تاثیر عناصر بهسازدر بهبود اندیس کیفیت ‏آلیاژ آلومینیم 356‏A‏‎ ‎قبل و بعد از عملیات حرارتی 6‏T

نوع مقاله: مقاله کامل علمی پژوهشی

نویسندگان

1 کارشناس ارشد مهندسی مواد، گروه مهندسی مواد و متالورژی، دانشگاه بین المللی امام خمینی (ره)، قزوین، ایران

2 استادیار، دانشکده مهندسی مواد و متالورژی، دانشگاه بین المللی امام خمینی (ره) (IKIU)، قزوین، ایران

3 کارشناس ارشد آزمایشگاه متالورژی، گروه مهندسی مواد و متالورژی، دانشگاه بین المللی امام خمینی (ره)، قزوین، ‏ایران

10.22034/frj.2018.118501.1024

چکیده

در این تحقیق تاثیر کلسیم، استرانسیم، منگنز و برلیم در بهسازی و بهبود اندیس کیفیت آلیاژ 356‏A‏ آلومینیم حاوی 2/1 ‏درصد وزنی ناخالصی آهن، قبل و بعد از عملیات حرارتی، بررسی شده است. بر اساس نتایج حاصل شده، استرانسیم و کلسیم موجب ‏بهسازی ذرات سیلیسیم یوتکتیک و کاهش ابعاد ترکیبات مخرب ‏β-Al5FeSi‏ می‌شوند به‌گونه‌ای که اندازه متوسط این فازها به ‏ترتیب 23 و 18 درصد کاهش می‌یابد. افزودن برلیم و منگنز تاثیری بر فاز سیلیسیم یوتکتیک ندارد اما موجب جایگزینی ‏صفحات ترد و شکننده بتا توسط ذرات آلفا (‏α-Fe‏) با مورفولوژی حروف چینی می‌شود. در اثر این تغییرات ریزساختاری، اندیس ‏کیفیت آلیاژهای بهسازی شده توسط کلسیم، استرانسیم، برلیم و منگنز به ترتیب 58، 32، 31 و 17 درصد افزایش می‌یابد. ‏انجام عملیات حرارتی 6‏T‏ ضمن استحکام‌دهی رسوبی آلیاژ، موجب بهسازی حرارتی سیلیسیم یوتکتیک و خردایش صفحات ‏بتا می‌شود اما تاثیر آن در کاهش ابعاد و کسر حجمی ترکیبات آلفا کمتر است. بیشترین میزان بهبود اندیس کیفیت در نمونه بهسازی نشده با عملیات حرارتی به میزان 36 درصد است. در حالی‌‌که این میزان در نمونه‌های ‏بهسازی شده توسط کلسیم، استرانسیم، برلیم و منگنز به ترتیب 6، 13، 21 و 19 درصد است. افزایش میزان تخلخل و ‏حضور ترکیبات نسبتا درشت آلفا در ریزساختار از جمله مهمترین عوامل موثر در کاهش نسبی اندیس کیفیت نمونه‌های بهسازی ‏شده پس از عملیات حرارتی به شمار می‌آیند.‏

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Effect of Modifier Elements on Quality Index Improvement of A356 ‎Aluminum ‎Alloy ‎Before and After T6 Heat Treatment

نویسندگان [English]

  • Morteza Mohammadi 1
  • Reza Taghiabadi 2
  • Maryam Nazari 3
1 M.Sc. in Materials Science, Department of Materials and Metallurgy, Imam Khomeini International University , Qazvin, IRAN
2 Assistant Professor, Department of Materials and Metallurgy, Imam Khomeini International University , Qazvin, IRAN
3 M.Sc. in Materials, Department of Materials and Metallurgy, Imam Khomeini International University , Qazvin, IRAN
چکیده [English]

In this study, the effect of Ca, Sr, Mn, and Be on modification and quality index ‎improvement of A356 aluminum alloy containing 1.2 wt% Fe impurity was studied in as-‎cast and heat treated conditions. According to the results, Sr and Ca modified the eutectic Si ‎particles and decreased the size of detrimental β-Al5FeSi compounds so that their average ‎size reduced by 23 and 18%, respectively. The addition of Be and Mn did not affect the ‎eutectic Si, but converted the brittle b-platelets to the α-Fe Chinese-scripts. Due to this ‎microstructural variation, the quality index of the alloys modified by Ca, Sr, Be, and Mn has ‎increased by 58, 32, 31, and 17%, respectively. T6 heat treatment led to the precipitation ‎hardening of the alloy, thermally modified the eutectic Si particles, and fractured the b-‎particles. Although, it did not exert significant effect on the size and volume fraction of α-‎compounds. The maximum improvement of quality index in heat-treated samples (36 %) ‎was observed in non-modified base alloy whilst the amplitudes of the quality index ‎improvement in the Ca, Sr, Be and Mn modified samples were 6, 13, 21, and 19 ‎respectively. Increasing of porosity content and the remaining of rather large α-compounds ‎were found to be the most important factors responsible for the relative reduction of the ‎quality index in modified and heat treated samples.‎

