En Jämförelse Mellan Rheogjutning Och Konventionell Pressgjutning Med Vakuum. : Vid Tillverkning Av Aluminiumkomponenter.

En jämförelse mellan

rheogjutning och

konventionell

pressgjutning med

vakuum.

Vid tillverkning av

aluminiumkomponenter

FÖRFATTARE: Marisa Ling Brännlund & Hanna Martinsson HANDLEDARE:Jakob Olofsson

Postadress: Besöksadress: Telefon:

Box 1026 Gjuterigatan 5 036-10 10 00

Detta examensarbete är utfört vid Tekniska Högskolan i Jönköping inom maskinteknik. Författarna svarar själva för framförda åsikter, slutsatser och resultat.

Examinator: Don Weiss Handledare: Jakob Olofsson Omfattning: 15 hp (grundnivå) Datum: 2021-06-13

Abstract

The car industry is constantly under pressure to be competitive in their product development which includes not only safety and increased performance, but also in their environmental impact. Volvo Cars strives to be more environmental and high performing in their product development, which of course includes manufacturing methods since these highly effect a components environmental impact and mechanical performance. To optimize these aspects of car components it is important to have good knowledge of current manufacturing processes and the possibilities and challenges that come with them and their relationship to already well-established processes. This report focuses on the relatively new RheoMetal-process (called rheocasting in this report), a process that uses a partly solidified slurry to fill the mold, and the conventional high pressure die casting (HPDC) which uses a liquid melt, and their differences in casting aluminum-alloys from both a process-and design perspective. The RheoMetal-process is also compared to a few other semi-solid processes on the market, thixocasting, GISS and SEED. This report is meant to work as a foundation for product developers at Volvo Cars to learn about rheocasting, and eventually use to make future choices for manufacturing processes for aluminum alloys.

With a literature review, interviews with experts and professionals and analysis of casting simulations, information of the processes and their effect on material properties was collected and compiled. What could be concluded from these methods was that the slurry in the RheoMetal process has a globular microstructure, unlike the melt in HPDC which is dendritic. The globular microstructure in rheocasting is caused from shearing the slurry which makes it run more easily. The thicker consistency of the slurry makes the flow more laminar when filling a mold which makes for less air entrapment and defects in the material. The reduced number of defects opens the possibility of using T6 heat treatment on rheocasted components to reach improved mechanical properties, which would normally not be recommended for components made with HPDC. The globular microstructure makes the slurry flow easier which means, in combination with less defects, thinner components can be cast with similar strength as thicker components made with HPDC. This would contribute to weight reduction in a car, and in turn less fuel consumption. With rheocasting, a wider range of alloys can be used because of the ability of using non-eutectic alloys for the slurry. From research and analysis of simulations it could also be concluded that a combination of a high solid phase fraction and low gate velocity result in a more laminar flow and therefore fewer porosities in the final component.

Sammanfattning

Bilindustrin är ständigt under press för att vara konkurrenskraftig i sin produktutveckling, vilket inkluderar inte bara säkerhet och ökad prestanda utan också deras miljöpåverkan. Volvo Cars strävar efter att vara mer miljövänliga och högpresterande i sin produktutveckling, vilket naturligtvis inkluderar tillverkningsmetoder eftersom dessa i hög grad påverkar komponenternas miljöpåverkan och mekaniska prestanda. För att optimera dessa aspekter för bilkomponenter är det viktigt att ha god kunskap om nya tillverkningsprocesser och de möjligheter och utmaningar som följer med dem och deras relation till redan väletablerade processer. Denna rapport fokuserar på den relativt nya RheoMetal-processen (kallad rheogjutning i denna rapport), en process som använder en delvis stelnad uppslamning för att fylla formen, och konventionell pressgjutning med vakuum (HPDC) som använder en flytande smälta. Här jämförs deras skillnader vid gjutning av aluminiumkomponenter från både ett process- och konstruktionsperspektiv. RheoMetal-processen jämförs även med några andra semi-solida processer på marknaden, thixocasting, GISS och SEED. Denna rapport är tänkt att fungera som ett underlag för produktutvecklare på Volvo Cars att lära sig mer om rheogjutning, och på sikt ligga till grund för framtida val för tillverkningsprocesser för aluminiumkomponenter.

Med en litteraturstudie, intervjuer med experter och proffs och analys av gjutningssimuleringar, samlades och sammanställdes information om processerna och deras effekt på materialegenskaper. Vad som kunde fastställas från dessa metoder var att slurryn i RheoMetal-processen har en sfärisk mikrostruktur, till skillnad från smältan i HPDC som är dendritisk. Den sfäriska mikrostrukturen vid rheogjutning orsakas av att slurryn skjuvas vid tillverkning, vilket i sin tur gör att den flyter lättare. Den tjockare konsistensen hos slurryn gör att flödet vid fyllning av en form är mer laminärt än i pressgjutning, vilket resulterar i färre luftfickor och defekter i materialet. Det minskade antalet defekter öppnar möjligheten att använda T6-värmebehandling på rheogjutna komponenter för att uppnå förbättrade mekaniska egenskaper, vilket vanligtvis inte skulle rekommenderas för komponenter tillverkade med pressgjutning. Den sfäriska mikrostrukturen gör att slurryn flyter bättre, vilket innebär att i kombination med mindre defekter kan tunnare komponenter gjutas med liknande hållfasthet som tjockare pressgjutna komponenter och kan bidra till mindre vikt i en bil och i sin tur reducerad bränsleförbrukning. Med rheogjutning kan ett bredare sortiment av legeringar användas på grund av möjligheten att kunna använda icke-eutektiska legeringar för slurryn. Från forskning och analys av simuleringar kunde även slutsatsen dras att en kombination av en hög andel fast fas och låg inloppshastighet resulterar i ett mer laminärt flöde och därmed färre porositeter i den slutliga komponenten.

Innehållsförteckning

1.

Introduktion ... 1

1.1 BESKRIVNING AV FÖRETAGET ... 1

1.2 PROBLEMBESKRIVNING ... 1

1.3 SYFTE OCH FRÅGESTÄLLNINGAR ... 2

1.4 AVGRÄNSNINGAR ... 2

1.5 DISPOSITION... 3

1.6 VALIDITET OCH RELIABILITET ... 3

2.

Teoretiskt ramverk ... 4

3.

Metod ... 5

3.1 LITTERATURSTUDIE ... 5

3.2 INTERVJUER... 5

3.3 SIMULERINGAR ... 5

4.

Resultat och diskussion ... 6

4.1GJUTNINGSPROCESSER... 6

4.1.1 RheoMetal-processen ... 6

4.1.2 Pressgjutning med vakuum ... 9

4.1.3 Jämförelse av processerna ... 11

4.2 MIKROSTRUKTURER ... 13

4.2.1 Mikrostrukturer vid rheogjutning ... 13

4.2.2 Mikrostrukturer för pressgjutning ... 16

4.3 MATERIALEGENSKAPER ... 19

4.3.1 Materialegenskaper vid rheogjutning ... 19

4.3.2 Materialegenskaper vid pressgjutning med vakuum ... 22

4.3.3 Jämförelse av materialegenskaperna ... 24

4.4 ANDRA SEMI-SOLIDA PROCESSER... 26

4.4.1 Thixocasting ... 26

4.4.2 Gas-induced semi-solid process (GISS) ... 26

4.5 SIMULERINGAR ... 29

4.5.1 Flöde ... 29

4.5.2 Luftbubblor ... 35

4.6 MILJÖMÄSSIGHET ... 37

5.

Slutsatser ... 38

5.1 HUR SKILJER SIG TILLVERKNINGSPROCESSERNA AV ALUMINIUMKOMPONENTER VID RHEOGJUTNING OCH PRESSGJUTNING MED VAKUUM? ... 38

5.2 HUR SKILJER SIG MATERIAL- OCH KONSTRUKTIONSASPEKTER HOS ALUMINIUMKOMPONENTER GJUTNA MED RHEOGJUTNING FRÅN EGENSKAPERNA AV SAMMA KOMPONENTER GJUTNA MED PRESSGJUTNING MED VAKUUM? ... 38

5.3 HUR SKILJER SIG RHEOGJUTNING FRÅN ANDRA SEMISOLIDA PROCESSER? ... 39

1. Introduktion

Volvo Cars konstruerar och tillverkar personbilar, där efterfrågan på ökad miljömässighet och minskade utsläpp driver kraven på lättare konstruktioner med ökad prestanda, robusthet och tillförlitlighet. Då dessa egenskaper i hög grad påverkas av tillverkningsprocessen är det viktigt att ha god kännedom om nya potentiella tillverkningsmetoder och de möjligheter och utmaningar som dessa metoder medför. Det är även viktigt att ha en god insikt i hur de förhåller sig till dagens befintliga tillverkningsmetoder. Detta är vad examensarbetet är tänkt att bidra till.

