اثر سیلیسیم و آهن بر رفتار بهسازی حرارتی آلیاژهای ریختگی Al-4.5Cu-xSi-yFe

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 فارغ التحصیل کارشناسی ارشد، گروه مهندسی مواد و متالورژی، دانشگاه بین‌المللی امام‌خمینی (ره)، قزوین، ایران.

2 دانشیار، گروه مهندسی مواد و متالورژی، دانشگاه بین‌المللی امام خمینی (ره)، قزوین، ایران.

3 دانشیار، گروه مهندسی مواد و متالورژی، دانشگاه بین‌المللی امام‌خمینی (ره)، قزوین، ایران.

چکیده

هدف از انجام این تحقیق بهبود خواص کششی آلیاژ Al-4.5Cu-xSi-yFe به روش بهسازی حرارتی (عملیات حرارتی T6) است. مقادیر مختلف سیلیسیم (5/2-1/0 درصد وزنی) و آهن (5/2-05/0 درصد وزنی) به ترکیب شیمیایی آلیاژ افزوده شد تا تاثیر نسبت­های مختلف Fe/Si بر خواص کششی و اندیس کیفیت آلیاژ در شرایط ریختگی و عملیات حرارتی بررسی شود. نتایج نشان داد افزودن سیلیسیم تا 5/2 درصد وزنی موجب بهبود سیالیت آلیاژ پایه (بدون آهن) می­شود اما حداکثر سیالیت در آلیاژهای حاوی آهن، در 5/1 درصد وزنی سیلیسیم حاصل می­شود. در شرایط ریختگی، غلظت بهینه سیلیسیم برای کسب حداکثر استحکام کششی و انعطاف­پذیری در آلیاژهای کم آهن به ترتیب حدود 5/1 و 5/0 درصد وزنی تعیین شد اما در حضور آهن، غلظت بهینه سیلیسیم با توجه به نسبت Fe/Si تعیین می­شود. اگر 1 Fe/Si£باشد، ذرات α-(FeMn) با مورفولوژی فشرده/غیرصفحه­ای در ساختار دیده می­شوند که در مقادیر کم تاثیر منفی بر خواص کششی ندارند. اگر 1 Fe/Si> باشد کسر حجمی ترکیبات صفحه­ای و مخرب b-(FeCu) در ساختار افزایش می­یابد. حداکثر استحکام کششی و کرنش شکست در نمونه ریختگی حاوی 5/1 درصد وزنی سیلیسیم به ترتیب در دو نسبت Fe/Si معادل 1 و 33/0 مشاهده شد. عملیات حرارتی به­واسطه ترغیب رسوب سختی و انحلال/خردایش ذرات سیلیسیم و ترکیبات غنی از آهن (صفحه­ای شکل)، موجب افزایش استحکام کششی می­شود. حداکثر استحکام کششی در نمونه حاوی 5/2 درصد وزنی سیلیسیم در 1Fe/Si= مشاهده شد. استحکام این نمونه به ترتیب حدود 40 و 15 درصد بیش از استحکام آلیاژ پایه در شرایط ریختگی و عملیات حرارتی شده است. 

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Effect of Si and Fe on thermal modification behavior of Al-4.5Cu-xSi-yFe

نویسندگان [English]

  • Khalil Ganjefard 1
  • Reza Taghiabadi 2
  • Mohammad Talafi Noghani 3
1 M.Sc. graduate, Department of Metallurgy and Materials Engineering, Imam Khomeini International University, Qazvin, Iran.
2 Associate Professor, Department of Metallurgy and Materials Engineering, Imam Khomeini International University, Qazvin, Iran.
3 Associate Professor, Department of Metallurgy and Materials Engineering, Imam Khomeini International University, Qazvin, Iran.
چکیده [English]

