Effect of Fe-rich intermetallics on tensile behavior of Al-Cu 206 cast alloys at solid and near-solid states

Iron is one of the most common impurity elements in Al-Cu 206 cast alloys as it often causes the precipitation of Fe-rich intermetallic phases during solidification due to its extremely low solid solubility in aluminum. The characteristics of the Fe-rich intermetallics, such as type, morphology, size, and distribution, have significant influences on the tensile behaviors of the Al alloys. In the present work, two Al-Cu 206 cast alloys containing different types of Fe-rich intermetallics (dominated by either platelet β-Fe or Chinese script α-Fe) were cast and their tensile tests were performed at both solid (room temperature) and near-solid (2.8 vol. % liquid) states. It is found that the tensile properties in both solid and near-solid states are improved when the Fe-rich intermetallics change from platelet to Chinese script morphologies. During the solid state tensile deformation, the failure occurs mainly along the platelet β-Fe intermetallics/Al matrix interface or within the Chinese script α-Fe particles. In the near-solid state, the alloy containing mainly Chinese script α-Fe is found to have more free flow paths for liquid feeding, leading to improved tensile properties. By contrast, the platelet β-Fe can cause the blockage of the liquid flow paths, leading to the degraded tensile properties and worsened susceptibility to hot tearing

Influence of alloying elements iron and silicon on mechanical properties of aluminum-copper type B206 alloys

