The present-day automotive industry is striving to design lightweight components by optimizing the design for minimization of weight. The topology optimization is used widely for the design of lightweight components. The casting process is time and cost effective for mass production and widely adopted within the automotive industry. Generally, castability is not considered in the weight optimization process. These weight optimized components are optimized once again in the later stage for cost-effectiveness in the casting process. The modified design usually weighs more than the weight optimized design. The design can be optimized for weight and castability simultaneously in the early stage of design and this thesis report presents an optimization process for the same. The optimization process presents effective usage of the topology optimization to design lightweight components without compromising castability. It is a three-step process where thetopology optimization is integrated with solidification simulation along with DFX -castability evaluation. The reliability of the conceptual design is predicted based on the mapping of solidification and stress hotspots. The process is implemented to design three components of Scaniatruck and weight is reduced by 15% to 25%. / Dagens bilindustri strävar efter att utforma lätta komponenter genom att optimera designen för att minimera vikt. Topologioptimering används i stor utsträckning för design av lätta komponenter. Gjutningsprocessen är tids-och kostnadseffektiv för massproduktion och allmänt vedertagen inom bilindustrin. Generellt ingår inte gjutbarhet i viktoptimeringsprocessen. Dessa viktoptimerade komponenter optimeras igen i ett senare skede för kostnadseffektivitet vid massproduktion. De flesta gånger är viktoptimerade koncept modifierade för att erhålla kostnadseffektivitet vid gjutning genom att lägga till extra vikt. I den här rapporten presenteras enoptimeringsdriven designprocess för att få pålitlig lättviktsgjutbar design. Optimeringsprocessen presenterar effektiv användning av topologioptimering för att utformalätta komponenter utan att kompromissa med gjutbarheten. Det är en trestegsprocess där topologioptimering integreras med förstärkningssimulering tillsammans med utvärdering avDFX-sårbarhet. Tillförlitligheten hos den konceptuella designen förutses baserat på kartläggningav stelningen och spänninggskoncentrationer. Processen är implementerad för att optimera utformningen av tre komponenter i Scania-lastbilar och vikten minskas med 15% till 25%.

The design and analysis of large casted parts present significant challenges due to their complex geometry. Finite Element (FE) modeling is a vital tool for understanding the performance of casted components. However, the computational requirements associated with these parts often lead to excessive processing times and resource utilization. This thesis aims to enhance the efficiency of the mid-surface model creation by developing an FE modeling approach suited explicitly for large casted components. The study begins by exploring the background of casted parts and their applications. A comprehensive analysis of modeling and meshing techniques is conducted, emphasizing their application to large casted components. Building upon this knowledge, different ideas are examined, leading to the proposal of a methodology combining CAD strategies for design features, hybrid meshing techniques, and approaches aimed at reducing FE modeling time to streamline the overall process.To validate the proposed approach, a series of case studies involving casted parts with varying levels of complexity are undertaken. Real-world casting process parameters are considered, highlighting the advantages and limitations in each ideation phase. The proposed methodology is tested and show cased to expert engineers to evaluate its efficiency and feasibility. Furthermore, the efficiency of the new approach is quantitatively evaluated in terms of processing time. The developed methodology offers engineers and researchers a powerful tool to accelerate the design process and optimize FE modeling time while managing computational costs. As industries continue to push the boundaries of size and complexity in casted part design, the insights and techniques presented in this thesis offer a valuable resource for addressing the various engineering challenges inherent in future endeavors. / Utformningen och analysen av stora gjutna delar innebär betydande utmaningar på grund av deras komplexa geometri. Finita Element (FE)-modellering är ett viktigt verktyg för att förstå prestandan hos gjutna komponenter. De beräkningskrav som är förknippade med dessa delar leder dock ofta till alltför långa handläggningstider och resursutnyttjande. Detta examensarbete syftar till att förbättra effektiviteten av skapandet av mittyteta modeller genom att utveckla en FE-modelleringsmetod som är specifikt lämpad för stora gjutna komponenter. Studien börjar med att utforska bakgrunden till gjutna delar och deras tillämpningar. En omfattande analys av modellerings-och diskret