Effect of additives on the mechanical properties and machinability of a new aluminum-copper base alloy

Le présent travail vise à étudier les effets des additifs sur les propriétés mécaniques ainsi que sur l'usinabilité d'un nouvel alliage de fonderie, le 220 (Al-2%Cu-1.3%Si-0.4%Mg), destinés à des applications automobiles. Ce travail de recherche a été accompli à travers deux types d'étude : (i) l'étude des propriétés mécaniques (ii) et l'étude de l'usinabilité. L'étude des propriétés mécaniques visait à examiner les effets du Sr, Ti, Zr, Fe, Mn et Ag en plus des éléments de décolletage, Sn et Bi, sur les propriétés mécaniques de l'alliage 220 aux conditions tel que coulée et traitée thermiquement. Les propriétés mécaniques en question incluant la traction, la dureté et la resilience lesquelles ont tous été évaluées à la température ambiante. L'étude de l'usinabilité a été consacrée à l'examen des performances de perçage et de taraudage de quatre alliages basés sur le 220 ainsi que sur l'alliage A206 qui a été sélectionné dans le but d'une étude comparative sur l'usinabilité sur celui-ci et celle du 220. Les quatre alliages sélectionnés parmi les alliages préparés pour la première étude incluent : (i) l'alliage 220, (ii) l'alliage 220 + Ti + Zr, (iii) l'alliage 220 + Ti + Zr + Sn et (iv) l'alliage 220 + Ti + Zr + Bi. Les performances d'usinage ont été évaluées en terme de force de coupe, de moment de coupe et de durée de vie de l'outil aussi bien que par la caractérisation des copeaux. La durée de vie de l'outil est exprimée en termes de nombre de trous percés ou taraudés avant que l'outil ne cède. Une évaluation microstructurale révèle que les phases A^Cu, AlsMgsSiôCui, et le script chinois ct-Ali5(Fe,Mn)3Si2 sont les principaux constituants de la microstructure de l'alliage 220. L'absence de particule libre de Si dans la microstructure implique que le silicium a été consommé sous forme de phases intermétalliques Al-Fe-Si et Al-Cu-Mg-Si. Les plaquettes de la phase /J-AlsFeSi ne sont pas en évidence en raison du haut ratio Mn: Fe (~ 1) de l'alliage 220 qui favorise la formation de la phase ct-Fe au dépend de la phase /?-Fe. L'ajout de Sr affine la morphologie de la phase de script chinois ct-Fe dans une certaine mesure, résultant à une distribution égale des particules de cette phase dans la matrice d'aluminium. L'ajout combiné de Ti et Zr provoque une diminution de la taille des grains de 68% par rapport à l'alliage de base 220 non-affiné. Cette réduction peut-être attribuable à la formation de particules Zr-Ti qui agissent comme sites de nucléation pour les petits grains équiaxes de a-Al. Les précipités d'étain formant les particules /?-Sn qui apparaissent sous forme de petites grappes réparties aléatoirement, se solidifient habituellement au sein du réseau de phase AI2CU. Après le traitement thermique, des particules de Bi et de /?-Sn ont été trouvés non dissoutes dans la matrice d'aluminium, rendant ainsi possible leur action de décolletage pendant l'usinage. L'évaluation des propriétés mécaniques montrent que l'effet du Sr sur les propriétés mécaniques à l'égard de la modification du silicium eutectique n'entre pas enjeu et ce en raison de la faible teneur en Si. Le rôle du Sr d'affiner la morphologie de la phase de script chinois a-Fe contribue à une légère amélioration de la ductilité et la ténacité. L'ajout de zirconium produit une amélioration marquée des propriétés mécaniques dans la condition telle que coulée et après traitement thermique en raison de son action d'affinage de grains.1 1 Une quantité excessive de Fe augmente la précipitation des particules de script eliiiiuis u-Fe réduisant ainsi les propriétés de traction et de resilience. L'ajout subséquent de Mn augmente légèrement la limite élastique et la limite ultime sans créer de changement observable pour la ductilité et la ténacité. Contrairement aux attentes, l'ajout d'argent ne produit pas d'augmentation considérable dans les propriétés de résistance (YS et UTS) ou dans les valeurs de dureté pour les conditions traitées. Ces résultats sont attribuable à la présence de Si qui favorise la formation de la phase Mg-Si au début du vieillissement, qui à son tour réduit le nombre de co-amas Mg-Ag, appelés à servir de sites de nucléation efficaces pour les précipités de