Chemical Interactions between tool and Aluminium alloys in metal cutting

Aluminium applications in automotive will increase by 25 % over the next decade, mainly driven by the electrification and the reduction of fuel consumption. This diploma work aims to increase the understanding of the chemical interactions between aluminium alloys and typical tool systems in metal cutting. First the temperature at the tool-chip interface was estimated by FEM simulations, using the software AdvantEdge. Thereafter the chemical interaction of the tool-chip interface was calculated at the simulated temperature using the Thermo-Calc software. The thermodynamic data and descriptions of the multicomponent systems used where found in the literature, assessed by other authors, but critically reviewed for the use in this work. The results of the FEM simulations indicate that the temperature for machining aluminium with PCD and cemented carbide is between 60-80 % of the melting temperature of Al7wt %Si alloy. The calculations of the chemical interaction in turn results in that several hard precipitates can stick to or transform on the surface of the workpiece or tool-chip interface, for example SiC, Al4C3 and evidently diamond from the tool. This work concluded that more predictive modelling is needed to refine the results and the results from this work needs to be confirmed with experiments. The results show that the modelling can predict the reaction phases at the tool-chip interface, this can be used as input for the tool wear mechanisms during development of tooling solutions. Aluminium användningen inom fordonsindustrin förväntas öka med 25 % under det närmsta decenniet, främst på grund av elektrifiering men också för att för att minska bränsleförbrukning. Målet med detta examensarbete är till att öka förståelsen för de kemiska interaktionerna mellan aluminiumlegeringar och typiska verktygssystem vid metallskärning, framförallt vid bearbetning av aluminiumlegeringar innehållande kisel med ett TiN-belagt PCD-verktyg och icke-belagda verktyg. Detta gjordes genom prediktiva FEM-simuleringar av temperatur, med hjälp av mjukvaran AdvantEdge. Parallellt med detta skapades databaser för simulering av den kemiska interaktionen mellan skär och bearbetningsmaterial i programvaran Thermo-Calc. De termodynamiska data och beskrivningarna av de termodynamiska system som används var bedömda av andra författare men kritiskt granskade för användning i detta arbete. Resultaten av FEM-simuleringarna gav den beräknade temperaturen för bearbetning av aluminium med PCD ligger någonstans mellan 60-80 % av smälttemperaturen för Al7wt % Si-legering. Beräkningarna av den kemiska interaktionen resulterar i sin tur i att flera hårda utskiljningar kan fastna på eller transformera på ytan mellan arbetsstycket och verktyget, till exempel SiC, Al4C3och diamant från verktyget. Resultaten från detta arbete visar att det går att förutsäga fasomvandlingar mellan skär och arbetsstycket, samt att detta kan användas som indata för skärförslitning under utvecklingen av verktygslösningar.

Metallurgical Analysis of Viking Age Amulet Rings : and Comparison With Cutting Tools

Artefacts known as amulet rings, a kind of Viking age jewellery, have often been encountered during archaeological excavations of Viking Age sites. The rings do not appear to have any practical use, but are rather considered to be of cultural or religious importance. Their exact function is however unclear, as are the details regarding the production and material choices for the rings.This study mainly examines the microstructure of samples from Viking Age amulet rings found in Dalecarlia, Sweden. To be able to conclude how much effort that was put into the rings a comparison with medieval cutting tools was conducted. Thus, the knives were made with more care in order to obtain the material properties required to give the knives the sharpness and hardness they need to function. The analysis shows that the amulet rings were made from heterogeneous low-carbon steel, indicating little or no welding and a poor-quality starting material. Were as the microstructure of the knives had homogeneous microstructures often involving perlite, showing decent carbon content.Thus, it appears that the Viking Age smiths forged the amulet rings without putting too much effort into the process.This study also involved the manufacturing of a new knife from low-carbon steel, this was done to see if it was possible to redeem carbon into the surface while forging. This however, was difficult when not having todays technical equipment at hand, thus the result was insufficient.Historiska föremål, kallade amulett ringar vilket är ett slags vikingatida smycken, har hittats vid arkeologiska utgrävningar av vikingatida boplatser. Man har inte hittat något praktiskt användningsområde för ringarna, utan de tros vara av kulturell eller religiös betydelse. Deras funktion är dock oklar, likaså detaljerna angående tillverkningen och materialvalet för ringarna.Denna studie undersöker mikrostrukturen av amulett ringar från Dalarna i Sverige. För att kunna dra slutsatser om hur mycket arbete som lades på ringarna genomförs en jämförelse med medeltida eggverktyg. Eftersom eggverktyg gjordes med omsorg för att få rätt materialegenskaper för att vara vassa och hårda kan man jämföra dessa med ringarna. Analyserna visade att amulett ringarna var gjorda av lågkolhaltigt heterogent stål som indikerar enbart lite eller ingen vällning och ett dåligt utgångsmaterial. Tillskillnad från eggverktygen som uppvisade en homogen mikrostruktur som ofta innehöll perlit vilket tyder på relativt hög kolhalt. Följaktligen framstår det som att vikingatida smeder inte la ned särskilt mycket tid i smidesprocessen vid tillverkningen av amulett ringar.Denna studie innefattar också smidet av en ny kniv från ett lågkolhaltigt stål för att se om det är möjligt att lösa in kol i ytan genom smidet. Detta var dock svårt att göra utan dagens tekniska utrustning vilket gjorde att resultatet inte visade någon uppkolning

