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Solidification of iron-rich intermetallic phases and their effects on tensile properties in Al-Cu 206 cast alloys

机译：Al-Cu 206铸造合金中富铁金属间相的凝固及其对拉伸性能的影响

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摘要

The Al-Cu 206 cast alloys have been widely used in automotive and aerospace industries due to the high strength and good elevated temperature properties. However, this family alloys have an extremely low upper limit for the iron content (usually less than 0.15 wt. %) because the presence of more Fe can cause a great loss of the mechanical properties, particularly the ductility. With the increasing use of the recycled aluminum alloys, the requirement for extremely low iron contents has become a main concern in terms of the manufacturing technique and cost. Therefore, manufacturing premium castings with higher iron contents has become a great challenge.ududIn this study, the solidification behavior of the iron-rich intermetallics and the effect of alloy composition, cooling rate and solution heat treatment on the iron-rich intermetallics were systematically investigated in 206 cast alloys at 0.15, 0.3 and 0.5 wt. % Fe. The effect of the iron-rich intermetallics on the tensile properties was also evaluated. An optical microscope, a scanning electron microscope and a transmission electron microscope were used to observe the microstructures and analyze the volume fraction of the iron-rich intermetallics as well as the fracture surface. The solidification sequences of 206 cast alloys at 0.15-0.5 wt. % Fe were well established. The experimental results in the present thesis are divided into four parts.ududIn the first part, the iron-rich intermetallics in 206 cast alloys at 0.15 wt. % Fe were studied. It was found that Chinese script a-Fe and platelet-like B-Fe can precipitate and coexist in the finally solidified alloy and the individual addition of either Mn or Si promotes the formation of a-Fe and hinders the occurrence of B-Fe. The critical cooling rate to effectively suppress the formation of B-Fe depends on the alloy composition. A casting process map is established to correlate the Mn and Si contents with cooling rate for the 206 cast alloys.ududIn the second part, the iron-rich intermetallics in 206 cast alloys at 0.3 wt. % Fe were investigated. Platelet B-Fe and Chinese script a-Fe were observed in the solidified samples. Both the a-Fe and B-Fe phases can nucleate on the oxide films. In addition, a-Fe can also nucleate on Al6(FeMnCu) and Al3Ti particles while the earlier formed a-Fe phase can also nucleate the later formed B-Fe phase. In addition, Either Si or Mn favors the transformation of B-Fe into the a-Fe phase. At a combination of both high Mn and high Si, almost all B-Fe platelets can be converted into Chinese script a-Fe. For a cast Al-4.5Cu-0.3Fe alloy, 0.3% Mn and 0.3% Si are required to completely suppress the B-Fe phase.ududIn the third part, the iron-rich intermetallics in 206 cast alloys at 0.5 wt. % Fe were studied. In addition to the two typical platelet B-Fe and Chinese script a-Fe phases, two extra phases, i.e. Chinese script Alm(FeMn) and platelet Al3(FeMn) were experimentally observed in the solidified alloys for the first