durcissement. L'addition de Sn diminue les propriétés de résistance et les valeurs de dureté mais augmente la ductilité et la ténacité dans l'état tel que coulé en raison de l'effet d'adoucissement de la phase Sn. Dans les conditions de traitement, la réduction causés aux propriétés de résistance et de dureté est principalement attribuable à la formation de porosité associée à la fonte de Sn pendant le traitement de mise en solution et le remplacement du Si par le Sn dans les composés de Mg, ce qui à son tour, entrave la précipitation de la phase de Mg lors du durcissement. La présence de Bi sous forme de particules fragiles non dissoutes réduit mécaniquement les propriétés de traction et de resilience dans l'état tel que coulé. Ces particules, en liaison avec l'interaction Bi-Mg qui consomme le Mg libre disponible pour former la phase de durcissement Mg, sont responsables de la réduction causée aux propriétés mécaniques dans les conditions traitées. Les caractéristiques de vieillissement révèlent qu'un traitement à 180°C entraîne un durcissement de l'alliage pour des temps allant de 2 à 16 heures, alors qu'un traitement à 220°C cause un sur-revenu qui occasionne un adoucissement après 2 heures de vieillissement. La présence de plusieurs phases de durcissement dans le système d'alliage Al-Cu-Si-Mg, y compris 9 (AI2CU), /? (Mg2Si), et Q (AlsMggSiôCui), qui ne doivent pas céder à tous croissance simultanément, conserve les propriétés de résistance et les valeurs de dureté à des niveaux élevés, sans aucun recul pour un vieillissement à 180°C allant jusqu'à 16 heures. Basé sur cette enquête, afin de maintenir un compromis satisfaisant entre la résistance et la ductilité, un traitement T6, réalisé à 180°C pour des temps de vieillissement allant de 2 à 8 heures, est recommandé pour le nouvel alliage Al-Cu. Pour les essais d'usinage, les résultats montrent que tous les alliages étudiés ont atteint un taux d'usinabilité supérieur tout en respectant la durée de vie de l'outil qui peut dépasser 2500 trous. Ces résultats pour la durée de vie de l'outil sont compatibles avec le fait qu'il n'y a pas eu d'usure importante sur le foret ou de changement observable dans la largeur de la l'arête (BUE) pendant le processus de forage. L'addition de Sn et Bi améliore considérablement l'usinabilité en diminuant la force totale de forage pendant la période d'évaluation par des valeurs moyennes de 14% et 25%, respectivement, par rapport à l'alliage de base 220. Le moment total de forage a été réduit d'à peu près les mêmes valeurs. Une inspection des copeaux de forage révèle que les alliages de base 220 produits des copeaux en forme d'éventail à l'exception des alliages contenant du Bi, les copeaux ont tendance à prendre une forme d'aiguille. L'ajout de Bi augmente la fragmentation des copeaux de 70% par rapport à l'alliage de base 220, alors qu'aucun changement pour lesIl l caractéristiques des copeaux a été causé par l'addition de Sn. De par sa ductilité supérieure, l'alliage A206 est apte à produire des copeaux coniques longs et continus et affiche une fragmentation qui est 32% inférieure à celle de l'alliage 220. Les résultats de taraudage montrent que les additifs ont le même effet sur la force et le moment de taraudage que celle observée pour les essais de forage. Le taraud, cependant, affiche une durée de vie plus courte par rapport à le foret pour toutes les conditions d'alliage étudiées. Une telle diminution de la durée de vie peut être attribuable à une plus grande sensibilité du taraud en acier rapide à l'effort de coupe par rapport au foret en carbure. Une étude comparative menée sur le comportement d'usinage de l'alliage 220 et celui des alliages A206, 356, B319, A319 révèle que l'alliage 220 peut être proposé comme une alternative moins dispendieuse et plus légère pour une utilisation dans les applications d'usinage des alliages A206. Cette conclusion est solidement fondée sur la convergence des résultats pour les deux alliages à l'égard des forces et des moments de forage, ainsi que sur l'amélioration relative des caractéristiques des copeaux obtenus de l'alliage 220. La comparaison montre également que l'usinabilité de l'alliage 220 peut être un compromis acceptable entre ceux des alliages 356 et B319, d'une part, et celle de l'alliage A319 de l'autre

