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Development of Al-Si-Mg alloys for permanent mold casting and high-pressure vacuum die casting applications

Arici Anil. (2019). Development of Al-Si-Mg alloys for permanent mold casting and high-pressure vacuum die casting applications. Mémoire de maîtrise, Université du Québec à Chicoutimi.

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Résumé

The aim of this study is to design and to develop new aluminum alloys for high pressure vacuum die casting applications which can provide higher mechanical properties and superior light weighting solution for automotive body structures. In the meantime, the present study focuses on the effect of transition elements, namely, vanadium (V), zirconium (Zr) and molybdenum (Mo) on mechanical properties and microstructural features of permanent mold casting and high-pressure vacuum die casting AlSi10Mg and AlSi8Mg alloys. In this work, eight distinct permanent mold casting alloys with different V, Zr and Mo addition combinations were designed and investigated to select the promising alloys for high pressure vacuum die casting (HPVDC) applications. After evaluation of mechanical properties on as-cast condition, the permanent mold casting alloys were solution heat treated at 500 °C and 540°C up to 8 hours, followed by water quenching, and then subjected to an aging treatment at 170°C for 4 hours. Hardness measurements were performed to reveal the effect of different addition combinations and define the optimum heat treatment parameters. The hardness evaluation of as cast permanent mold castings showed that additions of V and Zr (HPD-101) elements improve hardness, yield strength, ultimate tensile strength and elongation of AlSi10Mg alloy by 14%, 28%, 29% and 25% respectively. On the other hand, the additions of V, Mo (HPD-103) resulted in 7%, 21%, 12% and 3% improvement in those properties respectively. Moreover, the additions combination of V, Zr and Mo (HPD-103) into AlSi10Mg resulted in an improvement of hardness, yield strength, ultimate tensile strength and elongation by 7%, 21%, 12, and 2% respectively on as-cast condition. The V, Zr additions into AlSi8Mg (HPD-802) improved hardness, yield strength ultimate tensile strength and elongation by 11%, 24%, 27% and 33% respectively, whereas the additions of V, Mo (in HPD-801) enhance these properties by 5%, 19%, 23% and 23%. Meanwhile, the additions of V, Zr, Mo in AlSi8Mg (HPD-803) resulted an outstanding improvement in yield strength, ultimate tensile strength and elongation values with increase of 27%, 32% and 61% respectively. In order to optimize heat treatment parameters, hardness values of the experimental alloys were evaluated in two different temperatures with different soaking times. According to hardness results, the heat treatment parameters are optimized as solution heat treatment at 540°C for 2 hours, followed by water quench and aging at 170°C for 4 hours. In consideration of hardness and tensile properties on as-cast and heat-treated conditions, HPD-101 (V, Zr), HPD-802(V, Zr) and also HPD-803 (V, Zr, Mo) were chosen for further microstructural investigations and high-pressure vacuum die casting investigation. The microstructures of selected alloys were examined by optical microscopy, scanning electron microscopy and transmission electron microscopy. The results indicate that addition of V and Zr into permanent mold casting alloys (HPD-101 and HPD-802) is beneficial to refine eutectic Si particles in the microstructures. Moreover, it can reduce length of Fe-rich intermetallic phases up to 20%, and also decrease the aspect ratio of intermetallic phases, proving the beneficial impact of V, Zr elements on intermetallic phase