تاثیر همزمان بیسموت، شرایط سرد شدن و پیرسازی مصنوعی بر روی کارایی آلیاژ ریختگی Al-8Si-0.3Mg

نوع مقاله: مقاله کامل علمی پژوهشی

نویسنده

استادیار، گروه‎ ‎مهندسی شیمی و مواد، مرکز آموزش عالی فنی و مهندسی بوئین‌زهرا، قزوین، ایران، ‏

10.22034/frj.2018.150301.1052

چکیده

در این تحقیق تأثیر هم‌زمان افزودن درصدهای مختلف بیسموت و سرعت سرد شدن بر بازدهی آلیاژ ‏ریختگی
 ‏Al-8Si-0.3Mg‎‏ پس از انجام عملیات حرارتی ‏T6‎‏ مورد ارزیابی قرار گرفت. سرعت سرد شدن با ‏استفاده از آنالیز منحنی سرد شدن و مشتقِ دوم آن محاسبه شد. یک مدلِ پله‌ای با ضخامت‌های مختلف به‌منظور ‏به دست آوردن چهار سرعت سرد شدن متفاوت (55/0 تا 6 درجه سانتی‌گراد بر ثانیه) طراحی شد. ریز‎ساختار ‏نمونه‌ها توسط میکروسکوپ نوری و الکترونی روبشی(‏SEM‏) مورد ارزیابی قرار گرفت. نتایج نشان داد که ‏نمونه‌هایی که توسط بیسموت بهسازی شده و در سرعت‌های بالاتری سرد شده‌اند زمان کمتری برای آنیل انحلالی ‏و کروی‌شدن سیلیسیم یوتکتیک نیاز دارند. همچنین نتایج آزمایش‎ ‎کشش بر روی نمونه‌های عملیات حرارتی ‏شده نشان‌ داد که بیشترین استحکام تسلیم (2/142مگا پاسگال)، استحکام کششی‎ ‎نهایی (235مگا پاسگال) و ‏ازدیاد طول قبل از شکست (1/6 %) در نمونه حاوی‎ ‎‏5/0% بیسموت که در بالاترین سرعت سرد شده است (6 ‏درجه سانتی‌گراد بر ثانیه)‏‎ ‎به دست آمد. سطح شکست نمونه‌های آرام سرد شده عموماً حاوی مناطق کلیواژ و بیانگر ‏حالت شکستِ ترد و در نتیجه، کم‌بودن انعطاف‌پذیری بود. در حالی که سطح شکست نمونه‌های سرد شده در ‏سرعت‌های بالاتر شامل دیمپل و حالت شکستِ نرم بود. کانتور اندیس کیفیت که برای پیش‌بینی کیفیتِ قطعات ‏عملیات حرارتی شده حاوی درصدهای متفاوت بیسموت و با سرعت‌های مختلف سرد شدن مورد استفاده ‏قرار گرفت، نشان‌ داد که بالاترین اندیس (8/352 مگاپاسکال) برای نمونه حاوی 5/0% بیسموت و سرد شده در ‏سرعت 6 درجه سانتی‌گراد بر ثانیه به دست آمد.‏‎ ‎

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Synergy Effect of Bi Addition, Cooling Condition and Artificial Aging ‎on ‎Performance of Al-8Si-0.3Mg Cast Alloy‎

نویسنده [English]

  • Saeed Farahany
Assistant Professor, Department of Chemical and Materials Engineering, Buein ‎Zahra ‎Technical University, Qazvin, Iran
چکیده [English]

In this paper, synergy effect of various bismuth contents and cooling rates on performance of ‎Al-8Si-0.3Mg cast alloy after applying T6 heat treatment was evaluated. Cooling rate was ‎measured based on analyzing cooling curve and its second derivative curve. A step mould with ‎different casting thicknesses was designed to obtain four different cooling rates (0.55 to 6 ‎‎°C/s). Microstructures of sample were evaluated by optical microscopy and scanning electron ‎microscopy (SEM). Results showed that sample modified with Bi and solidified at higher ‎cooling rate required less time for annealing and spherodising of eutectic silicon. Moreover, ‎tensile test results indicated that the highest yield strength (142.2 MPa), ultimate tensile ‎strength (235 MPa) and elongation percentage (6.1%) obtained for the sample containing 0.5 ‎wt% Bi and solidified at the highest cooling rate (6 °C/s). Fracture surface of samples cooled at ‎low cooling rate comprised of cleavage indicating brittle fracture mode resulted in low ‎ductility. Likewise, fracture surface of samples solidified at highest cooling rate exhibits ‎dimples and ductile fracture mode. The counter graph of quality index used to predict the ‎quality of heat-treated samples with different levels of Bi and solidified at various cooling rates ‎showed that the highest index (352.8 MPa) obtained for specimen containing 0.5wt% Bi ‎solidified at 6 °C/s cooling rate.‎

کلیدواژه‌ها [English]

  • Aluminium
  • Modification
  • Bismuth
  • Heat treatment
  • Mechanical properties