iseringstekniker genomförs, med tonvikt på deras tillämpning på stora gjutna komponenter. Med utgångspunkt i denna kunskap undersöks olika idéer, vilket leder till förslaget om en metod som kombinerar CAD-strategier för designfunktioner, hybridmodelleringstekniker och tillvägagångssätt som syftar till att minska FE-modelleringstiden för att effektivisera den övergripande processen. För att validera det föreslagna tillvägagångssättet genomförs en serie fallstudier som involverar gjutna delar med varierande nivåer av komplexitet. Verkliga gjutprocessparametrar beaktas, vilket belyser fördelarna och begränsningarna i varje idéfas. Den föreslagna metoden testas och visas upp för expertingenjörer för att utvärdera dess effektivitet och genomförbarhet. Dessutom utvärderas effektiviteten av det nya tillvägagångssättet kvantitativt i termer av handläggningstid. Den utvecklade metoden erbjuder ingenjörer och forskare ett kraftfullt verktyg för att påskynda designprocessen och optimera FE-modelleringstiden samtidigt som de hanterar beräkningskostnader. När industrier fortsätter att tänja på gränserna för storlek och komplexitet idesign av gjutna delar, erbjuder de insikter och tekniker som presenteras i denna avhandling en värdefull resurs för att ta itu med de olika tekniska utmaningarna som är inneboende i framtida strävanden.

The present work was conducted at Scania CV AB and has as main goal to produce a cast steel guideline. There is a great need to conduct a cast steel guideline, in order to help designers in their process to choose suitable materials and methods to produce lightweight components with higher performance. This work contains information related to mechanical properties, casting processes, castability, machinability, defect characterization, heat treatments, weldability and surface treatments of cast steels. This work was limited to cast steels which could be applied on two specific components of the truck, a bracket which is a structural component of chassis subjected to fatigue and a turbo manifold which is subjected to creep, oxidation, corrosion-, thermal- and mechanical- fatigue. A benchmark search was performed focused on these two components. A characterization of a cast stainless steel turbo manifold prototype was performed in the as-cast state, which included microstructural analyzes and hardness measurements. Besides this initial characterization, a set of heat treatments were conducted, in order to study the possibility to eliminate the initial grain boundary carbides. The main conclusions of this work are that cast steel has potential to be a material choice in many applications due to its wide range of properties. For structural parts, cast steel is advantageous compared with cast iron when for instance welding and high strength combined with high fracture toughness are requirements. For high temperature resistance components, cast steel or more precisely cast stainless steel, is advantageous for service at temperatures >750 ºC,besides its higher price. The annealing heat treatment followed by an aging treatment eliminated most of the grain boundary carbides and increase the hardness through a fine dispersion of carbides in matrix, which can also increase the creep resistance. / Examensarbetet utfördes på Scania CV AB med främsta målet att utarbeta en vägledande guide för gjutstål. Det finns ett stort behov av att sammanställa en guideline för gjutstål, med syfte att hjälpa konstruktörer i deras process att välja lämpliga material och metoder för att producera lättviktskomponenter med högre prestanda. Arbetet innehåller information om mekaniska egenskaper, gjutningsprocesser, gjutbarhet, skärbarhet, defektkarakterisering, värmebehandlingar, svetsbarhet, ytbehandling och mycket annat gällande gjutstål. Detta arbete var begränsat till gjutstål som kan tillämpas för två specifika komponenter i lastbilen, en konsol som är en strukturell komponent i chassit som utsätts för utmattning och ett turbogrenrör vilket är en komponent som utsätts för högtemperaturcykler. En benchmark utfördes med fokus på dessa två komponenter. Slutligen gjordes en karakterisering av turbogrenrörsprototypen i rostfritt stål, i det gjutnatillståndet, vilket inkluderade mikroanalyser och hårdhetsmätningar. Förutom den förstakarakteriseringen, utfördes en uppsättning värmebehandlingar för att undersöka möjligheten att eliminera de initiala korngräns-karbiderna. De viktigaste slutsatserna av detta arbete är att gjutstål har potential att bli ett materialval i många applikationer på grund dess breda egenskaper. Konstruktionsdelar i gjutstål är fördelaktiga jämfört med gjutjärn, till exempel vid svetsning och när hög hållfasthet i kombination med hög brottseghet är nödvändigt. För högtemperaturs-komponenter är gjutstål, eller mer exakt, gjutna rostfria stål fördelaktiga för service vid temperaturer >750 ºC, med undantag för dess högre pris. Glödgningsvärmebehandling följt av åldringsbehandling eliminerar de flesta av korngräns-karbiderna och ökar hårdheten genom en fin dispersion av karbider i matrisen, vilket också kan öka krypmotståndet.

