The effect of Al content on the processing of reaction-bonded $Al_2O_3$ (RBAO) ceramics using 40v/o ~ 80v/o Al-Zn-Mg alloy powder was studied in order to improve traditional RBAO ceramic processes that use ~ 40v/o pure Al powder. The influence of high Al content in starting $Al_2O_3$-Al alloy powder mixtures on its particulate characteristics, reaction-bonding, microstructure, physical and mechanical properties was revealed. Starting $Al_2O_3$-Al alloy powder mixtures with 40v/o ~ 80v/o Al alloy powder were milled, reaction-bonded, post-sintered, and characterized. With an increasing Al alloy content, the milling efficiency of Al alloy powder was lowered, resulting in a larger particle size after milling. However, in spite of the larger particle size of Al alloy powder, the oxidation, i.e., reaction-bonding, of the Al alloy was successfully completed via solid and liquid state oxidation, in which the activation energy of the oxidation was nearly the same regardless of Al alloy content. After reaction-bonding and post-sintering at $1600^{\circ}C$, RBAO ceramics from 80v/o Al alloy content showed a relative density of ~97% and a flexural strength of 251 MPa compared to ~ 96% and 353 MPa for RBAO ceramics from 40v/o Al alloy content, respectively. The lower flexural strength at 80v/o Al alloy content was due to the weak spinel phase that formed from Zn, Mg alloying elements in Al.
The milling and particulate characteristics of Al alloy-$Al_2O_3$ powder mixtures for a reaction-bonded $Al_2O_3$ (RBAO) process were studied. A commercially available prealloyed Al powder with Zn, Mg, Cu and Cr alloying elements (7475 series) was mixed with a calcined sinter-active $Al_2O_3$ powder and then milled in centrifugal milling equipment for ~48 hrs. The Al alloy-$Al_2O_3$ powder mixtures after milling were characterized and evaluated in various ways to reveal their particulate characteristics during milling. The milling efficiency of the Al alloy increased with a longer milling time. Comminution of the Al alloy particles started with its elongation, showing a high aspect ratio. With a longer milling time, the elongated Al alloy particle changed in terms of its shape and size, becoming equiaxially fine particles. Regardless of the milling efficiency of the Al alloy particles, all of the Al alloy particles repeatedly experienced strong plastic deformation during milling, giving rise to higher density of surface defects, such as microcracks, and leading to higher residual microstress within the Al alloy particles. The chemical reactions, oxidation behavior and hydration behavior of the Al alloy particles and the hydrolysis characteristics of their reaction with the environment were also observed during the milling process and during the subsequent powder handling steps.
Scandium(Sc) in Al-Zn-Mg-Cu based Al alloy on precipitation phenomenon was compared to a 7001(Al-7.2%Zn-3.2%Mg-1.8%Cu) Al alloy. GP zone and ${\eta}^{\prime}$ phases were the main strengthening phases at low aging temperature under $100^{\circ}C$, but ${\eta}^{\prime}$ and $Al_3Sc$ phases were the main strengthening phases at high aging temperature above $1600^{\circ}C$ in Sc added 7000(Al-7.7%Zn-2.0%Mg-1.9%Cu-0.1%Zr) Al alloy. With the addition of 0.1%Sc in 7000 Al alloy, the activation energy for the GP zone, ${\eta}^{\prime}$ and ${\eta}$ phase decreased compared to the 7001 Al alloy. This result indicates that the Sc accelerated the precipitation for the GP zone, ${\eta}^{\prime}$ and ${\eta}$ phases in 7000 Al alloy. Al-7.7%Zn-2.0%Mg-1.9%Cu-0.1%Zr-0.1 Sc alloy has higher strength than 7001 Al alloy, which has high strength.