Les alliages d'aluminium gagnent un peu plus de terrain comme matériaux de premier choix et plus particulièrement dans les industries du transport où le rapport résistance mécanique/poids est de première importance. L'activité croissante dans le recyclage des automobiles usées en vue de diminuer les coûts de production conduit à la contamination du métal produit par le fer provenant des équipements de fonderie et du métal recyclé. Ce fer qui ne peut être immédiatement retiré de l'aluminium liquide par les méthodes conventionnelles de traitement en fonderie rend la production industrielle des alliages à faible teneur en fer cher et limite l'utilisation de ces derniers. L'alliage d'aluminium B206 dont la composition nominale maximise à 0.1% la teneur en fer rentre dans cette catégorie. L'objectif principal de ce travail de recherche était donc d'augmenter la teneur en fer dans cet alliage sans conséquences fatales sur les propriétés mécaniques afin qu'il puisse être produit par recyclage et devenir compétitif par rapport à son prix. Ceci à été fait en neutralisant le fer par le silicium et réalisé en étudiant l'influence des additions de fer et de silicium sur la solidification, la fissuration à chaud, et les propriétés mécaniques des alliages d'aluminium de type B206. Les études sur la solidification ont été réalisées parce que les propriétés mécaniques finales d'un matériau dépendent grandement de sa microstructure tel que coulée, donc de son historique de solidification. Différents rapports de Fe/Si et deux vitesses de refroidissement (faible et élevé) ont été utilisés, les autres éléments mineurs d'alliage maintenus presque constant. Pour chaque rapport Fe/Si, deux teneurs en cuivre ont été utilisées afin d'évaluer son importance. Les coulées ont été réalisées dans des petits moules pouvant former des échantillons d'environ 80 grammes en poids. Les données de solidification étaient l'évolution de la température en fonction du temps fournies par deux thermocouples placés dans le métal liquide au centre et tout près du bord du moule avant le début de la solidification Les techniques de caractérisation utilisées inclus l'analyse thermique et la simulation thermodynamique pour déterminer le parcours de solidification. Pour l'identification des phases, nous avons réalisé des analyses par microsonde et microscopie électronique à balayage (MEB). La microscopie optique couplée à l'analyseur d'image a été utilisée pour la quantification. Afin d'optimiser les traitements thermiques, la calorimétrie différentielle à balayage (DSC) a été utilisée. Les études sur la fissuration à chaud ont été réalisées parce que ce défaut est inhérent aux alliages aluminium-cuivre et préjudiciable aux propriétés mécaniques. Un moule à barres contraintes à été utilisé dans cette étude. C'est un moule en fonte dont la cavité est capable de produire quatre barres contraintes cylindriques de 12,7mm de diamètre avec des longueurs nominales de 50.8mm, 88.9mm, 127mm, et 165.1mm. Les compositions chimiques des alliages utilisés étaient assez similaires de celles utilisées lors de l'étude sur la solidification telles que la différence ne puisse significativement affectée le résultat. Les techniques de caractérisation utilisées inclus la détermination physique de la sensibilité à la fissuration à chaud des alliages par l'indexation des fissures et la détermination théorique par la méthode de l'intervalle de vulnérabilité des alliage. Les propriétés mécaniques ont été évalués à température ambiante à travers les essais de dureté, de traction et d'impact sur les échantillons dans les conditions telles que coulée et traités thermiquement. Les mesures de dureté ont été réalisées à l'aide d'un microduromètre de type Clemex contrôlé par ordinateur, ayant une capacité de 10 à 10000 gf et pouvant produire des méthodes de test Vickers et Knoop en accord avec les standards ASTM E-384. Les propriétés en traction ont été déterminées à l'aide d'une machine servo- hydraulique de type MTS. Les propriétés en impact ont été évaluées en utilisant une machine de type Charpy. Le même métal liquide utilisé pour la caractérisation de la fissuration à chaud à été coulé dans un moule de type ASTM B-108 et un moule en acier doux pour la production des échantillons nécessaires aux tests respectivement de traction et d'impact. Les temps de mise en solution de 2, 3, 4, 5, 6, 8, et 16 heures ont été utilisés suivis du vieillissement naturel et/ou artificiel dépendamment du rapport Fe/Si dans l'alliage. Les mesures de dureté ont été réalisées sur les échantillons préparés à partir des barres fracturées lors du test de traction et qui ont aussi servies pour la caractérisation microstructurale. Les résultats des études sur la solidification montrent que le fer est principalement précipité soit sous la forme de phase P(CuFe) ou a(MnFe) ou des deux dépendamment aussi bien de la teneur en fer et en silicium de l'alliage que du taux de refroidissement. Dans les alliages ayant une teneur massique en fer d'environ 0.3%, la précipitation de la phase P(CuFe) peut être largement supprimée si le rapport Fe/Si est de 1 et le taux de refroidissement modérément élevé. La faible mobilité de la large facette des plaquettes de la phase P(CuFe) est probablement la cause de sa faible quantité, plus particulièrement quand les atomes de fer ont la possibilité d'être capturés par une autre phase, dans ce cas la phase a(MnFe). Les résultats des études sur la fissuration à chaud montrent que la susceptibilité dans ce cas est grandement influencée par le rapport Fe/Si et la concentration nominale de chacun de ces éléments. Cette influence est exercée par la détermination de la quantité de métal liquide présente à la température eutectique et le temps passé en régime vulnérable. La meilleure résistance est obtenue avec un rapport proche de 1 et des faibles concentrations de fer et de silicium. La résistance baisse lorsque ce rapport s'éloigne de 1. Plus le rapport est élevé, plus mauvais est la résistance à la fissuration à chaud, spécialement avec un rapport de deux et plus. Les résultats des tests mécaniques montrent que les propriétés sont grandement influencées par le rapport Fe/Si et la concentration nominale de chacun de ces éléments, les meilleures propriétés étant obtenues avec un rapport Fe/Si proche de 1 et des faibles concentrations de fer et de silicium, en accord avec les résultats obtenus lors des études sur la solidification et la fissuration à chaud. Deux paramètres principaux ont été identifiés comme déterminants les propriétés des alliages traités thermiquement; la solubilité de la phase AI2CU et l'accroissement de l'espace inter-dendritiques. Les résultats des expériences présentes montrent qu'en doublant ou en triplant la limite actuelle de 0.1% de fer tout en gardant un rapport Fe/Si de 1, il n y aura aucune difficulté à atteindre au vieillissement naturel (T4) la ductilité minimale de 7% requise par l'industrie automobile tout en augmentant les résistances élastique et mécanique du matériau. Par rapport aux valeursVI maximales de déformation calculées, la perte en ductilité pourrait même être réduite à environ 2.5% avec une amélioration dans la pratique de coulée. Au vieillissement artificiel (T7), il sera très difficile voir impossible d'atteindre la ductilité minimale de 7% requise par l'industrie automobile avec 0.2%Fe et 0.2%Si, alors que avec 0.3%Fe et 0.3%Si c'est probablement impossible. L'énergie d'impact montre une bonne corrélation avec la ductilité en traction, les résultats montrent que la baisse en énergie absorbée par les alliages contenant environ (0.2%Fe, 0.2%Si) et (0.3%Fe, 0.3%Si) en comparaison à l'alliage B206 est reliée à l'énergie de propagation des fissures. Dans les conditions expérimentales actuelles, ces alliages présentent une ductilité inférieure a celle de l'alliage de base B206, mais largement supérieure a celles de certains alliages tels que le A3 56 et le A319 présentement utilisés dans l'industrie automobile. A cet effet, ils méritent une certaine attention

