SLUTRAPPORT (Ref.nr ): Optimerad design för gjutna komponenter - Defekters inverkan på hållfastheten i aluminiumgjutgods

Transkript

1 Ångpanneföreningens Forskningsstiftelse Frösundaleden STOCKHOLM SLUTRAPPORT (Ref.nr ): Optimerad design för gjutna komponenter - Defekters inverkan på hållfastheten i aluminiumgjutgods Sammanfattning Syftet med projektet har varit att undersöka defekters inverkan på en gjuten aluminiumkomponents hållfasthet med fotogrammetriska metoder. I projektet har en del även fokuserats på hur värmebehandling och kemisk behandling inverkar på hållfastheten samt hur defekter kan undvikas genom att i designskedet konstruera för defektfritt gods. Denna designoptimering sker bl.a. genom användande av gjutsimulering och inom projektet har arbete utförts för att finna lämpliga fysikaliska parametrar då dessa inte finns tillgängliga för gipsgjutmetoden som används vid Hackås Precisionsgjuteri. Det är väl känt att defekter har en negativ inverkan på hållfastheten hos en gjuten komponent men inte väldokumenterat hur denna negativa inverkan ser ut. I projektet har vi genom in situ mätning vid dragprovning visat hur töjningskoncentrationer kring olika typer av defekter de facto ser ut. Projektet har även syftat till att öka gjutares och gjutgodskonstruktörers förståelse för hur olika defekter (typ och storlek) inverkar på produktens hållfasthet och livslängd i drift pga. de töjningskoncentrationer de ger upphov till samt hur defekter kan undvikas genom optimering av gjutgodsets design i konstruktionsskedet. Denna rapport redovisar i avgränsad form de undersökningar som genomförts och de data som framkommit inom ramen för projektet då en artikel håller på att tas fram för publicering. Bakgrund Gjutna aluminiumkomponenter används idag i stor utsträckning i flera branscher såsom t.ex. fordon, medicinteknik och inredning. I flertalet av dessa branscher ställs höga krav på komponentens hållfasthet och härigenom uppstår krav på minimering av gjutdefekter i det inre av godset. Vid gjutning av aluminiumkomponenter markeras ofta zoner på ritningen för gjutgodset i vilka inre gjutdefekter anses vara av betydelse för artikelns hållfasthet och därför måste hållas på en viss tillåten maxnivå. Gjutdefekterna i dessa zoner klassas enligt olika standarder [1, 2] och denna klassning ligger till grund för vilken storlek och vilket antal defekter som tolereras vid röntgenanalys av komponenten.

2 För att fastställa ett materials hållfasthet används oftast vanlig dragprovning vid vilken man belastar en provstav och samtidigt mäter den deformation som provstaven orsakas till följd av belastningen. Denna mätmetod är god nog om man enbart vill veta t.ex. global töjning och brotthållfasthet för materialet. Vill man dock öka förståelsen för hur lokala töjningar uppstår vid olika inhomogeniteter i materialet finns idag metoder för detta. En av dessa metoder benämns i litteraturen digital image correlation (DIC) och är en fotogrammetrisk metod som baseras på bildanalys av en sekvens av bilder tagna under pålastning av provet. Med denna metod kan man mäta töjningar på olika längdskalor och få töjningsmått som svarar mot de sanna töjningar som uppstår lokalt i materialet t.ex. vid midjebildning eller vid defekter och andra typer av anvisningar i materialet. Vid belastning inverkar defekterna negativt på hållfastheten genom att lokalt höja spänningen och härigenom kan ett brott orsakas vid globala spänningar som är mångfaldigt lägre än de som specificerats för den använda legeringen. På grund av detta skall därför defekter undvikas eller hållas på väl kontrollerade nivåer. I standarden för klassificering av gjutdefekter definieras fyra olika typer av defekter; gasblåsor, gasporositeter (avlång), sugningsporositeter och främmande föremål. Utöver defekttypen så anges även en klass för defekten vilken avser tillåtet antal och storlek på defekterna. Klasserna anges t.ex. som A till D där D accepterar fler och större defekter. I en tidigare genomförd förstudie [3] har DIC-metoden använts på aluminiumgods som gjutits under olika undertryck för att möjliggöra kärnbildning av olika mängd porer. Denna studie visade att man vid de lokala töjningskoncentrationer som uppstår kan koppla dessa till hög förekomst av porer. Mätningarna i studien gjordes på en längdskala som motsvarar hela provstaven och lokaliseringen av töjningar som observeras på provstavens yta kan inte explicit härröras från porerna utan en analys av brottytan visade på en hög förekomst av porer. Vidare har studier gjorts där mikroskopi använts i kombination med DIC-tekniken [4]. På detta sätt kan man gå ner i längdskala och studera töjningsfält på mikrostrukturell nivå. Genom denna kombination av DIC och mikroskopi kan således töjningskoncentrationer vid olika defekter och andra mikrostrukturdelar studeras. Ovan beskrivna metoder kombinerade med gjutsimulering har använts för studier av porernas inverkan och uppkomst i föreliggande projekt. Även inverkan av värmebehandling och kemisk behandling på hållfastheten hos gjuten aluminium har studerats. Projektets genomförande Projektet planerades att starta men startades något tidigare ( ) då projektdeltagare möttes på Hackås Precisionsgjuteri AB (HPG) för ett uppstartsmöte. Vid besöket gicks projektets tidplan igenom, budgeten reviderades till följd av en minskning i beviljade medel och aktiviteter lades ut på de båda parterna (HPG och SP Sveriges Tekniska Forskningsinstitut). En genomgång av HPGs produktionsprocess genomfördes också där olika källor till defekter identifierades.