1.1 Beskrivning av företaget

Volvo Cars är ett personbilsföretag där hållbarhet och framför allt säkerhet står i fokus. De har cirka 23 000 medarbetare på deras kontor och fabriker i Sverige. Volvo Cars siktar på att vara ett klimatneutralt företag senast år 2040 genom att dra ner på utsläppen av koldioxid i hela deras värdekedja. Därför är deras mål att år 2025 ska cirka 50% av bilarna som dem erbjuder till försäljning vara helt elektriska och 50% av bilarna ska vara hybrider. Bilsäkerhet är något som Volvo Cars har varit en ledande aktör i flera årtionden, vilket gör att de ligger bakom några av de mest omfattande innovationerna i bilsäkerhetens historia [38].

1.2 Problembeskrivning

Med hårdare krav på hållbarhet måste bilindustrin vara i framkant med nya tillverkningsprocesser som kan minska bilarnas miljömässiga fotavtryck. Ett sätt att minska utsläppen är att göra komponenter till bilar lättare och med ökad prestanda och robusthet för att minimera bränsleåtgång. För att uppnå kraven är det viktigt att bilindustrin har god kännedom om nya tillverkningsprocesser som spelar en stor roll i en komponents hållbarhet. Rheogjutning är en process som än så länge har använts sparsamt, men Volvo Cars vill lära sig mer om processen och dess skillnader från konventionell pressgjutning med vakuum och andra semi-solida processer. Motivationen till detta är för att produktutvecklare på Volvo Cars vill se om rheogjutning kan bidra till förbättrade materialegenskaper och miljömässiga fördelar till pressgjutning med vakuum.

1.3 Syfte och frågeställningar

Syftet är samla och sammanställa information om hur olika materialegenskaper och tillverkningsaspekter skiljer sig åt hos komponenter av gjuten aluminium tillverkade med rheogjutning respektive med mer konventionell pressgjutning med vakuum och andra semi-solida gjutningsprocesser. Detta är för att ge en sammanfattad bild av rheogjutningsprocessen så att ingenjörer på Volvo Cars kan få en inblick i rheogjutning och se dess för-och nackdelar till pressgjutning med vakuum. Målet är att skapa ett strukturerat underlag som kan användas för att öka kunskapen om de olika processerna hos produktutvecklare på Volvo Cars, och på sikt ligga till grund för framtida val av tillverkningsmetoder för bilkomponenter. Underlaget ska också bidra till framtagningen av riktlinjer för hur utformandet av komponenter påverkas av de olika tillverkningsmetodernas möjligheter och begränsningar.

Studiens frågeställningar:

1. Hur skiljer sig tillverkningsprocesserna av aluminiumkomponenter vid rheogjutning och pressgjutning med vakuum?

2. Hur skiljer sig materialegenskaper och konstruktionsaspekter hos aluminiumkomponenter gjutna med rheogjutning från materialegenskaperna av samma komponenter gjutna med pressgjutning med vakuum?

3. Hur skiljer sig rheogjutning från andra semisolida processer?

1.4 Avgränsningar

Undersökningen har avgränsats till gjutna bilkomponenter i aluminium generellt och fokuserar inte på specifika komponenter för att ge Volvo Cars en så generellt omfattande rapport på gjutningsprocesserna som möjligt. Gjutningsprocesserna som undersöks kommer avgränsas till rheogjutning (och går lätt in på andra semi-solida processer) och pressgjutning med vakuum eftersom pressgjutning är det vanligaste som används för Volvos bilkomponenter idag. Rheogjutning är även processen ingenjörer på Volvo Cars vill lära sig mer om, och rapporten kommer därför fokusera på den. Undersökningen kommer endast behandla komponenter av gjuten aluminium då det är vad som ofta används i tillverkningen av bilkomponenter. För rheogjutning har rapporter som testat flera legeringar använts för att hitta så mycket information om gjutningsprocessen som möjligt, men har fokuserat på A356-legeringar där det varit möjligt, då dessa är väldigt vanliga vid rheogjutning.

För att få tillförlitliga resultat i analysen av simuleringarna användes befintliga simuleringar gjorda av gjutningsexperten Magnus Wessén.

Rapporten rekommenderar inte användningen av en gjutningsprocess över en annan, då fler aspekter spelar en roll i val av gjutningsprocess som exempelvis ekonomisk investering och tillgänglighet av teknik. Rapporten tar främst upp för-och nackdelar ur ett process- och konstruktionsperspektiv.

1.5 Disposition

Rapportens resultat är uppdelad i fem huvuddelar: gjutningsprocesserna, mikrostrukturer, materialegenskaper, andra semi-solida processer och simuleringar. I varje huvuddel jämförs och analyseras resultaten djupare. Rapporten avslutas med en analys kring miljömässighet och några slutsatser om de viktigaste upptäckterna från resultatet.

1.6 Validitet och reliabilitet

Det finns en hel del forskning om rheogjutning och pressgjutning publicerad, men de vidrör ofta bara en eller få aspekter, som exempelvis mekaniska egenskaper eller slurrytillverkning. En rapport som denna är nödvändig för att kunna få en koncis sammanfattning om rheogjutningens tillverkningsaspekter och materialegenskaper. Detta är viktigt för att hjälpa ett företag som Volvo Cars göra deras produktutvecklare medvetna om den nya gjutningsprocessen och skillnader från konventionella processer på ett effektivt sätt. Genom denna rapport kan produktutvecklare på Volvo Cars få en översiktlig bild av rheogjutning och dess fördelar och nackdelar jämfört med konventionell pressgjutning med vakuum och därmed få en god kännedom om processen.

Informationen som samlats är till största del från vetenskapliga artiklar skrivna av forskare inom gjutning eller tillverkning. Böcker och presentationer har också använts, varav presentationerna var gjorda av företaget Comptech som jobbar med rheogjutning, och Magnus Wessén, som är en av utvecklarna av RheoMetal-processen. Intervjuer med Per Jansson på Comptech och Wessén utfördes också. Med tanke på deras professionella koppling till processen bedömdes deras bidrag till denna rapport som pålitligt.

2. Teoretiskt ramverk

Undersökningen följer ett liknande tillvägagångssätt som traditionell positivistisk forskningsmetodik som enligt Williamson [17] är baserad på deduktiva resonemangsstilar som används inom naturvetenskapen. Den deduktiva processen är en linjär plan, vars mål är att antingen stödja eller vederlägga en hypotes. Den positivistiska forskningsmetodiken följer ett schematiskt tillvägagångssätt (illustrerat i figur 1) som börjar med att definiera ämnet av intresse, följt av en sammanställning av en litteraturstudie och teoretiskt ramverk. Sedan avgränsas problemformuleringen och variabler samtidigt. Efter detta skapas en hypotes och data samlas in för att bli analyserat. Baserat på analysen och tolkningar av datan kan hypotesen bedömas som stöttad eller vederlagd. Detta leder sedan till att allmänna lagar/regler kan formas.

Figur 1. Positivistisk forskningsdesign [17].

I den använda forskningsmetodiken har en bild av gjutningsprocessernas skapats från en litteraturstudie som sedan ledde till att frågeställningar kunde formuleras (i stället för en hypotes som den positivistiska forskningsdesignen föreslår). Frågeställningarna kunde sen besvaras genom samlande av information och data från vetenskapliga artiklar, gjutningsexperter och simuleringar. Informationen som samlades kunde sedan analyseras och sammanställas till några slutsatser om gjutningsprocesserna.

3. Metod

3.1 Litteraturstudie

En litteraturstudie som fokuserat på information från nya och aktuella vetenskapliga artiklar utfördes för att kunna samla så aktuell, relevant och tillförlitlig information som möjligt om rheogjutning, pressgjutning och andra semi-solida processer. Litteraturstudien användes för att samla information om gjutningsprocesserna, slurryn och smältans mikrostrukturer och deras påverkan på aluminiumkomponenters materialegenskaper.

3.2 Intervjuer

Intervjuer med gjutningsspecialister och ett besök på Comptech AB i Skillingaryd utfördes Båda gav speciell insikt i rheogjutningsprocessen och kunde svara på frågor som inte ännu undersökts eller publicerats. Intervjuerna inkluderade möten med Magnus Wessén och Per Jansson.

