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technologies
Automotive sector: the Castforge potentiality
Le potenzialità del Castforge nell’automotive
Ola Jensrud - Ketill Pedersen - Freddy Syvertsen, [email protected]
The extended need of lightweight
solutions in transport industry
give advantages to high performance Aluminium parts. The
developments of manufacturing
techniques and aluminium alloys in the Norwegian Aluminium
Component Industry have during
the last years resulted in safety
products for automobiles [1, 2].
Chassis components like wheel
suspension arms and steering
columns are examples of high
strength Aluminium parts.
The performances of the automotive components are strongly
controlled by the overall cost
in the process chain from melt
to final shaped part. There is a
strong requirement to reduce
the number of process steps
Performance given by
structural integrity versus
cost for different casting
and forging technologies
for aluminium component
manufacturing.
La performance garantita
dall’integrità strutturale ‘versus’
il costo delle diverse tecnologie
di colata e forgiatura
relativamente alla produzione
di componenti in alluminio.
Castforge: a synthesis for
development of new technology
Il futuro è fatto da un mix di tecniche
consolidate e nuove leghe
from the base metal to the final
geometry. One approach is to
use a cast pre-form as a forging blank to replace complicated
performing [4 and 5]. Another
possibility is to use continuously
castings as forging rod directly. A
process route that has been suggested newly is casting of forging
stocks by a horizontal direct chill
(HDC) casting technique [6 and
11] to make small diameter billets
without extrusion. The combination of casting and forging
technologies seems to have a
great potential. Continuous casting seems to have many advantages compared with cast piece
by piece components especially
when consider the homogeneity
of the microstructure. The HDC
process is a promising technology with improved mechanical
Il bisogno sempre più diffuso da
parte dell’industria automobilistica di soluzioni e componenti
“leggeri” fa delle leghe d’alluminio ad alte prestazioni una scelta
privilegiata. I progressi ottenuti
negli ultimi anni nelle tecniche
di fabbricazione e nelle leghe di
alluminio da parte dell’industria
della componentistica norvegese hanno consentito di sviluppare nuovi prodotti per la sicurezza
destinati all’industria automobilistica [1 e 2]. Le prestazioni
dei componenti per automotive
sono fortemente influenzate dal
costo globale della catena produttiva. Ciò giustifica la ricerca
finalizzata ad una riduzione del
numero delle fasi di lavorazione
5 2011
dal metallo di base alla forma
definitiva. La Figura 1 illustra
le alternative prese in esame.
Un possibile approccio consiste
nell’impiegare un getto sbozzato
come sbozzato di forgiatura per
sostituire il complicato processo di preformatura [3 e 4]. Una
strada che è stata suggerita di
recente è quella di preparare
dei getti per forgiatura tramite la
tecnologia di fusione denominata HDC (Horizontal Direct Chill)
[5 e 11] realizzando delle billette di piccolo diametro senza
estrusione. La combinazione e
commistione di tecnologie è un
concetto nuovo, fondamentale
per promuovere ed incoraggiare
Conventional route for
manufacturing of forgings
compared with the new
process based on casting of
small billet or on pre-shape.
Metodo tradizionale
per la produzione di forgiati
rispetto al nuovo procedimento
basato sulla fusione di
piccole billette o di preformati.
ALLUMINIO E LEGHE
69
The chemical composition
given in weight percentages.
Composizione chimica espressa
in percentuali del peso.
properties of the product in combination with good formability in
the forging step.
Technology fusion is a new concept essential to promote innovation of metal forming technologies [4 and 6]. This is based
upon the recognition that every
metal forming technology has
its original and individual merits,
but at present, long time continuing efforts for improvement
and modification have made it
very difficult to generate much
more advantages from it. From
the figure 1, from Duckers [3]
it is obvious that improvements
are necessary to give forging a
future in the automotive industry
The microstructure of
different processed forging
rod.stocks. HDC cast rod
a) RA6082.52 is compared
with extrusions of same
composition and dimension
b), and c) which is a casting
alloy, RAX 357.
Microstruttura di diverse barre
di forgiatura lavorate. HDC barra
colata
a) RA6082.52 in comparazione
con estrusioni della stessa
composizione e dimensione
b), e c) ossia una lega da colata,
RAX 357.
