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https://hdl.handle.net/10216/168481| Author(s): | Rui Pedro Festas Ribeiro |
| Title: | Analysis, Development and Industrialization of a GX 25 Cr Ni Si 20-14 Alloy Exhaust Cover Produced by Investment Casting |
| Issue Date: | 2025-07-25 |
| Abstract: | The present dissertation explores the analysis, development and industrialization of a critical automotive component, an exhaust cover, produced with the GX 25 Cr Ni Si 20-14 alloy, by Investment Casting - Lost Wax Model, at ZOLLERN & Comandita Portugal. Faced with a high scrap rate, nearly 80% in early production runs, this study was initiated to systematically investigate the root causes of recurring defects, specifically shrinkage and solidification cracking, and implement targeted solutions to reduce the scrap rate to levels that would restore economic viability to the production of these components. The research was structured into distinct phases, beginning with an in-depth evaluation of the component design, alloy properties, process flow and defect distribution. Through process mapping and failure cost analysis, the most critical loss drivers were identified. Phase 1 served as a diagnostic phase, followed by incremental improvements in subsequent phases. Process interventions included a redesign of the gating system to optimize metal flow and reduce hot spots and enhance directional solidification, adjustments in molten metal pouring temperature to reduce metal shrinkage, and the introduction of ceramic filters and ceramic fibers' blankets to manage flow turbulence and heat dissipation. A pivotal change involved rotating the component model 180° within the gating system, which dramatically improved feeding efficiency and shell thickness uniformity, especially around the most defect-prone areas. In parallel, the dissertation introduced a revised Gas Tungsten Arc Welding procedure for repair operations, tailored to the specific metallurgical characteristics of the aforementioned alloy. By reducing heat input, modifying the filler material diameter and optimizing weld pool geometry, the welding process achieved a substantial increase in the repair rate and a significant reduction in solidification cracking. Results showed a progressive and significant decline in the scrap rate along the different phases, culminating in Phase 2.3, where the global scrap rate was reduced to 18.8%. Ultimately, this work not only solved a critical operational issue at ZCP but also provides a methodological framework for continuous process improvement in similar foundry applications. The findings support the value of systematic experimentation to industrial problem-solving. |
| Description: | A presente dissertação explora a análise, o desenvolvimento e a industrialização de um componente automóvel crítico, uma tampa de escape, produzido em liga GX 25 Cr Ni Si 20-14, através do processo de Fundição por Modelo de Cera Perdida com Carapaça Cerâmica, na empresa ZOLLERN & Comandita Portugal. Perante uma taxa de refugo elevada, próxima dos 80% nas primeiras fases de produção, este estudo foi iniciado com o objetivo de investigar sistematicamente as principais causas dos defeitos recorrentes, nomeadamente o rechupe e a fissuração a quente, e implementar soluções específicas para reduzir a taxa de refugo a níveis que restaurassem a viabilidade económica do processo produtivo. A investigação foi estruturada em fases distintas, começando por uma avaliação aprofundada do design do componente, das propriedades da liga, do fluxo do processo e da distribuição dos defeitos. Através do mapeamento do processo e análise de custos de falha, foram identificados os principais fatores de perda. A Fase 1 serviu como diagnóstico, sendo seguida de melhorias incrementais nas fases subsequentes. As intervenções incluíram o redesenho do sistema de gitagem para otimizar o fluxo do metal, reduzir número de pontos quentes e favorecer uma solidificação mais direcional, ajustes na temperatura de vazamento para mitigar contrações do metal, e o recurso a filtros e fibras cerâmicas para controlar a turbulência do fluxo e a dissipação de calor. Uma mudança fundamental consistiu na rotação de 180° da peça no sistema de gitagem, o que melhorou significativamente a eficiência de alimentação e a uniformidade da espessura da carapaça cerâmica, especialmente nas zonas mais propensas a defeitos. Em paralelo, foi introduzido um procedimento revisto de Soldadura por Arco com Elétrodo de Tungsténio, adaptado às características metalúrgicas específicas da liga em questão. Através da redução do aporte térmico, modificação do diâmetro do material de adição e otimização da geometria do cordão de soldadura, alcançou-se um aumento substancial na Taxa de Recuperação das peças e uma redução significativa da sua fissuração a quente. Os resultados mostraram um declínio progressivo e expressivo na taxa de refugo ao longo das diferentes fases, culminando na Fase 2.3, onde a taxa global de refugo foi reduzida para 18,8%. No final, este trabalho não só resolveu um problema operacional crítico na ZCP, como também fornece um enquadramento metodológico para melhoria contínua de processos em aplicações industriais semelhantes. Os resultados reforçam o valor da experimentação sistemática como ferramenta para a resolução de problemas industriais. |
| Subject: | Engenharia dos materiais Materials engineering |
| Scientific areas: | Ciências da engenharia e tecnologias::Engenharia dos materiais Engineering and technology::Materials engineering |
| TID identifier: | 204119375 |
| URI: | https://hdl.handle.net/10216/168481 |
| Document Type: | Dissertação |
| Rights: | embargoedAccess |
| Embargo End Date: | 2028-07-24 |
| Appears in Collections: | FEUP - Dissertação |
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| File | Description | Size | Format | |
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| 733935.pdf Restricted Access | Analysis, Development and Industrialization of a GX 25 Cr Ni Si 20-14 Alloy Exhaust Cover Produced by Investment Casting | 4.46 MB | Adobe PDF | View/Open |
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