Magnus Wessén är universitetslektor på Jönköpings tekniska högskola och utvecklade där RheoMetal-processen tillsammans med Dr. Haiping Cao. Per Jansson är verkställande direktör på Comptech i Skillingaryd. Comptech tillverkar och säljer tekniken till RheoMetal-processen till andra gjuterier som vill utöka sitt utbud till kunder.

Intervjun med Wessén var främst fokuserad på processaspekter av RheoMetal-processen. I intervjun med Per Jansson kunde fler frågor ställas om både processen och konstruktionsaspekter av rheogjutning, exempelvis möjligheten att gjuta tunt och verktygslivslängd.

3.3 Simuleringar

För att analysera flödet i de olika processerna till följd av olika andelar fast fas och med olika inloppshastigheter användes datorsimuleringar av flöde och bildning av luftfickor. Datorsimuleringar är ett sätt att efterlikna en händelse på ett så realistiskt sätt som möjligt med hjälp av en dator. I detta fall var dessa simuleringar ämnade att efterlikna fyllningen av en gjutform med smälta och slurrys med olika andelar fast fas och inloppshastighet för att se hur detta påverkade turbulensen inuti formen. Simuleringarna var gjorda av Magnus Wessén, en av utvecklarna av rheogjutningsprocessen, i programmet SigmaSoft. Dessa simuleringar användes för att i förhand kunna studera hur flödet kommer ske i den tänkta gjutformen. Simuleringarna gav inblick i hur porositet i aluminiumkomponenter kan uppkomma till följd av turbulens i fyllningen, och även hur turbulensen påverkas av inloppshastigheten och andel fast fas i smältan.

4. Resultat och diskussion

Här förklaras gjutningsprocesserna, deras materialegenskaper, mikrostrukturer och miljömässighet i separata avsnitt. Avsnitten diskuterar fördelar och nackdelar med processerna, och avslutas med en summering.

4.1 Gjutningsprocesser

RheoMetal-processen

RheoMetal-processen är en gjutningsprocess där i stället för en smälta med låg viskositet, används en s.k. slurry, eller uppslamning, med högre viskositet för att fylla formen. Slurryn tillverkas genom att aluminiumsmältan används för att gjuta en cylindrisk volym, kallad Entalphy Exchange Material (EEM). Denna kyls ner och roteras sedan i en överhettad smälta. Medan EEM:en roteras smälter den och skapar en uppslamning av både de separerade partiklarna från EEM:en och kärnbildning av smältan när den kyls ned [1]. Stegen nedan förklarar respektive fas i figur 2. Steg 5 visas ej i figuren.

1. En skopa som är uppvärmd fylls med en överhettad smälta från smältugnen. 2. 5–8 % av smältan hälls i en cylindrisk form runt en stålstav som efter den stelnat

placeras i en karusell. Denna används som Entalphy Exchange Material. 3. EEM:en sänks ner i smält aluminiumlegering och roterar. EEM:en smälter och

smältan kyls ned vilket skapar uppslamningen. Detta tar ungefär 15 sekunder. 4. Slurryn hälls i fyllkammaren av gjutningsmaskinen och injiceras i formen. 5. Sleven och stålstaven görs rent och återvänder till steg 1 respektive steg 2 för

uppvärmning och tillverkning av en ny EEM [6].

I en variant av RheoMetal-processen hämtas smältan av skopan direkt ur smältugnen, likt steg 1 i figur 2 och slurryn hälls sedan i fyllkammaren. I en annan variant doseras smältan direkt i skopan från ett rör och förs sedan vidare till maskinen för att gjutas. Efter att smältan hällts ut i maskinen värms skopan upp för att smälta stelnat material som fastnat i skopan. Detta material kan samlas in, smältas om och användas igen. Skopan är gjord i keramik [27].

EEM:en tillverkas för varje cykel och kyls ner för att sänka temperaturen i slurryn i nästa steg. Beroende på vilken andel fast fas som är önskad för slurryn kan storleken på EEM:en anpassas för att uppnå önskat resultat. Efter att slurryn är klar rörs den om ännu en gång för att göra slurryn homogen och mer lättflytande. Innan slurryn skjuts in i pressgjutningsmaskinen sprejas formen med en s.k. släpphinna, för att undvika att metallen från slurryn och stål från formen binder sig [27, 28].

Slurryn

I processen av att göra uppslamningen används smälta där partiklarna är dendritiska1 och därmed lätt fastnar i varandra. När EEM:en roteras i smältan skapas en skjuvkraft som sliter på utsidan av partiklarna och gör dem mer sfäriska [25, 46].

För att tillverka en stabil slurry behöver sammansättningen av legeringen falla under ett brett stelningsintervall. Detta intervall visualiseras i figur 3. På grund av det smala intervallet är det svårt att tillverka en slurry av rent aluminium eller eutektiskt2 aluminium. Slurryn måste även ha en temperatur där den flytande delen av slurryn har till största delen en eutektisk sammansättning [2]. För att inte endast eutektiska legeringar behöver användas vid rheogjutning öppnar detta upp möjligheten att använda många fler legeringar [27]. Eutektiskt smältintervall visas i den röda rutan i figur 4. Rheogjutningens slurry karaktäriseras av flera saker, men en av dem är att den gjuts medan stelningen pågår [3].

Aluminiumlegeringarna som används i RheoMetal-processen är inte samma som de lämpliga legeringarna för pressgjutning. En stor skillnad mellan vilka legeringar som är lämpliga för vilken gjutningsprocess är vilken andel Kisel (Si) som används. Exempelvis är 43 400, 44 300, och 46 000 vanliga legeringar i pressgjutning, men är inte lämpliga för rheogjutning på grund av, bland annat, deras höga kiselhalt som ligger mellan 8–13,5 % [23]. För rheogjutning lämpar sig en kiselhalt mellan 5–7 %, som exempelvis A356, som är en av de vanligare legeringarna inom rheogjutning [6]. En legering med kiselhalt så låg som 0,45 % har däremot visat sig kunna gjutas framgångsrikt [24].

1 _{Kristaller med trädliknande struktur [13].}

Aluminium (Al) används sällan i sin renaste form. För att få göra en smälta optimal för gjutbarhet och ha andra önskvärda egenskaper hos komponenter tillsätts andra metaller. De vanligaste additiva materialen för aluminiumkomponenter är Kisel (Si), koppar (Cu) och magnesium (Mg). Kisel används nästan alltid i Al-legeringar för gjutning [7]. Kisel används för att förbättra legeringens hållfasthet, öka materialets brottgräns, flytbarhet i smältan, korrosionsmotstånd och bearbetbarhet hos komponenterna [8, 22]. Tillsättning av Mg i Al-Si legeringar bidrar till en förbättring i förlängningen (A%). Detta måste däremot skötas varsamt eftersom Mg som reagerar med syre kan orsaka motsatt effekt på materialets möjlighet till plastisk deformation [7, 8]. Koppar bidrar till förstärkning av materialet, däremot ökar den komponentens korrosionskänslighet [7].

Figur 3: Ett typiskt stelningsintervall vid semi-solid tillverkning och tillverkningstemperatur [3].

Verktygslivslängd

Vid rheogjutning är slurryn ungefär 100°C svalare än vad smältan vanligtvis är i pressgjutning, men temperaturen varierar självklart lite beroende på legeringens smältpunkt. Den lägre temperaturen har visat att det tillför mer sparad energi och bidrar till en längre livslängd på minst 60 % hos pressgjutningsverktygen, om användningen är densamma [27].

Pressgjutning med vakuum

Högtryckspressgjutning som har den engelska benämningen high pressure die casting (HPDC) är en teknik där flytande metall med låg viskositet trycks in i en form med hjälp av ett högt tryck. Den ihåliga formen är konstruerad av två härdade stålformar. Den ena delen är en fast del och den andra delen har rörelseförmåga som gör det möjligt för utstötande av gjutgods. Med hjälp av ett hydrauliksystem appliceras en klämkraft på verktyget under den tid som smältan stelnar. För att kunna gjuta flera olika detaljer i samma verktyg kan gjutformarna konstrueras till önskad form. Designen av formarna kan även uppnå ytfinhet efter önskemål. Verktygen som används har ett litet behov av service och slitaget är ytterst litet, dock har de en hög investeringskostnad [4].

År 2007 hade runt 20,1% av slutförda aluminiumprodukter producerats med en pressgjutningsprocess. Andelen gjutna aluminiumprodukter ökar på grund av deras lättviktdesign, vilket har en stor fördel inom fordonsindustrin [5].