70
due to the high cost level. On
the other hand classic castings
often have too low mechanical
properties to reach a level of high
structural integrity. In this project
Cast-Forging is defined as one
processing synthesis, i.e. cast a
pre-shape, which can be forged
in an integrated heat treatment
process chain.
Material
Alloy and casting
The main objective of this investigation is to compare cast material with extruded forging stocks.
The materials chosen are an industrial AA6082 aluminium alloy,
company designated 6082.52
and the casting alloy A357, by
company RAX 357. The chemical compositions are given in
Table 1. The cast rod is produced
in a horizontal direct chill-casting
(HDC) machine to a diameter of
50 mm. The extruded rod is produced by direct extrusion of cast
billets with a diameter of 205 mm
to a diameter of 50 mm in an industrial extrusion press line. Both
alloys are homogenised at elevated temperatures to dissolve
eutectics specially the Mg2Si particles formed during solidification
and additional for 6082 to obtain
a fine distribution of Mn and Cr
containing dispersoids to control
recrystallization
Microstructure I
Figure 3 shows the microstruc-
ALUMINIUM AND ITS ALLOYS
5 2011
l’innovazione delle tecnologie di
formatura dei metalli. [3]. Questo concetto si basa sul riconoscimento del fatto che ogni tecnologia di formatura dei metalli
ha i suoi meriti ma che, oggi, i
continui sforzi compiuti per
modificare e migliorare le tecnologie tradizionali hanno fatto
sì che sia divenuto sempre più
difficile riuscire a conquistare ulteriori vantaggi e progressi. Se
è vero, da un lato, che i forgiati
garantiscono un elevato livello
di integrità strutturale, è anche
chiaro che sono necessari ulteriori progressi per ridurre gli elevati costi delle linee di forgiatura
e consentire così uno sviluppo
futuro dell’uso dei componenti leggeri nell’industria della
componentistica automotive In
questo progetto il Cast-Forging
(forgiatura di getti) viene definito
come un processo di sintesi, nel
quale si produce un preformato,
il quale può essere poi forgiato
tramite un processo di trattamento termico integrato.
Materiali
Lega e fusione
L’obiettivo primario di questa
ricerca è quello di confrontare il
materiale colato con le barre per
forgiatura estruse. I materiali
scelti sono una lega di alluminio
industriale AA6082, denominata
RA6082.52, e la lega per getti
A357, denominata RA357. Le
rispettive composizioni chimiche
sono riportate nella Tabella 1. La
barra colata è stata prodotta in
un impianto con tecnologia HDC
(Horizontal Direct Chill-casting)
ed ha un diametro di 50 mm. La
barra estrusa è stata prodotta
tramite estrusione diretta di billette di diametro 205 mm,
ed ha un diametro di 50
mm. Entrambe le leghe
sono state sottoposte
ad
omogeneizzazione
ad alta temperatura per
dissolvere gli eutettici, in
particolare le particelle
di Mg2Si che si formano
durante la solidificazione;
la lega 6082 è stata addizionata
per ottenere una distribuzione
fine dei dispersoidi contenenti
Mn e Cr per controllare la ricristallizzazione. La Figura 2 mostra la microstruttura della barra
in condizioni di getti rispetto alla
barra estrusa. Il materiale estruso presenta solitamente una
forte direzionalità della struttura
della grana nella direzione di
estrusione e spesso uno strato
superficiale ricristallizzato a grana grossa per uno spessore che
varia, tipicamente, da 0.5 sino a
2.0 mm. Lo strato si forma nel
processo di estrusione, a causa
della temperatura non omogenea e della distribuzione delle
deformazioni. Il materiale colato
presenta una grana di struttura
omogenea nell’intera sezione trasversale e la RA6082.52
HDC presenta una struttura a
grana più fine e con assi uguali
rispetto alla RA357.