Effect of quenching rate on precipitation kinetics in AA2219 DC cast alloy

Slow quenching of direct chill (DC) cast aluminum ingot plates used in large mold applications is often used to decrease quench-induced residual stresses, which can deteriorate the machining performance of these plates. Slow quenching may negatively affect the mechanical properties of the cast plates when using highly quench-sensitive aluminum alloys because of its negative effect on the precipitation hardening behavior of such alloys. The effect of the quenching rate on precipitation kinetics in AA2219 DC cast alloy was systematically studied under water and air quenching conditions using differential scanning calorimetry (DSC) technique. Transmission electron microscopy (TEM) was also used to characterize the precipitate microstructure. The results showed that the precipitation kinetics of the θ′ phase in the air-quenched condition was mostly slower than that in the water-quenched one. Air quenching continuously increased the precipitation kinetics of the θ phase compared to water quenching. These results revealed the contributions of the inadequate precipitation of the strengthening θ′ phase and the increased precipitation of the equilibrium θ phase to the deterioration of the mechanical properties of air-quenched AA2219 DC cast plates. The preexisting GP zones and quenched-in dislocations affected the kinetics of the θ′ phase, whereas the preceding precipitation of the θ′ phase affected the kinetics of the θ phase by controlling its precipitation mechanism

Effect of transition elements on dispersoid formation and elevated-temperature mechanical properties in 6082 aluminum alloy

The effect of transition elements, specifically Mn, Cr, V, and Mo, on dispersoid formation and mechanical properties in 6082 aluminum alloy was studied. The elevated-temperature mechanical properties were evaluated based on the compressive yield strength and creep resistance. The results indicated that the addition of Mn to the 6082 alloy resulted in the formation of a large number of the thermally stable α-Al(MnFe)Si dispersoids, thereby significantly improving the elevated-temperature mechanical properties of the alloy. Subsequent additions of Cr, V, and Mo increased the amount of Mn-bearing intermetallic phases, which decreased the supersaturation levels of Mn and Si in the α-Al, and consequently decreased the volume fraction of the dispersoids. The alloys containing Cr, V, and Mo exhibited similar yield strengths at 300°C and higher yield strengths at room temperature compared to the alloy containing only Mn. The size effect of the smaller dispersoids containing Cr, V, and Mo together with the solid-solution hardening of these elements could balance out the strength decrease resulting from the decreased volume fraction of the dispersoids. The additions of Cr, V, and Mo significantly increased the creep resistance of the Mn-containing 6082 alloy. Vanadium induced the highest creep resistance followed by Cr and Mo. Solute atoms of these elements with low diffusivity in the aluminum matrix contributed significantly to increasing the creep resistance at 300°C

Differential scanning calorimetry fingerprints of various heat-treatment tempers of different aluminum alloys

