Eutectic modification of Al-Si casting alloys [article]

Jenifer Barrirero, Universität Des Saarlandes, Universität Des Saarlandes
2019
iii ahora en esta hora inocente yo y la que fui nos sentamos en el umbral de mi mirada Alejandra Pizarnik iv v Abstract The change of microstructure of eutectic silicon from plate-to coral-like in Al-Si casting alloys is well known for enhancing their ductility. This is achieved by adding low concentrations of a modifying agent. Amongst the elements proposed as modifiers, only strontium, sodium and europium induce a plate-to-coral transition, while others such as ytterbium, only refine the
more » ... on plates. The exact mechanism for the remarkable plate-to-coral change, and the reason why certain elements only refine the structure, is still not completely understood. In this investigation, atom probe tomography and transmission electron microscopy were used to analyze and compare the crystal structure and the distribution of solute atoms in silicon at the atomic level. An unmodified alloy and alloys modified by strontium, sodium, europium and ytterbium were studied. Elements inducing silicon plate-to-coral transition were found to contain nanometer sized clusters at the defects in silicon with stoichiometries corresponding to compounds formed at the ternary eutectic reaction of each system. In contrast ytterbium, that only refines the silicon plates, is unable to form clusters in silicon. It is propose that the formation of clusters of AlSiNa, Al2Si2Sr and Al2Si2Eu at the silicon/liquid interface during solidification restrict silicon growth and increase growth direction diversity. The incorporation of clusters explains the high density of crystallographic defects and the structural modification. vi vii Zusammenfassung Die Zugabe geringer Konzentrationen eines Veredelungselementes in Al-Si-Gusslegierungen führt zu einer für die Duktilität günstigen Morphologieänderung des eutektischen Silizium. Dabei bewirken die Veredelungselemente Strontium, Natrium und Europium einen Übergang von einer platten-zu einer korallenartigen Morphologie, während andere wie Ytterbium nur das Eutektikum verfeinern. Der zu Grunde liegende Mechanismus ist noch nicht vollständig verstanden. In dieser Arbeit wurden mit Hilfe der Atomsondentomographie und der Transmissionselektronenmikroskopie die Kristallstruktur und die Verteilung der im Silizium gelösten Atome auf atomarer Ebene analysiert und verglichen. Eine unveredelte und durch Strontium, Natrium, Europium und Ytterbium veredelte Legierungen wurden untersucht. Es zeigt sich, dass Elemente, die eine korallenartige Morphologie erzeugen (Strontium, Natrium und Europium), nanometergroße Cluster an Defekten in Silizium bilden, deren Stöchiometrien den Verbindungen aus ternären eutektischen Reaktionen des jeweiligen Systems entsprechen. Im Gegensatz dazu werden durch Zusatz von Ytterbium keine Cluster im Silizium gebildet. Es wird gezeigt, dass die Bildung von Clustern aus AlSiNa, Al2Si2Sr und Al2Si2Eu an der Grenzfläche Silizium/Schmelze während der Erstarrung das Siliziumwachstum einschränkt und die Zahl der Wachstumsrichtungen erhöht. Die Einlagerung von Clustern in Silizium erklärt dessen hohe Dichte an kristallographischen Defekten und die Morphologieänderung. viii ix Popular Summary Air pollution is one of the top environmental concerns. Cars are responsible for around 12% of the total CO2 emissions in Europe. One way to reduce CO2 emissions and fuel consumption is to reduce the mass of vehicles, also called light-weighting. Light-weighting also plays an important role in the developing electro-mobility branch compensating for the high weight of batteries and improving energy efficiency. To significantly reduce the weight of a vehicle, we can focus on the materials' selection, for example, by replacing some steel or cast iron parts by light-weight aluminum parts. Aluminum has one third the density of iron allowing a reduction of up to 50% weight without compromising safety. This replacement is, however, not trivial. Strong and tough alloys based on aluminum need to be designed and optimized for this purpose. The mechanical properties and, consequently, the performance of an alloy can be controlled and improved by designing their microscopic structure. In the aluminum-silicon (Al-Si) alloys studied in this investigation, for instance, silicon grows in aluminum in the form of hard and brittle plates that can act as crack propagation paths deteriorating the resistance to fracture of the material. To enhance ductility, the morphology of silicon can be modified to a coral-like structure by adding a modifying agent. Amongst the several elements that have been proposed as potential modifiers, only strontium, sodium and europium induce the plate-to-coral transition, while other elements such as ytterbium, only refine the silicon plates. Although this modification has been used at the industrial practice in the last decades, the exact underlying mechanism for the remarkable plateto-coral change, and the reason why certain elements only refine the structure, is still not completely understood. This lack of knowledge hinders the control of the microstructure homogeneity in more complex alloys such as Al-Si-Mg and Al-Si-Mg-Cu. The reason why this structural modification has not been completely understood, in spite of almost 100 years of heavy investigation, is that the key of the effect lies at an extremely small length-scale. Only now with the possibility of combining two characterization methods with spatial, structural and chemical resolutions down to the atomic scale, we are capable of gaining further understanding. Atom probe tomography and transmission electron microscopy among