Metodo sperimentale e risultati
Per verificare la formabilità di
barre colate omogeneizzate a
temperature diverse, sono state effettuate delle prove di torsione. I particolari relativi alla
geometria ed alle dimensioni
dei campioni di torsione a caldo
vengono indicati nel riferimento [6]. Il materiale omogeneizzato contiene una frazione di
particelle Mg2Si non dissolte,
nonché elevate densità di dispersoidi contenenti Mn e Cr. La
presenza di particelle di Mg2Si
influenza la duttilità a caldo del
materiale, mentre le particelle
Al-Mn e Al-Cr influenzano la
capacità del materiale di conservare una struttura granulare
non cristallizzata e fibrosa dopo
la formatura ad alte temperature
ed il successivo trattamento termico. I risultati di questi esperimenti sono stati confrontati con
le indagini svolte sulle barre
estruse.
La Figura 3 presenta un confronto dei risultati della torsione
a caldo, dove vengono mostrate sia la vera deformazione da
technologies
ture of the as cast rod compared
with the extruded rod. Extruded
material has typical a strong directionality in the grain structure
in extrusion direction and additional often a coarse recrystallized surface layer varying typical
from 0,5 to 2,0 mm in thickness.
The layer is formed in the extrusion process due to inhomogeneous temperature and strain
distribution. The cast material
has a homogenous grain structure through the whole cross
section and RA6082.52 HDC has
finer equal axed grain structure
compared with RAX 357.
Experimental method and results
Formability
Torsion tests are accomplished
to verify the formability of cast
rod for forging homogenized
at different temperatures. The
a) True strain to fracture and
b) maximum recorded stress
during torsion test for AA6082
and RAX 357. The material is
deformed at 350°C and 500°C.
The strain rate was 0.5s-1.
Both extruded, as cast and as
cast homogenized material
are tested. Homogenisation
temperature is 525°C.
a) Deformazione reale a frattura
e b) sollecitazione massima
registrata dai test di torsione
a 350°C e 500°C. L’indice di
deformazione era pari a 0.5s-1.
Entrambi i campioni, da colata
e da colata omogeneizzata,
sono testati. La temperatura di
omogeneizzazione è di 525°C.
homogenized material contain
some fraction of un-dissolved
Mg2Si particles as well as a high
density of Mn and Cr containing
dispersoides. The presence of
Mg 2 Si particles effect the hot
ductility of the material while Mn
and Cr particles influence the
materials ability to maintain a
non recrystallized fibrous grain
structure after forming at high
temperatures and subsequent
heat treatment. The results from
these experiments are compared
with investigations carried out on
extruded rod.
The hot torsion tests were accomplished on a computer controlled hot torsion machine with
a Coreci temperature controller.
The specimens were heated using an induction coil. The grips
were cooled by water. A thermocouple is inserted in the centre
of the sample to record the temperature in the specimen during
the test. The applied torque, the
angle of twist and the tempera-
frattura sia la sollecitazione
massima equivalente della lega
per getti RA357 e della lega per
lavorazione plastica RA6082.52.
Una lega per getti tipica, quale
è la 357, può essere deformata
a caldo allo stesso livello della
6082, ma prima della forgiatura
deve essere sottoposta ad un
trattamento termico adeguato.
Nella condizione “as-cast” la
lega RA6082.52-HDC presenta
una scarsa formabilità, come
mostra la Figura 3. Tale scarsa
formabilità è provocata dalle
particelle di Mg2Si che si formano durante la solidificazione.
Tuttavia, sottoponendo il materiale ad omogeneizzazione,
è possibile osservare un forte
aumento della duttilità a caldo.
Sono stati inclusi nel test anche dei campioni prelevati dalla
barra estrusa e le sollecitazioni
di flusso misurate in questi campioni risultano inferiori o uguali
a quelle osservate nel materiale
colato.
5 2011
Examples of equivalent
stress-strain curves for
different homogenization
temperature of 6082.52. a)
500°C and 10s-1 b) 350°C and
10s-1. Specimens are from
HDC rod with a diameter
of 50 mm.
Esempi di equivalenti curve
di stress da deformazione
per differenti temperature di
omogeneizzazione di 6082.52.
a) 500°C e 10s-1 b) 350°C
e 10s-1. I campioni provengono
da barra HDC di diametro
di 50 mm.
La minore duttilità della lega
estrusa RA6082.52 rispetto al
materiale colato potrebbe dipendere da differenze nei procedimenti di omogeneizzazione,
quali la durata e la temperatura
del condizionamento termico.
