On the performance of low pressure die-cast Al-Cu based automotive alloys : role of additives

The present study focuses on the effect of alloying elements, namely, strontium (Sr), titanium (Ti), zirconium (Zr), scandium (Sc) and silver(Ag) individually or in combination, on the performance of a newly developed Al-2%Cu based alloy. A total of thirteen alloy compositions were used in the study. Tensile test bar castings were prepared employing the low pressure die casting (LPDC) technique. The test bars were solution heat treated at 495°C for 8 hours, followed by quenching in warm water, and then subjected to different isochronal aging treatments using an aging time of 5 hours and aging temperatures of 155°C, 180°C, 200°C, 240°C and 300°C. Tensile testing of as-cast and heat-treated test bars was carried out at room temperature using a strain rate of 4 x 10-4s-1. Five test bars were used per alloy composition/condition. Hardness measurements were also carried out on these alloys using a Brinell hardness tester. The microstructures of selected samples were examined using optical microscopy and electron probe microanalysis (EPMA). The results showed that adding Ti in the amount of 0.15 wt% in the form of Al-5%Ti-1%B master alloy is sufficient to refine the grains in the cast structure in the presence of 200 ppm Sr (0.02 wt%). Addition of Zr and Sc did not contribute further to the grain refining effect. The main role of addition of these two elements appeared in the formation of complex compounds with Al and Ti. Their presence resulted in extending the aging temperature range before the onset of softening. Mathematical analysis of the hardness and tensile data was carried out using the Minitab statistical software program. It was determined that the alloy containing (0.5wt% Zr + 0.15wt% Ti) is the most effective in maximizing the alloy tensile strength over the range of aging temperatures, from 155°C to 300°C. Addition of Ag is beneficial at high aging temperatures, in the range of 240°C-300°C. However, it is less effective compared to the (Zr + Ti)-containing alloy. Addition of Sc does not appear to improve the alloy performance beyond what is achieved by the addition of Zr. From a plot of ultimate tensile strength (UTS) versus percent elongation (%El) values, the following equation was obtained to represent the strength-ductility relationship: UTS (MPa) = -32 %El + 393 with a fit of R2 = 0.83. Cette étude se concentre sur l’effet les éléments d’alliage, à savoir, le strontium (Sr), le titane (Ti), le zirconium (Zr), le scandium (Sc) et l'argent (Ag), individuellement ou en combinaison, sur la performance d’un nouvel alliage Al-2%Cu développé récemment. Treize compositions d'alliages sont utilisées dans l'étude. Des éprouvettes d’essai ont été préparées en utilisant la technologie de coulée à basse pression (LPDC). Les éprouvettes ont été mises dans une solution à 495 ° C pendant 8 heures suivi d'une trempe à l'eau tiède, puis soumis à différents traitements de vieillissement isochrones durant 5 heures, à différentes températures 155°C, 180°C, 200°C, 240°C et 300°C. Les essais en traction des échantillons ainsi traités, ont été effectués, à température ambiante en utilisant une vitesse de déformation de 4 x 10-4s-1. Cinq éprouvettes ont été utilisées par composition d’alliage / température de vieillissement. Des mesures de dureté ont également été effectuées sur ces alliages à l'aide d'un testeur de dureté Brinell. Les microstructures des échantillons sélectionnés ont été examinées par microscopie optique et microanalyse à sonde électronique (EPMA). Les résultats montrent que l'ajout de Ti en une proportion de 0,15% en poids sous forme d’alliage Al-5% Ti-1% B est suffisant pour affiner les grains de la structure de coulée en présence de 200 ppm de Sr (0,02% en poids). L’ajout de Zr et de Sc ne contribue pas davantage à l'effet d'affinage du grain. Le rôle principal de l'addition de ces deux éléments est apparu dans la formation de composés complexes avec Al et Ti. Leur présence a donné lieu à l'extension de la plage de températures de vieillissement avant le début de ramollissement. L'analyse mathématique des données de dureté et de traction a été réalisée en utilisant le logiciel de statistique Minitab. Il a été déterminé que l'alliage contenant 0,5% en poids de Zr + 0,15% en poids de Ti est le plus efficace pour maximiser la résistance à la traction de l'alliage dans la plage de températures de vieillissement de 155 ° C jusqu’à 300 ° C. L'addition d’Ag est bénéfique à haute température de vieillissement dans la plage de 240 ° C-300 ° C. Cependant, il est moins efficace par rapport à l’alliage contenant l' Zr + Ti. L'addition de Sc ne semble pas améliorer les performances de l'alliage au-delà de ce qui est réalisé par l'addition de Zr. A partir d’une courbe de la résistance à la traction (UTS) versus les valeurs du pourcentage d'allongement (% El), nous avons obtenu l'équation suivante représentant la relation force-ductilité: UTS (MPa) = -32 % El + 393 avec un ajustement de R2 = 0.83