Heat-treatable cast and wrought aluminum alloys are widely used for structural applications in the automobile and aerospace industries. To assess and diagnose the production and quality problems related to industrial heat treatments, differential scanning calorimetry (DSC) was used as a tool in the present work to determine the thermal histories of samples that had undergone different tempers of three commonly used aluminum alloys, namely a high-pressure die-cast AlSi10Mg0.3Mn alloy, permanent-mold cast Al-Si-Cu 319 alloy, and extruded Al-Mg-Si AA6082 alloy. Various peaks detected in the DSC curves were analyzed and characterized to identify the precipitation/dissolution reactions of metastable phases, aiming to establish a “fingerprint” of each temper of the three experimental alloys. Results showed that both the number and size of exothermic peaks varied with the temper owing to distinct precipitation behaviors, providing an effective means of fingerprinting the various tempers. Meanwhile, electrical conductivity and microhardness data provided the supplementary support for the fingerprinting. The thermal histories of three experimentally heat-treated alloys were well traced and distinguished by the combination of DSC characteristics and electrical conductivity and microhardness results, promoting the DSC application in the quality control and verification of industrial heat treatments. In addition, the microstructures after the various tempers were observed to confirm the evolution of the precipitation reactions revealed in the DSC curves

Effects of La and Ce Addition on the Modification of Al-Si Based Alloys

This study focuses on the effects of the addition of rare earth metals (mainly lanthanum and cerium) on the eutectic Si characteristics in Al-Si based alloys. Based on the solidification curves and microstructural examination of the corresponding alloys, it was found that addition of La or Ce increases the alloy melting temperature and the Al-Si eutectic temperature, with an Al-Si recalescence of 2-3°C, and the appearance of post-α-Al peaks attributed to precipitation of rare earth intermetallics. Addition of La or Ce to Al-(7–13)% Si causes only partial modification of the eutectic Si particles. Lanthanum has a high affinity to react with Sr, which weakens the modification efficiency of the latter. Cerium, however, has a high affinity for Ti, forming a large amount of sludge. Due to the large difference in the length of the eutectic Si particles in the same sample, the normal use of standard deviation in this case is meaningless

Improving the elevated-temperature mechanical properties of AA3004 hot-rolled sheets by microalloying with Mo and optimizing the process route

The present work investigated the influence of Mo addition and thermomechanical process routes on microstructural evolution and elevated-temperature mechanical properties of Al–Mn–Mg 3004 alloys. Various combinations of heat treatment and hot rolling were applied to fabricate hot-rolled sheets. The results revealed that microalloying with Mo and two-step heat treatment increased the number density and volume fraction of dispersoids and decreased the volume fractions of dispersoid-free zones. The different processing routes had important impacts on microstructural evolution. The alloys processed with heat treatment followed by hot rolling had finer and better distributions of dispersoids than those subjected to hot rolling prior to heat treatment. The former resulted in higher tensile strengths at room and elevated temperatures. Among all conditions, the Mo-containing alloy subjected to two-step heat treatment followed by hot rolling exhibited the highest elevated-temperature properties and reached a yield strength of 93 MPa at 300 °C. Both the base and Mo-containing alloys subjected to two-step heat treatment followed by hot rolling showed excellent thermal stabilities up to 350 °C and almost no significant change in yield strengths after thermal exposure at 300–350 °C for 100 h

Effect of Blend of Metanil Yellow and Tartrazine on Different Organs of Albino Rat

Background: Tartrazine and metanil yellow are organic azo dyes widely used in food products, drugs, and cosmetics. The present study was conducted to evaluate the toxic effect of these food colors on the liver, and kidneys of albino rats. The study also evaluates the protective effect of quercetin as an antioxidant against the toxic effect of these food colors.Methods: Eighty adult albino rats were divided into 8 groups. Control group, 3 groups were treated with a blend of tartrazine and metanil yellow in 3 doses of 25, 50, and 75 mg/kg for 30 days by gavage, one positive control group was treated with quercetin 50 mg/kg for 30 days, and three groups were treated with the blend of tartrazine and metanil yellow plus 50 mg/kg of quercetin. At the end of the experiment, serum samples were collected to evaluate liver and kidney functions. Liver, kidney samples were fixed in 10% formalin and routinely prepared for paraffin sectioning and staining for histopathological examination. Results: The study showed a significant elevation of liver and kidney function after treatment with the food color blend. Also, a significant improvement in liver and kidney function was observed after treatment with quercetin. Histopathological examination showed mild to moderate changes in the liver and kidney which improved after quercetin treatment.Conclusion: The current sub-chronic study concluded that a blend of tartrazine and metanil yellow caused significant biochemical and histological changes in different organs of albino rats. Therefore, prolonged consumption of these substances leads to adverse effects on human health. Also, quercetin is vital in protecting the body against the toxic effects of food color blends