The fabrication of Al2O3/Al composite by pressureless infiltration was investigated by the change of Mg and Si content in Al alloy infiltration process and infiltration atmosphere. The effect of alloying elements infiltration atmosphere and interfacial reactants between Al alloy matrix and Al2O3 particles were in-vestigated in terms of bendingstrength and harness test,. The fabrication of Al2O3/Al composite by the vestigated in terms of bending strength and hardness test. The fabrication of Al2O3/Al composite by the pressureless infiltration was done in nitrogen atmosphere with Mg in Al alloy. It was successfully fabricated at $700^{\circ}C$ according to Mg contents in Al alloy and infiltration condition. Because Mg in the Al alloy and ni-trogen atmosphere of infiltratio condition produced Mg-N compound(Mg3N2) it decreased the wetting an-gle between molten Al alloy and Al2O3 particles by coating on surface of Al2O3 particles. The fracture strength of Al2O3/Al-Mg composite was 800MPa and Al2O3/Al-Si-Mg composite was 400MPa. Si in Al alloy decreased the interfacial strength between Al alloy matrix and Al2O3 particles.
Effect of Fe and Mn contents on the tensile properties of Al-4 wt%Mg-0.9 wt%Si alloy system has been studied. Common phases of Al-4 wt%Mg-0.9 wt%Si alloy system were ${\alpha}$-Al, $Mg_2Si$, ${\alpha}-Al_{12}(Fe,Mn)_3Si$ and ${\beta}-Al_5FeSi$. As Fe content of Al-4 wt%Mg-0.9 wt%Si alloy system increased from 0.15 wt% to above 0.3 wt%, ${\beta}-Al_5FeSi$ compound appeared. When Mn content of the alloy increased from 0.3 wt% to 0.5 wt%, morphology of plate shaped ${\beta}-Al_5FeSi$ compound changed to chinese script ${\alpha}-Al_{12}(Fe,Mn)_3Si$. As Fe content of Al-4 wt%Mg-0.9 wt%Si-0.3 wt%Mn alloy increased from 0.15 wt% to 0.4 wt%, tensile strength of the as-cast alloy decreased from 191 MPa to 183 MPa and, elongation of the alloy also decreased from 8.0% to 6.2%. Decrease of these properties can be explained as the formation of plate shape, ${\beta}-Al_5FeSi$ phase with low Mn/Fe ratio of the alloy. However, when Mn content of Al-4 wt%Mg-0.9 wt%Si-0.3 wt%Fe alloy increased from 0.3 wt% to 0.5 wt%, tensile strength of as-cast alloy increased from 181 MPa to 194 MPa and, elongation of the alloy increased from 6.8% to 7.0%. These improvements attribute to the morphology change from ${\beta}-Al_5FeSi$ phase to chinese script, ${\alpha}-Al_{15}(Fe,Mn)_3Si_2$ phase shape-modified from with high Mn/Fe ratio of the alloy.
Han, Ji-Min;Kim, Chong-Ho;Park, Jun-Pyo;Chang, Si Young
Journal of Korea Foundry Society
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v.32
no.6
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pp.269-275
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2012
Al-Mg-Si/Al hybrid alloy was prepared by Duo-casting and the mechanical behavior was evaluated based on their microstructure and mechanical properties. The hybrid aluminum alloy included the Al-Mg-Si alloy with fine eutectic structure, pure Al with the columnar and equiaxed crystals, and the macro-interface existing between Al-Mg-Si alloy and pure Al. The growth of columnar grains in pure Al occurred from the macro-interface. The tensile strength, 0.2% proof stress and bending strength of the hybrid aluminum alloy were almost similar to those of pure Al, and the elongation was much higher than the Al-Mg-Si alloy. The fracture of the hybrid alloy took place in pure Al side, indicating that the macro-interface was well bonded and the mechanical behavior strongly depends on the limited deformation in pure Al side.
The effects of modification processing on the refinement of primary Si and the wear behavior of hyper-eutectic Al-Si alloys have been mainly investigated. Refining effects of primary Si in Al-17%Si alloy was more efficient than that of B.390 alloy. Optimum condition of getting the finest primary Si microstructure was when AlCuP modifier is added into the melt at $750^{\circ}C$ and held it at $700^{\circ}C$ for 30 minutes. Wear loss in the specimens of as-cast condition decreases as the size of primary Si decreases, in the order of B.390 alloy, B.390 alloy with AlCuP addition, Al-17%Si alloy and Al-17%Si alloy with AlCuP addition. Wear loss in the aged condition of Al-17%Si alloy, B.390 alloy and B.390 alloy with AlCuP addition decreased due to the increase of compressive residual stress in the matrix by the aging treatment. While, wear loss increased in the aged specimens of Al-17%Si alloy with AlCuP addition and Hepworth addition in which compressive residual stress decreases by the aging treatment. Therefore, it is assumed that higher compressive residual stress in the matrix can reduce the wear loss in composite materials such as hyper-eutectic Al-Si alloys.
