Influence of the 3D architecture of rigid phases on the strength of cast Al-Si alloys

Abstract

Al-Si-Legierungen werden häufig für Kfz-Komponenten wie Zylinderköpfe, Kolben und Ventilstößel verwendet. Die Oberflächtemperatur einer Brennkammer kann bis ~ 300-400 oC erreichen.<br />Daher ist Hochtemperaturfestigkeit eine wichtige Voraussetzung für die Gestaltung von Kolben-Legierungen. Drei Arten von Al-Si-Legierungen mit unterschiedlichen Gehalten an Ni, Cu, Fe und Mg in Gusszustand (AC) und nach Lösungsglühen (ST) bei 495 oC für 20 min, 1 h, 4 h und 24 h werden untersucht. Mit allen Proben im AC-und ST-Zustand werden Stauchversuche bei Raumtemperatur und 300 °C durchgeführt. Die Festigkeit der untersuchten Legierungen nimmt mit der Lösungsglühzeit bis 4h ST-Zeit ab. Die AlSi10Cu5Ni2 Legierung erreicht die höchste Festigkeit mit seiner dreidimensionalen (3D) Gefüge-Architektur sowohl im AC als auch in den ST Zuständen im Vergleich mit den anderen untersuchte Legierungen. Synchrotron- und lichtoptische- Tomographie beschreiben die 3D Gefüge-Architektur, um sie mit der Festigkeit zu korrelieren. Die Ni-, Cu-, Fe-, und Mg-hältigen Aluminide bilden mit dem eutektischen Si ein zusammenhängendes Hybrid-Netzwerk. Die Cu-hältigen Aluminide Al2Cu, Al7Cu4Ni, Al4Cu2Mg8Si7 und AlSiFeNiCu erhöhen die Interkonnektivität des 3D-Netzwerks. Untersuchungen an verformten Proben deuten darauf hin, dass AlSiFeNiCu Aluminide den grö[beta]ten Lastanteil tragen können. Die Stabilität des Netzes während des Lösungsglühens hängt vom Volumengehalt von Ni-hältigen Aluminiden ab, die sowohl mit anderen Aluminiden als auch mit dem eutektischen Si eine höhere Kontiguität aufweisen.<br />

Cast Al-Si alloys are widely used for automotive components such as cylinder heads, pistons and valve lifters. The temperature at the surface of a combustion chamber can reach up to ~ 300-400 oC. Therefore, high temperature strength is an important requirement for the design of piston alloys. Three types of Al-Si alloys with different contents of Ni, Cu, Fe and Mg are investigated in as cast condition (AC) and after solution treatment (ST) at 495 oC for 20 min, 1 h, 4 h and 24 h.<br />Compression tests are carried out for all the samples in AC and ST conditions at room temperature and at 300 oC. The strength of all the investigated alloys decreases with ST time until 4h ST time. The AlSi10Cu5Ni2 alloy shows the highest strength in AC condition as well as in the ST conditions with respect to the other alloys investigated. Synchrotron and light optical tomography are performed in the conditions AC and after 4h ST for correlating the strength with the three dimensional (3D) architectures of the alloys. The 3D analysis shows the presence of Ni-, Cu-, Fe- and Mg- containing aluminides which are capable to carry significant loads together with the eutectic Si forming a hybrid interconnected network. The formation of Cu-containing aluminides Al2Cu, Al7Cu4Ni, Al4Cu2Mg8Si7 and AlSiFeNiCu are identified as the ones that contribute the most to the interconnectivity of the 3D network. Analysis of post-mortem samples after compression tests indicate that the Fe containing aluminide of the type AlSiFeNiCu may carry significant load until these elongated particles crack parallel to the compression direction. The stability of the network of Si and aluminides during a solution treatment is governed by the volume fraction of Ni containing aluminides, which produce higher contiguity between the different types of aluminides as well as with the eutectic Si.<br />