The formation of conversion coatings based on Ce, trivalent Cr and Ti/Zr is triggered by the local pH increase at cathodic IM sites of the aluminium alloy microstructure. The pH gradient is created over the cathodic intermetallic (IM) sites of the microstructure and its intensity is influenced by their activity which depends on their chemical composition, their size, and spatial distribution. Furthermore, the pre-treatment applied also affects the surface reactivity. The role of each of the microstructural features on the increased pH gradient and the subsequent triggering of local conversion coating deposition remains to be understood. To address the knowledge gap, model cast Al-Si-Fe and Al-Si-Cu-Fe alloys have been designed. Cerium based conversion coating treatment with standard parameters is applied to investigate the microstructure’s influence. Furthermore, four different surface pre-treatments’ effect on the topographical and electrochemical properties have been investigated by localized techniques and have been correlated with deposition experiment observations to prove surface reactivity. In this study, it was found that the four surface pre-treatments – polishing, NaOH, NaOH-HNO3, NaOH-H2SO4 activate the surface of alloys containing Fe-rich IM and Cu-rich IM differently. The surface pre-treatment NaOH-HNO3 was found most detrimental to the surface reactivity as the pre-treatment resulted in passivation of the IM and a drastic reduction in its volta potential. The best pre-treatment for the alloy Al-Si-Fe was found to be one with NaOH etching. In the case of Al-Si-Cu-Fe alloy, pre-treatments where a pickling step (with either H2SO4 or HNO3) was applied followed a NaOH etching step, the surface of the IM was activated more than other pre-treatments due to selective Al dealloying and Cu-redeposition. The extent of Cu-redeposition was observed to be the most when surfaces were pickled with HNO3 solution and with the NaOH- HNO3 pre-treatment, fastest deposition kinetics were observed. In the cast Al-Si-Cu-Fe alloy, the localized deposits were preferentially observed to form on only strong cathodic Cu-rich IM. The size (surface area) of the Cu-rich IM correlated linearly with the lateral deposition area as well as z-direction spread. It was found that the pH gradient resulting from the oxygen reduction reaction near an IM is very local and does not affect pH gradients of a neighbouring Cu-rich IM. The size did not have a profound impact on the extent of deposition occurring on a Cu-rich IM, but it was found that big Cu-rich IM activated faster for deposition reaction than small Cu-rich IM. When the progression of deposition on both coarse and fine microstructure cast Al-Si-Cu-Fe was quantitatively monitored at increasing conversion coating times 0.5h, 1h and 2h, it was observed that big Cu-rich IM in the coarse alloy triggered deposition faster than small Cu-rich IM. Deposition mechanism on Fe-rich IM was found to be composition specific. In the cast of big Fe-rich β-Al5FeSi IM, localized deposition initiated at the border on the IM and is explained based on Si content in the composition of the IM, which has very high resistivity. In another Fe-rich IM, although of a much smaller size, which had lower Si content and was richer in Fe, a localized