This study was undertaken to improve the tensile properties of Al-4.5Cu-xSi-yFe alloy through thermal modification (T6 heat treatment). To this end, different amounts of Si (0.1-2.5 wt.%) and Fe (0.05-2.5 wt.%) were added to the alloy composition in order to investigate the effect of Fe/Si ratio on the alloy tensile properties and quality index in as-cast and heat treated conditions. According to the results, adding Si up to 2.5 wt.% improved the base (Fe-free) alloy fluidity. However, the maximum fluidity in Fe-bearing alloys obtained at 1.5 wt.% Si. The optimum Si content for maximum tensile strength and fracture strain in low-Fe alloys was determined as 1.5 and 0.5 wt.%, respectively. However, in Fe-containing alloys the optimum Si was determined based on the Fe/Si ratio. At the Fe/Si£1 the compacted α-FeMn compound is the dominant Fe-phase which is not detrimental to the tensile properties. At the Fe/Si>1 the fraction of detrimental b-platelets is increased at the expense of α-FeMn. In as-cast condition, the maximum tensile strength and ductility are obtained in 1.5 wt.% Si containing alloy at the Fe/Si ratio of unity and 0.3, respectively. Applying heat treatment encouraged the precipitation hardening as well as dissolution/fragmentation of hard eutectic Si and Fe-rich platelets. Under this circumstance, the maximum tensile strength belongs to the sample containing 2.5 wt.% Si and Fe/Si ratio of unity where its tensile strength is higher than that of the as-cast and heat treated base alloy by 40 and 15%, respectively.
amily:"Times New Roman","serif"'>CuFe2O4 copper ferrite nanoparticles were also analyzed by hypothermia method. The results showed a rise in temperature to about 42 ° C and a specific adsorption rate of 9.62 W/g.
 

کلیدواژه‌ها [English]

  • A-4.5Cu
  • Thermal modification
  • tensile properties
  • Iron
  • Silicon
  1. Ganjefard K, Taghiabadi R, Noghani MT, Ghoncheh MH. Tensile properties and hot tearing susceptibility of cast Al-Cu alloys containing excess Fe and Si, International Journal of Mineral Metallurgy and Material. 2020; https://doi.org/10.1007/s12613-020-2039-7.
  2. Han N, Bian X, Li Z, Mao T, Wang C. Effect of Si on the microstructure and mechanical properties of the Al-4.5%Cu alloys. Acta Metallurgica Sinica (English Letters). 2006;(6):405–10. http://dx.doi.org/10.1016/S1006-7191(06)62080-2
  3. Seleznev ML, Argon AS, Seleznev IL, Cornie JA, Mason RP. Effect of composition, particle size, and heat treatment on the mechanical properties of Al-4.5 wt.% Cu based alumina particulate reinforced composites. In: SAE Technical Paper Series. SAE International; 1998. http://dx.doi.org/10.4271/980700
  4. Li S, Sadayappan K, Apelian D. Role of grain refinement in the hot tearing of cast Al-Cu alloy. Metallurgical and Materials Transactions B. 2013;44(3):614–23. http://dx.doi.org/10.1007/s11663-013-9801-4
  5. Nabawy AM, Samuel AM, Samuel FH, Doty HW. Effects of grain refiner additions (Zr, Ti–B) and of mould variables on hot tearing susceptibility of recently developed Al–2 wt-%Cu alloy. International Journal of Cast Metals Research. 2013;26(5):308–17. http://dx.doi.org/10.1179/1743133613Y.0000000068
