Norsk Industri Støperi, FoU-dager 2015-02-12--13 Pågående FoU-prosjekter hos SINTEF Seniorforsker Freddy Syvertsen SINTEF Materialer og kjemi Teknologi for et bedre samfunn 1
Pågående FoU-prosjekter hos SINTEF AluCast Slitasjebestandig aluminium kompositt Smeltetransport i aluminiumsstøperier Tynnvegget aluminium støpegods StøpSmi InFEED induksjonsoppvarming av matere Teknologi for et bedre samfunn 2
Innblanding av partikler i laboratorieskala Støping av 25 mm tykk stav i sandform AluCast - Kompositt Teknologi for et bedre samfunn 3
Første støping av lineskiver i Støperilaboratoriet Tilbakemeldinger fra bruker har vært meget bra. AluCast - Kompositt Teknologi for et bedre samfunn 4
AluCast - Kompositt Teknologi for et bedre samfunn 5
Første prøveproduksjon av PMMC ved Metallco Aluminium AS AluCast - Kompositt Teknologi for et bedre samfunn 6
Hva er Bifilmindex solid! AluCast - Smeltetransport Teknologi for et bedre samfunn
Turbulens, den enkleste metode for innblanding av bifilmer i smelten John Campbell University of Birmingham, UK gas phase aluminium oxide liquid aluminium bifilm AluCast - Smeltetransport Teknologi for et bedre samfunn
Størkning i vakuum (Reduced Pressure Test) solidification under vacuum enhances pore formation: 100 mbar bifilms are opened and easily visible and detectable on the sectioned surface of samples bifilm in air under vacuum AluCast - Smeltetransport Teknologi for et bedre samfunn
Bifilm index Bifilm Index = S (max length of pores) total oxide length AluCast - Smeltetransport Teknologi for et bedre samfunn
Returmateriale og metallkvalitet Primæraluminium Returmateriale. Omsmeltet 3 ganger AluCast - Smeltetransport Teknologi for et bedre samfunn 11
Bilder fra RPT prøver Primærmetall RPT Støperi 1 RPT Støperi 2 AluCast - Smeltetransport Teknologi for et bedre samfunn 12
Støping av aluminium med bruk av kjerner i vermikulitt I FoU-prosjektet AluCast, er det ved SINTEF gjennomført støpeforsøk hvor en kjerne tilvirket av vermikulitt ble støpt inn i et aluminium støpestykke. Vermikulitt er et AlFeMg silikat, som tilhører gruppen glimmer mineraler. Ved oppvarming til 1000 C ekspanderer materialet hvorved volumet øker med en faktor på 20. Slik ekspandert vermikulitt har en rekke anvendelsesområder, bl. a. i nyere vedovner som erstatning for ildfast stein. Innen aluminiumstøping har dette materialet blitt benyttet som kjerner. Denne typen kjerner omstøpes fullstendig av aluminium, og forblir inne i støpegodset. Vermikulitt har blitt benyttet ved støping av bilfelger som en innsats i overgangen mellom felgbanen og eikene. På denne måten reduseres varmesenteret og en unngår sugning og lunkere. I forsøkene på SINTEF har vi benyttet vermikulitt med tetthet 1,2 kg/m³ Teknologi for et bedre samfunn 13
Støping Vermikulittplatene ble kappet i klosser på 30 x 30 x30 mm, som ble posisjonert midt inne i en sandform ved hjelp av tynne stålstifter. Forsøk uten forbehandling av vermikulitten AluCast Tynnvegget Aluminium støpegods Teknologi for et bedre samfunn 14
Påstøping av AlSi7Mg på en profil av knalegeringen AA6082 Aluminiumoksid En oksidhinne utenpå profilet og en oksidhinne som flyter oppå smelten gir store problemer med å få heft Luting Bruk av lut, 30 % NaOH, er en kjent metode for å fjerne aluminiumoksid fra aluminiumoverflater. Problemet er at hinnen kommer raskt tilbake, men kanskje litt tynnere. Sink-legeringen ZnAl4Mg0,3 Denne legeringen er rapportert å skulle gi heft mellom de to aluminiumlegeringene Dypping i av aluminiumstaver i sink-legeringen ZnAl4Mg0,3 Staver i AA6082 ble dyppet i legeringen ZnAl4Mg0,3 i Støperilaboratoriet Problemer med heft også her, men brukbar heft i noen tilfeller Teknologi for et bedre samfunn 15
Støpeprosedyre Støping av AlSi7Mg på en stav av AA6082. støpetemperaturen var 740 C Som formhulrom ble 1,5" isolasjonshylser benyttet. Disse har en innvendig diameter på Ø38 mm og det er mulig å tre stavene inn i hylsene. Alle stavene ble forvarmet til 560 C. En etter en ble stavene hentet ut fra ovnen. Isolasjonshylser ble straks tredd ned over den. Sammenstillingen ble båret fram til støpeplassen der den ble satt i en sandseng av vanlig tørr formsand i en stålbøtte. Tørr sand ble deretter helt ned i bøtta rundt isolasjonshylsene slik at de ble støttet opp. Et aluminiumrør ble av sikkerhetshensyn tredd ned over sammenstillingen før støpingen fant sted Teknologi for et bedre samfunn 16
