Influence of trace elements on secondary die-cast aluminium alloys

Recycling play a key role on saving of natural resources and on reducing pollution. The recycling of aluminium alloys is also cost-effective, since it reduce the material cost and creates a considerable energy-saving. The use of recycled Al alloys (usually called secondary) has improved in recent years also because of their comparable mechanical properties with primary aluminium alloys. During the production of secondary aluminium alloys, the scrap are mixed regardless of their specific chemical composition, and then master alloys or pure elements are added to the molten metal. Furthermore, certain impurity elements are either difficult or expensive to remove, and their role in mechanical properties can be important. Due to the presence of these additional trace elements, a number of complex intermetallic phases can therefore form in multi-component Al-Si alloys. Mechanical and physical properties of alloys and castings are strongly related to sizes, morphologies and distribution of these intermetallic phases, which are in turn a function of alloy composition and cooling rate. The Al–Si based alloys are transversally used in different foundry processes. Among all the technologies, high-pressure die-casting (HPDC) represents the most common process to produce automotive components by secondary Al–Si alloys because it allows one to increase the production by lowering the cycle time and to obtain economically components with complex geometries and high quality surface. The effects of trace elements and intermetallics phases on features of aluminium castings are still not fully understood, especially when components are made by means of HPDC process. The motivation of the research presented in this doctoral thesis was, therefore, to fill this gap in knowledge. The study has aimed at understanding the influence of various trace elements on the microstructure and mechanical properties of secondary die-cast aluminium alloys and, in particular, on secondary AlSi9Cu3(Fe) die-cast alloys. A literature review and a sufficient background of previously reported results on the influence of trace elements on the features of aluminium alloys as well as the formation of intermetallic phases were carried out. It was found that the mechanical and microstructural analysis generally referred to primary cast Al alloys with low concentration of trace elements outside of those studied. Furthermore the samples were usually produced on gravity die-cast, while some intermetallics phases were frequently observed in high-pressure die-casting, where higher cooling rates and different feeding conditions exist. Special attention has been given to: The effects of Bismuth addition on secondary die-cast aluminium alloys: Bismuth substitute the lead in free-cutting wrought Al alloys, and this is leading to a steady increase of Bi content in secondary Al alloys due to the recycling process. The nucleation temperature of primary Fe-rich intermetallic compounds, as function of Fe, Mn and Cr content and cooling rate: Fe-rich phases have a high specific gravity and tend to segregate to the bottom of aluminium melts and holding furnaces. These phases form primary solid particles, generally called sludge, thus reduce the effective capacity of the furnace. The influence of Fe, Mn and Cr addition, separately or in combination, on the microstructural and mechanical characteristics of secondary die-cast aluminium alloys: sludge crystals are hard and brittle compact inclusions which can compromise the machining operations, with a considerable effects on the cutting tool life, and even more degrade the mechanical and physical properties of the component. As recycling of aluminium alloys becomes more common, sludge will be a problem of increasing importance due to the concentration of Fe, Mn and Cr in the scrap cycle.

Il riciclaggio gioca un ruolo chiave sul risparmio delle risorse naturali e sulla riduzione dell'inquinamento. Il riciclo dell'alluminio è oltretutto economicamente conveniente, in quanto riduce il costo del materiale a fronte di un considerevole risparmio energetico. L'utilizzo di leghe di alluminio riciclate (comunemente chiamate leghe secondarie) è aumentato negli ultimi anni anche grazie alle loro proprietà meccaniche, le quali sono in alcuni casi comparabili con le leghe di alluminio primarie. Durante il processo di produzione dell'alluminio secondario i rottami vengono mescolati assieme indipendentemente dalla loro composizione chimica specifica. Al termine del processo fusorio la composizione viene regolata tramite l'aggiunta di leghe madri o di metalli puri. Tuttavia alcune impurezze presenti nel rottame rimangono all'interno della lega in quanto il loro processo di rimozione è complicato o non economicamente conveniente. A causa della presenza di questi elementi in traccia, un certo numero di fasi intermetalliche complesse si può formare nei getti. Di conseguenza le proprietà meccaniche e fisiche dei componenti in lega di alluminio sono fortemente correlate alla dimensione, alla morfologia e alla distribuzione di tali fasi intermetalliche, le quali sono a loro volta funzione della composizione della lega e della velocità di raffreddamento del metallo. Grazie alle loro elevata colabilità, le leghe Al-Si sono molto utilizzate in tutti i processi di fonderia. Tra le diverse tecnologie, la pressocolata (HPDC - high-pressure die-casting) rappresenta il processo più comune per la produzione di getti di alluminio nel settore automotive. Questa tecnologia permette di ottenere componenti con geometrie complesse e un'ottima finitura superficiale con una riduzione dei costi grazie alla elevata produttività e al basso tempo ciclo. Gli effetti degli elementi in traccia e delle fasi intermetalliche sulle proprietà dei getti in alluminio non sono ancora del tutto noti, soprattutto quando i componenti sono prodotti tramite pressocolata. Obiettivo di questo lavoro di dottorato di ricerca era perciò quello di supplire a queste lacune. Lo scopo del presente lavoro è studiare l'influenza di diversi elementi in traccia sulla microstruttura e sulle proprietà meccaniche di getti in lega secondaria di alluminio prodotti mediante pressocolata, ed in particolare nella lega AlSi9Cu3(Fe). In prima analisi, è stata condotta una recensione della letteratura sull'influenza degli elementi in traccia sulle proprietà delle leghe di alluminio e sulla formazione delle fasi intermetalliche. Questo ha permesso di constatare che le caratteristiche meccaniche e microstrutturali legate alla presenza di fasi indesiderate sono normalmente valutate in getti prodotti con leghe primarie di alluminio, in cui è presente una bassa concentrazione di impurezze al di fuori di quelle studiate. Inoltre i campioni studiati sono generalmente prodotti mediante colata in gravità, mentre alcune fasi intermetalliche sono tipiche della pressocolata, in cui la velocità di raffreddamento è molto più elevata e sono presenti diverse condizioni di alimentazione e di riempimento dello stampo. Nel presente lavoro è stata posta particolare attenzione a: Gli effetti dell'aggiunta di Bismuto nelle leghe di alluminio secondarie pressocolate: il Bismuto ha sostituito il Piombo nelle leghe di alluminio da deformazione plastica ad alta lavorabilità alle macchine utensile. Questo ha comportato un aumento del contenuto di Bismuto nelle leghe secondarie di alluminio a causa del processo di riciclaggio degli sfridi di lavorazione. La temperatura di nucleazione dei precipitati intermetallici ricchi in Ferro in funzione della velocità di raffreddamento e della concentrazione in lega di Ferro, Cromo e Manganese: le fasi ricche in ferro hanno un elevata densità e tendono a segregare sul fondo del fondo del forno di mantenimento. L'insieme di queste fasi primarie forma una fanghiglia, chiamata sludge, che riduce l'effettiva capacità del forno. L'effetto dell'aggiunta di Ferro, Cromo e Manganese, singolarmente o in combinazione tra di loro, sulle caratteristiche microstrutturali e meccaniche delle leghe di alluminio secondarie pressocolate: le particelle di sludge sono inclusioni compatte dure e fragili, le quali possono compromettere le operazioni di lavorazione meccanica, con una conseguente riduzione della durata degli utensili, ed una marcata riduzione delle proprietà meccaniche e fisiche del componente. Il problema delle particelle di sludge nelle leghe secondarie di alluminio assume un'importanza sempre maggiore a causa dell'aumento del riciclo dell'alluminio e della presenza di Fe, Mn e Cr nel ciclo del rottame.