Det finns två grundtyper av pressgjutningsmaskiner, kallkammarmaskiner och varmkammarmaskiner. Horisontella kallkammarmaskiner är den mest använda tekniken och används för att gjuta legeringar med aluminium och mässing, men även magnesium och zink [12]. I den här rapporten beskrivs processen för en kallkammarmaskin då det är den mest använda av Volvo Cars och därmed mest relevanta.

Figur 5: Översikt över en kallkammarmaskin [12].

Att gjuta en komponent kan variera i tid. Cykeltiden kan ta under en sekund upp till två-tre minuter, och tiden spelar stor roll beroende på detaljens storlek och stelningstid. Processens cykel delas upp i fyra olika faser enligt figur 6 [12].

1. Fas 1 – Vid den första fasen är verktyget stängt. Skottkolven är i sin startposition, det vill säga längst bak och förekommande kärnor är i position. Fyllkammaren fylls med en flytande smälta och skottkolven börjar sin rörelse och blockerar fyllningshålet. För att undvika att den smälta metallen skvätter ut ur fyllningshålet är skottkolvens rörelse långsam till en början, ungefär 0,2 m/s. Precis innan metallfronten når ingötet till kaviteten accelererar kolven.

2. Fas 2 – Vid andra fasen sker formfyllningen. Kolvhastigheten ökar när metallfronten når ingötet för att åstadkomma en effektiv formfyllning. Hastigheten ökar till ungefär 2–5 m/s eller högre vid vissa tillfällen. Efter att hela formen är fylld påbörjas eftermatningsfasen, vilket medför att skottkolven komprimerar den smälta metallen. Detta görs för att pressa ihop de luftbubblor som kan finnas i komponenten och för att ta ställning till metallens krympning under stelning.

3. Fas 3 – Under fas tre dras kärnor ut ur komponenten och skottkolven förflyttar sig till sin startposition.

4. Fas 4 – Under den fjärde och sista fasen används utstötsenheten och komponenten plockas ut ur verktyget [12].

Jämförelse av processerna

Den mest uppenbara skillnaden i gjutningsprocesserna är tillskottet av en slurry-maker i rheogjutningsprocessen. Denna både tillverkar slurryn med hjälp av EEM:en och skjuvar den samtidigt. Utöver slurrymaskinen kan samma pressgjutningsmaskiner användas som till konventionell pressgjutning med vakuum.

Den andra stora skillnaden i gjutningsprocessen mellan rheo- och pressgjutning är materialets viskositet när den injiceras in i gjutformen. Rheogjutning har en större andel fast fas innan den åker in i gjutformen, därför har slurryn en högre viskositet jämfört med smältan vid pressgjutning. Detta leder i sin tur till en skillnad i mikrostrukturernas form under stelningsfasen. Desto högre andel fast fas slurryn har, desto rundare blir mikrostrukturerna på grund av den ökade skjuvningen vid tillredningen av slurryn. När mikrostrukturen blir sfärisk flyter smältan lättare in i gjutkomponenten till skillnad från en tunnare smälta med dendritisk mikrostruktur. Dendritiska partiklar kan lättare fastna i varandra och på så sätt flyter smältan inte lika lätt fram jämfört med om de skulle vara sfäriska [27].

Till följd av att slurryn har en högre andel fast fas vid rheogjutning behöver inte smältan stelna lika mycket när den väl befinner sig inne i formen, jämfört med i pressgjutning där smältan är helt flytande. Detta innebär att materialet inte krymper lika mycket vid stelning. Detta har visats betyda att mindre släppvinklar kan användas vid konstruktionen av komponenter för rheogjutning jämfört med komponenter för pressgjutning [27].

På grund av att slurryn är tjockare än en smälta i konventionell pressgjutning krävs ett större ingjutningssystem för att trycka in slurryn i formen. När slurryn skjuts in i formen skapas ett tryck inuti formen och en låskraft som är större än kraften inuti formen krävs för att hålla ihop formhalvorna. Baserat på ekvationen p = F/A där p = tryck (Pa) skapas mindre tryck på grund av den större arean på inloppet, och därför krävs mindre låskraft för att hålla ihop formhalvorna. Detta innebär att mindre gjutningsmaskiner för rheogjutning kan tillverka samma storlek på komponenter som större pressgjutningsmaskiner. De större inloppen innebär däremot mer stelnat material i gjutsystemet som måste smältas ner igen, vilket kräver mer energi än den mindre mängden material i ett mindre inlopp [27].

I konventionell pressgjutning med vakuum kan inte sandkärnor användas på grund av det höga trycket. Det minskade trycket som det större inloppet bidrar till vid rheogjutning öppnar potentiellt för möjligheten att använda sandkärnor i processen. Detta är däremot inte något som har implementerats i serieproduktion [27, 24].

Värmebehandling är inte något som går att utföra i alla situationer med gjutna komponenter. Rheogjutna komponenter kan värmebehandlas medan det oftast inte går för komponenter tillverkade med pressgjutning. Med pressgjutning har delarna fler mikroporositeter som expanderas när dem utsätts för hög värme igen, som sedan kan leda till blåsor på ytan [26]. Detta gör det fördelaktigt att använda värmebehandlingar på rheogjutna komponenter.

En fördel med rheogjutning är att det blir mindre defekter i form av porositet jämfört med vad det blir i pressgjutning [27]. Det är på grund av att vid rheogjutning blir flödet mer laminärt på grund av den högre viskositeten i slurryn. Vid pressgjutning är flödet mer turbulent, där den flytande smältan injiceras med ett högt tryck. Turbulent flöde medför att luftfickor skapas och orsakar små porositeter som inte alltid syns, men försämrar exempelvis utmattningsbeständighet och andra mekaniska egenskaper hos gjutna komponenter.

Område Rheogjutning Pressgjutning

Energiåtgång.

Ungefär samma energiåtgång i båda processerna [27].

Tillgänglighet av

teknik. Har begränsad tillgång idag, dock _{ökar leveranserna av maskiner}

och installationer av

slurrymaskiner stadigt [27].

Väldigt vanlig teknik som har en stor tillgänglighet.

Möjlighet att gjuta tunt.

Från >10 cm ner till 0,4 mm (har ej implementerats i

serieproduktion). Vanligast är 2 – 3 mm [24, 27].

Minimum väggtjocklek är ca. 0,8 mm. Ovanligt med väggar <1 mm [27].

Sannolikhet för gjutfel.

Har ca. 70 % högre flytbarhet jämfört med pressgjutning och ett större processfönster, som leder till minskad risk för fel och färre defekter jämfört med

pressgjutning [27].

Har en större sannolikhet för gjutfel jämfört med

rheogjutning på grund av mer porositet och defekter [27].

4.2 Mikrostrukturer

Mikrostrukturen har en väldigt stor påverkan på de mekaniska egenskaperna hos ett material. Mikrostrukturen kan variera beroende på legering, tillredning, värmebehandling och stelningsförhållanden, med flera. Här beskrivs mikrostrukturer hos rheogjutna och pressgjutna komponenter.

Mikrostrukturer vid rheogjutning

En semi-solid slurry består av AL-kristaller och flytande material. Tillväxten av

α-AL-kristallerna innebär att materialet stelnar. I figur 7 visas en typisk mikrostruktur i en Stenal Rheo1-legering bestående av stora primära α-AL-partiklar som skapas vid slurryberedningen, små sekundära α-AL-partiklar som bildas vid stelning och eutektiska Si-partiklar [11].

Figur 7: Typisk mikrostruktur i rheogjutet material [11].

I figur 8 visas beteendet av partiklarnas form och storlek till följd av skjuvkraften i slurryprocessen och turbulens vid gjutning, samt ökad stelning i slurryn. I RheoMetal-processen skapas skjuvkraft vid rotationen av EEM:en i smältan som gör partiklarna runda [26]. Den korta rotationstiden som är mellan 5–40 sekunder gör att mikrostrukturen inte är lika rund som partiklarna i andra semi-solida processer som GISS och SEED [24].

Partiklarnas storlek beror på flera saker i slurryprocessen, som överhettningstemperatur, EEM:ens rotationshastighet, stelning, skjuvhastighet [29] och säkerligen fler faktorer som inte kommer tas upp i denna rapport.

Figur 8: Effekten av skjuvhastighet, turbulens och stelning på mikrostruktur i RheoMetal processen [25].

Kornstorlek i en slurry är relevant att ta upp då det är önskvärt att den sfäriska kornstorleken är tillräckligt stor för att skapa ett nära styvt fastfasnätverk, men tillräckligt liten för att kunna flyta in i ett formutrymme likt en vätska. Det är generellt önskvärt och antaget att kornradien ska vara minst 1/30–1/20 av håligheten som ska fyllas [30].

