Electromagnetic Casting of Aluminium: Analyzing the Effect of EM Fields on Al and Al-Si Alloy Compared to Commercial Grain Refiners

Abstract

Dette prosjektet hadde som formål å sammenligne den mulige kornfinings effekten fra et indusert elektromagnetisk felt med kommersielle kornfinere på en kommersiellt ren aluminium (99.7%) og en aluminium-silisium legering (A356). Magnetfeltet som ble påført ble generert av en vekselstrøm ved mains frekvens, 50 Hz. Strømmen ble påført en rund induksjonsspole som genererte 4 til 12 mT magnetisk fluks inne i spolen under størkningen av metallet.

Det eksperimentelle arbeidet omfatter smelting og støping av prøver av både Al (99.7%) og A356 med og uten kommersielle kornfinere i fire forskjellige former med forskjellige størkningsegenskaper. Støping med elektromagnetisk (EM) felt ble gjort for begge metallene, med lignende metode, bare ved bruk av formen med tregest størkningshastighet.

Alle prøver ble forberedt for kornstørrelsesanalyse med et polarisert lysmikroskop. Forbredelsen inneholdt kutting, sliping, polering, etsing og anodisering av overflaten. Konduktivitet ble målt som ytterlige data for diskusjonen. Mikrostrukturen til hver prøve ble analysert og sammenlignet.

Resultatene ga en sterk indikasjon på kornfining ved bruk av kornfinere avhengig av kornfiningstype og legeringstype. EM feltet ga en svakere kornfinigseffekt. De flest sakte størknede prøvene viste stor porøsitetsdannelse under størkning. Observasjoner og svakheter ved eksperimentet og metoden ble diskutert.

Generelt sett kan det konkluderes med at kornfinerne påvirker mikrostruktur, spesielt for ren aluminium, mens legeringer er vanskeligere å kornfine. Størkningshastigheten har også stor innvirkning på mikrostrukturen og dannelsen av porøsitet.

Det neste steget i dette arbeidsfeltet en en validering av EM prøvene med avgasset metall for å isolere virkningen av EM-felt på mikrostrukturen, uten porene. Videre burde effekten av å variere frekvensen og feltstyrken undersøkes nærmere.

The purpose of this thesis was to compare the potential grain refinement effect of an induced electromagnetic field with commercial grain refiners on commercially pure aluminium (99.7%) and a common aluminium-silicon alloy (A356). The magnetic field applied was generated by alternating currents of mains frequency, 50Hz. The current applied to a round induction coil generated 4 to 12 mT magnetic flux inside the coil during the process of solidification of the melts.

The experimental work includes melting and casting samples of both metals with and without commercial grain refiners using four different moulds with different solidification properties. Casting with the electromagnetic field was done with both alloys, in a similar method, while using only the mould with the slowest solidification rate.

All samples were prepared for grain size analysis with a polarized light microscope. The preparations included cutting, sanding, polishing, etching and anodizing of the surface area. Conductivity was measured as an additional metric for discussion. The microstructure of each sample was analysed and compared.

The results gave a strong indication of grain refinement when using grain refiners depending on grain refiner type and alloy type. The EM field showed a minor change in grain structure. Most slow solidified samples showed large porosity formation during solidification. The observations and weak points of the experiment and the used methods were discussed.

In general terms, it can be concluded that grain refiners effect microstructure, especially for pure aluminium, while alloys are more difficult to grain refine. The solidification speed also has a significant impact on the microstructure and the formation of porosity. A next step in this field of work should be a validation of the EM castings with degassed metal to clarify the impact of EM fields on the microstructure, excluding the pores. Then the investigation of the effect of varying the frequency and the field strength should be further investigated.