The Characterization of Eutectic Al-Si Casting Alloy with Addition of Tin

Abstract

Global warming and shortage of fossil fuel are the most important concerns about the need for improvement of fuel economy. While the aerospace and automotive industries still rely on steel, the drive to increase fuel efficiency and reduce CO2 emissions has led to much wider use of aluminum. Alloying aluminum with other elements like silicon helps to enhance its physical properties such as strength. Aluminum-silicon (Al-Si) alloys are the most important among casting alloys. The microstructure of Al-Si alloys is generally composed of the coarse plate-like eutectic silicon structure that makes these alloys have a fracture under tension or have a crack initiation. Therefore, the microstructure of these alloys must be modified by the addition of elements to get a fine silicon structure. This study aims to investigate the influence of tin addition on the characteristic parameters of the solidification process, microstructure, and mechanical properties of the eutectic Al-Si casting alloy. To do so, tin with different concentrations is used, and samples are taken from the base alloy and alloys modified with different tin addition. Within the study, the cooling curve of the solidification process of the samples was analyzed by using the Computer-Aided Cooling Curve Thermal Analysis (CA CCTA). Later, the microstructure of the samples was analyzed by using Optical Microscopy (OM) and Scanning Electron Microscopy equipped with Energy Dispersive X-ray Spectroscopy (SEM/EDS). Finally, the mechanical properties (hardness) of the samples were analyzed by using the Vickers hardness test. The results show that by increasing tin, the temperature of the Al-Si phase increased. When the temperature increased, the mean area of silicon particles also increased. It means that tin does not have any effect on the modification of this type of Al-Si alloy. Besides, by increasing tin, the temperature of the last solidification phase increased. The reaction temperature later was increased by the formation of intermetallic compounds. Because tin formed the intermetallic compound with aluminum and silicon. Also, hardness increasing with tin increasing was because of the solid and hard intermetallic compound formed between tin, aluminum, and silicon in the last solidification phase.

ÖZ: Küresel ısınma ve fosil yakıt kıtlığı, yakıt ekonomisinin iyileştirilmesine duyulan ihtiyaçla ilgili en önemli endişelerdir. Havacılık ve otomotiv endüstrileri hala çeliğe güvenirken, yakıt verimliliğini artırma ve CO2 emisyonlarını azaltma dürtüsü, alüminyumun çok daha fazla kullanılmasına neden oldu. Alüminyumun silikon gibi diğer elementlerle alaşımlanması, mukavemet gibi fiziksel özelliklerini geliştirmeye yardımcı olur. Alüminyum-silikon (Al-Si) alaşımları döküm alaşımları arasında en önemlileridir. Al-Si alaşımlarının mikroyapısı genellikle, bu alaşımların gerilme altında kırılmasına veya çatlak başlangıcına neden olan kaba plaka benzeri ötektik silikon yapısından oluşur. Bu nedenle, bu alaşımların mikroyapıları, ince bir silikon yapı elde etmek için elementlerin eklenmesiyle modifiye edilmelidir. Bu çalışma, kalay ilavesinin ötektik Al-Si döküm alaşımının katılaşma sürecinin karakteristik parametreleri, mikroyapı ve mekanik özellikleri üzerindeki etkisini araştırmayı amaçlamaktadır. Bunu yapmak için, farklı konsantrasyonlarda kalay kullanılır ve baz kalaydan ve farklı kalay ilavesi ile modifiye edilmiş alaşımlardan örnekler alınır. Çalışmada, numunelerin katılaşma işleminin soğutma eğrisi Bilgisayar Destekli Soğutma Eğrisi Termal Analizi kullanılarak analiz edildi. Daha sonra, numunelerin mikroyapısı Optik Mikroskopi ve Enerji Dispersif X-ışını Spektroskopisi ile donatılmış Taramalı Elektron Mikroskobu kullanılarak analiz edildi. Son olarak, numunelerin mekanik özellikleri (sertlik) Vickers sertlik testi kullanılarak analiz edildi. Sonuçlar kalay arttıkça Al-Si fazının sıcaklığının arttığını göstermektedir. Sıcaklık arttığında, silikon parçacıklarının ortalama alanı da artmıştır. Bu, kalayın bu tip Al-Si alaşımının modifikasyonu üzerinde herhangi bir etkisinin olmadığı anlamına gelir. Ayrıca, kalay arttırılarak, son katılaşma fazının sıcaklığı arttı. Reaksiyon sıcaklığı daha sonra, intermetalik bileşiklerin oluşumu ile arttırıldı. Çünkü kalay alüminyum ve silikon ile metaller arası bileşiği oluşturdu. Ayrıca, kalay artışı ile artan sertlik, son katılaşma aşamasında kalay, alüminyum ve silikon arasında oluşan katı ve sert metaller arası bileşikten kaynaklanmaktadır.