Hot tearing of aluminum-copper B206 alloys with iron and silicon additions

Hot tearing of B206 aluminum alloys with additions of iron and silicon was studied with constrained mould casting (CRC) to investigate the combined effect of these additions on hot tear resistance. Susceptibility to hot tearing was found to increase gradually with iron content when the conditions were favorable to the formation of the β(FeCu) phase. Additions of silicon with a Fe/Si mass ratio ≤ 1 and high cooling rates, which together promote the α(MnFe) phase at the expense of the β(FeCu) phase, were found beneficial to the hot tearing resistance. Hot tearing sensitivity (HTS) of the alloys was evaluated with a new index defined to reflect the compliance of the torn specimens. This index showed a very good correlation with the Katgerman's hot tearing index (HCS), providing that one defines the temperature where inadequate feeding starts to be the temperature where 2% of the interdendritic volume is occupied by intermetallic phases. Examinations of the tear surfaces and profiles revealed that a premature crack opening created by insufficient healing correlates well the explanations based on the theoretical hot tearing index. The deleterious effect of iron on hot tearing was demonstrated on alloys having a coarse grain microstructure having Ti contents below or equal to 0.01. wt%. Above this limit, fine grain microstructures were obtained and the influence of iron was not strong enough to have a significant impact on the castings produced

Mechanical properties of aluminium-copper B206 alloys with iron and silicon additions

Mechanical properties of B206 aluminium alloys with additions of iron and silicon were studied to investigate the combined effect of these additions on tensile strengths and ductility. Properties are highly influenced by the iron to silicon ratio and the nominal concentration of the single elements. The best properties were obtained with both a ratio close to one and low concentrations of iron and silicon. Present experimental results show that it is possible to multiply by two or three the present limit of 0·1 wt-%Fe in these alloys at natural aging (T4) and still obtain the minimum of 7% elongation required by the automotive industry. At artificial aging (T7), it will be very difficult however to reach the 7% elongation with ~0·2 wt-%Fe and 0·2 wt-%Si, while this seems impossible with ~0·3 wt-%Fe and 0·3 wt-%Si. It was found that macrosegregation of Cu in the gage section of the ASTM B108 test bars is responsible for an enrichment of 0·8-0·9 wt-%of this element in the test zone. This has produced microstructures saturated in Cu with little Al 2Cu phase remaining after the solution heat treatment. Owing to the low amount of this phase and the round shape of the particles, the remaining Al 2Cu phase did not have a significant impact on the ductility. One benefit of working with a Cu saturated microstructure is that one can estimate the true temperature of the solution heat treatment by conducting a post-analysis of Cu content in the dendrites. This should be helpful to reduce the variability in properties and to improve the temperature distribution in heat treating furnaces

Solidification of aluminum-copper B206 alloys with iron and silicon additions

Solidification of B206 aluminum alloys with additions of iron and silicon was studied to investigate their combined effect on the formation and precipitation of intermetallics, particularly Fe-rich phases. Iron is precipitated mainly by either \u3b2(CuFe) or \u3b1(MnFe) phases, or both depending of the iron and silicon content, as well as the cooling rate. It was found that in alloys having up to 0.3 wt pct Fe, the precipitation of \u3b2(CuFe) phase can be largely suppressed if the ratio Si/Fe is close to 1 and the cooling rate is moderately high. The low mobility of the large facets of the \u3b2(CuFe) platelets is likely the cause limiting the amount of this phase, especially when the iron atoms have the possibility to be captured by another phase, in this case, the \u3b1(MnFe) phase.Peer reviewed: YesNRC publication: Ye