DEVELOPMENT OF INNOVATIVE APPLICATIONS IN NON-FERROUS METALS

Microstructural and mechanical properties of Aluminum casting are the results of the complex interactions between alloy composition, process and defects. Therefore, an exhaustive knowledge of such a interaction allows to develop component with high quality and satisfying design requirements. In addition, it allows to reduce the reject rates, to improve the process yield and the production rate leading to a lower final product cost. It is possible to reduce both the final cost and time to market by adopting the “simultaneous engineering” approach in the product design. By means of this approach, all the aspects involved in life cycle of the component are taken into account since the first stage of development; with this aim, numerical simulation plays a key role because it allows to analyze the interaction process-component in virtual environment reducing prototyping costs and time. The study was aimed at the analysis of the interactions between alloy, process, microstructure and mechanical behaviour for Aluminium-Silicon based castings. In addition, particular attention was paid to the development and implementation of models able to describe these interactions. A literature review and a sufficient background of previously reported results on the influence of alloying elements, casting process and heat treatment on the properties of Aluminium based casting in terms of physical fundamentals as well as industrial challenges were carried out. Special attention has been given to: - The influence of solidification rate, alloy composition (especially, Copper and Titanium addition) and heat treatment on microstructural and mechanical features. With this aim, advanced statistical tools were applied. - The influence of the primary Aluminium phase dimension as well as size and morphology of eutectic Silicon particles on casting mechanical properties. Several casting processes were taken into account. Gravity, low pressure and high pressure die casting are the most common processes in Aluminium foundry. The different filling conditions determine both different solidification rate and defect amount with an inevitable effect on overall properties. - The age hardening modelling. The possibility to forecast the Yield Strength from quenching and ageing treatment is considerably relevant in process set-up stage. - The use of “concurrent engineering” approach in the development of low pressure die cast mono-cylinder engine block. Casting process, solidification as well as microstructural and mechanical properties in as-cast temper and after heat treatment were analyzed and optimized by means of simulation code to obtain high quality casting. The reliability of such results was evaluated by comparing predicted values to experimental data.

Le proprietà meccaniche e microstrutturali di un getto in lega di Alluminio sono il risultato delle complesse interazioni tra composizione della lega, processo e difetti. Una conoscenza esaustiva di tali interazioni permette, quindi, di sviluppare componenti di elevata qualità che soddisfino le richieste progettuali. Tale conoscenza permette, inoltre, di ridurre la quantità di scarti, migliorare la resa del processo e la cadenza produttiva portando quindi ad un inferiore costo finale del getto. E’ possibile ridurre costo finale e time to market utilizzando anche, in fase di sviluppo di prodotto, un approccio "simultaneous engineering". Mediante tale approccio tutti gli aspetti del ciclo di vita del componente sono considerati fin dalla fase di progettazione; a tale scopo, la simulazione di processo riveste una notevole importanza, in quanto permette di analizzare il comportamento globale del componente in un ambiente virtuale, riducendo così costi e tempi di prototipazione. L’obiettivo di questa tesi è stato quindi l’analisi delle interazioni tra lega, processo, microstruttura e comportamento meccanico in getti in lega Alluminio-Silicio. Inoltre, particolare attenzione è stata posta allo sviluppo e alla successiva implementazione, in un software di simulazione numerica, di modelli matematici capaci di descrivere tali interazioni. In prima analisi, è stata condotta una recensione della letteratura sull’influenza della composizione, del processo di colata e di trattamento termico sulle proprietà di getti in lega d’alluminio, analizzandone sia le caratteristiche di tipo fisico-metallurgiche così come quelle di carattere industriale. Successivamente, nel presente lavoro è stata posta particolare attenzione ai seguenti aspetti: - L’influenza della velocità di solidificazione, della composizione (specialmente dell’aggiunta di Rame e di Titanio) e del processo di trattamento termico sulle caratteristiche microstrutturali e meccaniche. A tale scopo sono state utilizzate tecniche avanzate di analisi statistica. - L’influenza delle dimensioni della fase di Alluminio pro-eutettico, della morfologia e della grandezza delle particelle di Silicio eutettico sulle caratteristiche meccaniche. A tale scopo sono stati considerati il processo di colata in gravità, bassa pressione e pressocolata, che risultano essere le tecniche fusorie più utilizzate nella fonderia di Alluminio. Le diverse modalità di riempimento dello stampo, unitamente alle diverse velocità di solidificazione e alla quantità di difetti, influenzano in diverso modo sia la microstruttura che il comportamento meccanico della lega. - La modellazione del trattamento termico d’indurimento per precipitazione. La possibilità di prevedere il valore della tensione di snervamento, a partire da parametri di tempra e di invecchiamento, riveste una notevole importanza in fase di set-up di processo. - L’utilizzo dell’approccio "concurrent engineering" nello sviluppo di un mono-cilindrico prodotto mediante colata in bassa pressione. Il processo di colata, il processo di solidificazione, così come le proprietà microstrutturali e meccaniche allo stato as-cast e dopo trattamento termico, sono state analizzate e ottimizzate per mezzo di un software di simulazione numerica. L’attendibilità e l’affidabilità di tali risultati sono state quindi valutate comparando questi valori con quelli ottenuti dall’indagine sperimentale.