sviLuppo di sospensioni in aL tiXotropiCo

TECNOLOGIE TECHNOLOGIES
SVILUPPO DI SOSPENSIONI
IN AL TIXOTROPICO
DEVELOPMENT OF THIXOTROPIC AL SUSPENSIONS
Nuovi trattamenti su getti pressocolati allo stato semi-solido
di S. Capuzzi, L. Capra, S. Ferraro,
G. Timelli, F. Bonollo
New heat treatments for semi solid die castings
Q
uesto lavoro descrive il percorso di sviluppo e ottimizzazione di un trattamento termico T6 applicato ad un braccio
di sospensione per il settore automotive pressocolato allo stato semi-solido con una lega secondaria AlSi7Cu3Mg tramite processo “Swirled
Enthalpy Equilibration Device”. È stata studiata
l’influenza del tempo e della temperatura durante il trattamento termico sulla microstruttura e sulle proprietà meccaniche. Sono state analizzate
e quantificate la sferoidizzazione dell’eutettico
di Si, la progressiva dissoluzione dei composti
ricchi di Cu e la variazione in durezza della
lega. Infine, sono stati studiati gli effetti della
temperatura e del tempo sull’invecchiamento artificiale dei pezzi.
The present work describes the route to develop an optimized T6 heat treatment applied to an automotive suspension arm diecast at semi-solid state with an AlSi7Cu3Mg
secondary alloy by Swirled Enthalpy Equilibration Device process.
The influence of time and temperature during
solution heat treatment on the microstructure
and mechanical properties is investigated.
The spheroidization of eutectic Si, the progressive dissolution of Cu-rich compounds
and the hardness variation of the alloy are
observed and systematically quantified. Finally, the effects of temperature and time
during artificial ageing are studied.
Introduzione
Introduction
Le proprietà meccaniche delle leghe di fonderia
Al-Si-Cu-Mg possono essere migliorate tramite
trattamenti termici per via della presenza di Cu
e di Mg. Generalmente viene utilizzato per que-
Parole chiave
Lega di alluminio secondario; trattamento
termico; lega Al-Si-Cu; Semi-solido; Microstruttura; Durezza
A&L - 58
The mechanical properties of Al-Si-Cu-Mg
foundry alloys can be improved by heat
treatments due to the presence of both Cu
and Mg. Generally, a T6 heat treatment is
Keywords
Secondary aluminium alloy; Heat treatment; Al-Si-Cu alloy; Semi-solid; Microstructure; Hardness
ste leghe un trattamento termico T6 che comporta
una fase di solubilizzazione, quindi una tempra
(quenching) ed un successivo indurimento per invecchiamento [1]. La solubilizzazione ha la funzione di omogeneizzare la lega per modificare
la morfologia delle particelle di Si eutettico e per
disciogliere i composti grossolani come Al2Cu,
Al2MgCu e Mg2Si. Mentre la dissoluzione delle
fasi solubili contenenti Cu ed Mg è importante per
facilitare l’indurimento per invecchiamento [1,2],
la sferoidizzazione delle particelle di Si eutettico ha un impatto importante sulla duttilità [3,4].
L’obiettivo della tempra è quello di eliminare le
precipitazioni di fase durante il raffreddamento
del getto dalla temperatura di solubilizzazione a
quella ambiente. Se la velocità della tempra è
sufficientemente elevata, il soluto viene trattenuto
nella soluzione solida insieme ad un elevato numero di vacanze reticolari [5]. L’indurimento per
invecchiamento si verifica a temperatura ambiente (invecchiamento naturale) o ad alta temperatura a valori compresi tra 150-210°C (invecchiamento artificiale). L’obiettivo dell’invecchiamento
è quello di ottenere una finissima distribuzione
uniforme di precipitati in tutta la matrice α-Al, aumentando le proprietà meccaniche.
La possibilità di sottoporre pezzi fusi di alluminio al trattamento termico non dipende solo dalla composizione chimica iniziale del materiale,
ma anche dalla integrità del componente e quindi dal processo di fonderia utilizzato.
La pressocolata ad alta pressione (HPDC) è il
processo più utilizzato per via delle sue caratteristiche uniche di elevata efficacia e bassi costi
di produzione. Tuttavia, queste caratteristiche
riducono la qualità del componente a causa di
una sostanziale quantità di aria/gas intrappolate durante la fase di riempimento turbolento. Ciò
impedisce la possibilità di ulteriori miglioramenti
delle proprietà tramite trattamenti termici ad alte
temperature. Gli elementi gassosi intrappolati nei
pori possono espandersi ed avere come conseguenza un’inaccettabile formazione di bollosità
superficiale, instabilità dimensionale e penalizzazione delle proprietà meccaniche [6-7].
