The solidification cracking susceptibilities of Al-Mg-Si alloy laser welds were assessed using the self-restraint tapered specimen crack test. The cracking susceptibility of 6061 and 6082 Al-Mg-Si alloy laser welds was substantially reduced when the filler wire containing high Si such as Al-12 wt.% Si (4047A) was used. The amount of eutectic was observed to affect the solidification cracking of Al-Mg-Si alloy laser welds. Abundant eutectic seems to heal the cracking and reduces the cracking susceptibility, while an initial increase in eutectic liquid leads to the increased cracking tendency.
A319 aluminum alloy containing 6.5% Si and 3.5% Cu as major alloying elements has been widely used in machinery parts because of its excellent castability and crack resistance. However it needs more wear resistance to extend its usage to the severe wear environments. It has been known that hyper-eutectic Al-Si alloy having more than 12.6% Si contains pro-eutectic Si particles, which give better wear resistance and lubrication characteristics than hypo-eutectic Al-Si alloy like A319 alloy. In this study, it was tried to clad hyper-eutectic Al-Si alloy on the surface of A319 alloy. In the experiments, Al-36%Si alloy powder was mixed with organic binder to make a fluidic paste. The paste was screen-printed on the A319 alloy surface, melted by pulsed Nd:YAG laser and alloyed with the A319 base alloy. As experimental parameters, the average laser power was changed to 111 W, 202 W and 280 W. With increasing the average laser power, the melting depth was changed to $142{\mu}m$, $205{\mu}m$ and $245{\mu}m$, and the dilution rate to 67.2 %, 72.4 % and 75.7 %, and the Si content in the cladding layer to 16.2 %, 14.6 % and 13.7 %, respectively. The cross-section of the cladding layer showed very fine eutectic microstructure even though it was hyper-eutectic Al-Si alloy. This seems to be due to the rapid solidification of the melted spot by single laser pulse. The average hardness for the three cladding layers was HV175, which was much higher than HV96 of A319 base alloy. From the block-on-roll wear tests, A319 alloy had a wear loss of 5.8 mg, but the three cladding layers had an average wear loss of 3.5 mg, which meant that an increase of 40 % in wear resistance was obtained by laser cladding.
Eutectic reactions of five kinds of Cr-coated Zr alloy cladding with different base materials (Zr-Nb-Sn alloy or Zr-Nb alloy), different coating thicknesses (6~22.5 mm), and different coating materials (Cr single layer or Cr/CrN bilayer) were studied using Differential Scanning Calorimetry (DSC). The DSC experiments demonstrated that the onset temperatures of the Cr single layer coated specimens were almost identical to ~1308 ℃, regardless of base materials or coating thicknesses. This study demonstrated that the Cr/CrN bilayer coated Zr-Nb-Sn alloy has a slightly (~10 ℃) higher eutectic onset temperature compared to the single Cr-coated specimen. The eutectic region characterized by post-eutectic microstructure proportionally increases with coating thickness. The post-eutectic characterization with different holding times at high temperature (1310-1330 ℃) reveals that progression of Zr-Cr eutectic requires time, and it dramatically changed with exposure time and temperature. The practical value of the time gain in non-instantaneous eutectic formation in terms of safety margin, however, seems to be limited.
The effect of additives on the castability of the AC2BS aluminum alloy, which contains 35% recycled scrap, was investigated. For the wide utilization of the recycled scrap AC2BS aluminum alloy, the research results were compared to those with the AC2B virgin alloy, which is typical Al-Si-Cu alloy system. It was confirmed that the addition of Al-5%Ti-1%B increased the ${\alpha}$-Al nucleation temperature during solidification and decreased the grain size through cooling curve and microstructural observations of the recycled alloy. It was also found that an addition of Al-10%Sr decreased the eutectic Si growth temperature during the solidification process and modified the shape of the eutectic Si of the recycled alloy. The characteristics of fluidity, shrinkage and solidification crack strength were evaluated. For the AC2BS aluminum alloy containing 35% recycled scrap, both ${\alpha}$-Al grain refinement due to Ti-B and eutectic Si modifications due to Sr contributed to the improvement of the fluidity. The macro- shrinkage ratio increased with additions of both Al-10%Sr and Al-5%Ti-1%B and the micro-shrinkage ratio increased with the addition of Al-10%Sr but decreased with the addition of Al-5%Ti-1%B. The casting characteristics of TiB and Sr-treated AC2BS aluminum alloy containing 35% recycled scrap are similar to those of AC2B virgin alloy. The improvement of the solidification crack strength of the AC2BS aluminum alloy was possible by the reduction of the grain boundary the stress concentration through the enhancement by both ${\bullet}{\cdot}$-Al refinement and eutectic Si modification. More extensive use of the AC2BS aluminum alloy containing 35% recycled scrap can be expected in the future.
Three different multi-component white cast irons alloyed with Cr, V, Mo and W were prepared in order to study their as-cast and solidification structures. Three combinations of the alloying elements were selected so as to obtain the different types of carbides and matrix structures : 3%C-10%Cr-5%Mo-5%W(alloy No.1), 3%C-10%V-5% Mo-5%W(alloy No. 2) and 3%C-17%Cr-3% V(alloy No.3). The as-cast microstructures were investigated with optical and scanning electron microscopes. There existed two different types of carbides, $M_7C_3$ carbide with rod-like morphology and $M_6C$ carbide with fishbone-like one, and matrix in the alloy No. 1. The alloy No. 2 consisted of MC carbide with chunky and flaky type and needle-like $M_2C$ carbide, and matrix. The chunky type referred to primary MC carbide and the flaky one to eutectic MC carbide. The morphology of the alloy No. 3 represented a typical hypo-eutectic high chromium white cast iron composed of rod-like $M_7C_3$ carbide which is very sensitive to heat flow direction and matrix. To clarify the solidification sequence, each iron(50g) was remelted at 1723K in an alumina crucible using a silicon carbide resistance furnace under argon atmosphere. The molten iron was cooled at the rate of 10K/min and quenched into water at several temperatures during thermal analysis. The solidification structures of the specimen were found to consist of austenite dendrite(${\gamma}$), $ ({\gamma}+ M_7C_3)$ eutectic and $({\gamma}+ M_6C)$ eutectic in the alloy No. 1, proeutectic MC, austenite dendrite(${\gamma}$), (${\gamma}$+MC) eutectic and $({\gamma}+ M_2C)$ eutectic in the alloy No. 2, and proeutectic $M_7C_3$ and $ ({\gamma}+ M_7C_3)$ eutectic in the alloy No 3. respectively.
