Optimization of the degassing process in aluminium brake calipers production

Aluminium is the third most abundant element on the earth surface and its applications are so vast that it’s the second most used metal after iron. In recent years, aluminium alloys have become more and more relevant because of their low density, coupled with good mechanical and corrosion properties and are vital to the aerospace, transportation and building industries [1]. Defects and imperfections are physiologically generated by different casting techniques as a result of the process stages, alloy properties and die or mould design [1]. In automotive application aluminium alloys are used also for brake calipers, with benefits in terms of weight reduction and residual torque, which translate to lower emissions and fuel consumption. In such a visible part also the appearance is crucial, so it must be free from defects and imperfections. The aim of the thesis is the optimization of the rotary degassing process, that focuses on improvement of melted alloy quality reducing oxides, dross and gasses and consequently defects in the finished product. The research took place through data collection in the aluminium foundry of Brembo, company leader in production of brake systems. The original idea was to find a relation between measurable environmental conditions and settable parameters of the rotary degassing machine like rotational speed, nitrogen flow and process time, in order to minimize process time to get density required from company standards. Data were collected through environmental sensors, direct measure of metal temperature and RPT (reduced pressure test). Results showed a low correlation between environmental conditions and density, while the main driver results process time, which was reduced by 45%. This improvement grants huge money saving and a lower environmental impact, thanks to a lower temperature loss of the molten metal. Quality of the alloy in terms of oxides and dross was validated through a Melt map, an analysis that includes RPT, ALSPEK H (instrument to check hydrogen content) and ASPEX® MQA (an analysis on Scanning Electron Microscope that allows to automatically asses the kind, number and dimensions of defects in a sample).

L’alluminio è il terzo elemento maggiormente presente sulla superficie terrestre e le sue applicazioni sono così numerose da renderlo il secondo metallo più utilizzato dopo il ferro. Negli ultimi anni le leghe di alluminio sono diventate sempre più importanti grazie alla loro bassa densità, unita a buone proprietà meccaniche e resistenza alla corrosione. Tali leghe sono vitali nei settori aerospaziale, edile e dei trasporti. Difetti e imperfezioni sono conseguenze fisiologiche delle diverse tecniche di colata come risultato delle diverse fasi di processo, proprietà della lega e del design di stampi o matrici. Nel campo automobilistico le leghe di alluminio sono tra l’altro impiegate per la produzione delle pinze freno, con vantaggi in termini di riduzione di peso e della coppia residua, che comporta minori emissioni e consumo di carburante. Per una parte così visibile anche l’aspetto acquisisce un ruolo cruciale, pertanto essa deve risultare pressoché priva di difetti ed imperfezioni. L’obiettivo della tesi è l’ottimizzazione del processo di degasaggio rotativo, che ha come obiettivo il miglioramento della qualità della lega fusa. Esso riduce gli ossidi, le scorie e i gas e i conseguenti difetti nel prodotto finito. La ricerca è stata svolta con una raccolta dati presso la fonderia d’alluminio di Brembo, azienda leader nella produzione di impianti frenanti. L’idea iniziale era di trovare la relazione tra i parametri ambientali misurabili e i parametri di funzionamento dell’impianto quali la velocità rotazionale, il flusso di azoto e il tempo di processo, con l’obiettivo di minimizzare il tempo necessario a raggiungere la densità necessaria a rispettare gli standard aziendali. Le informazioni sono state raccolte da sensori ambientali, misurando direttamente la temperatura del metallo e attraverso il test a pressione ridotta RPT. I risultati hanno evidenziato una bassa correlazione tra i parametri ambientali e la densità, mentre quello cruciale risulta il tempo di processo, che è stato possibile ridurre del 45%. Questo miglioramento garantisce un notevole risparmio e un minor impatto ambientale, grazie alla ridotta perdita di temperatura del metallo fuso. La qualità della lega per quanto riguarda ossidi, scorie e bolle è stata validata attraverso una Melt-map, analisi che prevede RPT, ALSPEK H (uno strumento che misura il contenuto di idrogeno) e una ASPEX® MQA (un’analisi al microscopio elettronico a scansione che permette di misurare in automatico la tipologia, il numero e le dimensioni dei difetti del campione).