I figurerna 9a-c visas rotationshastighet i tillverkningen av slurryn, mängden EEM tillagt och överhettning av smältan från en A356 legering och deras relationer till den genomsnittliga kornstorleken. Det visar sig att en ökad rotationshastighet har en förfiningseffekt på kornen i smältan. Däremot blir effekten mindre vid de högre rotationshastigheterna på grund av virvelströmmar som uppstår i smältan vilket minskar kontaktytan mellan EEM:en och smältan.

En ökad massfraktion EEM visar att kornstorleken minskar vid tillverkningen av slurryn. Ökad överhettning av smältan har också en förfiningseffekt på slurryns mikrostruktur.

Figur 9a. Effekten av rotationshastighet på genomsnittlig kornstorlek [29].

Figur 9c. Effekten av överhettning på genomsnittlig kornstorlek [29]. Mikrostrukturer för pressgjutning

Under processen när den smälta metallen stelnar utvecklas kristaller i aluminiumlegeringen. Dessa partiklar har en dendritisk struktur, det vill säga att dessa kristaller kan likna formen av ett träd eller ormbunke, som figur 10 nedan. På grund av deras dendritiska form kan kristallerna lätt fastna i varandra, vilket påverkar smältan genom att den inte flyter lika lätt [13].

Mikrostrukturen kan få olika dynamiska och statiska hållfasthetsegenskaper på materialet, beroende på hastigheten av stelningsprocessen hos aluminiumlegeringen. Dendritarmavstånd som på engelska som går under namnet Secondary Dendrite Arm Spacing (SDAS) är ett mått mellan de sekundära dendritarmarna på mikrostrukturen. SDAS och DAS (som figur 10 betecknar) har samma betydelse, men de kan betecknas olika. DAS = d/n, där n = är antalet dendritarmar som omfattas i längden av d enligt figur 10 [14].

Figur 10: Dendritstruktur [14].

Beroende på hur snabbt den smälta metallen kyls ned får dendriterna olika storlekar och utbredning. Det som avgör deras storlek till stor del är avkylningen. När det sker en snabb avkylning av metallen förhindrar det dendriternas expansion och resulterar till smalare och täta dendritarmar. Genom att mäta avståndet mellan dendritarmarna finns det möjligheter att avgöra hur snabbt den flytande metallen kyldes ner. I figur 11 syns det tydligt på mikrostrukturerna vad skillnaden blir när bilden a) har en stelningshastighet på 3 mm/s och bilden b) har en stelningshastighet på 0,03 mm/s [13].

Figur 11: Struktur på dendriter vid olika stelningshastigheter. a) SDAS = 10 µm b) SDAS = 50 µm [13].

Vid väggarna av gjutformen kyls den smälta metallen som snabbast, vilket leder till att dendriterna uppstår främst vid väggarna. För att kristallerna i metallen ska få tillväxt krävs det att dendriterna har en s.k. kärnbildare som startar tillväxten. I smältans mittpunkt är det inte lika lätt att bilda dendriter som vid gjutformens väggar. Därför läggs det medvetet i lämplig mängd kärnbildande partiklar i legeringen, vanligtvis i form av titanborid. Dessa kärnbildande partiklar gör det lättare att bilda nya dendriter [13].

En gjuten aluminiumkomponent som består av många kristaller får en mer finkornig struktur än med en aluminiumkomponent med färre kristaller. Materialet får en ökad hållfasthet när strukturen är mer finkornig. Därför är det viktigt att skapa många kärnor så det uppstår många kristaller. Enligt figur 12 a) och b) nedan visas skillnaden mellan strukturen när den är kornförfinad och ej kornförfinad [13].

Figur 12: a) Ej kornförfinad struktur. b) Kornförfinad struktur [13].

Största skillnaden på mikrostrukturerna vid rheogjutning och pressgjutning är partiklarnas form. Vare sig mikrostrukturerna är dendritiska eller sfäriska är det viktigt att få dem i rätt storlek och antal för att det exempelvis ska kunna bli en finkornig struktur i pressgjutning. Det är även viktigt för att få tillräckligt styvt fastfasnätverk eller förfining på kornen i smältan i rheogjutning för att slurryn ska kunna flyta i smala områden.

4.3 Materialegenskaper

Materialegenskaper som komponenter kan få till följd av rheogjutning och pressgjutning presenteras här.

Materialegenskaper vid rheogjutning Mekaniska egenskaper

I figur 13 visas några av de vanligaste legeringarna som används i rheogjutning och dess uppmätta egenskaper som sträckgräns (YS), brottgräns (UTS) och förlängning (A %). Både efter endast gjutning och även med egenskaperna efter T4/T5 och T6-värmebehandlingar.

Figur 13. Vanliga legeringar i rheogjutning och deras mekaniska egenskaper före och efter T4/T5 och T6 värmebehandlingar [44].

Utmattning

Utmattningsbeständighet hos rheogjutna aluminiumkomponenter har visat sig öka i jämförelse mot pressgjutna komponenter på grund av den minskade bildningen av luftfickor. Detta är till följd av den lägre viskositeten i slurryn, vilket skapar ett mer laminärt flöde vid fyllning av formen och leder till färre luftfickor (porositet) i komponenterna. Även den större andelen fast fas i slurryn leder till mindre krymp i komponenten och därmed reducerad mängd krympporer vilket bidrar till den ökade utmattningsbeständigheten [21, 42, 43].

Värmeledning och hårdhet

Rheogjutning har visat sig ha en ökad effekt på aluminiumkomponenters värmeledningsförmåga till skillnad från pressgjutna komponenter, vilket gör det lämpligt för tillverkning av kylflänsar, LED-höljen och andra elektronikkomponenter där värmeledningsförmåga är önskvärt [41]. Den ökade värmeledningsförmågan kan förklaras av en reducerad mängd lösta ämnen i de primära Al-partiklarna. Detta är ett resultat av en förhållandeändring mellan de primära Al-partiklarna med liten mängd lösta ämnen, som bildas under slurrytillverkningen, och de sekundära Al-partiklarna med stor mängd lösta ämnen, som bildas under sekundär stelning. Detta visade sig ha stort inflytande på värmeledningsförmågan. Kisel i fast lösning visade sig ha en ledande påverkan på värmeledningsförmågan och en linjär relation mellan andel fällning och ökning i värmeledningsförmågan har kunnat fastställas [11]. För att kunna ha god värmeledningsförmåga måste legeringen ha en så liten mängd Kisel som möjligt. Rheogjutna komponenter med en kiselhalt så låg som 1,5 % Si har mätt >210 W/mK [7].

Få mätningar har gjorts på rheogjutna legeringars hårdhet, men en studie [26] visade relationen mellan hårdhet (HV) och värmeledning i Stenal Rheo1-komponenter tillverkade med flytande smälta och rheoslurry. Denna relation visas i figur 14. Som figuren visar är relationen komplex och inte linjär. Komponenter gjutna med flytande smälta verkar ha en fördel i hårdhet efter T6 värmebehandling. Däremot är detta generellt inte rekommenderat, som tidigare nämnt, för komponenter gjutna med konventionell pressgjutning på grund av risken för blåsor på ytan orsakat av luftfickor i materialet.

Figur 14: Relationen mellan styrka och konduktivitet, visar resultat för hårdhet för rheogjutna och pressgjutna prover [26].

Korrosionsegenskaper

Få studier har, inom författarnas vetskap, utförts på aluminium-legeringars korrosionsegenskaper gjutna med RheoMetal-processen. Vissa studier har däremot vidrört andra semi-solida processers effekt på korrosionsegenskaper som thixocasting [33–35]. Dessa studier har testat skillnader i korrosionshärdighet hos Al-Si legeringar gjutna med semi-solida processer. Studierna gjorda på thixocasting visade på förbättring i korrosionshärdighet och färre gropar i semi-solida Al-Si komponenter i jämförelse med komponenterna gjutna med konventionell pressgjutning när de utsattes för en aggressiv miljö. Dessa förbättringar kunde krediteras till att korrosion rör sig genom eutektiska Si-partiklar och vid gränsskiktet av Fe-rika intermetalliska föreningar som båda uppvisar katodiskt beteende i jämförelse med aluminium-matrisen [33–37]. En studie av Eslami et al [32] visade inte någon anmärkningsvärd skillnad i korrosionshärdighet vid jämförelse av låg Si-aluminiumlegeringar gjutna med rheogjutning och konventionell pressgjutning. En annan studie av Eslami et al [39] visade en förbättring i korrosionshärdighet av rheogjutna prover när två olika låg-Si-aluminiumlegeringar slipades. Detta var på grund av att de rheogjutna proverna ofta hade en hög koncentration av intermetalliska partiklar på ytan. Studien undersökte effekten segregation kunde ha på korrosion i komponenterna. Detta visades ha en positiv inverkan då ytan på de gjutna proverna fick en ”flytande” mikrostruktur till följd av segregationen, vilket resulterade i bättre korrosionshärdighet efter slipning.