3 Under den tid som förlupit sedan projektets start har delaktiviteter genomförts. De olika delaktiviteterna sammanfattas i korthet nedan. Litteraturstudie: Centralt i projektet var att identifiera olika defekters inverkan på materialens hållfasthet. I litteraturstudien har därför defekter i Al-Si-legeringar och deras orsaker kartlagts. Då HPG gjuter sina komponenter i gipsformar och detta är en relativt ovanlig gjutprocess har en del av litteraturstudien ägnats åt att finna fysikaliska data för denna gjutprocess för att använda som input i gjutsimuleringar. Gjutsimulering: För att ta fram komponenter som lämpat sig väl till detta projekt har gjutsimulering använts. Med gjutsimulering kan krympporer predikteras och provstavar kunnat tas ut på lämpliga ställen i den senare uppgjutna komponenten. De från litteraturstudien identifierade fysikaliska parametrarna har under projektet implementerats i den mjukvara som HPG använder för gjutsimulering (NovaFlow & Solid CV 4.45). Optimeringsarbetet av simuleringsparametrar för gipsgjutprocessen har sammanställts i en presentation och presenterats vid Novacasts (utvecklare av NovaFlow & Solid CV) användarmöte i Göteborg som ett sätt att sprida information om föreliggande projekt. Experiment: Baserat på litteraturstudie och simulering har porer, modifiering av eutektikum och värmebehandling av Al-Si-gjutlegeringar identifierats som viktiga parametrar som har stor inverkan på materialets slutliga hållfasthet. En serie komponenter göts upp där modifierade/omodifierade, värmebehandlade/icke värmebehandlade material togs fram. Från dessa har provstavar tillverkats och provning har skett där töjningar har uppmätts med beröringsfri mätteknik (vilket ger en heltäckande bild av töjningsfältet hos den analyserade provstaven) på olika längdskalor (makro och mikro). Den beröringsfria mättekniken bygger på bildkorrelationsteknik (digital image correlation (DIC)) [5]. Genom mätningarna har det påvisats hur töjningar fördelas mellan eutektikum och primärt utskild aluminium på en mikrostrukturell nivå men framför allt hur töjningsfördelningen och töjningskoncentrationen vid porer ser ut. Uppmätta globala spänning-töjningskurvor har använts för att fastställa de olika materialens hållfasthet och dessa har korrelerats mot mikrostrukturella parametrar som t.ex. beskriver kiselpartiklarnas form. Efter examensarbetet har kompletterande experiment utförts för ett utökat underlag till en artikel som är under behandling. Examensarbete: Under vårterminen 2012 har, inom ramen för projektet, ett examensarbete genomförts. Examensarbetet var på masternivå och genomfördes av en student på Högskolan i Jönköping. I arbetet har fördjupande undersökningar av de olika materialen genomförts. Framtida arbete Efter att projektet nu avslutas ska en artikel färdigställas för publikation i lämplig internationell vetenskaplig tidskrift. Ny extern forskningsfinansiering medger fortsatta fördjupningar kring gjutsimulering och materialegenskaper på företaget i samarbete med SP.