Fabrication of reaction-bonded $Al_2O_3$ (RBAO) ceramics using Al-Zn-Mg alloy powder was studied in order to improve traditional RBAO ceramic processing using Al powder. The influence on reaction-bonding and microstructure, as well as on physical and mechanical properties, of the particulate characteristics of the $Al_2O_3$-Al alloy powder mixtures after milling, was revealed. Variation of the particulate characteristics of this $Al_2O_3$-Al alloy powder mixture with milling time was reported previously. To start, the $Al_2O_3$-Al alloy powder mixture was milled, reaction-bonded, post-sintered, and characterized. During reaction-bonding of the $Al_2O_3$-Al alloy powder mixture compacts, oxidation of the Al alloy took place in two stages, that is, there was solid- and liquid-state oxidation of the Al alloy. The solid-state oxidation exhibited strong dependence on the density of surface defects on the Al-alloy particles formed during milling. Higher milling efficiency resulted in less participation of the Al alloy in reaction-bonding. This was because of its consumption by chemical reactions during milling, and subsequent powder handling, and could be rather harmful in the case of over-milling. In contrast to very little dependence of oxidation of the Al alloy on its particle size after milling, the relative density, microstructure, and flexural strength were strongly dependent on particle size after milling (i.e., on milling efficiency). The relative density and 4-point flexural strength of the RBAO ceramics in this study were ~98% and ~365 MPa, respectively, after post-sintering at $1,600^{\circ}C$.
The effect of the alloy systems Al-Mg alloy and Al-Si alloy in this study on the characteristics of die-casting were investigated using solidification simulation software (MAGMAsoft). Generally, it is well known that the casting characteristics of Al-Mg based alloys, such as the fluidity, feedability and die soldering behaviors, are inferior to those of Al-Si based alloys. However, the simulation results of this study showed that the filling pattern behaviors of both the Al-Mg and Al-Si alloys were found to be very similar, whereas the Al-Mg alloy had higher residual stress and greater distortion as generated due to solidification with a larger amount of volumetric shrinkage compared to the Al-Si alloy. The Al-Mg alloy exhibited very high relative numbers of stress-concentrated regions, especially near the rib areas. Owing to the residual stress and distortion, defects were evident in the Al-Mg alloy in the areas predicted by the simulation. However, there were no visible defects observed in the Al-Si alloy. This suggests that an adequate die temperature and casting process optimization are necessary to control and minimize defects when die casting the Al-Mg alloy. A Tatur test was conducted to observe the shrinkage characteristics of the aluminum alloys. The result showed that hot tearing or hot cracking occurred during the solidification of the Al-Mg alloy due to the large amount of shrinkage.
Effect of Fe and Mn contents on the tensile properties has been studied in Al-9wt%Si-0.3wt%Mg alloy. As Fe content of Al-9wt%Si-0.3wt%Mg-0.5wt%Mn alloy increased from 0.15wt% to 0.45wt%, tensile strength of as-cast alloy decreased from 192 MPa to 174 MPa, and elongation of the alloy also decreased from 4.8% to 4.2%. Decrease of these properties can be explained as the formation of plate shape, ${\beta}-Al_5FeSi$ phase with high Fe/Mn ratio of the alloy. However when Mn content of Al-9wt%Si-0.3wt%Mg-0.45wt%Fe alloy increased from 0.3wt% to 0.5wt%, tensile strength of T6 aged alloy increased from 265 MPa to 275 MPa, and elongation of the alloy increased from 2.3% to 3.6%. These improvements attribute to chinese script, ${\alpha}-Al_{15}(Mn,Fe)_3Si_2$ phase shape-modified from ${\beta}-Al_5FeSi$ phase with low Fe/Mn ratio of the alloy.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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