deposition was observed on the entire IM. / Bildning av omvandlingsbeläggningar baserade på Ce, trivalent Cr och Ti/Zr initieras av lokalt förhöjd pH vid katodiska intermetalliska platser I aluminiumlegeringens mikrostruktur. Utbredningen av den starka pH-gradientens uppkomst över katodiska intermetalliska (IM) platser av mikrostrukturen påverkas av dess aktivitet som i sin tur beror på dess kemiska sammansättning, storlek, och rumslig fördelning. Ytans reaktivitet påverkas dessutom av dess förbehandling. Rollen av mikrostrukturens egenskaper på den förhöjda pH-gradienten och efterföljande initiering av lokal omvandlingsbeläggning återstår att förstå. För att komplettera detta kunskapsgap har Al-Si-Fe och Al-Si-Cu-Fe modellgjutlegeringar utformats. Cerium-baserade behandlingar för omvandlingsbeläggning med standardparametrar tillämpas för undersökning av mikrostrukturens påverkan. Effekten av fyra olika ytförbehandlingar på topografiska och elektrokemiska egenskaper har dessutom undersökts med lokaliserade metoder och har korrelerats med observationer vid depositionsexperient för att bevisa ytreaktivitet. I denna studie har det visats att de fyra ytförbehandlingarna – polering, NaOH, NaOH-HNO3, NaOH-H2SO4 – aktiverar ytan hos legeringar innehållande Fe-rika intermetaller och Cu-rika intermetaller på olika vis. Ytförbehandlingen med NaOH-HNO3 visades vara skadligast för ytans reaktivitet eftersom förbehandlingen resulterade i passivering av IM och en drastisk sänkning av dess volta-potential. Den bästa förbehandlingen för Al-Si-Fe-legeringen visades vara med NaOH-etsning. I Al-Si-Cu-Fe-legeringens fall, var förbehandling där ett betningssteg (antingen med H2SO4 eller HNO3) tillämpades följt av etsning med NaOH, aktiverades ytan av IM mer än med andra förbehandlingar på grund av selektiv korrosion av Al och Cu-återdeposition. Utbredningen av Cu-återdeposition observerades vara störst när ytor var betade med HNO3-lösning och depositionens kinetik var som hastigast vid förbehandling med NaOH-HNO3. I den gjutna Al-Si-Cu-Fe-legeringen observerades lokaliserade depositionerna att bildas endast på starkt katodiska Cu-rika IM. Storleken (ytarea) på de Cu-rika IM korrelerade linjärt med den laterala depositionsytan samt med spridning i z-riktning. Det visade sig att pH-gradienten som uppkom via syrereduktionsreaktionen nära IM är väldigt lokal och påverkar ej pH-gradienter vid närliggande Cu-rik IM. Storleken hade ingen anmärkningsvärd verkan på utbredningen av deposition på Cu-rik IM, men stora Cu-rika IM visade sig aktiveras snabbare för depositionsreaktion än små Cu-rika IM. När depositionens framfart över grov och fin mikrostruktur i gjuten Al-Si-Cu-Fe följdes kvantitativt vid ökande omvandlingsbeläggningstid 0,5h; 1h och 2h, så observerades att stora Cu-rika IM i den grova legeringen påbörjade depositionen snabbare än små Cu-rika IM. Depositionsmekanismen på Fe-rika IM visades vara specifik för sammansättning. I gjutgodset med stora Fe-rika β-Al5FeSi IM visades lokaliserad deposition initieras vid gränsen av IM vilket förklaras baserat på Si-halt i IM sammansättning, som har väldigt hög resistivitet. I en annan Fe-rik IM, dock av mycket mindre storlek, som hade lägre Si-halt och rikare med Fe, en lokaliserad deposition var observerad över hela IM.