Chemical Modification of Al-Mg2Si Eutectic With Additions of Calcium and Strontium

Abstract

Eutektiske og legeringer nær eutektisk komposisjon er vanlege å bruke til støping på grunn av ypperlige støpeegenskaper, og ein slik legering er Al-5Mg-2Si som danner ein stor andel av den eutektiske fasen Al-Mg2Si. Sjølv om dette eutektikumet påverkar støpeegenskapane positivt blir duktiliteten òg kraftig redusert på grunn av sprekkvekst i store plater av Al og Mg2Si i den eutektiske morfologien. Desse blir danna på grunn av laminær vekst, og målet med dette arbeidet var å raffinere den eutektiske morfologien gjennom kjemisk modifikasjon for å auke duktiliteten til legeringa. Totalt blei ti legeringer laga. Av desse blei fem modifisert med kalsium med målte konsentrasjonar av 90 ppm, 140 ppm, 330 ppm, 0.15 vektprosent og 0.84 vektprosent, der den sistnemnte blei produsert for å lage dei fire andre. Fire legeringar med konsentrasjonar av 50 ppm, 110 ppm, 230 ppm og 780 ppm blei òg produsert, i tillegg til ein umodifisert legering for referanse.

Alle tilsetningane som var prøvd modifiserte Al-Mg2Si eutektikumet til ulik grad. Med 90 ppm og 140 ppm kalsium blei den eutektiske lamelleavstanden redusert ved låg kjølehastighet, mens ved høgare kjølehastighet gjekk morfologien av Mg2Si frå plater til fibervekst. Ved høgare konsentrasjonar blei eutektikumet overmodifisert, og Mg2Si begynte å vekse som blokkaktige partiklar. I legeringane som var modifisert med strontium gikk Mg2Si frå plater til partikler forma som kuber, der fraksjonen av modifisert eutektikum auka med strontiumkonsentrasjon. Legeringa med 90 ppm kalsium viste ein betrakteleg auke i forlengelse, frå rundt 6% til 8%, mens dei resterande legeringane fekk redusert forlengelsen ved brudd.

Systematisk termisk analyse blei gjennomført for å studere størkeprossesen av legeringane ved å bruke TP-1 prøvar. Påverknaden av nukleasjontemperatur, nukleasjonunderkjøling og rekalescenstemperatur med ulike nivå av kalsium og strontium var kvantitativt bestemt. Det blei funnet ut at modifikasjonane med kalsium og strontium påverka underkjølinga av den eutektiske strukturen, og det er foreslått at nukleasjonen og veksten av eutektikumet ved lågare temperaturar kan betydeleg endre vekstmekanismen til partiklane av Mg2Si i eutektikumet.

Eutectic and near eutectic alloys are commonly used as casting alloys due to their superb casting properties. Al-5Mg-2Si is such an alloy that forms a large fraction of Al-Mg2Si eutectic during solidification. Although the eutectic structure contributes positively to the casting properties and final mechanical properties, it also lowers the ductility considerably as the interfaces of eutectic Al- and Mg2Si phases can work as easy crack propogation paths due to the large coarse plate morphology of the eutectic. These plates form due to lamellar growth, and the aim of this work is to refine the eutectic structure through chemical modification to increase the ductility of the cast alloy. Ten alloys were produced in total. Of these, five were modified with calcium with the measured addition levels of 90 ppm, 140ppm, 330 ppm, 0.15 wt% and 0.84 wt%, where the last one was used as a master alloy to produce the former. Four alloys with addition levels of 50 ppm, 110 ppm, 230 ppm and 780 ppm strontium were also produced, in addition to an alloy without any modification used for reference.

All of the attempted additions have successfully modified the Al-Mg2Si eutectic to some degree. At 90 ppm and 140 ppm calcium, the interlamellar spacing of the eutectic was significantly reduced at low cooling rate solidification conditions, while at higher cooling rate the morphology of the Mg2Si went from plated to fibrous. At higher levels of calcium the eutectic became overmodified, where the Mg2Si particles showed a ’blocky’ morphology. In the strontium modified alloys, the eutectic Mg2Si particles were altered from plate to cubic shape, where the fraction of the eutectic phase modified increased with strontium concentration. The alloy modified with 90 ppm calcium showed a significantly increased elongation, from approximately 6% to 8%, while the remaining alloys experienced a reduced ductility.

Systematic thermal analysis has been carried out to study the solidification behavior of the alloys by using TP-1 type samples. The influences on the nucleation temperature, nucleation undercooling and recalescence temperature of eutectic soldification at different addition levels of calcium and strontium were quantitatively determined. It is found that modifications both by calcium and strontium influence the nucleation undercooling of the eutectic structure, and it is proposed that the nucleation and growth of eutectic at lower temperature can significantly change the growth mechanism of the faceted Mg2Si particles in the eutectic.