Il processo Swirled Enthalpy Equilibration Device (SEED) è un processo innovativo di rheocasting che consente di diminuire la turbolenza del
metallo durante la fase di riempimento. Ciò che
si ottiene è un solido deformabile chiamato slurry, che consiste in una fase primaria globulare
di α-Al distribuita su tutto il residuale arricchito
di eutettico liquido Al-Si, con una viscosità superiore rispetto al metallo liquido [8].
La particolarità di questo studio è data sia dalla
used for these alloys, which involves a solution heat treatment, quenching and age
hardening [1].
The solution heat treatment is used to homogenize the alloy, to change the morphology of the eutectic Si particles and to
dissolve coarse constituents such as Al2Cu,
Al2MgCu and Mg2Si. While the dissolution
of soluble phases containing Cu and Mg
is important to encourage age hardening
[1,2], the spheroidization of the eutectic
Si particles has an important impact on the
ductility [3,4].
The objective of quenching is to suppress
precipitation during cooling of casting from
high solution temperature to room temperature. If the quenching rate is high enough,
solute is retained in solid solution as well as
a high number of vacancies [5].
Age hardening takes place at room temperature (natural ageing) or at elevated temperature in the range of 150-210°C (artificial
ageing). The objective of ageing is to obtain
a uniform distribution of fine precipitates
throughout the a-Al matrix, increasing the
mechanical properties.
The possibility to submit alloy components
to heat treatment does not depend only by
the initial chemical composition of the material, as well by the integrity of the component and therefore by the foundry process.
High-pressure die-casting (HPDC) is the most
used process due to the unique characteristic of high efficiency and low production
cost. However, these features reduce the
quality of the component due to a substantial amount of air/gas entrapped during the
turbulent filling phase.
This denies the opportunity for further enhancement of properties by heat treatment
at high temperature.
The gaseous elements entrapped in the
pores may expand resulting in unacceptable surface blistering, dimensional instability and lower mechanical properties [6-7].
The Swirled Enthalpy Equilibration Device
(SEED) process is an innovative rheocasting
process that allows to decrease the turbulence of the metal during the filling stage.
What you get is a deformable solid, named
slurry, that consists of a globular primary
a-Al phase, distributed throughout the residual enriched Al-Si eutectic liquid, with
higher viscosity than the liquid metal [8].
The particularity of this study is given both
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- 59
scelta del processo di produzione come alternativa all’HPDC che dall’uso di una lega secondaria di Al. Le leghe di Al secondario offrono
diversi vantaggi in termini di costi, ma presentano solitamente una composizione chimica con
minori controlli sulle tolleranze e sulle impurezze, essendo prodotte in larga misura da rottame. Questo aumenta la sensibilità di tali leghe
ai trattamenti termici.
by the choice of the production process that
is an alternative to HPDC, and the use of a
secondary Al alloy.
Secondary Al alloys offer several advantages in terms of costs, but present wider
chemical composition being linked to the
initial scrap composition. This makes the
diecast components more sensitive to heat
treatment.
Procedura sperimentale
Experimental procedure
Per le prove condotte, la Raffineria Metalli Capra ha assicurato la fornitura di una lega secondaria da fonderia AlSi7Cu3Mg (EN AB-46300)
sotto forma di pani commerciali. La composizione della lega è illustrata nella Tabella 1.
Lega - Alloy
EN AC-46300
Figura 1. Braccio
inferiore di una
componente di
sospensione per auto
prodotta tramite processo
di rheocasting SEED.
Figure 1. Lower arm
automobile suspension
component produced by
rheocasting SEED process.
In the present work, a secondary AlSiCu3Mg cast alloy (EN AB-46300) was sup7
plied by Raffineria Metalli Capra as commercial ingots. The composition of the alloy
is listed in Table 1.
Si
Fe
Cu
Mn
Mg
Ni
Zn
Pb
Sn
Ti
6.79
0.31
2.71
0.14
0.29
0.02
0.32
0.05
0.01
0.13
Tabella 1. Composizione chimica della lega sperimentale (% pond.).
Table 1. Chemical composition of the experimental alloy (wt.%).
Per gli scopi della ricerca, i bracci di sospensione di uso automobilistico vennero pressocolati
allo stato semi-solido utilizzando per la produzione del semi-solida il processo SEED (Figura 1).