Effect of Si Level on the Evolution of Zr‐Bearing Dispersoids and the Related Hot Deformation and Recrystallization Behaviors in Al–Si–Mg 6xxx Alloys

The precipitation behavior of Zr-bearing dispersoids is investigated in Al–Si–Mg 6xxx alloys with different Si levels (0.4, 0.7, and 1.0 wt%) at three homogenization temperatures (450, 500, and 550 °C). The hot deformation behavior is studied using uniaxial compression tests at different Zener–Hollomon parameters. The microstructure evolution during hot deformation and postdeformation annealing is evaluated using the electron backscatter diffraction technique. The results show a significant influence of the Si level and homogenization temperature on the precipitation of two types of Zr-bearing dispersoids. Si promotes the precipitation of both spherical L12–Al3Zr and elongated DO22–(Al,Si)3(Zr,Ti) dispersoids during low-temperature homogenization. However, it accelerates the transformation of Zr dispersoids from L12 to DO22 at high homogenization temperature. The flow stress is more influenced by the solid solution level and hot deformation parameters rather than by the dispersoid distribution. The fine dense L12–Al3Zr dispersoids provide higher recrystallization resistance during postdeformation annealing compared with the large elongated DO22–(Al,Si)3(Zr,Ti) dispersoids. Owing to the uniform distribution of dispersoids and limited dispersoid-free zones, the high Si alloy (1.0%) exhibits best recrystallization resistance among the three alloys studied

On the Room- and Elevated-Temperature Tensile Properties of Hot-Rolled 6082 Alloys Containing Thermally Stable Dispersoids

The microstructural evolution and room/elevated-temperature tensile properties of Al-Mg-Si 6082 alloys subjected to thermomechanical processing (homogenization, hot rolling, T6 heat treatment, and thermal exposure) were investigated. Four experimental 6082 alloys were studied, including a Mn-free base alloy and three alloys containing Mn individually and in combination with Cr + V or Mo, in which a number of α-Al(MnFe)Si, α-Al(MnFeCrV)Si and α-Al(MnFeMo)Si dispersoids were formed, respectively. The results showed that both α-Al(MnFeCrV)Si and α-Al(MnFeMo)Si dispersoids had a higher coarsening resistance compared to α-Al(MnFe)Si dispersoids. The presence of α-dispersoids hindered the formation of Mg-Si clusters, which decreased the precipitation of β″-MgSi precipitates, resulting in reductions in room-temperature strengths. During thermal exposure at 300 °C, the α-dispersoids remained thermally stable and became the predominant strengthening phase, resulting in increases of 71 to 126% in the yield strength at 300 °C relative to the base alloy without dispersoids. Among the three dispersoid-containing alloys studied, the alloy containing Mn and Mo exhibited the highest yield strength of 70 MPa at 300 °C, providing the best combination of room- and elevated-temperature tensile properties

Effects of Zr and Sc additions on precipitation of α-Al(FeMn)Si dispersoids under various heat treatments in Al–Mg–Si AA6082 alloys

The present work investigated the influence of Zr and Sc on the evolution of α-Al(FeMn)Si dispersoids (“α-dispersoids") in Al–Mg–Si alloys. Both the individual addition of Zr and the combined additions of Sc and Zr increased the size but decreased the number density of the α-dispersoids, indicating the reduction in the formation of α-dispersoids. However, the reduction levels were the most significant when heat-treated at 350 °C in the alloy with both Sc and Zr and at 400 °C in the alloy with only Zr, which were likely related to the different interactions between intermediate B’ precipitates and α-dispersoids with the addition of Zr and Sc. Although the α-dispersoids were suppressed in the Zr/Sc-containing alloys, their microhardness was generally higher than the base alloy, which can be attributed to the strengthening contribution induced by Zr and Sc either from their solid solution hardening or the precipitation hardening of Al3Zr/Al3(Sc, Zr) dispersoids