The solidification cracking susceptibilities of AI-Mg-Si alloy laser welds were assessed using the self-restraint tapered specimen crack test. The cracking susceptibility of 6061 and 6082 Al-Mg-Si alloy laser welds was substantially reduced when the filler wire containing high Si such as Al-12 wt.% Si (4047A) was used. The amount of eutectic was observed to affect the solidification cracking of Al-Mg-Si alloy laser welds. Abundant eutectic seems to heal the cracking and reduces the cracking susceptibility, while an initial increase in eutectic liquid leads to the increased cracking tendency.
Addition of Ca element and nonequilibrium heat treatment which promotes shape modification of eutectic Si and ${\beta}$ intermetallic compound were conducted to improve the mechanical properties of Al-Si-Cu alloy. Modification of eutectic Si and dissolution of needle-shape ${\beta}$ intermetallic compounds were possible by nonequilibrium heat treatment in which specimens were held at $505^{\circ}C$ for 2 hours in Al-Si-Cu alloy with Fe. Owing to the decrease in aspect ratio of eutectic Si by the heat treatment of the alloy with 0.33wt.% Fe, the increase in elongation was prominent to be more than double that in the as-cast specimen. Dissolution of needle-shape ${\beta}$ intermetallic compounds in the alloy with 0.85wt.% Fe led to the improvement of tensile strength as the length of ${\beta}$ compounds decreased to 50%.
In this study, the electromagnetic vibration is adopted for modifying eutectic Si phase and reducing its size. The higher the current density and frequency of electromagnetic vibration(EMV), the finer the size of eutectic Si phase. The tensile strength and elongation of EMVed alloy were highly improved. Measured twin probability of EMVed alloy at a frequency of 1000 Hz was approximately six times as high as that of the normal alloy. The mechanism for the increase in twin density due to EMV during solidification could be supposed from the fact that the preferential growth along <112> in silicon was suppressed by preventing Si atom from attaching to the growing interface of Si phase and by changing the solid/liquid interfacial energy of silicon. According to the result of UTS test, because of modification of eutectic Si, UTS and elongation are highly increased.
In order to understand the solidification behavior and microstructural evolution of the Al-Cu-Si ternary eutectic alloy system, changes of the microstructure of the Al-Cu-Si ternary eutectic alloy with different cooling rates were investigated. When the mold preheating temperature is 500℃, primary Si and Al2Cu dendrites are observed, with (α-Al+Al2Cu) binary eutectic and needle-shaped Si subsequently observed. In addition, even when the mold preheating temperature is 300℃, primary Si and Al2Cu dendrites can be observed, and both (α-Al+Al2Cu+Si) areas observed and areas not observed earlier appear. When the mold preheating temperature is 150℃, bimodal structures of the binary eutectic (α-Al+Al2Cu) and ternary eutectic (α-Al+Al2Cu+Si) are observed. When the preheating temperature of the mold is changed to 500℃, 300℃, and 150℃, the greatest change is in the Si phase, and upon reaching the critical cooling rate, the ternary eutectic of (α-Al+Al2Cu+Si) forms. If the growth of the Si phase is suppressed upon the formation of (α-Al+Al2Cu+Si), the growth of both Al and Cu is also suppressed by a cooperative growth mechanism. As a result of analyzing the Al-27wt%Cu-5wt%Si ternary eutectic alloy with a different alloy design simulation programs, it was confirmed that different results arose depending on the program. A computer simulation of the alloy design is a useful tool to reduce the trial and error process in alloy design, but this effort must be accompanied by a task that increases reliability and allows a comparison to microstructural results derived through actual casting.
Eutectic and off-eutectic Al-Fe alloys were unidirectionally solidified at the solidification rate of $1{\sim}50\;mm/min$ under the temperature gradients $75{\sim}80^{\circ}C/cm$. The investigation has been carried out for the microstructural variation, phase transition, mechanical properties by means of detailed analyses of stress-strain, micro-Vickers hardness and scanning electron micrography. The thermal stability at elevated temperature has been studied on $Al-Al_6Fe$ eutectic alloy held at $600^{\circ}C$ for $0{\sim}150$ hours. When the solidification rate was less than 10mm/min, the X-ray diffraction and EDS analysis showed the presence of $Al_3Fe$ compound. As the solidification rate more than 20 mm/min, $Al-Al_3Fe$ eutectic phase was transfered into $Al-Al_6Fe$ eutectic phase. The mechanical properties of unidirectionally solidified off-eutectic Al-Fe alloy is better than those of unidirectionally solidified eutecic Al-Fe alloy Maximum ultimate tensile strength was obtained in Al-2.25% Fe alloy which was unidirectionally solidified at the solidification rate of 20 mm/min. The metastable $Al-Al_6Fe$ phase was transferred into stable $Al-Al_3Fe$ phase at $600^{\circ}C$ held for 150 hours.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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