Quantitative classification and assessment of modification in hypoeutectic aluminum-silicon alloys

Abstract

Aluminum-silicon cast alloys, as those considered in this study (Al-7%Si and Al-7%Si-0.3%Mg alloys), are widely used to manufacture technical cast products, e.g. in the automotive industry. The mechanical properties of the castings depend on the eutectic microstructure which, in turn, depends on the chemical composition and manufacturing processes. A transition from a coarse eutectic structure to a finer one is called modification. The modification can be induced, for instance, by increasing the solidification cooling rate, by adding strontium and/or by increasing the alloy purity. The assessment of the modification relies usually on visual comparison, thus being ambiguous. This work suggests innovative tools to evaluate the microstructure based on quantitative image data and it develops an objective method to assess the modification. To ensure the representativeness of this method, it has been developed in collaboration with thirteen experts from different research institutions and companies. The assessment tools are applied to study the quantitative correlation between process settings, microstructures and casting properties, which are of major importance for the research and development of the studied alloys.

Aluminium-Silizium-Gusslegierungen, wie Al-7%Si und Al-7%Si-0.3%Mg Legie-rungen, die in dieser Arbeit untersucht werden, finden häufig Anwendung bei der Herstellung von technischen Gussprodukten, z. B., für die Automobilindustrie. Die mechanischen Eigenschaften des Gussteils hängen von der eutektischen Mikrostruktur ab, die wiederum abhängig von der chemischen Zusammensetzung und den Herstellungsverfahren ist. Eine Gefügeveränderung der eutektischen Struktur von einer groben hin zu einer feineren, wird Veredelung gennant. Die Veredelung kann hervorgerufen werden, z. B., durch die Erhöhung der Abkühlgeschwindigkeit bei der Erstarrung, durch Zusatz von Strontium und/oder durch zunehmende Reinheit der Legierung. Üblicherweise wird die Auswertung der Veredelung durch visuellen Vergleich vorgenommen und ist dadurch subjektiv. Der vorliegende Beitrag schlägt eine innovative Lösung vor, um die Mikrostruktur auf der Grundlage quantitativer Bilddaten auszuwerten, und somit die Veredelung objektiv zu beurteilen. Um Repräsentanz gewährleisten zu können, wurde die Studie unter Einbeziehung von dreizehn Experten aus verschiedenen Forschungsinstitutionen und Industrieunternehmen entwickelt. Die objektive Beurteilung wurde eingesetzt, um den quantitativen Zusammenhang zwischen Prozesseinstellungen, Mikrostruktur und mechanischen Eigenschaften zu studieren, welcher für die Forschung und Entwicklung der Legierungen von großer Bedeutung ist.