کلیدواژه‌ها [English]

  • A356
  • Modification
  • intermetallic
  • Modifier elements
  • Quality index

[1]   ‎Davis J.R., ASM Specialty Handbook, Aluminum and aluminum alloys, ASM International, ‎OH, 1993.‎

‎[2]‎   Ye H., An overview of the development of Al-Si alloy based material for engine applications, ‎J. Mater. Eng. Perf., 2003, 12, 288-297.‎

‎[3]‎   Lorimer G.W., Precipitation in aluminum alloys, In K. C. Russell and H. I. Aaronson, ‎Editors, Precipitation Processes in Solids, TMS-AIME, Metals Park, 1978.‎

‎[4]‎   Prasad B.K., Venkateswarlu K., Modi O.P., Jha A.K., Das, S., Dasgupta, R., Yegneswaran ‎A.H., Sliding wear behavior of some Al-Si alloys: Role of shape and size of Si particles and ‎test conditions, Met. Mater. Trans., 1998, 29A, 2747-2752.‎

‎[5]‎   Warmuzek M., Aluminium-Silicon casting alloys: atlas of microfractographs, ASM Int., ‎Materials Park, OH, USA, 2004.‎

‎[6]‎   Hafiz M.F., Kobayashi T., A study on microstructure-fracture behavior relations in Al-Si ‎casting alloys, Script. Met. Mater., 1994, 30, 475-480. ‎

‎[7]‎   Dighe M.D., Gokhale A.M., Relationship between microstructural extermum and ‎fracture path in a cast Al-Si-Mg alloy, Script. Mater., 1997, 37, 9, 1435-1440. ‎

‎[8]‎   Voigt R.C., Bye D.R., Microstructural aspect of fracture in A356, AFS Trans., 1991, ‎‎99, 33-50.‎

‎[9]‎   Mbuya T.O., Odera B.O., Nganga S.P., Influence of iron on castability and properties of ‎aluminium silicon alloys: Literature review, Int. J. Cast Met. Res., 2003, 6, 1-15.‎

‎[10]‎ Belov N.A., Aksenov A.A., Iron in alloys: Impurity and alloying elements, Taylor ‎& Francis Inc., New York, 2003‎.

‎[11]‎ Crepeau P.N., Effect of iron in Al-Si casting alloys, AFS Trans., 1995, 103, 361-366.‎

‎[12]‎ Mondolfo L.F., Aluminum alloys: structure and properties, Butterworth, London, 1978.‎

‎[13]‎ Ma Z., Effect of Fe intermetallics and porosity on tensile and impact properties of Al-Si-Mg-‎Cu and Al-Si-Mg cast alloys, Ph.D. Thesis, University of Quebec, 2002‎

‎[14]‎ Wang L., Apelian D., Makhlouf M., Iron-bearing compounds in Al-Si diecasting alloys: ‎their morphology and conditions under which they form, AFS Trans, 1999, 146, 231-238.‎

‎[15]‎ Kral M.V., A crystallographic identification of intermetallic phases in Al-Si alloys, Mater. ‎Lett., 2005, 59, 2271-2276.‎

‎[16]‎ Lakshmanan A.N., Shabestari S.G., Gruzleski J.E., Microstructure control of iron ‎intermetallics in Al-Si casting alloys, Z. Metallkd., 1995, 86, 457-464.‎

‎[17]‎ Shabestari S.G., Gruzleski J.E., Modification of iron intermetallics by strontium in 413 ‎aluminium alloys, AFS Trans., 1995, 26, 285-293.‎

‎[18]‎ Kulunk B., Shabestari S.G., Gruzleski J.E., Zuliani D.J., Beneficial effects of strontium ‎on A380 alloy, AFS Trans., 1996, 104, 1189-1193.‎

