteten är 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.

15 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.

16 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 Si Mn Cr Mo V 0,35-0,90 0,80-1,20 0,2-0,5 4,75-5,50 1,10-1,75 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 yxor och sedan efter en

17 STÖPFORSK Kostnadsaspekter vid verktygstillverkning omarbetning t o m 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. 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 Industriell kostnad 3-D design av modeller Modellmaterial 0, Modelltillverkning Tillverkning av keramisk form Sprayformning Kontroll Värmebehandling Justeringa av sidoytor Anläggningskostnad Summa 7, Summa excl. modellkostnad

18 STÖPFORSK 14 Framtidsutsikter 4.6 Framtidsplaner 5. FÖRSÖK 5.1 Anpassning av forminsatser 5.2 Gjutning 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. 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) 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

19 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 660 C - Inloppshastighet 10 m/s - Tryck i smältan omedelbart efter skott 470 bar - Hålltryck 625 bar Fas 2: - Smältans temperatur 660 C - Inloppshastighet 40 m/s - Tryck i smältan omedelbart efter skott 780 bar - Hålltryck bar Använd gjutlegering: SS 4254 (AlSi9Cu3Fe) 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

20 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 PSF-verktyg 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. 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.

21 STÖPFORSK Diskussion MST-verktyg Bild 10 A (till vänster). PSF-verktyg efter 9 skott B (till höger). Detalj nr 9. Sprickor syns på detaljens sidor 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 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.

22 STÖPFORSK Slutsatser MST PSF 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. 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.

23 STÖPFORSK Genomförda försök Dagens process 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. 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 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

24 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 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 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

25 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.

26 STÖPFORSK Resultat 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 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.

27 STÖPFORSK Framtidsutsikter 7 RAPPORTER 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. 1 Niels Bramsø och Stuart Clyens: Thin Walled Aluminium Castings Manufacturing Tools with Rapid Tooling System MST. Dansk Teknologisk Institut. December Freddy Syvertsen: Verktøy til lavtrykkstøping av et hjul. SINTEF- Rapport nr STF24 F Yunfeng Yang och Pentti Eklund: Ny Rapid Tooling-metod för tillverkning av verktygsinsatser. GJUTERIET 2003:2 sid 12-13

28 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: Fax: e-post: nt@ipl.dtu.dk - IceTec Material- och produktionsteknik REYKJAVIK Island Tel: Fax: e-post: ingo@itt.is - Ingenjörshögskolan i Jönköping Avdelningen för Komponentteknologi inriktning Gjutning JÖNKÖPING Sverige Tel: Fax: e-post: ingvar.svensson@ing.hj.se - SINTEF Materialteknologi TRONDHEIM Norge Tel: Fax: e-post: freddy.syvertsen@sintef.no - Svenska Gjuteriföreningens Service AB JÖNKÖPING Sverige Tel: Fax: e-post: leb@gjuteriforeningen.se - Tekniska Högskolan i Helsingfors Laboratoriet för Gjuteriteknik ESBO Finland

29 STÖPFORSK 25 Tel: Fax: e-post: juhani.orkas@hut.fi - Teknologisk Institut Center for Materialeteknologi Tåstrup Danmark Tel: Fax: e-post: jan.lemkow@teknologisk.dk - VTT Tillverkningsteknik ESBO Finland Tel: Fax: e-post: pentti.eklund@vtt.fi 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

30 STÖPFORSK 26 BILAGA 2. DELTAGARE I PROJEKTET STALPK Land Deltagare Företag Telefon e-post Danmark Kim Brincker Alucast I B ApS, Farum kb@secure.dk Niels Bramsø niels.bramsoe@privat.dk Stuart Clyens stuart.clyens@mail.tele.dk Flemming Hansen Alucast I B ApS, Farum alucast@secure.dk Jan Lemkow Teknologisk Institut, Tåstrup jan.lemkow@teknologisk.dk Erik Smith A/S Temponik, Skive smith@temponik.dk Niels Tiedje IPL, DTU, Lyngby nt@ipl.dtu.dk Finland Juhani Eklund Tekniska Högskolan i Helsingfors, Esbo juhani.eklund@netlife.fi Pentti Eklund VTT Industriella System, Esbo pentti.eklund@vtt.fi Juhani Orkas Tekniska Högskolan i Helsingfors, Esbo juhani.orkas@hut.fi Island Birgir Johannesson IceTec, Reykjavik birgirj@iti.is Ingolfur Thorbjörnsson IceTec, Reykjavik ingo@iti.is Norge Arne Fon Fibo, Holmestrand a.fon@fibo.no Jan Ove Löland Alcoa, Farsund jan.loland@alcoa.com Freddy Syvertsen SINTEF Materialteknologi, Trondheim freddy.syvertsen@sintef.no Sverige Arja Karppinen Svenska Gjuteriföreningen, Jönköping ak@gjuteriforeningen.se Maria Nylander Hall Svenska Gjuteriföreningen, Jönköping mnh@gjuteriforeningen.se Salem Seifeddine Ingenjörshögskolan i Jönköping, Jönköping sesa@ing.hj.se Ingemar Svensson Svenska Gjuteriföreningen, Jönköping is@gjuteriforeningen.se Ingvar L Svensson Ingenjörshögskolan i Jönköping, Jönköping ingvar.svensson@ing.hj.se

31 STÖPFORSK 27

32 STALPK Tunnväggigt aluminiumgjutgods * Kortare ledtider vid framställning av tunnväggigt aluminiumpressoch kokillgjutgods med kundanpassade egenskaper Slutrapport. Del B Projektnummer: ST 24

33 STALPK Tunnväggigt aluminiumgjutgods * Kortare ledtider vid framställning av tunnväggigt aluminiumpressoch kokillgjutgods med kundanpassade egenskaper Slutrapport. Del B Projektnummer: 01070

34 2004, Svenska Gjuteriföreningen

35 INNEHÅLLSFÖRTECKNING 1 Sammanfattning Inledning Bakgrund Genomförande Projektets målsättning Tack Förbättrade materialegenskaper Pressgjutningsförsök Hållfasthetsutveckling för ett fläktblad gjutet i en aluminiumlegering Inverkan av förädling med strontium Densitet och termisk värmeutvidgningskoefficient hos några aluminiumlegeringar Värmekonduktivitet hos aluminiumlegeringar Kvalitetshöjning av en aluminiumprodukt Rapporter...11 Bilaga Bilaga Sida

36 STÖPFORSK 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 R m 350 MPa och A 5 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.