Investigation of the microstructure and mechanical properties of the Al-13.8 wt. % Mg 2 Si- Zr cylinder fabricated by the centrifugal casting

Sintesi Tecnica: Investigazione della microstruttura e delle proprietà meccaniche del cilindro di Al-13.8 wt. % Mg₂Si-Zr fabbricato mediante colata centrifuga

Problematica
I materiali a gradiente funzionale (FGM) offrono una combinazione unica di proprietà, come l'elevata resistenza all'usura e la tenacità massiva, che sono difficili da ottenere in compositi a matrice di alluminio omogenei. Sebbene la colata centrifuga sia un metodo noto per creare eterogeneità funzionale nei materiali fusi, l'effetto specifico dell'aggiunta di Zirconio (Zr) sulla microstruttura e sulle proprietà meccaniche delle leghe eutettiche Al-Mg-Si elaborate con questo metodo non è stato investigato approfonditamente. Nello specifico, è necessario comprendere come lo Zr influenzi la segregazione delle particelle primarie di Mg₂Si, la morfologia delle fasi secondarie e il risultante gradiente meccanico nella direzione radiale dei cilindri prodotti mediante colata centrifuga.

Metodologia
La ricerca si è concentrata sulla fabbricazione di campioni cilindrici di una lega Al-13.8 wt.% Mg₂Si utilizzando una macchina per colata centrifuga verticale. Lo studio ha confrontato due condizioni:

1. Lega Base: Al-13.8 wt.% Mg₂Si senza agenti nucleanti.
2. Lega Modificata: La stessa lega base con l'aggiunta di 0.1 wt.% di Al-5Zr come agente nucleante.

Il processo di colata ha comportato la fusione di alluminio, silicio e magnesio ad alta purezza in un crogiolo di grafite, seguita dall'aggiunta dell'agente Al-5Zr alla miscela modificata. Il fuso è stato degassato con compresse di esacloroetano ed è stato colato in uno stampo d'acciaio preriscaldato (300°C) ruotante a 1400 rpm. I cilindri risultanti (diametro esterno 90 mm, spessore 15 mm, lunghezza 110 mm) sono stati sezionati radialmente in strati esterni, medi e interni.

Le tecniche di caratterizzazione includevano:

• Analisi Microstrutturale: Microscopia ottica (OM) e microscopia elettronica a scansione a emissione di campo (FESEM) con spettroscopia EDX (Energy Dispersive X-ray Spectroscopy) per esaminare la distribuzione delle fasi, la morfologia e la segregazione elementale.
• Identificazione delle Fasi: Diffrazione di raggi X (XRD).
• Test Meccanici: Test di durezza Brinell (carico 125 kg) e test di trazione (standard JIS Z2201 No. 7) condotti sui campioni di ciascun strato radiale.

Risultati Chiave
Lo studio ha rivelato differenze distinte tra le leghe prive di Zr e quelle contenenti Zr attraverso il gradiente radiale:

• Evoluzione Microstrutturale:

  • Senza Zr: La microstruttura presentava cellule eutettiche Al/Mg₂Si colonnari. Le particelle primarie di Mg₂Si, essendo meno dense del fuso, si sono segregate contro la forza centrifuga verso lo strato interno, risultando in particelle poliedriche grossolane nella regione interna.
  • Con Zr: L'aggiunta di Zr ha alterato significativamente la microstruttura. La fase intermetallica Al₃Zr si è formata e, a causa della sua maggiore densità (4.14 g/cm³) rispetto al fuso (2.57 g/cm³), si è segregata verso la parete esterna del cilindro sotto l'influenza della forza centrifuga. La presenza di Zr ha raffinato la morfologia del Mg₂Si da dendritica/lamellare a cubica e ha ridotto significativamente la dimensione delle particelle. Nello strato interno, la dimensione media delle particelle di Mg₂Si è diminuita da 43.59 ± 9.83 μm (senza Zr) a 16.23 ± 6.19 μm (con Zr). Le cellule eutettiche sono passate da colonnari a equiassici.

• Proprietà Meccaniche:

  • Durezza: La lega contenente Zr ha dimostrato valori di durezza più elevati in tutti gli strati rispetto alla lega base. Il gradiente di durezza è diminuito dall'esterno verso l'interno in entrambi i casi, a causa della diminuzione del tasso di solidificazione, ma i campioni modificati con Zr hanno mantenuto una durezza superiore (ad esempio, 67.27 HB nello strato esterno rispetto a 59.1 HB per la lega base).
  • Resistenza alla Trazione: La resistenza alla trazione è migliorata in tutti e tre gli strati con l'aggiunta di Zr. Lo strato esterno ha most mostrato il miglioramento più significativo, passando da 146.12 MPa a 212.55 MPa. Anche lo strato interno ha registrato un lieve aumento (da 54.56 MPa a 57.39 MPa).
  • Comportamento di Frattura: Il modo di frattura è passato da una clivaggio fragile (causata dalle particelle di Mg₂Si grossolane e dai bordi affilati che agiscono come concentratori di stress) a una frattura duttile con dimples (dimple fracture) nei campioni contenenti Zr. Le particelle di Mg₂Si più fini nella lega con Zr hanno facilitato la deflessione delle crepe e la coalescenza dei vuoti.

Significato e Rivendicazioni
L'articolo sostiene che l'aggiunta di Zr tramite la lega master Al-5Zr è un metodo efficace per raffinare la microstruttura delle leghe Al-13.8 wt.% Mg₂Si prodotte mediante colata centrifuga. Il significato primario risiede nella capacità dello Zr di:

1. Trasformare la morfologia delle fasi secondarie di Mg₂Si da dendritica a cubica e ridurne la dimensione.
2. Convertire le cellule eutettiche colonnari in cellule equiassiche, particolarmente negli strati medio e interno.
3. Migliorare le proprietà meccaniche (durezza e resistenza alla trazione) attraverso l'intero gradiente radiale, con i miglioramenti più pronunciati osservati nello strato esterno.
4. Alterare il meccanismo di cedimento da clivaggio fragile a frattura duttile, migliorando così la tenacità del materiale.

L'autore conclude che, sebbene il processo di colata centrifuga crei naturalmente un gradiente funzionale, l'aggiunta strategica di Zr ottimizza tale gradiente raffinando la microstruttura e mitigando la fragilità tipicamente associata alle fasi grossolane di Mg₂Si primario negli strati interni.