modification. On the other hand, V, Zr and Mo (HPD-803) additions remarkably decreased the length of the intermetallic phases by 40% in comparison with AlSi8Mg alloy. It is established that the main influence of V, Zr and Mo additions appeared in the formation of new distinct intermetallic phases such as (AlSi)3(ZrTi) and (Al-Si-Fe-Mn-V-Mo), modification of present intermetallic phases and silicon particles on as-cast condition. Following the solution heat treatment, partial dissolution of intermetallic phases and precipitation of dispersoids were observed, which would play vital role to improve mechanical properties. In consideration of permanent mold casting (PM) alloys, high pressure vacuum die casting (HPVD) alloys were produced in six different composition including two base alloys with different level of Si. It is established that additions of V, Zr (10-I) metals into AlSi10Mg HPVD castings resulted in improvement of hardness, yield strength and ultimate tensile strength by 10%, 8% and 8% respectively while no significant change was reported for elongation of the alloy on as-cast condition. The additions of (V, Zr) into AlSi8Mg improved the hardness yield strength and ultimate tensile strength by 5%, 13% and 5% respectively while a slight reduction was observed in elongation in comparison to base alloy. On the other hand, in 8-III alloy (V, Zr, Mo), hardness, yield strength and ultimate strength was improved by 9%, 15% and 8% respectively, whereas the elongation also increased by 6%. After evaluation of mechanical properties on as-cast condition, optimization of heat treatment parameters was studied for T5 and T6 tempers. For T6 temper, although highest hardness values for HPVD castings were achieved via solution heat treatment at 540°C x 3h + WQ + 170°C x 4h, the heat treatment parameters are optimized as solution heat treatment at 520°C x 3h + WQ + 170°C x 4h in consideration of blistering effect. For T5 temper, two different conditions were selected; (1) 170°C x 4h and (2) 210°C x 1h. According to evaluation of mechanical properties, 10-II (V, Zr), 8-II (V, Zr) and 8-III (V, Zr, Mo) alloys were selected for further microstructural investigations. The microstructural features of selected alloys on as-cast and heat-treated conditions were studied via optical microscopy, scanning electron microscopy and SEM-EBSD mapping. The results showed that the additions of (V, Zr) into AlSi10Mg alloy reduced the average grain diameter from 87.7 μm to 43.1 μm, revealing beneficial impact of V, Zr metals on grain modification. Besides, two new distinct intermetallic phases were observed which are (1) (AlSi)3(ZrTi) and (Al-Si-Fe-V-Mn). Moreover, quantitative analysis of intermetallics indicated that aspect ratio and equivalent diameter of intermetallic phases reduced by 20% and 15% respectively, proving the beneficial influence of V and Zr on modification of intermetallic phases. It is also seen that heat treatment can further induce a reduction in the size and volume fraction of intermetallics and results the spherodizitation of the eutectic Si particles. Moreover, it was observed that V, Zr additions can promote the formation of dispersoids and thereby further increase the mechanical properties of the alloys in comparison to as-cast condition. It is also found that number density of dispersoids in 8-III (V, Zr, Mo) alloy were higher than those in 8-II (V, Zr) and 8-I (Base) alloys, resulting further improvement in mechanical properties. The thermal analysis of HPVDC alloys showed that V, Zr and Mo additions resulted in formation of three different exothermic peaks in DSC curves and the additions can reduce the onset and peak temperatures of β’’, β’ and β precipitations in base alloys.