Metallurgical Analysis of Viking Age Amulet Rings : and Comparison With Cutting Tools

Artefacts known as amulet rings, a kind of Viking age jewellery, have often been encountered during archaeological excavations of Viking Age sites. The rings do not appear to have any practical use, but are rather considered to be of cultural or religious importance. Their exact function is however unclear, as are the details regarding the production and material choices for the rings.This study mainly examines the microstructure of samples from Viking Age amulet rings found in Dalecarlia, Sweden. To be able to conclude how much effort that was put into the rings a comparison with medieval cutting tools was conducted. Thus, the knives were made with more care in order to obtain the material properties required to give the knives the sharpness and hardness they need to function. The analysis shows that the amulet rings were made from heterogeneous low-carbon steel, indicating little or no welding and a poor-quality starting material. Were as the microstructure of the knives had homogeneous microstructures often involving perlite, showing decent carbon content.Thus, it appears that the Viking Age smiths forged the amulet rings without putting too much effort into the process.This study also involved the manufacturing of a new knife from low-carbon steel, this was done to see if it was possible to redeem carbon into the surface while forging. This however, was difficult when not having todays technical equipment at hand, thus the result was insufficient.Historiska föremål, kallade amulett ringar vilket är ett slags vikingatida smycken, har hittats vid arkeologiska utgrävningar av vikingatida boplatser. Man har inte hittat något praktiskt användningsområde för ringarna, utan de tros vara av kulturell eller religiös betydelse. Deras funktion är dock oklar, likaså detaljerna angående tillverkningen och materialvalet för ringarna.Denna studie undersöker mikrostrukturen av amulett ringar från Dalarna i Sverige. För att kunna dra slutsatser om hur mycket arbete som lades på ringarna genomförs en jämförelse med medeltida eggverktyg. Eftersom eggverktyg gjordes med omsorg för att få rätt materialegenskaper för att vara vassa och hårda kan man jämföra dessa med ringarna. Analyserna visade att amulett ringarna var gjorda av lågkolhaltigt heterogent stål som indikerar enbart lite eller ingen vällning och ett dåligt utgångsmaterial. Tillskillnad från eggverktygen som uppvisade en homogen mikrostruktur som ofta innehöll perlit vilket tyder på relativt hög kolhalt. Följaktligen framstår det som att vikingatida smeder inte la ned särskilt mycket tid i smidesprocessen vid tillverkningen av amulett ringar.Denna studie innefattar också smidet av en ny kniv från ett lågkolhaltigt stål för att se om det är möjligt att lösa in kol i ytan genom smidet. Detta var dock svårt att göra utan dagens tekniska utrustning vilket gjorde att resultatet inte visade någon uppkolning

Amulettringar snarare än ämnesjärn : metallografisk analys tyder på ojämn materialkvalitet hos vendeltida järnringar från Åselby i Stora Tuna, Dalarna

29 iron rings with diameters between 9 and 15 cm were excavated in 1989 at a Vendel Period settlement site with a longhouse, located at Åselby in Dalecarlia, Sweden. Most of the rings had between one and three smaller rings attached. Rings of this type and size are fairly common at Scandinavian Vendel and Viking Period sites – settlements, cemeteries and cult precincts – but their function remains debated. The rings from Åselby have been interpreted as iron/steel bars, to be used or traded as raw material for e.g. weapons production. Previous metallurgical analysis of one Åselby ring showed it to consist of somewhat uneven but still decentquality carbon steel. General conclusions should however not be drawn from a single observation. Here, we have sampled six Åselby rings for metallographic examination of the cross-sections. The material quality and carbon content of the sampled rings were found to be very uneven, and relatively large inclusions of unworked slag were common. We conclude that the rings were not bars of raw material. Instead, they may have been amulet rings, intended for ritual use. If so, our results suggest that the material properties of amulet rings may have been less important during rituals – it may have sufficed that the rings had the right shape