The effects of grain refinement on the mechanical properties of aluminium cast alloys used in automotive industry

Abstract

İkincil dendrit kol boyu uzunlukları (SDAS) gibi mikro yapısal parametreler alüminyum dökümlerinin mekanik ve yorulma özelliklerini etkilerler. Bu parametrelerin boyutları Ti ve B gibi farklı tane inceltme elementlerine bağlıdır. Bu mikro yapısal parametreleri kontrol etmek için tane inceltmenin etkisi araştırılmalıdır. Bu çalışma, otomotiv endüstrisinde sıkça kullanılan AlSi6Cu4 malzemeli alüminyum silindir kapaklarından alınan numunelerin mekanik özelliklerinin tane inceltme ile değişimini incelemiştir. Literatür taramasından sonra, mevcut gelişme seviyesindeki optimum tane inceltici seviye belirlenmiş ve mekanik özellikleri arttıracak yapı geliştirilmeye çalışılmıştır. Farklı seviyelerdeki tane inceltici eklentilerin SDAS değerlerine etkisi incelenmiştir. Mikroskopik analizler yapılarak SDAS değerleri ölçülmüştür. Gerekli SDAS değerleri için uygun inceltici element yüzdesi belirlenmiştir. Üç yeni inceltme elementi seviyesi belirlenmiş ve ilgili silindir kapaklar gruplarına uygulanmıştır. İlk seviye 23.11 µm SDAS değeri vermiştir ki bu ilgili ürün için yetersizdir. İkinci seviye 19.74 µm SDAS değeri vermiştir ki bu yeterlidir ve uygun mekanik özellikler vermiştir. Üçüncü seviye 15.71 µm SDAS değeri vermiştir ki bu en iyi mekanik özellikleri vermiştir. Tane inceltmeden sonra, numunelerin yarısına gerilme giderme tavı uygulanmış, böylece gerilme giderme tavının mekanik özelliklere etkisi araştırılabilinmiştir. Numuneler, silindir kapaklarının kritik bölgesi olarak tanımlanan yanma odası yüzeylerinden alınmıştır ve gerilme giderme tavından sonra çekme değerlerinde %10, akma değerlerinde %25 iyileşme görülmüştür. Mekanik özelliklerinin yanı sıra yorulma özellikleri de araştırılmış böylece en yüksek çekme ve akma dayanımları için uygun Ti ve B yüzdeleri belirlenmiştir. Wöhler eğrisi çizilmiş ve ömür değerleri ürünün performans kriterlerine uygun olarak öngörülen değerlerle karşılaştırılmıştır.

Microstructural parameters like secondary dendrite arm spacing (SDAS) strongly influence the quasistatic and, especially, fatigue properties of aluminium castings. The size of these parameters, in turn, depends on different refining elements like Ti and B. To control these microstructural parameters, the influence of grain refinement must be investigated. This study analyzes the influence of grain refinement on the mechanical properties of cast aluminium alloy (AlSi6Cu4) used in automotive industry for cylinder heads. After literature survey, the current state of the art in the optimum percentage of refining elements has been determined and a framework for improving the mechanical properties has been developed. Refining elements have been added at different levels to check their influence on SDAS values. Microscopic analysis would be carried out to measure the SDAS values. The optimum percentage of the refining elements for the required SDAS values has been determined. Three new refining element levels are determined and applied to related aluminium cylinder head groups. First refining element level gave 23.11 µm SDAS value which is insufficient SDAS level for the related product. Second refining element level gave 19.74 µm SDAS value which is sufficient level and it gave appropriate mechanical properties. Third refining element level gave 15.71 µm SDAS value which gave the best mechanical properties. After grain refinement, stress relief has been carried out over half of the specimens, so that the influence of post-refinement stress relief on the mechanical properties could also be investigated. The specimens have been extracted from the cylinder heads from the critical areas and they showed around 10% UTS and around 25% YS better values after stress relief. Quasistatic mechanical properties as well as fatigue properties have been investigated so that optimum percentage of Ti and B can be determined for highest ultimate tensile strength and yield strength values. Woehler curves have been generated and the resulting life has been compared with the predetermined life cycles required for the product for conformance to the performance criteria.