other methods, were used in this investigation for a detailed study of the distribution of atoms in the silicon crystal of Al-Si alloys. In alloys containing elements that transform the silicon structure from plates to corals (strontium, sodium and europium), groups of atoms with fixed compositional relationships, were found inside the silicon crystal. In contrast, with the addition of ytterbium, which only refines the silicon plates, no clusters of atoms in silicon were found. We propose that the formation of clusters during the solidification of the casting parts restrict the x silicon growth. These clusters lead to increased growth direction diversity, explaining the formation of a coral-like structure. This new understanding contributes to the future control of the microstructure evolution of complex alloys at the industrial practice and the further enhancement and optimization of aluminum casting parts. xi Populärvetenskaplig sammanfattning Luftföroreningar är en av de viktigaste miljöfrågorna. I Europa står bilar för ungefär 12% av det totala utsläppet av CO2. Ett sätt att minska bränsleförbrukning och CO2-utsläpp är att minska fordonets massa, så kallade lättviktskonstruktioner. Lättviktskonstruktioner spelar också en viktig roll för elektrifieringen av transportsektorn genom att kompensera för batteriernas vikt och öka energieffektiviteten. Vikten på ett fordon kan signifikant minskas genom materialvalen, t.ex. kan vissa stål-och gjutjärnskomponenter bytas mot lättviktskomponenter i aluminium. Aluminiums densitet är ca en tredjedel av järns vilket möjliggör en viktsreduktion på 50% utan att tumma på säkerheten. Detta byte av material är dock inte trivialt. Höghållfasta och sega legering av aluminium måste designas och optimeras för detta ändamål. De mekaniska egenskaperna och följaktligen prestandan hos en legering kan kontrolleras och förbättras genom design av dess mikrostruktur. Till exempel, i de legeringar mellan aluminium och kisel (Al-Si) som studerats i denna avhandling så växer kislet in i aluminium och bildar hårda och spröda plattor som kan verka som spricktillväxtvägar som lättare ger upphov till materialbrott. För att öka segheten så kan kislets morfologi ändras till en koralliknade morfologi genom att tillsätta en modifierare. Av de många ämnen som föreslagits som möjliga modifierare är det endast strontium, natrium och europium som inducerar den eftertraktade övergången från plattor till koraller medans andra ämnen så som ytterbium endast förfinar kiselplattorna.Trots att denna modifiering har använts industriellt de senaste årtiondena så är fortfarande de underliggande mekanismerna för denna remarkabla förändring av plattorna inte förstådd. Avsaknaden av denna kunskap hindrar att oss från att kunna kontrollera mikrostrukturen hos mer komplexa legeringar så som Al-Si-Mg och Al-Si-Cu. Orsaken till denna strukturförändring är ännu inte förstådd, trots nästan 100 år av studier. Det beror på att nyckeleffekterna återfinns på en extremt liten längdskala. Endast nu är det möjligt att kunna studera detta genom att kombinera två karakteriseringsmetoder som tillsammans ger nödvändig spatial, strukturell och kemisk upplösning, dvs på atomär nivå. Atomsond och transmissionselektronmikroskopi, jämte andra metoder, användes i denna avhandling för detaljerade studier av atomernas placering i kiselkristallerna i Al-Si legeringar. I legeringar innehållande ämnen som modifierar Si-strukturen (strontium, natrium och europium) hittades endast dessa ämnen grupperade till små områden i kiselkristallen med en och samma sammansättning, s.k. kluster. Det står i kontrast till de ämnen som enast förfinanade kiselplattorna där sådana kluster inte kunde hittas. Vi föreslår att bildandet av kluster under framställningsprocessen av de gjutna detaljerna begränsar tillväxten av kiselkristaller. Dessa xii kluster leder till en större variation i tillväxtriktning som också förklarar bildandet av en koralliknande struktur. Denna nya förståelse bidrar till en framtida kontroll av mikrostrukturutvecklingen av gjutna komplexa aluminiumlegeringar så att förbättrade och optimerade lättviktdetaljer kan framställas industriellt. xiii Vereinfachte Zusammenfassung Die Luftverschmutzung ist eines der größten Umweltprobleme. Pkw sind für rund 12% der gesamten CO2-Emissionen in Europa verantwortlich. Eine Möglichkeit, den Kraftstoffverbrauch und damit den CO2-Ausstoß zu reduzieren, besteht darin, die Masse der Fahrzeuge zu reduzieren, was auch als Leichtbau bezeichnet wird. In der zunehmend an Bedeutung gewinnenden Elektromobilitätsbranche spielt der Leichtbau ebenfalls eine wichtige Rolle, da er das hohe Gewicht der Batterien kompensieren und damit die Energieeffizienz verbessern kann. Eine deutliche Reduzierung des Fahrzeuggewichts ist durch eine geeignete Materialauswahl möglich, indem beispielsweise einige Stahl-oder Eisengussteile durch leichte Aluminiumteile ersetzt werden. Aluminium hat ein Drittel der Dichte von Eisen, was eine Gewichtsreduzierung von bis zu 50% ermöglicht, ohne die Sicherheit zu beeinträchtigen. Dieser Ersatz ist jedoch nicht trivial, da feste und zähe Legierungen auf Aluminiumbasis für diesen Zweck entwickelt und optimiert werden müssen. Die mechanischen Eigenschaften und damit die Leistungsfähigkeit einer Legierung können durch die Gestaltung ihrer Mikrostruktur, dem Gefüge, kontrolliert und verbessert werden. In den in dieser Untersuchung untersuchten Aluminium-Silizium (Al-Si) -Legierungen liegt Silizium beispielsweise in Form von harten und spröden Platten im Aluminium vor, die als Rissausbreitungspfade fungieren können und die Bruchfestigkeit des Materials beeinträchtigen.
doi:10.22028/d291-29834 fatcat:bshwxjsfkbhifbzdrgm5ra55ty