‎[1]  Yang C.L., Li Y.B., Dang B., Bin Lü H., Liu F., Effects of cooling rate on ‎solution heat treatment of as-cast A356 alloy, Transaction Nonferrous Metal Society of ‎China (English Ed., 2015, 25, 3189-3196.‎

‎[2]‎ Yan H., Chen F., Li Z., Microstructure and mechanical properties of AlSi10Cu3 alloy ‎with (La+Yb) addition processed by heat treatment, Journal of Rare Earths, 2016, 34, ‎‎938-944. ‎

‎[3]‎  Joseph S., Kumar S., A systematic investigation of fracture mechanisms in Al-Si based ‎eutectic alloy-Effect of Si modification, Materials Science and Engineering A., 2013, 588‎‎, 111-124. ‎

‎[4]‎ Makhlouf M.M., Guthy H. V., The aluminum-silicon eutectic reaction: Mechanisms and ‎crystallography, Journal of Light Metals, 2001, 1, 199-218. ‎

‎[5]‎ McDonald S.D., Nogita K., Dahle A.K., Eutectic grain size and strontium concentration ‎in hypoeutectic aluminium-silicon alloys, Journal of Alloys and Compouds, 2006, 422, ‎‎184-191. ‎

‎[6]‎ McDonald S.D., Nogita K., Dahle A.K., Eutectic nucleation in Al-Si alloys, Acta ‎Materialia, 2004, 52, 4273-4280.‎

‎[7]‎ Lu S.Z., Hellawell A., The mechanism of silicon modification in aluminum-silicon alloys: ‎Impurity induced twinning, Metallurgical Transaction A., 1987, 18, 1721–1733. ‎

‎[8]‎ Shamsuzzoha M., Hogan L.M., Twinning in fibrous eutectic silicon in modified Al-Si ‎Alloys, Journal of Crystal Growth, 1985, 72, 735-737. ‎

‎[9]‎  Timpel M., Wanderka N., Schlesiger R., Yamamoto T., Lazarev N., Isheim D., Schmitz ‎G., Matsumura S., Banhart J., The role of strontium in modifying aluminium-silicon ‎alloys, Acta Materialia, 2012,. 60, 3920-3928.‎

‎[10]‎  Timpel M., Wanderka N., Schlesiger R., Yamamoto T., Isheim D., Schmitz G., ‎Matsumura S., Banhart J., Sr-Al-Si co-segregated regions in eutectic Si phase of Sr-‎modified Al-10Si alloy, Ultramicroscopy, 2013, 32, 216-221. ‎

‎[11]‎  Samuel E., Golbahar B., Samuel A.M., Doty H.W., Valtierra S., Samuel F.H., Effect of ‎grain refiner on the tensile and impact properties of Al-Si-Mg cast alloys, Materoals & ‎Design, 2014, 56, 468-479. ‎

‎[12]‎  Dutta B., Rettenmayr M., Effect of cooling rate on the solidification behaviour of Al–Fe–‎Si alloys, Materials Science and Engineering. A., 2000, 283, 218-224. ‎

‎[13]‎   Shabestari S.G., Shahri F., Influence of modification, solidification conditions and heat ‎treatment on the microstructure and mechanical properties of A356 aluminum alloy, ‎Journal of Materials Science, 2004,. 39, 2023–2032. ‎

‎[14]‎  Wang Q.G., Davidson C.J., Solidification and precipitation behaviour of Al-Si-Mg ‎casting alloys, Journal of Materials Science, 2001, 36, 739-750. ‎

‎[15]‎   Caceres C.H., Davidson C.J., Wang Q.G., Griffiths J.R., The effect of Mg on the ‎microstructure and mechanical behavior of Al-Si-Mg casting alloys, Metallurgical and ‎Materials Transactions A., 1999, 30, 2611-2618. ‎

‎[16]‎  Ogris E., Wahlen A., Lüchinger H., Uggowitzer P., On the silicon spheroidization in Al–‎Si alloys, Journal of Light Metals, 2002, 2, 263-269. ‎

‎[17]‎  Paray F., Gruzleski J.E., Modification—a Parameter to Consider in the Heat Treatment ‎of Al-Si Alloys, Cast Metals, 1992, 5, 187-198. ‎

‎[18]‎  Birol Y., Response to artificial ageing of dendritic and globular Al-7Si-Mg alloys, ‎Journal of Alloys and Compounds, 2009, 484, 164-167.‎

‎[19]‎   Choi S.W., Kim Y.M., Lee K.M., Cho H.S., Hong S.K., Kim Y.C., Kang C.S., Kumai S., ‎The effects of cooling rate and heat treatment on mechanical and thermal characteristics ‎of Al-Si-Cu-Mg foundry alloys, Journal of Alloys and Compounds, 2014, 617 , 654-659. ‎

‎[20]‎  Dasch J.M., Ang C.C., Wong C.A., Waldo R.A., Chester D., Cheng Y.T., Powell B.R., ‎Weiner A.M., Konca E., The effect of free-machining elements on dry machining of B319 ‎aluminum alloy, Journal of Materials Processing Technoly, 2009, 209, 4638-4644. ‎