For R&D purposes, automotive suspension
arms were diecast at semi-solid state and
the SEED process was used for semi-solid
production (Figure 1).
Dai pezzi prodotti sono stati prelevati dei
campioni successivamente sottoposti a trattamento termico a 450, 470 e 490°C per 1,
3 e 6 ore. I campioni solubilizzati per 1 e 3
ore sono stati sottoposti a tempra rapida con
acqua a temperatura ambiente, mentre per i
campioni trattati per 6 ore sono stati utilizzati
tre diversi mezzi di tempra: acqua a temperatura ambiente, aria calma ed aria forzata.
I campioni raffreddati sono stati immediatamente invecchiati a tre diverse temperature
Specimens were drawn from the produced
components and then heat treated. Three different temperatures and times were selected
for the solution heat treatments: 450, 470
and 490°C for 1, 3 and 6 hours. The specimens solutionized for 1 and 3 h were water
quenched at room temperature, while three
different quenchants were selected for specimens treated for 6 h: water at room temperature, still air and forced air. Quenched
specimens were immediately aged at three
different temperatures 160, 180 and 200°C
for different times. In order to analyse the
Cu-rich phases, the sample were previously
etched by using an HNO3 solution. The ageing curves were build by hardness measurements.
Results and discussion
Eutectic Silicon characterization
Figure 2 shows the typical microstructure
of the as-cast component. It is possible to
distinguish the different phases according to
their shape and colour: Si particles appear
A&L - 60
160, 180 e 200°C per durate diverse. Al fine
di analizzare le fasi ricche in Cu i campioni
sono stati sottoposti ad attacco metallografico
utilizzando una soluzione di HNO3 per il controllo al microscopio. Le curve di invecchiamento sono state costruite tramite misurazioni
della durezza.
Risultati e discussioni
Caratterizzazione del silicio eutettico
La Figura 2 mostra la tipica microstruttura di
un componente allo stato colato. È possibile
distinguere le diverse fasi in base alla loro
forma e colore: le particelle di Si appaiono
più scure, mentre la matrice a-Al è più chiara;
le particelle grigie si riferiscono ai composti
ricchi di Fe, mentre le fasi ricche di Cu sono
sul rosa.
Al fine di quantificare questi cambiamenti sono
stati misurati la dimensione, il rapporto d’aspetto
e la rotondità delle particelle tramite un software
di analisi di immagine. I risultati quantitativi sembrano confermare l’aumento delle dimensioni
del Si eutettico; ciò è particolarmente evidente
con un tempo di solubilizzazione pari a 6 ore,
dove la misura media passa all’incirca da 1,5 a
2 µm2. Tuttavia, non è semplice identificare una
relazione tra il rapporto d’aspetto e la rotondità
del Si eutettico con i tempi e la temperatura di
solubilizzazione.
Dissoluzione di composti ricchi di Cu
È anche stata analizzata la dissoluzione di composti a base rame nella matrice a-Al. La Figura 4
mostra che l’aumento del tempo di mantenimento alle diverse temperature di solubilizzazione
consente una riduzione del contenuto delle fasi
grossolane ricche di Cu.
darker while the a-Al matrix is lighter, grey
particles refer to Fe-rich compounds, while
the Cu-rich phases are pinkish.
In order to quantify these changes the size,
aspect ratio and roundness of the particles
were measured by means of an image analyzer.
The quantitative results seem to confirm the
increase of size; this is particularly evident
with a solubilization time of 6 hours, where
the mean size passes approximately from
1.5 to 2 µm2. On the other hand, it is not
easy to identify a relationship between the
aspect ratio and roundness of eutectic Si
with solubilization time and temperature.
Dissolution of Cu-rich compounds
Dissolution of Cu-bearing compounds into a-Al
matrix was also investigated. Figure 4 shows
that the increase of the holding time at the different solution temperature allows a reduction
of the content of coarse Cu-rich phases.
Figura 2. Microstruttura
di una lega AlSi7Cu3Mg
pressofusa allo stato
semi-solido.
Figure 2. Microstructure
of AlSi7Cu3Mg alloy
diecast at semi-solid
state.
La Figura 3 mostra
i cambiamenti
microstrutturali
delle particelle di Si
eutettico a seguito di
diversi trattamenti di
solubilizzazione.
Figure 3 shows the
microstructural changes
of the eutectic Si
particles after different
solution heat treatments.