Materialegenskaper vid pressgjutning med vakuum Mekaniska egenskaper

I figur 15 visas de vanligaste legeringarna vid användning av pressgjutning och deras uppmätta egenskaper som brottgräns, sträckgräns och förlängning (A50 %) [45]. Den mest använda legeringen vid pressgjutning är EN AC-46 000 med den kemiska formeln AlSi9Cu3(Fe) [27].

Figur 15: Vanliga legeringar i pressgjutning och deras mekaniska egenskaper [45].

Porositet

Porositet kan förekomma på olika sätt i pressgjutning, bland annat gasporositet och krympporositet [19].

Gasporositet: Den smälta metallen som förs in har en flytande konsistens som injiceras

med hög hastighet i munstyckshålan. Under det höga trycket uppstår defekter i metallens inre i form av porositet som skapas på grund av infångning av luft, som sedan resulterar i luftbubblor i den smälta metallen. Dessa luftbubblor kan påverka komponenten negativt då de luftbubblor som är belägna vid komponentens yta kan expandera i storlek under värmebehandling. Detta leder till att blåsor kan uppstå på ytan [9]. Dessa luftbubblor kallas för gasporositet och uppstår bland annat på grund av att vätgas är mycket mer lösbart när aluminiumet är i den smälta fasen än i den fasta fasen. När smältan stelnar frigörs vätgas och den vätgas som inte hinner föras ut ur metallens smälta är orsaken till dessa håligheter, alltså porositet [19].

Figur 16: Bildning av gasporositet [19].

Krympporositet: Krympporositet kan förekomma om stelningsförloppet inte är under

kontroll. Detta visar sig att vid ett sådant tillfälle kan inte tillförseln av ny smälta kompensera för volymminskning när materialet stelnar. Denna typ av defekt kan visa sig i väldigt påtaglig i form av sjunkningar eller sprickor i materialet [19].

Oxider i olika former kan också orsaka porositet. I den smälta metallen flyter inte metallrester i form av slagg upp till ytan. Det är på grund av att slagg har en liknande densitet som aluminium och därför befinner sig på samma nivå i smältan. Detta medför att slagg följer med in i formen och orsakar porositet [19].

Mikrostrukturerna hos en pressgjuten komponent har stor betydelse för komponentens materialegenskaper. Dendritarmavståndet som kan betecknas med förkortning SDAS eller DAS har visat sig ha en direkt anknytning till det gjutna materialets dynamiska och statiska hållfasthet. SDAS har stor påverkan på brottgränsen (Rm) och brottförlängningen (A5) som visas i figur 17 [14].

Figur 17: Statiska egenskaper som funktion av DAS [14]. Jämförelse av materialegenskaperna

På grund av flera faktorer som den högre viskositeten blir det mindre defekter av porositeter i den generella aluminiumkomponenten. Rheogjutna komponenter har större möjlighet att klara värmebehandlingar eftersom de har färre mikroporositeter och andra defekter och har därför möjlighet att förbättra deras mekaniska egenskaper enormt. Det som inte skiljer sig så mycket åt mellan processerna är ytfinheten. Komponenterna efterbehandlas med samma teknik i båda processerna. Det som avviker sig mest i processernas materialegenskaper är komponenternas inre egenskaper. Defekter är inte alltid synliga, men kan påverka komponenten kvalitetsmässigt och möjligheten att kunna gjuta tunt. På grund av färre porositeter kan det tillverkas tunnare väggar med rheogjutning. De tunnaste väggarna som har tillverkats på Comptech är 0,4 mm, detta är däremot inget som har implementerats i serieproduktion [27].

Enligt figur 13 [44] och 15 [45] ovan har de vanligaste legeringarna för rheogjutning olika värden för sträckgräns, brottgräns och förlängning än de vanligaste legeringarna för pressgjutning. Jämför vi exempelvis A356 som är vanligt vid rheogjutning och EN AC46000 som är vanlig vid pressgjutning, är både sträckgräns och brottgräns högre för AC46000 vid endast gjutet tillstånd. Sträckgränsen kan ligga mellan 95–100 MPa för rheogjuten A356, medan AC46000 har 140 MPa i sträckgräns. För A356 ligger brottgränsen mellan 200–215 MPa och för AC46000 är den 240 MPa i gjuttillstånd. Förlängningen är svår att jämföra då figurerna visar värden för olika typer av förlängning (A5 och A50), men enligt en annan källa [48] kan förlängningarna för A356 och AC46000 vara mellan 2–3,8 % respektive 1 %. Detta värde bör dock tas med viss skepsis då det står oklart vilken förlängning (A5, A50 eller annan) som menas.

Värt att notera är att på grund av den minskade porositeten i den generella rheogjutna komponenten kan värmebehandling användas i större utsträckning och då höja de mekaniska egenskaperna hos exempelvis en rheogjuten A356-legering.

4.4 Andra semi-solida processer

Semi-solida processer kan generellt delas upp i två kategorier, tixogjutning (thixocasting) och rheogjutning. Det som skiljer de två typerna åt är om fast material har värmts upp för att göra materialet tillräckligt formbart för att gjutas, respektive om en smälta har kylts ner för att få högre fast-fasandel, som slurryn i RheoMetal processen.

Thixocasting

Thixocasting är en process där förgjutna stänger som har sfärisk mikrostruktur värms upp till en gjuttemperatur där materialet är halvfast och då kan tryckas in i en form. Denna process har visats kunna producera komponenter med exceptionella mekaniska egenskaper [20]. Thixocasting var en av de första semi-solida gjutningsprocesserna som utvecklades för kommersiell användning [10]. Den största anledningen till att thixocasting inte används i större uträckning inom industriell produktion är den höga kostnaden för de gjutna stängerna som värms upp, och oförmågan att kunna återvinna rester på samma plats som gjutningen sker [1].

Gas-induced semi-solid process (GISS)

GISS är den vanligaste semi-solida gjutningsprocessen som används i industriell produktion. Detta är för att den är den enklaste och relativt billig att implementera hos ett högtryckspressgjuteri. GISS-processen innebär att legeringstackorna smälts i en grafit-smältugn till 10–20 K överhettning [20]. En stålslev hämtar upp smältan ur smältdegeln och med hjälp av en grafitdiffusor, injiceras smältan med gasbubblor. Gasbubblorna används för att skapa kraftig rörelse i smältan och även snabb värmeutvinning. Kombinationen av rörelsen och nerkylningen av smältan skapar slurryn, och kan fortsätta till en önskad fast fas och temperatur är uppnådd, men generellt varar processen mellan 5–20 sekunder. Slurryn i en GISS-process varierar vanligtvis mellan 25–30 % fast fas vilket betyder att GISS-processen kategoriseras som en låg-fastfasprocess.

I nästa steg hälls slurryn i fyllkammaren i en konventionell pressgjutningsmaskin och skjuts in i formen [15, 16]. GISS-processen har visat sig kunna producera komponenter med lägre porositet än pressgjutning med flytande smälta. Ett exempel av detta är ett experiment utfört av Thanabumrungkul et al. där en A356 legering göts i både flytande tillstånd och tillredd med GISS-processen med 10% fast fas. Testet visade att gjutproverna hade respektive genomsnittlig porositet på (2.09±0.26) % and (0.9±0.09) %. Figur 18 föreställer provernas mikrostruktur, varav partiklarna i a) är dendritiska och i b) sfäriska [15].

Figur 18. Mikrostrukturer för pressgjutsprover. a) A356 flytande b) A356 GISS [15].

Swirled Entalphy Exchange Device (SEED)

SEED-processen är likt RheoMetal och GISS-processen, en rheogjutningsprocess. Den baseras alltså på en flytande smälta som modifieras till att bli en halvfast slurry för att sedan gjutas i en pressgjutningsmaskin. SEED-processen består av tre huvuddelar, varav första delen innebär att en smält aluminiumlegering hälls på en lutning in i ett kärl som har en temperatur tillräcklig för att kunna kyla ner smältan och skapa en fastfas som är mellan 30–45%. Kärlet virvlas sedan runt i ca 200 RPM för att jämna ut temperaturen och fastfasen i röran. Andra steget i processen är att en ventil undertill på kärlet öppnas för att låta kvarvarande vätska rinna av, så att det som är kvar är en halvfast klump som efterliknar rumsvarmt smör i konsistens. Tredje huvudfasen är när vätskan har runnit ut och kärlet vänds upp och ner för att skicka i väg klumpen som då är redo att formas i pressgjutningsmaskinen [18].