4 Tidplan och ekonomi Vid ansökningstillfället ansöktes om ett högre belopp än det som beviljades. Vid projektstart upprättades en reviderad budget utifrån de nya ekonomiska förutsättningarna. Tidplanen behölls och har, liksom den reviderade budgeten, hållits. Sammanfattning av resultat Nedan följer i korthet en sammanställning av några typiska resultat från projektet. Vid all simulering krävs rätt indata för att få korrekta utdata. När det gäller gjutning i gipsform så är detta en gjutprocess som inte är särskilt välkänd avseende fysikaliska data. I projektet har litteraturstudien sammanställt de data som finns tillgängliga i litteraturen. Dessa har implementerats i mjukvaran och ett tidigare utfört experiment där svalningskurvor har samlats in har använts för att kalibrera in de fysikaliska parametrarna så de stämmer mot processen på HPG. I Fig. 1 visas den form med termoelement som användes för att ta fram svalningskurvor (temperatur tid). Figur 1. Gipsform med termoelement för insamling av svalningskurvor. Efter kalibrering av fysikaliska parametrar erhölls en god överensstämmelse mellan verklighetens kurvor (streckade linjer) och de simulerade kurvorna (heldragna) (se Fig. 2). En värmeledningsförmåga på 0,17 W/mK hos gipsformens material och ett konstant värmeövergångstal mellan gipsformen och metallen på 45 W/m 2 K gav en god överensstämmelse (och är rimliga i jämförelse med data som anges i litteraturen). Med verifierade fysikaliska parametrar implementerade i gjutsimuleringsprogrammet genomfördes gjutsimulering på olika komponenter.

5 Figur 2. Experimentella och simulerade svalningskurvor. En komponent valdes ut och dragprovstavar tillverkades från dessa. Materialen var värmebehandlade/icke-värmebehandlade och/eller modifierade/icke-modifierade. Dragprovresultaten visade att elasticitetsmodulen hos materialen var oberoende av behandling, vare sig det gäller modifiering av eutektisk fas eller värmebehandling. I medeltal var elasticitetsmodulen 70 GPa med en standardavvikelse på 2 GPa. Två vanliga dragprov utfördes på varje material samt två-tre dragprov i dragsteg med samtidig analys av töjningar med DIC-teknik på två längdskalor (en kamera på mikroskop studerade töjningar på mikrostrukturell nivå och en annan, på motstående sida, studerade töjningar på makronivå). För sträck-och brottgräns såg man en påtaglig skillnad efter värmebehandling där hållfastheten ökade med drygt 100 %. Tyvärr gav modifieringen inte den effekt man normalt får då modifieringsbehandlingen i experimenten inte blev fullgod. På grund av detta kan inga slutsatser dras avseende den kemiska modifieringen (genom tillsats av strontium) av den eutektiska fasen. Exempel på dragprovkurvor från ett värmebehandlat och modifierat samt ett icke värmebehandlat och omodifierat material visas i Fig. 3. Knycken i kurvorna vid 1 % töjning är pga. att man där tog bort extensometern och därefter mäter töjning baserad på dragprovningsmaskinens tvärstycksförskjutning. I Fig. 4 visas en mikrostruktur från det aluminium-kisel-material (AlSi) som modifierats och värmebehandlats. De ljusare områdena i strukturen är primärt stelnad aluminiumfas och de mörkare partiklarna är kiselfas som ingår i den eutektiska strukturen.

6 Figur 3. Exempel på dragprovkurvor från två av de analyserade materialen. Figur 4. Mikrostruktur för modifierat och värmebehandlat AlSi-material (200x). Vid en analys av pormängden kunde man konstatera att den låg mellan 1-1,5 area%. Porerna, s.k. krymporer, härrörde från stelningskrympning och få gasporer kunde identifieras. Vid provning i det s.k. dragsteget användes mikroskop för att kunna studera töjningar på mikrostrukturell nivå. Det valda området vid dessa mätningar inkluderade porer för att möjliggöra att analysera hur töjningarna

7 koncentreras vid dessa defekter. I Fig. 5 nedan visas ett exempel på hur töjningsfältet ser ut på en mikrostrukturell nivå för ett av de analyserade materialen. Materialet som visas i Fig. 5 är modifierat och värmebehandlat och bilden visar hur töjningarna fördelas i strukturen då den globala spänningen motsvarar materialets sträckgräns (dvs. plastiska töjningar om 0,2 % har uppnåtts i materialet). Som synes så är töjningarna mycket inhomogena och i närheten av porer så uppstår töjningskoncentrationer. Medeltöjningen vid sträckgränsen beräknades till 0,54 % men inom den analyserade ytan har man en variationskoefficient på närmare 100 % (variationskoefficienten=standardavvikelse/medelvärdet). Figur 5. Töjningsfält på mikrostrukturell nivå för ett modifierat och värmebehandlat material. De svarta områdena är porer. Studerar man töjningarna just i närheten av porerna så kan man konstatera att töjningarna, då man befinner sig vid sträckgränsen, kan vara dryga 200 % högre än det medelvärde som råder för töjningarna i materialet. Dessa koncentrationer observeras i alla de material som ingått i studien och uppkommer till följd av den spänningsanvisande effekt som porerna har. Enligt teorin är längden och formen på anvisningen det som kontrollerar hur hög anvisningseffekten blir. Baserat på detta kan man konstatera att en liten por med runda, snälla former ger mindre anvisningseffekt och är därför