Tuttavia, la minore duttilità potrebbe dipendere anche da una
diversa microstruttura causata
dalla combinazione del processo di omogeneizzazione e di
estrusione, riferimenti [8
e 9].
In un laboratorio di forgiatura è stato poi prodotto
un pezzo generico, avente la forma riprodotta nella
Figura 4 e sezione uguale,
in scala ridotta, a quella
di un pezzo tipico dell’industria automobilistica, il
braccio di una sospensione per autovetture.
La Figura 6 mostra la distribuzione della deformazione attraverso la sezio-
ALLUMINIO E LEGHE
71
The generic part shown
in different stages.
Il pezzo generico, ritratto in
diverse fasi di lavorazione.
ture were recorded at certain
appropriate time interval. The
specimens were heated to the
test temperature according to
a desired heating rate of 2°C/s
that is reduced at the end of the
heating cycle to avoid temperature overshooting. The details of
the geometry and the dimension
of the hot torsion specimens are
given in reference [5].
In the ascast condition the
AA6082.52-HDC alloy has poor
formability as seen in figure 4.
Poor formability is caused by the
Mg2Si particles formed during
solidification.
However, a great increase in hot
ductility is observed by homogenizing the material. Increasing
the homogenizing temperature
from 520°C to 550°C also seems
to raise the ductility slightly. This
latter effect can be explained
by a complete dissolution of the
Mg2Si particles at 550°C. Further
increase in the homogenizing
temperature did not seem to influence the ductility significantly.
Specimens taken from extruded
rod are included in the test and
the flow stresses measured
from these samples are below
or equal to what is observed in
cast material.
The lower ductility for extruded
RA6082.52 compared to cast
material could be due to difference in homogenizing procedures like soaking time for
the two materials. However, it
could also be due to different
microstructure caused by the
homogenizing and the extrusion
processing, reference [9 and 10].
The heat treatment procedure is
extremely important to achieve
the best possible material for
forming and to achieve the highest possible mechanical properties in T6 condition. In addition
a fine and homogeneous grain
structure have better formability
compared to coarse grain qualities.
Torsion temperature and the
strain rate have also an effect on
the stress-strain behaviour, the
peak stress increases while the
strain to fracture decreases with
ne trasversale per il componente
generico formato a partire da
una barra rotonda. La deformazione è maggiore nel componente ottenuto da una barra
rispetto a quello ottenuto da un
preformato. Tuttavia, le simulazioni ad elementi finiti indicano
che anche dove la deformazione
è bassa, viene esercitato un livello di deformazione sufficiente
ad ottenere una struttura a grana fine. Una deformazione troppo bassa provoca una struttura
a grana grossa, se la ricristallizzazione si verifica durante il trattamento termico post-forgiatura.
Come precedentemente illustrato, una struttura a grana grossa
causerà un deterioramento delle
proprietà meccaniche [8 e 9].
La Tabella 2 mostra le proprietà
di resistenza alla trazione dei tre
diversi materiali in stato di trattamento T6. I campioni sono stati
prelevati dal componente generico, nel mezzo ed in prossimità
della superficie (in rosso, nella figura 4a). I risultati mostrano che
la sollecitazione di snervamento
e la sollecitazione di trazione differiscono solo leggermente per
i tre processi e che i due materiali colati hanno proprietà più
omogenee sulla superficie e nel
centro. La variazione è più ampia per il processo di estrusione.
Questa differenza può essere
spiegata dalla struttura ricristallizzata a grana grossa presente
sulla superficie e dalla struttura
a grana fibrosa presente nel
centro. Tuttavia, la duttilità è minore per il RA357. E’ normale di
solito osservare una bassa duttilità per questa lega, che potrebbe essere causata da particelle
intermetalliche a grana grossa o
da pellicole di ossido. Rispetto
al test meccanico del materiale di base di cui alla Tabella 3,
la forgiatura a caldo migliora la
resistenza e la duttilità, il che
significa una migliore integrità
strutturale dei forgiati rispetto
ai pezzi colati. In ogni caso, la
struttura a grana grossa riduce il
tempo di insorgenza di processi
di deperimento da fatica.