  6. Li S, Sadayappan K, Apelian D. Effects of mold temperature and pouring temperature on the hot tearing of cast Al-Cu alloys. Metallurgical and Materials Transactions B. 2016 Jul 21;47(5):2979–90. http://dx.doi.org/10.1007/s11663-016-0739-1
  7. Spittle JA, Cushway AA. Influences of superheat and grain structure on hot-tearing susceptibilities of Al-Cu alloy castings. Metals Technology. 1983;10(1):6–13. http://dx.doi.org/10.1179/030716983803291226
  8. Nasreesfahani MR, Niroumand B. Effect of melt super heat on hot tearing of A206 aluminum alloy. Proceedings of Iran International Aluminum Conference (IIAC2009), Ed. Soltanieh M., Tehran, IRAN. 2009;47-52.
  9. Li M, Wang H, Wei Z, Zhu Z. The effect of Y on the hot-tearing resistance of Al–5wt.% Cu based alloy. Materials & Design (1980-2015). 2010;31(5):2483–7. http://dx.doi.org/10.1016/j.matdes.2009.11.044
  10. Lemieux A, Langlais J, Chen XG. Reduction of hot tearing of cast semi-solid 206 alloys. Solid State Phenomena. 2012;192–193:101–6. http://dx.doi.org/10.4028/www.scientific.net/SSP.192-193.101
  11. Campbell J. Complete Casting Handbook, Butterworth-Heinemann (Elsevier). 2011. UK.
  12. Kamguo Kamga H, Larouche D, Bournane M, Rahem A. Hot tearing of aluminum–copper B206 alloys with iron and silicon additions. Materials Science and Engineering: A. 2010;527(27–28):7413–23. http://dx.doi.org/10.1016/j.msea.2010.08.025
  13. Kamga HK, Larouche D, Bournane M, Rahem A. Mechanical properties of aluminium–copper B206 alloys with iron and silicon additions. International Journal of Cast Metals Research. 2012;25(1):15–25.  http://dx.doi.org/10.1179/1743133610Y.0000000012
  14. Liu K, Cao X, Chen X-G. Tensile properties of Al-Cu 206 cast alloys with various iron contents. Metallurgical and Materials Transactions A. 2014;45(5):2498–507.  http://dx.doi.org/10.1007/s11661-014-2207-3
  15. Elgallad EM, Chen X-G. On the microstructure and solution treatment of hot tearing resistant semi-solid 206 alloy. Materials Science and Engineering: A. 2012;556:783–8.  http://dx.doi.org/10.1016/j.msea.2012.07.064
  16. Li W, Cui S, Han J, Xu C. Effect of Silicon on the casting properties of Al-5.0% Cu alloy. Rare Metals. 2006;25(6):133–5.  http://dx.doi.org/10.1016/S1001-0521(08)60067-4
  17. Kang BK, Sohn I. Effects of Cu and Si Contents on the Fluidity, Hot tearing, and mechanical properties of Al-Cu-Si alloys. Metallurgical and Materials Transactions A. 2018;49(10):5137–45.  http://dx.doi.org/10.1007/s11661-018-4786-x
  18. Lemieux A, Langlais J, Bouchard D, Grant Chen X. Effect of Si, Cu and Fe on mechanical properties of cast semi-solid 206 alloys. Transactions of Nonferrous Metals Society of China. 2010;20(9):1555–60. http://dx.doi.org/10.1016/S1003-6326(09)60338-1
  19. تقی آبادی ر، جراحی م، نظری م، بررسی کمی حساسیت به پارگی گرم در آلیاژهای Al-9Si-Fe(Mn)، مهندسی متالورژی، 1395، دوره 19، شماره 3، 205-195.
  20. Pouladvand S, Taghiabadi R, Shahriyari F. Investigation of the tribological properties of AlxSi-1.2Fe(Mn) (x = 5-13 wt.%) alloys. Journal of Materials Engineering and Performance. 2018;27(7):3323–34.  http://dx.doi.org/10.1007/s11665-018-3420-9
  21. Belov NA, Aksenov AA, Eskin DG. Iron in Aluminium Alloys: Impurity and Alloying Element, Taylor and Fransis, New York, 2002