En nackdel med SEED-processen är att slurrytillverkningstiden är mycket längre än RheoMetal- och GISS-processer. Uppslamningstiden varierar mellan 100–160 sekunder vilket är anmärkningsvärt längre än de andra två rheoprocesserna. Den längre tiden innebär dock att slurryn hinner få en högre kvalité. SEED-processen har anpassats för att ha en hög fast fas och är därför mer lämpad för tunga och högpresterande komponenter i stället för tunnväggiga komponenter. Minsta möjliga tjockleken med SEED-processen är 0,75 mm vilket är större än minsta tjockleken för RheoMetal-och GISS-processerna [20].

Figur 19. Sfärisk mikrostruktur hos en komponent tillverkad med SEED-processen [18].

4.5 Simuleringar

En av de drivande motivationerna för att använda rheogjutning är för att den högre viskositeten i slurryn bidrar till ett mer laminärt flöde vid fyllning av formen, vilket i sin tur leder till mindre luftfickor. Även inloppshastigheten vid en fyllning påverkar turbulensen i materialet. Hur dessa faktorer påverkar turbulensen i olika geometrier visas nedan i figur 22–25 på geometrierna A & B. I Geometri A visas simuleringar av fyllnaden med 0%, 15%, 35 % och 50% andel fast fas med inloppshastigheterna 4,3 m/s och 17 m/s. Detta är för att jämföra effekten inloppshastigheten har på turbulensen i respektive andel fast fas.

Figur 24a-c visar simulering av Geometri B som fylls med 15% och 35% fast fas-slurry med inloppshastigheten 6,1 m/s. Detta är för att visa skillnader i flöde och turbulens mellan låg och hög andel fast fas i en komponentliknande geometri med tunna väggar. Alla simuleringar är gjorda av Magnus Wessén i programmet SigmaSoft [31].

Flöde Geometri A (1)

Geometri A är en 4 mm tjock platta med två hål. Formen har ventilation runt hela plattan. Inloppet har måtten 4x120 mm. Tablett (biscuit)-diametern är 80mm.

Figur 21. CAD-illustration av Form A- Platta med två hål med inlopp, tablett och ventilation runt plattan.

I figurerna 22a-d visas flödet vid fyra lägen när form A fylls med smälta eller slurry med fasta faserna 0 %, 15 %, 35 % och 50 % med hastigheten 4,3 m/s vid inloppet. 0% fast fas representerar flödet i konventionell pressgjutning.

22a)

I figur 22a ovan kan vi se att i de två simuleringarna med lägre andel fast fas så skjuts materialet rakt uppåt in i formen, vilket resulterar i att materialet inte fylls runt hörnet från inloppet. I de andra två simuleringarna med 35 % och 50 % andel fast fas är flödet mer laminärt och slurryn “svänger” runt hörnet lättare.

22b)

I figur 22b visas effekten av andelen fast fas för turbulensen tydligt. Simuleringarna visar stor skillnad i turbulens mellan 15 % och 35 % fast fas, men inte anmärkningsvärt stor skillnad i turbulens mellan 0 % och 15 % fast fas.

I simuleringarna med lägre andel fast fas forsar materialet in i formen nästan okontrollerat. Detta visas speciellt runt de två hålen och i hörnen närmast inloppet. Materialet kröker inte runt hålen utan flyter förbi på grund av den låga viskositeten. I simuleringarna med högre andel fast fas flyter materialet mer laminärt, speciellt i den med 50% fast fas, och fyller alla ytor gradvis. I simuleringen med 35 % fylls däremot inte hörnen direkt, men i större andel än i de med lägre andel fast fas.

22c)

Figur 22. Flöde i form A med fasta faserna 0%, 15%, 35% och 50% med inloppshastigheten 4,3 m/s vid a) 132 ms. b) 178 ms. c) 194 ms. [31]

Slutskedet av simuleringen visas ovan i figur 22c. Här visas det vart i geometrin det potentiellt kan bli luftfickor i materialet. Detta är speciellt i områdena där det blir s.k. “bakåtfyllnad”, då materialet flyter tillbaka mot inloppet och fyller de resterande områdena i formen. I simuleringarna med 0 % och 15 % fast fas inträffar detta runt hålen och området närmast inloppet, men även i hörnen på simuleringen med 35 % fast fas.

Geometri A (2)

För att jämföra mängden turbulens vid olika fyllningshastigheter visar figur 23a-c flödet vid fyllnaden av geometri A med fasta faserna 0 %, 15 %, 35 % och 50 %, men med hastigheten 17 m/s vid inloppet.

23a)

I figur 23a ovan kan ett liknande beteende i turbulensen som i 22a observeras, där materialet i simuleringarna med lägre andel fast fas sprutar uppåt i formen och fyller därmed inte kanterna närmast inloppet likaväl som de med högre andel fast fas. Materialet svänger i stället ut mot sidorna längre upp i formen, medan simuleringen med 50 % fast fas fyller all geometri närmast inloppet först.

Största skillnaden i turbulens mellan de olika hastigheterna syns i simuleringen med 35 % fast fas där flödet är relativt laminärt i figur 22b i jämförelse med figur 23b. I figur 23b ovan, hinner inte materialet flyta runt hålen lika smidigt på grund av den höga hastigheten.

Simuleringarna med 15 % fast fas visar inte anmärkningsvärd skillnad i turbulens, då båda simuleringarna resulterar i bakåtfyllnad runt hålen och runt inloppet. Dessa visar liknande turbulens som simuleringen med 0 % fast fas.

23c)

Figur 23. Flöde i form A med fasta faserna 0 %, 15 %, 35 % och 50 % med inloppshastigheten 17 m/s vid a) 31 ms. b) 43 ms. b) 49 ms. [31].

Som det syns i figur 23c sker bakåtfyllnad på alla simuleringar, förutom den med 50 % fast fas. Detta inträffade även i simuleringarna med lägre inloppshastighet (figur 22), men inte i samma utsträckning som i simuleringarna med högre hastighet. Detta kan observeras främst runt hålen på 35%-simuleringen i 23c.

Geometri B

För att jämföra flödet mellan olika andelar fast fas i en komponentliknande form är geometri B i figur 24a-c samma platta som form A, men i stället för de två hålen har plattan 17 fenor på ena sidan som vardera är 1,2 mm tjocka högst upp (1,5 mm släppvinkel). Geometri B har samma inlopp, gjutkanal och tablett som geometri A. Endast halva formen är simulerad på grund av symmetrin. I figur 24 a-c jämförs flödet mellan en slurry på 35 % och 15 % fast fas som fylls med inloppshastigheten 6,1 m/s.

24a)

Figur 24a visar att slurryn med 35 % fast fas fyller geometrin närmast inloppet först, och rör sig sedan uppåt genom både fenorna och plattan. Slurryn med 15 % fast fas fyller i stället formen rakt upp genom plattan och börjar fylla fenorna från mitten av geometrin. Detta är en tidig indikation på att det kan ske bakåtfyllnad senare i simuleringen med 15 % fast fas, då inte fenorna fyllts nära i inloppet ännu.

24b)

I figur 24b kan en stor skillnad i fyllningen mellan de olika fastfasandelarna observeras. I simuleringen med 35 % fast fas fortsätter geometrin fyllas succesivt uppåt i geometrin, och fyller majoriteten av fenorna innan materialet färdas längre upp i geometrin. Några luftfickor kan ses i kanten av plattan närmast inloppet. Geometrin med 50 % fast fas fylls däremot ganska turbulent, och bakåtfyllnad har här börjat inträffa när materialet “slår” emot den övre väggen och materialet trycks genom fenorna, tillbaka mot inloppet.

24c)

Figur 24. Flöde i form B med fasta faserna 15% & 35% med inloppshastigheten 6,1 m/s vid a) 160 ms. b) 180 ms. c) 198 ms. [31]

Figur 24c visar att formen fylls “bakåt” när slurryn slår emot den övre väggen av formen och materialet trycks nedåt i geometrin. Detta sker även i båda simuleringarna men i mindre utsträckning och mer laminärt i den med 35 % fast fas, då en stor del av fenornas geometri närmast inloppet redan har fyllts.

Luftbubblor

Figur 25a och b visar hur bildning av luftbubblor påverkas av inloppshastigheten och andelen fast fas. Figur 25a är simulerad med 15% fast fas och 25b är simulerad med 35 % fast fas.