Un’indagine della microstruttura
delle parti generiche realizzate
tramite formatura di barre estruse e di barre colate mostra che
la struttura granulare può essere
diversa (vedere la Figura 6). Lo
strato superficiale ricristallizzato
sembra sopravvivere alla forgiaA FEM analysis graph is
shown of the deformation
during hot forging a) from a
round bar and b) from a preformed shape. The effective
strain distribution is plotted
and red colour indicates high
strain.
Grafici dell’analisi FEM in sezione
trasversale dei forgiati a) da una
barra rotonda, e b) da una forma
pre-formata (come la figura
4b). Viene tracciata l’effettiva
distribuzione della deformazione;
le tracce in rosso indicano un
livello di deformazione elevato.
72
ALUMINIUM AND ITS ALLOYS
5 2011
technologies
increasing strain rate. The temperature has an opposite effect
i.e. decrease in peak stress and
fracture strain. This occurs for
all homogenizing temperatures
as well as in as cast condition.
A comparison of hot torsion results are presented in figure 5,
the true fracture strain and maximum equivalent stress of the
casting alloy RAX357 and the
wrought alloy RA 6082.52 are
shown. A typical casting alloy as
357 can be hot deformed on the
same level as the 6082 when
it is proper heat treated before
forging.
Formability can be expressed as
the ratio of the equivalent strain
to fracture over the maximum
equivalent stress. Significantly
improved formability is found
for the homogenized material
as earlier discussed. From the
graphs in figure 5 the formability
of cast 6082.52 in high temperature homogenizing condition has
the best formability when strain
and stress is balanced.
Forging
A generic part has been manufactured in a laboratory forging tools. The geometry of the
part is shown in figure 6 and the
cross section is a down scale
of a typical automotive part i.e.
suspension arm applied in personal cars.
FEM
Figure 7 shows the strain distribution through the cross section
for generic component formed
from a round bar and from a
pre-shaped form by casting. The
strain is larger in the component
deformed from a bar compared
to a pre-shaped form. However,
the FEM simulations indicate
that sufficient strain is applied
to obtain a fine grain structure
also where the strain is low. To
small strain will cause a coarse
grain structure if recrystallization
occurs during and heat treatment
after forging. Coarse grains has
been shown earlier having a de-
teriorate affect on the
mechanical properties [8 and 9].
Mechanical properties of generic parts
The tensile properties
of the three different
alloys in T6 temper
are shown in table 3. The samples are taken from the generic
component in the middle and at
the surface, the area marked red
in figure 6.
The results show that the yield
stress and tensile stress only
differ slightly for the three processes and the two cast alloys
have more even properties at
the surface and in the middle.
The variation is largest for the
extruded process. This discrepancy can be explained by the
coarse recrystallized grain structure at the surface and a fibrous
grain structure in the middle.
The ductility however is lower
for RAX 357. Low ductility is
usually observed for this alloy
and could be caused by coarse
intermetallic particles or oxide
films. In comparison with the
base material mechanical testing
in table 2 the hot forging improve
the strength and ductility. This
means an improved structural integrity of forgings in comparison
with castings. In any case coarse
grained structure reduces fatigue
initiation time.
Microstructure II
An investigation of the microstructure of generic parts formed
from extruded rod and cast rod
show that the grain structure
tura ed al trattamento termico e
può persino aumentare. Questo
influenzerà le proprietà meccaniche del componente finito. Al
contrario, la struttura a grana
fine nella barra colata si mantiene lungo l’intero processo di
formatura. La stessa tendenza è
presente per la pre-forma colata (figura 6c), tuttavia in questo
caso si osserva una struttura
granulare più grossa ed una
certa porosità.
Conclusioni
A causa della bassa resa del
materiale, quando si usano getti
di forma cilindrica è necessario
sviluppare ulteriormente le tecniche di pre-formatura. Tuttavia,
la resa del materiale migliora significativamente utilizzando una
pre-forma. In una situazione a
3D, la perdita di materiale tipica del 50% può essere ridotta a
meno del 20%.