Le but de cette étude est de concevoir et de développer de nouveaux alliages d’aluminium pour les applications de moulage sous pression à haute pression, capables de fournir des propriétés mécaniques plus élevées et une solution légère supérieure de pondération pour les structures de carrosserie automobile. Dans l’intervalle, la présente étude porte sur l’effet des éléments de transition, à savoir le vanadium (V), le zirconium (Zr) et le molybdène (Mo) sur les propriétés mécaniques et les caractéristiques microstructurales du moulage permanent et du moulage sous vide à haute pression AlSi10Mg et Alliages AlSi8Mg. Dans ce travail, huit alliages de coulée en moule permanents distincts avec différentes combinaisons de V, Zr et Mo ont été conçus et étudiés pour sélectionner les alliages prometteurs pour les applications de moulage sous vide à haute pression (HPVDC). Après évaluation des propriétés mécaniques à l'état coulé, les alliages de coulée en moule permanents ont été soumis à un traitement thermique en solution à 500° C et jusqu'à 8 heures, suivi d'une trempe à l'eau, puis soumis à un traitement de vieillissement à 170° C pendant 4 heures. Des mesures de dureté ont été effectuées pour comparer la dureté de chaque alliage et définir les paramètres optimaux de traitement thermique. En fonction des résultats de dureté, les paramètres de traitement thermique sont optimisés en tant que traitement thermique en solution à 540 ° C pendant 2 heures, suivi d'une trempe à l'eau et d'un vieillissement à 170 ° C pendant 4 heures. Des essais de traction sur des alliages tels que moulés et traités thermiquement ont également été effectués. Compte tenu des propriétés mécaniques des conditions de coulée et de traitement thermique, les alliages HPD-101 (V, Zr), HPD-802 (V, Zr) et HPD-803 (V, Zr, Mo) ont été choisis pour des investigations microstructurales plus poussées. et les applications de moulage sous vide à haute pression. Les microstructures des alliages sélectionnés ont été examinées par microscopie optique, par microscopie électronique secondaire et par microscopie électronique à transmission. Les résultats indiquent que l'ajout de V et de Zr (HPD-101 et HPD-802) dans un alliage de coulée en moule permanent est bénéfique pour affiner les particules de Si eutectiques dans les microstructures. Par ailleurs, les additions de V, Zr et Mo (HPD-803) n’ont pas apporté de modification supplémentaire aux particules de silicium. Il est établi que l'influence principale des additions de V, Zr et Mo est apparue dans la formation de phases intermétalliques distinctes, la modification de phases intermétalliques et de particules de silicium et le renforcement de la solution à l'état de coulée. Après le traitement thermique en solution, la dissolution partielle des phases intermétalliques et la précipitation de dispersoïdes ont joué un rôle essentiel dans l'amélioration des propriétés mécaniques. En ce qui concerne les alliages de coulée en moule permanents, des alliages de moulage sous pression à haute pression ont été produits en six compositions différentes, y compris deux alliages de base avec une teneur différente en Si. Les mesures de microdureté des alliages HPVDC sont effectuées à l'état fondu, puis l'optimisation des paramètres de traitement thermique a été étudiée pour les états T5 et T6. Sur la base des valeurs de dureté et des possibilités de formation de cloques, les paramètres de traitement thermique sont optimisés en tant que traitement thermique en solution à 520 ° C pendant 3h, suivi d'une trempe à l'eau puis d'un vieillissement à 170 ° C pendant 4h. De plus, des alliages de 10-II (V, Zr), 8-II (V, Zr) et 8-III (V, Zr, Mo) ont été sélectionnés pour des investigations microstructurales plus poussées. Les caractéristiques microstructurales de certains alliages dans des conditions de coulée et de traitement thermique ont été étudiées par microscopie optique, microscopie électronique secondaire et cartographie SEM-EBSD. Les résultats ont révélé que l'addition de métaux V, Zr et Mo entraînait une réduction significative de la taille des grains et la formation de nouvelles phases intermétalliques. On voit également que le traitement thermique peut induire une réduction de la taille et de la fraction volumique des intermétalliques et entraîne la sphérodisation des particules de Si eutectiques. De plus, il est indiqué que les additions de V, Zr et V, Zr, Mo peuvent grandement favoriser la formation de dispersoïdes et augmenter ainsi davantage les propriétés mécaniques des alliages par rapport à l'état de coulée. L’analyse thermique des alliages HPVDC a montré que les additions de V, Zr et Mo entraînaient la formation de trois pics exothermiques dans les courbes DSC et que ces additions pouvaient réduire les températures de début et de pointe des précipitations β ’’, β ’et β dans les alliages de base.

Type de document:Thèse ou mémoire de l'UQAC (Mémoire de maîtrise)
Date:2019
Lieu de publication:Chicoutimi
Programme d'étude:Maîtrise en ingénierie
Nombre de pages:135
ISBN:Non spécifié
Sujets:Sciences naturelles et génie > Génie > Génie des matériaux et génie métallurgique
Département, module, service et unité de recherche:Départements et modules > Département des sciences appliquées > Programmes d'études de cycles supérieurs en ingénierie
Directeur(s), Co-directeur(s) et responsable(s):Chen, X-Grant
Zhang, Zhan
Mots-clés:aluminum, casting, heat treatment, high pressure vacuum die casting, mechanical properties, microstructure, permanent mold casting
Déposé le:18 sept. 2019 16:19
Dernière modification:18 sept. 2019 21:36
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