I figur 25a samlas luftbubblor runt hålen på grund av bakåtfyllningen som sker på grund av både den höga inloppshastigheten och låga andelen fast fas, som visades i figur 23. Simuleringarna med högre inloppshastighet visar på större mängd luftfickor både runt hålen och nära inloppet i jämförelse med de simulerade med lägre inloppshastighet.

25b)

Figur 25. Effekt av inloppshastighet på uppkomsten av luftbubblor (air entrapment) i en gjuten komponent med fast fas a) 15 % b) 35 % [31].

Luftbubblorna runt hålen minskar betydligt i figur 25b, där andelen fast fas är högre. Detta syns speciellt i simuleringen med inloppshastigheten 4,3 m/s. Båda simuleringarna tyder på att högre inloppshastighet påverkar uppkomsten av luftbubblor kraftigt.

Simuleringarna indikerar att en högre fast fas och lägre inloppshastighet är bättre för att reducera turbulens i fyllningen och förhindra bakåtfyllnad, och därmed luftfickor. Detta överensstämmer med en studie av Cao et al [21].

För RheoMetal-processen är det svårt att förutse andelen fast material på grund av legeringens kinetik och behandlingsprocessen. Andelen fast material kan typiskt anpassas mellan 15–45 %. Maxandelen begränsas av att partiklarna inte är lika runda som andra semi-solida processers partiklar som GISS och SEED-processerna [7].

4.6 Miljömässighet

Nedan diskuteras några för- och nackdelar med rheogjutning ur ett miljöperspektiv utifrån dem resultat som tagits fram.

Med hjälp av de generellt förbättrade mekaniska egenskaper hos rheogjutna komponenter, främst på grund av den minskade porositeten, kan tunnare komponenter tillverkas med rheogjutning. En annan fördel med rheogjutning är det utökade möjligheten av att kunna använda många fler legeringar, då inte endast eutektiska legeringar kan användas som vid pressgjutning. Detta innebär potentiellt att lättviktiga legeringar, med bättre mekaniska egenskaper kan användas, trots att det inte skiljer mycket i vikt mellan legeringar. Dessa optimeringar av vikten i komponenter bidrar till att bilarna i sin helhet potentiellt kan göras lättare, och därmed kräva mindre bränsle [40, 41].

Eftersom Volvo Cars siktar på att ha 50 % av sina bilar elektriska och att 50% ska vara hybridbilar, kommer bilarna att automatiskt bli tyngre då en elektrisk motor väger mer än en förbränningsmotor [38, 47]. Lättare komponenter bidrar till en lättare bil och leder i sin tur till mindre konsumtion av material per bil. Detta resulterar också i att kunden kommer kunna åka en längre sträcka med samma mängd bränsle. Det här betyder att inte lika mycket energi kommer krävas för att köra fordonet samma sträcka med en lättare vikt jämfört med en bil med tyngre komponenter och därmed en tyngre bil. En till fördel vid rheogjutning både miljömässigt och ekonomiskt i längden, är att verktygen vid rheogjutning kan hålla 60 % längre än samma verktyg med pressgjutning. Detta är på grund av den lägre temperaturen i slurryn som används, i jämförelse med smältan vid pressgjutning [27]. Till följd av detta skulle rheogjutning kunna vara en positiv utveckling för Volvo Cars miljövänlighet då verktygen inte skulle behöva bytas ut lika ofta och därmed minska materialkonsumtionen.

Endast en nackdel har upptäckts för rheogjutning ur en miljösynpunkt. På grund av de större inloppen som krävs vid rheogjutning stelnar mer material i inloppet än vid pressgjutning. Detta tar mer energi att smälta ner och använda igen än med ett mindre inloppssystem som kan användas vid pressgjutning.

5. Slutsatser

Slutsatserna presenteras som svar på rapportens frågeställningar.

5.1 Hur skiljer sig tillverkningsprocesserna av

aluminiumkomponenter vid rheogjutning och pressgjutning

med vakuum?

Den tydligaste skillnaden mellan rheogjutning och pressgjutning med vakuum är tillägget av en slurry maker vid pressgjutning. Utöver slurry makern används en pressgjutningsmaskin för att gjuta komponenter med rheogjutning. Slurry makern förbereder slurryn genom att rotera en fast bit material (EEM) i en flytande smälta, vilket skapar en uppslamning som har en viss andel fast fas. Andelen fast fas kan anpassas genom att modifiera storleken på EEM:en. Rotationen av EEM:en skjuvar materialet och sliter på partiklarnas dendritarmar vilket gör partiklarna sfäriska. Den sfäriska mikrostrukturen gör att slurryn flyter lättare än en smälta med dendritisk mikrostruktur. Slurryn vid rheogjutning har högre viskositet än en smälta vid pressgjutning med vakuum, vilket bidrar till ett mer laminärt flöde vid fyllning av en form. Ett laminärt flöde förhindrar att luftfickor bildas i materialet.

För minimering av luftfickor (porositet) i komponenter rekommenderas en hög fastfasprocent (30 % +) i slurryn och en låg inloppshastighet för att skapa ett laminärt flöde i formen. En högre andel fast fas innebär också mindre krymp i komponenten vid stelning.

5.2 Hur skiljer sig material- och konstruktionsaspekter hos

aluminiumkomponenter gjutna med rheogjutning från

egenskaperna av samma komponenter gjutna med

pressgjutning med vakuum?

Den sfäriska mikrostrukturen hos slurryn vid rheogjutning gör materialet mer lättflytande än smältan vid pressgjutning som har dendritisk mikrostruktur. Detta bidrar till att tunnare komponenter kan gjutas med rheogjutning.

Den tjockare slurryn som används vid rheogjutning bidrar till ett laminärt flöde vid fyllning av formen. Vid pressgjutning är fyllnaden ofta väldigt turbulent vilket kan resultera i luftbubblor i den stelnade komponenten. På grund av att en andel av slurryn vid rheogjutning är fast behöver inte metallen stelna lika mycket i formen, vilket leder till mindre krymp och krympporositet i komponenten. På grund av mindre krymp i rheogjutna komponenter kan även mindre släppvinklar användas vid konstruktionen, vilket innebär reducerad materialåtgång.

Möjligheten att kunna göra tunnare komponenter med rheogjutning med samma hållfasthet som en tjockare komponent tillverkad med pressgjutning blir genomförbart på grund av de reducerade mikroporositeterna. Detta blir en fördel för Volvo Cars från en miljösynpunkt då de kan göra lättare komponenter och därmed lättare bilar som då i sin tur kräver mindre bränsle. Den minskade porositeten som rheogjutning kan erbjuda resulterar i att värmebehandlingar kan användas för att förbättra komponenters mekaniska egenskaper. Väldigt tunna delar kan däremot fortfarande vara känsliga för blåsor vid värmebehandlingar. Därför bör värmebehandlingar reserveras för tjockare komponenter.

Mikrostrukturen i rheogjutna komponenter bidrar till hög värmeledningsförmåga, vilket kan göra dom lämpliga för elektronikkomponenter i vissa applikationer. Vid jämförelse av legeringarna A356 och AC46000 som är vanliga inom rheogjutning respektive pressgjutning visades inte någon större skillnad i mekaniska egenskaper i endast gjutet tillstånd (utan värmebehandling). Utmattningsbeständighet kan förbättras med rheogjutning på grund av minskad porositet, men detta beror även på val av legering. Fler legeringar kan användas vid rheogjutning då inte endast eutektiska legeringar behöver användas som vid pressgjutning. Detta betyder att produktutvecklare på Volvo Cars skulle ha möjligheten att välja legeringar med högre prestanda och miljömässighet än vad som kanske skulle vara möjligt vid pressgjutning.

Resultaten indikerar på att vissa applikationer och komponenttyper skulle kunna vara mycket relevanta för att överväga rheogjutning i stället för pressgjutning som tillverkningsprocess. Däremot finns det fler faktorer som spelar roll som inte tas upp i den här rapporten, som exempelvis ekonomisk investering och tillgänglighet av tekniken, som spelar en stor roll i val av tillverkningsprocesser.

5.3 Hur skiljer sig rheogjutning från andra semisolida

processer?

Thixocasting är en semi-solid process som använder sig av fast material som värms upp till en halvfast konsistens, till skillnad från rheogjutning som använder en smälta som kyls ned och skjuvas. Likt rheogjutning har stängerna som värms upp en sfärisk mikrostruktur, vilket gör att materialet flyter bättre än en dendritisk smälta, trots den tjockare konsistensen. Thixocasting används sparsamt inom industriell produktion på grund av en hög materialkostnad för stängerna och oförmågan att återanvända material på plats, vilket kan göras vid rheogjutning.