Le proprietà meccaniche dei
pezzi forgiati da getti cilindrici
mostrano una combinazione
più o meno eguale di forza e
resistenza rispetto al materiale di base estruso. Tuttavia,
quando si applica il materiale di
base colato, non si produce alcun miglioramento dell’integrità
strutturale. Ciò significa che le
deformazioni totali devono es-
5 2011
Mechanical properties for
RA 6082.52 and RAX 357
base material for different
tempers.
Proprietà meccaniche del
materiale di base RA 6082.52
e RA357 per diversi stati
di trattamento.
sere maggiori e più omogenee
per portare ad un miglioramento
delle proprietà meccaniche. La
possibilità di ottenere proprietà
meccaniche migliori nel prodotto
finale costituisce un prerequisito
assoluto per l’utilizzo di nuove
tecnologie.
Deve essere evitata la disomogeneità interna della microstruttura e le proprietà meccaniche
del forgiato ottenuto da barre
rotonde e devono essere sviluppate altre forme o soluzioni
tecnologiche. Il materiale di partenza deve avere una pre-forma
adatta ad ottenere schemi di
deformazione più omogenei durante la forgiatura unitamente
The tensile tests of the
generic component, all in
temper T6.
Risultati delle prove di tensione
sul componente generico forgiato
ed in stato di trattamento T6.
ALLUMINIO E LEGHE
73
can be different, see Figure 8.
The recrystallized surface layer
seems to survive the forging and
heat treatment and can even
grow bigger. This will influence
the mechanical properties of the
finished component. On the contrary the fine grain structure in
the cast rod is retained through
the whole forming process. The
same tendency is present for
the cast pre-shape, 8c), however some coarser grain size and
some porosity.
Mechanical properties industrial
forgings
By industrial forged parts, FLCA
(front lower control arm) are also
examined by tensile tests to compare mechanical strength, table
4. The forgings are done in Raufoss Technology fully automatic
forging line, however adjusted to
handle the different pre-material
input.
Discussion
Further development is necessary when using cylindrical cast
input shape due to low material yields. However the material
yield improves significantly using
a pre-shape. In a 3D situation the
typical material loss of 50% can
be reduced to less than 20%.
The mechanical properties of the
forgings from cylindrical casts
show approximately equal combination of strength and ductility compared to extruded base
material. However, this gives no
improvement of the structural
integrity when applying cast base
Mechanical properties for RA
6082.52-T6, hot forged front
lower control arm, from [12].
Mechanical properties for RA
6082.52-T6, hot forged front
lower control arm, from [12].
74
material. This means that the
overall deformations have to be
larger and more homogeneous
to reach even better mechanical
properties in the final product: it
is an absolute prerequisite for
employ new technology. In-homogeneity of the microstructure
and the mechanical properties
of the forging based on round
bar should be avoided and other
shapes or tooling solutions have
to be developed.
The input material must have a
pre-shape suitable for a more
homogeneous deformation pattern during the forging in combination with reduction of overflow
material which should be close to
zero.
A zero loss pre-shape tooling
concept is being investigated
and the results so far seem promising. This paper emphasise that
cast material can be forged in a
classic tooling and thereby obtain better properties compared
to classical castings.
Combining casting and forging
(CastForge) technologies has a
large potential and it is possible
to use either AlMgSi1 or AlSi5
alloy in the process. The present investigations also indicate
that fusion of classic casting and
forging combined with the development of new alloys might be
the future.
ALUMINIUM AND ITS ALLOYS
5 2011
ad una riduzione del materiale
di traboccamento, che dovrebbe
essere vicino a zero.
Questo articolo sottolinea che il
materiale colato può essere forgiato tramite attrezzature classiche così da ottenere proprietà
migliori rispetto ai getti tradizionali.
La combinazione delle tecnologie di colata con quelle di forgiatura (CastForge) offre grandi
potenzialità ed in questo processo è possibile usare sia la lega
AlMgSi1 che la lega AlSi5.
Microstructure
comparison of the forged
cross section, alloy
RA 6082.52-T6.
Confronto della microstruttura
delle sezioni trasversali
dei forgiati, tutti in lega
RA6082.52-T6.
Questa indagine, inoltre, mostra che il futuro risiede nella
combinazione delle tecniche
classiche di colata e di forgiatura, unite allo sviluppo di nuove
leghe.
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