time in the 206 cast alloys. Alm(FeMn), a-Fe and Al3(FeMn) are all possible as dominant iron-rich intermetallic phases. The individual addition of Si favors the formation of a-Fe but inhibits the precipitation of B-Fe while the individual addition of high Mn promotes the formation of Al3(FeMn). The combined addition of both Si and Mn enhances the formation of predominate a-Fe. Furthermore, the formation temperature of each iron-rich intermetallic phase decreases and the stable iron-rich intermetallic is gradually replaced by the metastable phase with increasing cooling rate. There exists a threshold cooling rate to obtain the predominant Chinese script Alm(FeMn) or a-Fe phases.ududFinally, the effect of iron-rich intermetallics on the tensile properties of the 206 cast alloys was performed. It was found that the tensile strengths linearly decrease with increasing iron content but higher strength are obtained for the alloys with dominant Chinese script iron-rich intermetallics than those with dominant platelet ones at similar iron levels. The 206 alloys above an iron level of 0.15% are hard to meet the minimum ductility (7%) in artificial overaging treatment (T7). However, the iron content limitation can be extended to 0.3%, or even to 0.5% to meet the 7% elongation in natural aging treatment (T4) condition under well controlled Mn and Si contents, providing the great potential to cast premium 206 alloys at high iron levels.udud-ududL'alliage Al-Cu 206 est largement utilisé dans les industries automobile et aéronautique en raison de sa grande résistance et de ses bonnes propriétés à température élevée. Toutefois, ce type d'alliage possède une faible teneur en fer (généralement une fraction massique inférieure à 0,15%), car la présence davantage de fer peut causer une diminution considérable des propriétés mécaniques. Avec l'utilisation de plus en plus croissante des alliages d'aluminium recyclé, l'exigence pour une teneur très basse en fer est devenue une préoccupation majeure en termes de technique de fabrication et de coût. Par conséquent, la fabrication de pièces de haute gamme avec une teneur élevée de fer est un très grand défi.ududDans cette étude, le comportement des composés intermétalliques riches en fer au cours de la solidification et les effets de la composition de l'alliage, de la vitesse de refroidissement et de la mise en solution sur les phases intermétalliques riches en fer dans l'alliage 206 coulé à différentes teneurs massique de fer : 0,15, 0,3 et 0,5% a été étudié. L'effet des composés intermétalliques riches en fer sur les propriétés de traction a également été étudié. Un microscope optique, un microscope électronique à balayage et un microscope électronique à transmission ont été utilisés pour observer les microstructures et analyser la fraction volumique des composés intermétalliques riches en fer ainsi que la surface de rupture. Les séquences de solidification de l'alliage 206 coulé à teneur massique en fer comprise entre 0,15 ~ 0,5% ont été mis en place. Les résultats expérimentaux de la présente thèse sont divisés en quatre parties.ududDans la première partie, les phases intermétalliques riches en fer dans l'alliage 206 coulé avec une teneur en fer de 0,15% ont été étudiées. Il