Processing and characterization of scandium added A356 cast alloy

Abstract

As a result of today's rapid technological developments and the rapid consumption of reserves in the world, the search for alternative materials has started. One of the biggest examples of this is wheel alloy. Ti5B1, one of the additives of the A356 Al alloy that is generally used in automobile wheels, allows to reduce the grain size in the alloy. In the event of depletion of possible Ti5B1 resources, there will be a need to use alternative materials instead. Based on this purpose, materials that can be used instead of Ti5B1 were examined. Scandium (Sc) as a rare earth element was found to be the least studied element with A356. A number of Sc-based studies with other aluminum alloys were reported and it was decided to work with this element for A356 alloy. In the thesis, the effect of Sc adjunction on the mechanical properties of A356 aluminum alloy after the permanent die casting process was investigated. Sc added to the A356 alloy at a ratio of 0.2, 0.4 and 0.6 weight percent, respectively. Optical microscopy (OM), Scanning electron microscopy (SEM) with energy dispersive spectroscopy (EDS) were used for the microstructural analyses in this study. According to the experiments and results obtained in this study, it was observed that Sc can significantly increase the mechanical properties of the A356 alloy in terms of tensile strength and hardness values. Overall, it was found that the addition of 0.2 wt.% Sc to the A356 alloy could achieve a maximum tensile strength of 258.31 MPa compared to 242.54 MPa for the reference sample without Sc. No significant improvement in tensile strength results was observed when more than 0.2 wt.% Sc was added to the alloy. As for the hardness, the sample containing 0.2 wt.% Sc reached a maximum Brinell hardness of 75.01 HB compared to 77.58 HB for the unmodified sample. As a result, the amount of porosity increased with Sc added to the alloy, and an increase in dendrite arm lengths occurred. Due to this length in the arms, a decrease in fracture toughness occurred. In addition, there was no significant improvement in hardness.

Günümüzün hızlı teknolojik gelişmeleri ve dünyadaki rezervlerin hızla tüketilmesi sonucunda alternatif malzeme arayışları başlamıştır. Bunun en büyük örneklerinden biri jant alaşımıdır. Otomobil jantlarında sıkça kullanılan A356 alüminyum alaşımının katkı maddelerinden biri olan Ti5B1, alaşımdaki tane boyutunun rafine edilmesini sağlar. Olası Ti5B1 kaynaklarının tükenmesi durumunda bunun yerine alternatif malzemelerin kullanılmasına ihtiyaç duyulabilir. Bu amaçtan yola çıkılarak Ti5B1 yerine kullanılabilecek malzemeler araştırılmış ve listelenmiştir. Scandium (Sc), A356 ile en az çalışılan element olarak göze çarpmaktadır . Diğer alüminyum alaşımları ile yapılan Sc çalışmaları incelenmiş ve bu element ile çalışılmasına karar verilmiştir. Bu tezde, kokil döküm işleminden sonra A356 alüminyum alaşımına skandiyum (Sc) ilavesinin mekanik özelliklere etkisi incelenmiştir. Skandiyum, A356 alaşımına sırası ile 0.2, 0.4 ve 0.6 ağırlık yüzdelerinde ilave edilmiştir. Bu çalışmada, malzemelerin mikroyapı incelemelerinde optik mikroskopi (OM) ve enerji dağılımlı spektroskopi (EDS) ile taramalı elektron mikroskobu (SEM) kullanılmıştır. Bu çalışmada yapılan deneyler ve elde edilen sonuçlara göre Sc'un A356 alaşımının mekanik özelliklerini çekme mukavemeti açısından önemli ölçüde artırabildiği gözlemlenmiştir. Genel olarak, A356 alaşımına ağırlıkça %0.2 Sc ilavesinin, Sc içermeyen numune için 242.54 MPa'ya kıyasla 258.31 MPa'lık maksimum çekme mukavemetine ulaşabildiği gözlemlenmiştir. Alaşıma ağırlıkça % 0.2 'den fazla Sc eklendiğinde çekme mukavemetinde önemli bir gelişme görülmemiştir. Sertlik açısından, ağırlıkça %0.2 Sc içeren numune, modifiye edilmemiş numunenin sahip olduğu 77.58 HB değerine kıyasla 75.01 HB maksimum Brinell sertlik değerine ulaşmıştır. Sonuç olarak, alaşıma eklenen Sc ile porozite miktarı arttı, dendirit kol uzunluklarında artış meydana geldi. Kollarda oluşan bu uzunluk nedeni ile kırılma tokluğunda düşüş meydana gelmiştir. Bunlara ek olarak sertlikte de önemli bir gelişme kaydedilmemiştir.