‏[19]‏ عامریون ع.، امامی م.، عاشوری غ.، بررسی تاثیر آمیژان‌های ‏Al-5Ti-1B‎‏ و ‏Al-8B‎‏ بر ریزساختار و خواص مکانیکی آلیاژ ‏‏518-‏Al، ریخته‌گری، 1394، 107، 46-38.‏

‏[20]‏ حسینی ه.، امامی م.، عاشوری غ.، بررسی کارایی آمیژان ‏Al-5Ti-1B‎‏ بر ویژگیهای ریزساختاری و مکانیکی آلیاژ ‏Mg‏6-‏Al‏ ‏پس از روزنرانی، ریخته‌گری، 1394، 109، 12-2.‏

‏[21]‏ تقی‌آبادی ر.، جراحی م.، نظری م.، بررسی تاثیر ترکیبات بین‌فلزی غنی از آهن بر استعداد به پارگی گرم آلیاژهای ‏هیپویوتکتیک ‏Al-Si، ریخته‌گری، 1394، 109، 22-13.‏

‎[22]‎ Anantha L., Samuel F.H., Gruzleski J.E., Dissolution of iron intermetallics in Al-Si ‎alloys through non-equilibrium heat treatment, Met. Trans., 1995, 26A, 2161-2174.‎

‎[23]‎ Villeneuve C., Samuel F.H., Fragmentation and dissolution of Al5FeSi phase during ‎solution heat treatment of Al-13Wt%Si-Fe alloys, Int. J. Cast Met. Res., 1999, 12, 145-160.‎

‎[24]‎ Lados D.A., Apelian D., Solution treatment effects on microstructure and mechanical ‎properties of Al-(1 to 13 Pct)Si-Mg, Met. Mater. Trans. B, 2011, 42(1), 171-180.‎

‎[25]‎ Ogris E., Wahlen A., Luchinger H., Uggowitzer P.J., On the silicon spherodization in ‎Al–Si alloys, Journal of Light Metals, 2002, 2, 263–269.‎

‎[26]‎ McDonald S.D., Dahle A.K., Taylor J.A., StJohn D.H., Modification-related porosity ‎formation in hypoeutectic aluminum-silicon alloys, Met. Mater. Trans B, 2004, 35, 1097-‎‎1106. ‎

‎[27]‎ Ozdemir O., Effect of Strontium on the oxidation behavior of molten aluminum-magnesium ‎alloys, Ph.D. Thesis, McGill University, Montreal, 2006.‎

‎[28]‎ Al-Helal K., Wang Y., Stone I., Fan Z., Effect of Ca level on the formation of silicon ‎phases during solidification of hypereutectic Al-Si alloys, Mater. Sci. Forum, 2013, 765, 117-‎‎122.‎

‎[29]‎ Kumari S.S.S., Pillai R.M., Pai B.C., Structure and properties of calcium and strontium ‎treated Al–7Si–0.3Mg alloy: A comparison, J. Alloy. Compd., 2008, 460, 472–477.‎

‎[30]‎ Shabestari S.G., Gruzleski J.E., Gravity segregation of complex intermetallic compounds ‎in liquid Al-Si alloys, Met. Mater. Trans., 1995, 26A, 999-1006.‎

‎[31]‎ Shabestari S.G., The effect of iron and manganese on the formation of intermetallic ‎compounds in Al-Si alloys, Mater. Sci. Eng., 2004, A383, 289-298.‎

‎[32]‎ Gobrecht, J., Segregations par gravite de fer, du manganeseet du chrome dans les alliages ‎Al-Si de fonderie, Fonderie, 1977, 171-173.‎

‎[33]‎ Fatahalla N., Hafiz M., Abdulkhalek M., Effect of microstructure on the mechanical ‎properties and fracture of commercial hypoeutectic Al-Si alloy 265 modified with Na, Sb and ‎Sr, J. Mater. Sci., 1999, 34(14), 3555-3564.‎

‎[34]‎ Abdollahi A., Gruzleski J.E., An evaluation of calcium as a eutectic modifier in A357 ‎alloy, Int. J. Cast Metals Research, 1998, 11, 145–155.‎

‎[35]‎ Knuutinen A., Nogita K., McDonald S.D., Dahle A.K., Porosity formation in aluminum ‎alloy A356 modified with Ba, Ca, Y and Yb, Journal of Light Metals, 2001, 1, 241–249.‎

‎[36]‎ Nozari M.A., Taghiabadi R., Karimzadeh M., Ghoncheh M.H., Investigation on ‎beneficial effects of beryllium on entrained oxide films, mechanical properties and casting ‎reliability of Fe-rich Al–Si cast alloy, Mater. Sci. Tech., 2015, 31(4), 506-512.‎