a été constaté que la phase a-Fe à charactère chinois et B-Fe en forme de plaquettes coexistent et peuvent précipiter dans l'alliage solidifié et l'addition individuelle de Mn ou de Si favorise la formation de a-Fe et empêche l'apparition de B-Fe. La vitesse critique de refroidissement pour supprimer efficacement la formation de B-Fe dépend de la composition de l'alliage. Une carfographie du processes de coulée a été établie pour corréler entre la teneur du Mn et du Si avec un taux de refroidissement pour l'alliage 206 coulé.ududDans la deuxième partie, les phases intermétalliques riches en fer dans l'alliage 206 coulé avec une teneur en fer de 0,3% ont été étudiées. Les phases à plaquettes B-Fe et celle à écriture chinoise a-Fe ont été observées dans les échantillons solidifiés. Les deux phases a-Fe et B-Fe peuvent germer sur des films d'oxyde. En outre, a-Fe peut aussi germer sur Al6(FeMnCu) et sur les particules Al3Ti, tandis que les phases a-Fe formées plus tôt peuvent également germer sur la phase B-Fe formée plus tard. En plus, ni Si ni Mn ne favorisent la transformation de la phase B-Fe en celle de a-Fe. À une combinaison du Mn et du Si élevés, presque toutes les plaquettes B-Fe peuvent être converties en phase à caractères chinois a-Fe. Pour une coulée de l'alliage Al-4,5Cu-0,3Fe, 0,3% Mn et 0,3% Si sont requis pour supprimer complètement la phase B-Fe.ududDans la troisième partie, les phases intermétalliques riches en fer dans l'alliage 206 coulé avec une fraction de fer de 0,5% du poids ont été étudiées. En plus des deux phases, celle typiquement à plaquettes B-Fe et celle à écriture chinoise a-Fe, deux phases supplémentaires, c'est-à-dire, à écriture chinoise Alm(FeMn) et à plaquettes Al3(FeMn) ont été observés expérimentalement dans les alliages solidifiés pour la première fois dans l'alliage 206 coulé. Alm(FeMn), a-Fe et Al3(FeMn) sont toutes possibles comme phases intermétalliques riches en fer dominantes. L'addition individuelle de Si favorise la formation de a-Fe mais inhibe la précipitation de B-Fe, tandis que l'ajout individuel d'une grande fraction de Mn favorise la formation de Al3(FeMn). L'addition combinée de Si et de Mn améliore la formation prédominante de a-Fe. En outre, la température de formation de la phase intermétallique riche en fer diminue et la phase intermétallique riche en fer stable est progressivement remplacée par la phase métastable avec l'augmentation de la vitesse de refroidissement. Il existe un seuil de vitesse de refroidissement pour obtenir une prédominance de la phase à écriture chinoise Alm(FeMn) ou a-Fe. ududEnfin, l'effet des composés intermétalliques riches en fer sur les propriétés de traction de l'alliage 206 coulé a été étudié. Il a été constaté que la résistance ultime à la rupture diminue linéairement avec l'augmentation de la teneur en fer, mais une plus grande résistance à la traction est obtenue pour les alliages contenant des composés intermétalliques à écriture chinoise riches en fer que ceux à dominance de plaquettes à des teneurs similaires de fer. Les alliages 206 à teneur de fer suppérieur à 0,15% traités pas vieillissenent artificiel atteignent difficilement la ductilité minimale (7%) comparés à ceux ayant subi un traitment de type (T7). Cependant, la limitation de la teneur en fer peut être étendue à 0,3%, voire à 0,5% pour répondre à l'allongement de 7% dans le traitement de vieillissement naturel (T4) sous la condition de bien contrôler la teneur en Mn et celle en Si, ce qui fournit un grand potentiel de couler l'alliage 206 à des teneurs de fer élevées.