Resultater Strekkforsøk Etter støpingen, ble isolasjonshylsene fjernet. En hadde da staver der den ene enden var i legeringen AA6082, mens den andre var i AlSi7Mg. De var forbundet i den felles endeflaten Stavene ble spent opp i en strekkprøvemaskin For to staver måtte en bruke en kraft på henholdsvis 34,5 og 55 kn. Disse var dyppet i sinkbad En prøve ble tatt ut fra bruddflaten og analysert ved hjelp av mikrosonde Teknologi for et bedre samfunn 17
SEM/Mikrosonde: Tverrsnittsflaten Lab Zn (4) Teknologi for et bedre samfunn 18
SEM/Mikrosonde: Mapping av Lab Zn (4) Teknologi for et bedre samfunn 19
Bruk av flussmidler AlSi7Mg Knalegering AlSi7Mg Knalegering Sveisesone Profilen i knalegeringen var belagt med et flussmiddel før påstøping Teknologi for et bedre samfunn 20
StøpSmi 2012-2015 Smiing av balljoint fra støpt emne Støping av emne vha. vippestøping Støpelegering AlSi7Mg og knalegering AA6082.50 Smiing på direkten, og etter ekstra oppvarming Forskjellige varmebehandlings prosedyrer med innherdingstemperatur og tid og utherdingstemperatur og tid Uttak av prøvestaver for mekanisk testing og strukturundersøkelser Teknologi for et bedre samfunn 21
Design av smiemne vha. simulering Teknologi for et bedre samfunn 22
Størkning av smi emne Teknologi for et bedre samfunn 23
Mekaniske egenskaper 6082.50: Utstøping Direkte smiing med emnetemp 320 C Innherding ved 535 C i 15 min Bråkjøling Lagring i 15 min Utherding ved 190 C i 2 timer AlSi7Mg: Utstøping Direkte smiing med emnetemp 450 C Innherding ved 535 C i 15 min Bråkjøling Lagring i 15 min Utherding ved 190 C i 2 timer Flytegrense: 292 Mpa (380 Mpa) Strekkfasthet: 311 MPa Forlengelse: 2 % Flytegrense: 326 MPa Strekkfasthet: 365 MPa Forlengelse: 4 % Teknologi for et bedre samfunn 24
InFEED Induksjonsoppvarmede matere for energioptimalisering i metallstøperier Forskningsprosjekt ved SINTEF i samarbeid med: OSHAUG METALL AS Scana Steel Stavanger AS Støttet av Norges forskningsråd Teknologi for et bedre samfunn 25
Hva er en mater og hvordan virker den? En mater plasseres ved siden av eller på toppen av selve støpestykket og kappes av etter størkning Materen skal kompensere for volumreduksjonen under avkjøling og størkning. Porøsitet som skyldes kontraksjon "flyttes" ut i materen som kappes av og smeltes om. Krav til en mater 1. Materen må størkne senere enn støpestykket 2. Materen må inneholde nok flytende metall Ved enkelte legeringer må materen være like stor som støpestykket Et propellblad på 1000 kg må ha en mater som også veier 1000 kg Teknologi for et bedre samfunn 26
Innledende forsøk ved SINTEF Induktiv mater Ø 17 mm Tradisjonell mater Ø 50 mm Platetykkelse 25 mm Teknologi for et bedre samfunn 27
Pilotpropell støpt med tradisjonell metode Mater, Ø 90 mm: Propellblad: Total støpevekt : ca. 15 kg ca. 25 kg ca. 45 kg Målt støpetid 26 sek Teknologi for et bedre samfunn 28
Pilotpropell støpt med induktiv mater Mater, Ø 38 mm: Propellblad: Total støpevekt: ca. 3 kg ca. 25 kg ca. 33 kg Støpetid 21 sek Teknologi for et bedre samfunn 29
Sammenligning av tverrsnitt Gjennomskåret mater med induktiv oppvarming Gjennomskåret mater tradisjonell metode Teknologi for et bedre samfunn 30
Spole og kondensator Teknologi for et bedre samfunn 31
Tradisjonell støpemetode Mater 65 cm høy og 175 kg Isohylse 9" (Ø 23 cm) Propellblad 154 Kg Det er mye å spare hvis materen kan reduseres Teknologi for et bedre samfunn 32
Samme blad støpt med induktiv mater Mater 45 cm høy og 19 kg Isohylse 3,5" ( Ø 8,5 cm) Propellblad 154 Kg Ny mater er 135 kg lettere enn tidligere (reduksjon på nesten 90 %) Teknologi for et bedre samfunn 33
Potensial Støping av både Stål og Nikkelaluminiumbronse krever store matere, og det er ikke uvanlig at materen veier nærmest det samme som støpestykket. Eksempel: Smelting og støping av et propellblad på 1200 kg med en mater på 800 kg krever i størrelsesorden 1200kWh. Støping av samme blad med en mater på 90 kg krever en smelteenergi på 770 kwh. Dette er en reduksjon i smelteenergi på 35 % Ved en produksjon på 600 tonn i året kan energiforbruket reduseres med over 200.000 kwh Siden materen ved bruk av InFEED utgjør en mindre del av støpevekten, kan produksjonskapasiteten øke med over 50 %. Det kan støpes større støpestykker med eksisterende smelteutstyr. I tillegg blir det mindre etterarbeid, kapping av matere og mindre retur. Teknologi for et bedre samfunn 34