22.تقی­آبادی، ر، امامی، م. "متالورژی ریخته­گری تحت فشار آلومینیم"، (1395)، سازمان انتشارات جهاد دانشگاهی، قزوین.

  1. آزاد روی د، ثقفیان ح، بررسی خواص سایشی کامپوزیت زمینه آلومینیم 319 مقاوم شده با ترکیبات بین فلزی آهن تولید شده به روش درجا از طریق ریخته گری هم زدنی، مهندسی متالورژی، 1396، دوره 20، شماره 3، 196-186.
  2. Mbuya TO, Odera BO, Ng’ang’a SP. Influence of iron on castability and properties of aluminium silicon alloys: literature review. International Journal of Cast Metals Research. 2003;16(5):451–65.  http://dx.doi.org/10.1080/13640461.2003.11819622
  3. Bidmeshki C, Abouei V, Saghafian H, Shabestari SG, Noghani MT. Effect of Mn addition on Fe-rich intermetallics morphology and dry sliding wear investigation of hypereutectic Al-17.5%Si alloys. Journal of Materials Research and Technology. 2016;5(3):250–8.  http://dx.doi.org/10.1016/j.jmrt.2015.11.008
  4. Asadian Nozari M, Taghiabadi R, Karimzadeh M, Ghoncheh MH. Effect of Be modification on the oxide bifilms and tensile strength reliability of Al-Si-Mg alloys containing excess Fe. Metallurgical and Materials Transactions B. 2018;49(3):1236–45.  http://dx.doi.org/10.1007/s11663-018-1224-9
  5. Zhao Y, Zhang W, Yang C, Zhang D, Wang Z. Effect of Si on Fe-rich intermetallic formation and mechanical properties of heat-treated Al–Cu–Mn–Fe alloys. Journal of Materials Research. 2017;33(8):898–911.  http://dx.doi.org/10.1557/jmr.2017.441
    1. Školáková A, Novák P, Mejzlíková L, Průša F, Salvetr P, Vojtěch D. Structure and mechanical properties of Al-Cu-Fe-X alloys with excellent thermal stability. Materials, 2017;10(11):1269, http://doi.org/10.3390/ma10111269
    2. Babilas, R., Bajorek, A., Spilka, M., Radoń, A., & Łoński, W. (2020). Structure and corrosion resistance of Al–Cu–Fe alloys. Progress in Natural Science: Materials International, 30(3), 393–401. https://doi.org/10.1016/j.pnsc.2020.06.002
  6. Timelli G, Bonollo F. Fluidity of aluminum die casting alloy. International Journal of Cast Metals Research. 2007;20(6):304-311. http://dx.doi.org/10.1179/136404608X286110
  7. تقی آبادی ر، تلافی نوغانی م، کریمی ی، ایرانشاهی م، نظری م، تاثیر عملیات حرارتی و مس بر خواص کششی و اندیس کیفیت Al-7Si-0.35Mg-xFe، فصلنامه علمی پژوهشی فرایندهای نوین در مهندسی مواد، سال 11، شماره اول، 1396، 75-65.
  8. Garbellini O, Palacio H, Biloni H. Correlation between fluidity and solidification—microstructures at the aluminium-rich corner of the Al-Cu-Si system. Cast Metals. 1990;3(2):82–90.  http://dx.doi.org/10.1080/09534962.1990.11819024
  9. Wang M, Xu W, Han Q. Effect of heat treatment on controlling the morphology of AlFeSi phase in A380 alloy. International Journal of Metal casting. 2016;10(4):516–23.  http://dx.doi.org/10.1007/s40962-016-0068-9
  10. اسحاقی ا، راثی زاده غنی ج، قاسمی منفرد راد ح، تقی آبادی ر، بررسی اثر عملیات محلول سازی بر ریزساختار و خواص سایشی آلیاژ آلومینیم 332، نشریه دانشکده فنی، دوره 43، شماره 2، 1388، 148-139.
  11. Chong X, Jiang W, Zhao Y, Xu X, Pan D, Wang Y, et al. High performance of T6‐treated Al–15Mg2Si–3Cu composite reinforced with spherical primary Mg2Si after the Co‐modification of Bi + Sr. Advanced Engineering Materials. 2019;21(4):1801119.  http://dx.doi.org/10.1002/adem.201801119
  12. Wang M, Xu W, Han Q, Effect of heat treatment on controlling the morphology of AlFeSi phase in A380 alloy, International Journal of Metalcasting, 2016;10(4): 516-523. http://dx.doi.org/10.1007/s40962-016-0068-9
  13. Moustafa MA, Samuel FH, Doty HW, Effect of solution heat treatment and additives on the microstructure of Al-Si (A413.1) alloy, Journal of Materials Science, 2003; 38: 4507-4522. https://doi.org/10.1023/A:1027385619114
  14. Wang R-Y, Lu W-H, Hogan LM. Faceted growth of silicon crystals in Al-Si alloys. Metallurgical and Materials Transactions A. 1997;28(5):1233–43.  http://dx.doi.org/10.1007/s11661-997-0289-x
  15. Warmuzek M, Aluminium-Silicon Casting Alloys: Atlas of Microfractographs, Materials Park, OH, USA: ASM Int.; 2004.
  16. Ma Z, Samuel AM, Doty HW, Samuel FH. On the fractography of impact-tested samples of Al-Si alloys for automotive alloys. In: Fracture Mechanics - Properties, Patterns and Behaviours. InTech; 2016.  http://dx.doi.org/10.5772/63409
  17. Mulazimoglu MH, Zaluska A, Gruzleski JE, Paray F. Electron microscope study of Al-Fe-Si intermetallics in 6201 aluminum alloy. Metallurgical and Materials Transactions A. 1996;27(4):929–36.  http://dx.doi.org/10.1007/BF02649760
  18. Lakner J, Sillinger N. Effect of Fe on ageing of AlSi8Cu3 alloys. Key Engineering Materials. 1991;44–45:365–0.  http://dx.doi.org/10.4028/www.scientific.net/KEM.44-45.365
  19. Vorren O, Evensen JE. Pedersen TB. Microstructure and mechanical properties of Al-Si(Mg) casting alloys. AFS Transactions.1984; 92:459-466.
  20. M. Di Sabatino, On fluidity of aluminium alloys, Metallurgia Italiana, 2008; 100(3): 17-22.