‎[37]‎ Gopalan R., Prabhu N.K., Oxide bifilms in aluminum alloy castings-A review, Mater. ‎Sci. Tech., 2011, 27, 1757-1769.‎

‎[38]‎ Hernandez Paz J.F., Heat treatment and precipitation in A356 aluminum alloy, Ph.D. ‎Thesis, McGill University, Montreal, 2001.‎

‎[39]‎ Jacob S., Quality index in predicting of properties of aluminum castings-a review, AFS ‎Trans., 2000, 108, 811–818.‎

‎[40]‎ Ragab K.A., Bournane M., Samuel A.M., Al Ahmari A., Samuel F.H., Doty H.W., ‎Mechanical characterization and quality index of A356-type aluminum castings heat treated ‎using fluidized bed quenching, Mater. Sci. Tech., 2003, 29(4), 412-425.‎

‎[41]‎ Salleh M.S., Omar M.Z., Syarif J., The effects of Mg addition on the microstructure and ‎mechanical properties of thixoformed Al–5%Si–Cu alloys, J. Alloys Comp., 2015, 621(5), ‎‎121-130.‎

‎[42]‎ Vander Voort G.F., Applied Metallography, Van Nostrand Reinhold, USA, 1984.‎

‎[43]‎ Samuel F.H., Ouellet P., Samuel A.M., Doty H.W., Effect of Mg and Sr additions on ‎the formation of intermetallics in Al-6Si-3.5Cu-0.45 to 0.8 Fe 319-type alloys, Met. Mater. ‎Trans., 1998, 29A, 2871-2884‎

‎[44]‎ Cao X., Campbell J., The solidification characteristics of Fe-rich intermetallics in Al-‎‎11.5Si-0.4Mg cast alloys, Met. Mater. Trans., 2004, 35A, 1425-1434.‎

‎[45]‎ Lu L. and Dahle A.K., Iron-rich intermetallic phases and their role in casting defect ‎formation in hypoeutectic Al-Si alloys, Met. Mater. Trans., 2005, 36A, 819-835.‎

‎[46]‎ Ibrahim M.F., Alkahtani S.A., Abuhasel K.A., Samuel F.H., Microstructural ‎characterization of beryllium treated Al-Si alloys, Adv. Mater. Sci. Eng., 2015, 15, 1-10.‎

‎[47]‎ Mahta M., Emami M., Cao X., Campbell J., Overview of beta-Al5FeSi phase in Al-Si ‎alloys, Mater. Sci. Res. Trends, Chapter, 2007, 5, 1-16. ‎

‎[48]‎ Anantha L., Samuel F.H., Gruzleski J.E., Dissolution of iron intermetallics in Al-Si ‎alloys through non-equilibrium heat treatment, Met. Mater. Trans. A, 1995, 26A , 2161-2174.‎

‎[49]‎ Mulazimoglu M.H., Zaluska A., Gruzleski J.E., Paray F., Electron microscope study of ‎Al-Fe-Si intermetallics in 6201 aluminum alloy, Met. Mater. Trans., 27A (1996) 929-936.‎

‎[50]‎ Vorren O., Evensen J.E., Pedersen T.B., Microstructure and mechanical properties of ‎Al-Si (Mg) casting alloys, AFS Trans., 1984, 459-466.‎

‎[51]‎ Bidmeshki C., Abouei V., Saghafian H., Shabestari S.G., Noghani M.T., Effect of Mn ‎addition on Fe-rich intermetallics morphology and dry sliding wear investigation of ‎hypereutectic Al-17.5%Si alloys, J. Mater. Res. Tech., 2016, 5(3), 250-258.‎

‎[52]‎ Cao X., Campbell J., Oxide inclusion defects in Al-Si-Mg cast alloys, Can. Met. Quart. ‎‎2005, 44(4), 435-448.‎

‎[53]‎ Campbell J., Cavitation during super plastic forming: A review, Materials, 2011, 4, 1271-‎‎1286.‎

‎[54]‎ Raeiszadehghani R., A method to study the behaviour of double oxide film defects in ‎aluminum alloys, Ph.D. Thesis, School of Metallurgy and Materials Faculty of Engineering, ‎University of Birmingham, 2005.‎

‎[55] Eshaghi A., Ghasemi H.M., Rassizadehghani J., Effect of heat treatment on ‎microstructure and wear behavior of Al–Si alloys with various iron contents, Materials Design.,‎‎ 2011, 32, 1520-1525.‎