‎[21]‎   Farahany S., Ourdjini A., Bakar T.A.A., Idris M.H., Role of bismuth on solidification, ‎microstructure and mechanical properties of a near eutectic Al-Si alloys, Metals ‎Materilas International, 2014, 20, 929-938. ‎

‎[22]‎  Farahany S., Ourdjini A., Bakar T.A.A., Idris M.H., On the refinement mechanism of ‎silicon in Al-Si-Cu-Zn alloy with addition of bismuth, Metallurgical and Materials ‎Transactions A.,2014, 45,1085–1088.‎

‎[23]‎  Farahany S., Ourdjini A., Idris M.H., Takaloo A. V, Thai L.T., Combined effect of ‎bismuth content and cooling rate on microstructure and mechanical properties of Al–‎‎8.5Si–0.4Mg–0.3Fe alloy, Canadian Metallurgical Quarterly, 2013, 52, 208–216. ‎

‎[24]‎   Jafari H., Khalilnezhad M., Farahany S., Computer-aided cooling curve thermal analysis ‎and microstructural evolution of Mg–5Zn–xY cast alloys, Journal of Thermal Analysis ‎and Calorimetry, 2017, 130, 1429-1437. ‎

‎[25]‎  Farahany S., Ourdjini A., Idris M.H., Shabestari S.G., Computer-aided cooling curve ‎thermal analysis of near eutectic Al--Si--Cu--Fe alloy, Journal of Thermal Analysis and ‎Calorimetry, 2013, 114, 705–717. ‎

‎[26]‎  Zhang L.Y., Jiang Y.H., Ma Z., Shan S.F., Jia Y.Z., Fan C.Z., Wang W.K., Effect of ‎cooling rate on solidified microstructure and mechanical properties of aluminium-A356 ‎alloy, Journal of Materials Processing Technology, 2008, 207, 107-111. ‎

‎[27]‎  Osório W.R., Goulart P.R., Santos G.A., Neto C.M., Garcia A., Effect of dendritic arm ‎spacing on mechanical properties and corrosion resistance of Al 9wt.pct Si and Zn 27 wt.‎pct Al alloys, Metallurgical and Materials Transactions A. 2006, 37, 2525-2538. ‎

‎[28]‎  Joshi U., Hari Babu N., The grain refinement potency of bismuth in magnesium, Journal ‎of Alloys and Compounds, 2017, 695, 971–975. ‎

‎[29]‎  Farahany S., Ourdjini A., Idrsi M.H., Shabestari S.G., Evaluation of the effect of Bi, Sb, ‎Sr and cooling condition on eutectic phases in an Al-Si-Cu alloy (ADC12) by in situ ‎thermal analysis, Thermochimica Acta, 2013, 559, 59-68.‎

‎[30]‎  Li H.J., Shivkumar S., Luo X.J., Apelian D., Influence of Modification on the Solution ‎Heat-treatment Response of Cast Al-Si-Mg Alloys, Cast Metals, 1998, 1, 227–234. ‎

‎[31]‎  محمدی م.، تقی‌ابادی ر.، نظری م.، تاثیر عناصر بهساز در بهبود اندیس کیفیت ‏آلیاژ آلومینیم 356‏A‏‎ ‎قبل و بعد از عملیات ‏حرارتیT6 ‎‏‏،‎ ‎پژوهشنامه ریخته‌گری، 2018، 2(1) 11-25.‏

‎[32]‎  Apelian D., Shivkumar S., Sigworth G., Fundamental aspects of heat treatment of cast ‎Al-Si-Mg alloys, AFS Transactions, 1989,  97, 727–742. ‎

‎[33]‎  Zhang D.L., Zheng L.H., StJohn D.H., Effect of solution treatment temperature on tensile ‎properties of AI-7Si-0.3Mg (wt-%) alloy, Materials Science and Technolgy, 1998, 14, ‎‎619-625. ‎

‎[34]‎   Heusler L., Schneider W., Influence of alloying elements on the thermal analysis results ‎of Al-Si cast alloys, Journal of Light Metals, 2002, 2, 17–26. ‎

‎[35]‎  Osorio W.R., Garcia L.R., Goulart P.R., Garcia A., Effects of eutectic modification and ‎T4 heat treatment on mechanical properties and corrosion resistance of an Al-9 wt%Si ‎casting alloy, Materials Chemistry and Physics, 2007, 106, 343–349. ‎

‎[36]‎  Mousavi G.S., Emamy M., Rassizadehghani J., The effect of mischmetal and heat ‎treatment on the microstructure and tensile properties of A357 Al-Si casting alloy, ‎Materilas Science and Engineering A., 2012, 556, 573–581. ‎

‎[37]‎         Closset B., Gruzleski J.E., Structure and properties of hypoeutectic Al-Si-Mg alloys ‎modified with pure strontium, Metallurgical Transactions A., 1982, 13, 945–951. ‎