8 att föredra. Jämför man krymp- och gasporer, där gasporer är sfäriska, ger gasporer en mindre anvisande effekt än krympporer dock vill man givetvis minimera alla typer av porer. Man skall vid denna typ av analys vara medveten om att det är en fri yta som studeras vilket innebär att den inte begränsas av intilliggande material vilket är fallet i det inre av strukturen. Man kan inte heller uttala sig om vad som döljer sig under den studerade ytan och hur töjningarna påverkas av detta. Vid högre spänningar kunde man i vissa fall se att sprickan växte fram i de regioner där töjningarna koncentrerades av porerna. Detta var möjligt att studera då sprickan i några enstaka fall uppstod i området där mikroskopet var placerat. Man kunde där konstatera att sprickan företrädelsevis följer kiselfasen i eutektikum. Samtidigt som de prover som dragprovades i dragsteg analyserades på mikrostrukturnivå filmades motstående sida i sin helhet av en annan kamera för att kunna fastställa töjningsfält på denna större längdskala. De DIC-analyser som utfördes på denna längdskala visade även de en inhomogen töjningsbild (se Fig. 6). Figur 6. Töjningsfält på makrostrukturell nivå för ett modifierat och värmebehandlat material.

9 Fig. 6 visar töjningsfältet vid materialets sträckgräns (precis som i Fig.5). Som framgår av Fig.6 kunde lokalt töjningsnivåerna vara uppåt 100 % högre än den snittöjning (0,51 %) som råder. Detta är en mindre spridning än vad som observerades på mikrostrukturell nivå. Variationskoefficienten, som på mikrostrukturnivån var runt 100 %, var på makrostrukturell nivå runt 80 %, dvs. spridningen i töjningsnivåer inom den analyserade arean var mindre men dock stor. Ytan på provet som visas i Fig. 6 var as-cast, dvs. ingen mekanisk bearbetning hade genomförts efter gjutning (ytan i Fig. 5 hade slipats och polerats för att kunna se mikrostrukturen i mikroskop). Pga. detta så kan man inte avgöra vad som orsakat de töjningskoncentrationer som synliggörs med DIC-tekniken på provets yta. Det kunde dock konstateras att där provet gick till brott fanns krympporer i brottytan. Dessa analyser har genomförts även på de andra materialen och samma fenomen, gällande inverkan av porer, har kunnat påvisas även där. I föreliggande projekt har bildkorrelation (DIC) använts för analys av de töjningar som uppstår på provets yta. Denna metod medger studier av lokalisering av töjningar till följd av inhomogeniteter i materialen. Som ovan nämnts är det dock en begränsning att det är töjningar på en yta som är fri att deformeras utan det omgivande materialet som hindrar. Det finns dock metoder som nu blir allt vanligare som baserar sig på volymskorrelation (DVC) av tomografibilder inhämtade på ett material i belastat och obelastat tillstånd. I projektet har ett av materialen tomograferats för att avgöra vilka möjligheter som finns att i kommande framtida projekt arbeta med DVC-teknik för att ytterligare fördjupa förståelsen kring hur töjningar uppstår i det inre av materialen vid olika former av defekter. I Fig. 7 visas en tomografibild på ett av de studerade materialen. I överkant av den tomograferade cylindern kan man tydligt se en krymporositet. De ljusa (vita) faserna är troligtvis CuAl 2 och de ljusgrå är förmodligen Fe 3 Al. Med denna teknik kan man studera töjningarna som uppstår i det inre av materialet vid de olika faserna och defekterna. Dock kan man inte särskilja mellan aluminium och kiselfaser då dessa ligger allt för nära varandra i densitet och tekniken bygger på densitetsskillnader mellan de olika materialen som studeras.

10 Figur 7. Tomograferad struktur på ett AlSi-material. Referenser 1. ASTM E 155, Standard reference radiographs for inspection of aluminium and magnesium castings. 2. ASTM E 505, Standard reference radiographs for inspection of aluminium and magnesium castings. 3. Seifeddine S., Sjögren T. och Flansbjer M., Inverkan av porer på mekaniska egenskaper i gjutna aluminiumkomponenter, Gjuteriet, Nr. 5, Augusti Sjögren T., Persson P-E., Vomacka P., Analysing the Deformation Behaviour of Compacted Graphite Cast Irons Using Digital Image Correlation Techniques, Key Engineering Materials, Vol. 457 (2011), pp Sutton M.A., Orteu J-J., Schreier H.W., Image correlation for Shape, Motion and Deformation Measurements, Springer, New York (2009). Hackås Borås Peter Vomacka Hackås Precisionsgjuteri AB Torsten Sjögren SP Sveriges Tekniska Forskningsinstitut