.com
- 61
In as-cast conditions the mean
percentage of Cu-rich compounds is about 2.8%, after
1 h of solubilization at 450,
470 and 490°C, this value
decrease under 1%, and then
continues to decrease until it
assumes a value close to zero
for the treatment of 6 hours.
Age hardening
Figure 5 shows the ageing
curves at three temperatures,
i.e. 160, 180 and 200°C. The
curves show the same trend:
the hardness increases to a
maximum value and then returns to fall with greater slope.
It is observed how the temperature increases, the maximum
hardness value is lower but it
is obtained at reduced ageing
time.
Figura 4. Quantità di
fasi ricche di Cu non
dissolto per diverse
temperature di soluzione
in funzione del tempo di
solubilizzazione.
Figure 4. Amount of
undissolved Cu-rich phases
for different solution
temperature as function of
solution time.
In condizioni di as-cast, la percentuale media
di composti ricchi di Cu è di circa 2,8%, mentre dopo 1 ora di solubilizzazione a 450, 470
e 490°C questo valore viene ridotto al di sotto
dell’1%, e continua a diminuire fino ad assumere un valore vicino allo zero per il trattamento
da 6 ore.
Indurimento per invecchiamento
La Figura 5 mostra le curve di invecchiamento
alle tre temperature di 160, 180 e 200°C. Le
curve mostrano un andamento simile, con la
durezza che aumenta sino ad un valore massimo e quindi prende a diminuire con una maggior velocità. Si osservi come all’aumentare
della temperatura si riduca il massimo valore
di durezza ottenibile, ma esso viene raggiunto
con un ridotto tempo di invecchiamento.
Dalla Figura 5 si può osservare come la durezza aumenta fino ad oltre 120 HV tramite invecchiamento a 160°C partendo da 70 HV allo
stato as-cast, mentre essa raggiunge solamente
110 HV quando il getto viene invecchiato a
200°C.
Il tempo necessario per ottimizzare il trattamento con la temperatura inferiore è di circa 36 h
A&L - 62
It can be observed from Figure
5 that the hardness increases
up to over 120 HV by aging
at 160°C starting from 70 HV
at the as-cast temper. The hardness reaches
approximately 110 HV when the component
is aged at 200°C.
The time necessary to optimize the treatment
for the lowest temperature is longer than 36
h and it is reduced to less than 5 h for the
highest temperature. The intermediate temperature allows to have a hardness slightly
over 115 HV into 6 hours.
Conclusions
The effect of T6 heat treatment on the microstructure and hardness of a secondary aluminium alloy AlSi7Cu3Mg die-cast at semisolid state has been investigated. Based on
the results obtained in the present study, the
following conclusions can be drawn;
- increasing the temperature and the time of
solubilization, greater increase on size of
eutectic Si is achieved;
-the morphology of eutectic Si particles
does not show any relationship with the
time and the temperature of solubilization;
- the dissolution of Cu-rich phases and the
increase of the hardness are favoured by
increasing the temperature and time of
solubilization;
e viene ridotto a meno di 5 ore con le temperature più alte. La temperatura media consente
un indurimento leggermente superiore a 115
HV in 6 ore.
Conclusioni
È stato analizzato l’effetto del trattamento termico T6 sulla microstruttura e la durezza di una
lega di alluminio secondario AlSi7Cu3Mg pressocolata allo stato semi-solido. Sulla base dei
risultati ottenuti in questo studio è possibile trarre
le seguenti conclusioni:
- aumentando la temperatura ed il tempo di solubilizzazione si ottiene un maggiore aumento
della dimensione del Si eutettico;
- la morfologia delle particelle di Si eutettico
non mostra alcuna relazione con i tempi e la
temperatura di solubilizzazione;
- la dissoluzione delle fasi ricche in Cu e l’aumento della durezza vengono favorite aumentando la temperatura ed il tempo di solubilizzazione;
- aumentando la temperatura di invecchiamento
il valore massimo della durezza diminuisce, ma
viene ottenuto con tempi di trattamento inferiori.
Riferimenti
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the maximum hardness value decreases
but it is reached at shorter holding time.
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8th Int. Conf. Semi-Solid Processing, 20-23
September 2004, Worcester, USA.
Figura 5. Curve di
invecchiamento di
una lega AlSi7Cu3Mg
a 160, 180 e 200°C.
Il materiale è stato
precedentemente
solubilizzato a 470°C
per 6 ore e sottoposto a
tempra in acqua (water
quench).
Figure 5. Ageing curves of
AlSi7Cu3Mg alloy at 160,
180 and 200°C. The
material was previously
solubilized at 470°C for 6
h and water quenched.
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