机译：由于具有高强度和良好的高温性能，Al-Cu 206铸造合金已广泛用于汽车和航空航天工业。但是，该族合金的铁含量上限极低（通常小于0.15重量％），因为存在更多的铁会导致机械性能，特别是延展性的极大损失。随着再循环铝合金的使用的增加，就制造技术和成本而言，对极低铁含量的要求已成为主要关注的问题。因此，制造含铁量更高的优质铸件已成为一个巨大的挑战。 ud ud在本研究中，富铁金属间化合物的凝固行为以及合金成分，冷却速率和固溶热处理对富铁金属间化合物的影响在206、0.1、0.3和0.5 wt。铁还评估了富铁金属间化合物对拉伸性能的影响。用光学显微镜，扫描电子显微镜和透射电子显微镜观察显微组织并分析富铁金属间化合物的体积分数以及断裂表面。 206-铸造合金在0.15-0.5 wt。铁的百分比已经确定。本文的实验结果分为四个部分。第一部分是0.15 wt。％的206铸造合金中的富铁金属间化合物。研究了％Fe。发现汉字a-Fe和片状B-Fe可以在最终凝固的合金中沉淀并共存，单独添加Mn或Si可促进a-Fe的形成并阻碍B-Fe的发生。有效抑制B-Fe形成的临界冷却速率取决于合金组成。建立了铸造工艺图，以将206铸造合金的Mn和Si含量与冷却速率相关联。 ud ud在第二部分中，206铸造合金中0.3重量％的富铁金属间化合物。研究了％Fe。在凝固的样品中观察到血小板B-Fe和汉字a-Fe。 a-Fe和B-Fe相均可在氧化膜上成核。另外，a-Fe也可以在Al6（FeMnCu）和Al3Ti颗粒上成核，而较早形成的a-Fe相也可以使随​​后形成的B-Fe相成核。此外，Si或Mn都有助于将B-Fe转变为a-Fe相。在高锰和高硅的组合下，几乎所有的B-Fe血小板都可以转化为中文脚本a-Fe。对于铸造的Al-4.5Cu-0.3Fe合金，需要0.3％的Mn和0.3％的Si才能完全抑制B-Fe相。 ud ud在第三部分中，206种铸造合金中0.5重量％的富铁金属间化合物。研究了％Fe。除了两个典型的血小板B-Fe相和中文脚本a-Fe相之外，在206铸造中首次在凝固合金中实验观察到两个额外的相，即中文脚本Alm（FeMn）和血小板Al3（FeMn）。合金。 Alm（FeMn），a-Fe和Al3（FeMn）都可能作为主要的富铁金属间相。单独添加Si有利于a-Fe的形成，但抑制B-Fe的析出，而单独添加高Mn则促进Al3（FeMn）的形成。 Si和Mn的组合添加增强了主要的α-Fe的形成。此外，随着冷却速率的增加，每个富铁金属间相的形成温度降低，并且稳定的富铁金属间相逐渐被亚稳相代替。存在一个阈值冷却速率以获得主要的中文脚本Alm（FeMn）或a-Fe相。 ud ud最后，进行了富铁金属间化合物对206铸造合金的拉伸性能的影响。结果发现，随着铁含量的增加，抗拉强度线性降低，但是在相似的铁含量下，具有富优势的中文脚本富金属金属间化合物的合金的抗拉强度高于具有优势的血小板间金属的合金。铁含量超过0.15％的206种合金在人工过时效处理（T7）中很难满足最小延展性（7％）。然而，在良好控制的Mn和Si含量下，铁含量限制可以扩展到0.3％，甚至可以扩展到0.5％，以满足自然时效处理（T4）条件下7％的延伸率，为铸造优质206合金提供了巨大的潜力。高含铁量。 ud ud- ud udL'alliage Al-Cu 206大型工业用汽车和耐火材料的生产和生产，以及温度的升高。图特菲伊斯人，可能会在某种程度上行使终身监理权（基本权利人的权益比例为0.15％），而由于个人利益受到损害的汽车先正者权益则有所减少。铝回收利用协会因此，就制造技术和成本而言，非常低的铁含量要求已成为主要关注的问题。因此，制造含铁量高的高端零件是一个很大的挑战。 Ud ud在这项研究中，富含铁的金属间化合物在凝固过程中的行为以及合金的成分效应研究了不同质量铁含量：0.15、0.3和0.5％的合金206合金中的冷却速率和富铁金属间相的溶解速率。还研究了富铁金属间化合物对拉伸性能的影响。使用光学显微镜，扫描电子显微镜和透射电子显微镜观察显微组织，并分析富含铁的金属间化合物的体积分数以及破裂表面。已经实现了铁的质量含量在0.15％至0.5％之间的铸造合金206的凝固顺序。本文的实验结果分为四个部分：第一部分，研究了铁含量为0.15％的206合金中的富铁金属间相。已经发现具有中国特色的a-Fe相和片状的B-Fe共存并可以在凝固的合金中析出，单独添加Mn或Si可以促进a-Fe的形成并防止生成铁。硼铁的外观。有效抑制B-Fe形成的临界冷却速率取决于合金的组成。建立了铸造工艺的映射，以将Mn和Si的含量与铸造合金206的冷却速率相关联。Ud ud在第二部分中，合金206中的富铁金属间相研究了铁含量为0.3％的铸件。在固化样品中观察到了B-Fe血小板相和a-Fe中文书写相。 a-Fe和B-Fe两相可以在氧化膜上发芽。另外，a-Fe也可以在Al6（FeMnCu）和Al3Ti颗粒上发芽，而较早形成的a-Fe相也可以在较晚形成的B-Fe相上发芽。另外，Si和Mn都不会促进B-Fe相向a-Fe相的转变。在高锰和硅的组合下，几乎所有的硼铁都可以转变成具有汉字α-Fe的相。对于铸造Al-4,5Cu-0,3Fe合金，需要0.3％的Mn和0.3％的Si才能完全抑制B-Fe相 Ud ud在第三部分中，金属间相研究了铸铁含量为0.5％（重量）的合金206中富含铁的合金。除了这两个阶段（通常为B-Fe板和中文为a-Fe的相）以外，还有两个其他阶段，即中文为Alm（FeMn）和Al3板（FeMn）。在铸造合金206中首次在凝固合金中进行实验观察。 Alm（FeMn），α-Fe和Al3（FeMn）都可能作为主要的富铁金属间相。单独添加Si可以促进a-Fe的形成，但可以抑制B-Fe的沉淀，而单独添加大量Mn则可以促进Al3（FeMn）的形成。 Si和Mn的组合添加改善了α-Fe的主要形成。另外，随着冷却速度的增加，富铁金属间相的形成温度降低，并且稳定的富铁金属间相逐渐被亚稳相代替。有一个冷却速率阈值，可获取以中文书写的Alm（FeMn）或a-Fe为主的相。最后，研究了富铁金属间化合物对铸造合金206拉伸性能的影响。已经发现，极限抗拉强度随铁含量的增加而线性降低，但是对于含中文文字富含铁的金属间化合物的合金，其抗拉强度比具有优势的金属的化合物要高。含铁量相似的血小板。与经过类型（T7）处理的合金相比，通过人工时效处理的铁含量大于0.15％的合金206几乎没有达到最小延展性（7％）。然而，铁含量的限制可以扩展到0.3％，甚至0.5％，以响应于在很好地控制铁含量的条件下自然时效处理（T4）中7％的增加。锰和硅中的元素含量较高，这为高铁含量铸造合金206提供了巨大的潜力。

著录项

  • 作者

    Liu Kun;

  • 作者单位
  • 年度 2012
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