Zdenka Zovko Brodarac1, Josip Kalinic2, Vanja Šuica1* 1 Univerza Zagreb, Strojna fakulteta, / University nf Zacjreb, Faculty o/ Metal lurgy, Sisak, Hrvaška / Croatia * študent / student, 2 Jajce Alloy Wheels Ltd, Jajce, Bosna in Hercegovina / Bosnia and Herzegovina Strjevalno zaporedje v zlitini AlSi11 Solidification Sequence of AlSi11 alloy Povzetek Avtomobilska industrija je zaradi medsebojne konkurence in okoljskih predpisov za zmanjšanje emisij in porabe goriva prisiljena uporabljati napredne materiale in tehnologije. Ta cilj se lahko doseže predvsem z zmanjševanjem mase in zmanjševanjem velikosti sestavnih delov, kar omogočajo napredni materiali in tehnologije. Najbolj uporabljan avtomobilski aluminijast del so kolesa, ki so tlačno ulita. Za zapleteno geometrijo tankostenskega ulitka se uporablja zlitina AlSi11 (EN AC 44000). Ta zlitina spada v skupino »evtektičnih zlitin«, zanjo pa sta značilna sorazmerno nizko tališče ter ozek interval strjevanja, kar oboje pri enakomerno porazdeljeni evtektični mikrostrukturi daje odlične mehanske in tehnološke lastnosti. Zato se ta zlitina široko uporablja pri visokotlačnem in nizkotlačnem ulivanju. Silicij je eden od najpomembnejših zlitinskih elementov, ki omogoča dobro livnost aluminijskih zlitin. Dodatek silicija izboljša odpornost proti pokanju v vročem in sposobnost napajanja ulitkov. Sinergija med vplivi zlitinskih elementov in oligoelementov pojasnjuje nastanek različnih intermetalnih faz. Delež stranskih zlitinskih elementov (Mg, Cu) in oligoelementov (Fe, Mn, Cr, Zn) je bil v preiskovani zlitini AlSi11 majhen. Tankostenska geometrija ulitka zagotavlja pri nizkotlačnem ulivanju in hitrem ohlajevanju (v čim krajšem času) nastajanje številnih pomembnih intermetalnih faz. Metalografska analiza je pokazala prisotnost naslednjih mikrostrukturnih sestavin: primarni aluminij aAl, glavni evtektik aAl + pSi, visokotemperaturna železova faza Al5FeSi, intermetalni fazi Mg2Si in Al8FeMg3Si6 v sekundarnem evtektiku. Korelacija med ugotovljenimi mikrostrukturnimi sestavinami, termodinamičnim modeliranjem in diferencialno vrstično kalorimetrijo je pokazala natančno strjevalno zaporedje za zlitino s preiskovano kemično sestavo. Ključne besede: AlSi11, avtomobilska industrija, termodinamično modeliranje, mikrostruktura, strjevanje Abstract The automotive industry is forced to apply advanced materials and technologies in order to overcome the mutual competition, but also for compliance with environmental regulations requiring reduction of emissions, and fuel consumption. One of main component for achieving this goal is weight saving by downsizing of components using advanced materials and production technologies. The widest production of automotive aluminium component refers to wheels produced by low pressure die casting. Complex geometry of thin wall wheel casting indicates application of AlSi11 alloy (EN AC 44000). An AlSi11 alloy (EN AC 44000) belongs to the group of "eutectic alloys" and is characterized with relatively low melting point and narrow 100 Livarski vestnik, letnik 63, št. 2/2016 solidification interval which both brought to the uniformly distributed eutectic microstructure indicating superior mechanical and technological properties. This is the reason for this alloy to be widely used for high and low pressure die casting production. Silicon is one of the most important alloying elements which comprehend to good castability of aluminium alloys. Addition of silicon improves resistance to hot cracks and feeding capability. Synergy of influenced alloying and trace elements effect comprehend to different intermetallic phase evolution. The content of secondary alloying elements (Mg, Cu) and trace elements (Fe, Mn, Cr, Zn) was minor in investigated AlSi11 alloy. Also thin wall casting geometry using low pressure die casting technology ensures rapid cooling with minimal available time for significant number of intermetallic phases development. Metallographic analysis resulted in following microstructural constituents: primary aluminium aAl, main eutectic aAl + pSi, high temperature iron phase Al5FeSi, intermetallic phases in form of secondary eutectic Mg2Si and Al8FeMg3Si6. Correlation of established microstructural constituents with thermodynamic modelling and differential scanning calorimetry indicates exact solidification sequence for this particular chemical composition. Key words: AlSi11, automotive industry, thermodynamic modelling, microstructure, solidification 1. Uvod 1. Introduction Avtomobilskaindustrijajezaradimedsebojne konkurence in okoljskih predpisov za zmanjšanje emisij in porabe goriva prisiljena uporabljati napredne materiale in tehnologije. Odnos med zmanjšanjem mase in zmanjšanjem CO2 emisij izpušnih plinov je precej zapleten. V odvisnosti od načina računanja so dobljene vrednosti zmanjšanja CO2 med 3 g/km in 13 g/km pri zmanjšanju mase vozila za 100 kg. Vsi ti različni rezultati so pravilni, ker so odvisni od definicije, do kakšne mere se upošteva zmanjšanje mase. Zato je pomembno razlikovati med dvema vrstama zmanjšanja mase in dvema vrstama prihranka goriva [1]: • neposredno zmanjšanje mase: masa enega ali več sestavnih delov se zmanjša zaradi zamenjave težjega materiala z lažjim; • posredno zmanjšanje mase: dodatno zmanjšanje se doseže z zmanjšanjem velikosti določenih sestavnih delov (tj. The automotive industry is forced to apply advanced materials and technologies in order to overcome the mutual competition, but also for compliance with environmental regulations requiring reduction of emissions, and fuel consumption. The relation between light weighting and the reduction of tailpipe CO2 emissions is quite complex. Depending on how the calculation is made, various CO2 reduction values ranging from 3 g/km up to 13 g/km for a weight saving of 100 kg are reported. These different outcomes are all correct, as they depend on definitions and to what extent the light weighting is exploited. It is therefore important to distinguish between two kinds of weight savings and two kinds of fuel savings [1]. • Direct weight saving: the weight reduction due to exchanging a heavier material for a lighter material in one or several components. • Indirect weight saving: additional weight reduction obtained by downsizing 100 Livarski vestnik, letnik 63, št. 2/2016 zavor, obes, motorja itn.) s tem, da ostanejo zmogljivosti vozila enake kot prej. Posredno zmanjšanje mase se prišteva k posrednemu zmanjšanju in lahko predstavlja do 50 % dodatnih prihrankov pri masi celotnega avtomobila; • primarni prihranek goriva: gorivo se prihrani zaradi manjše potrebne energije za gibanje manjše mase; • sekundarni prihranek goriva: dodatni prihranek goriva se doseže z optimizacijo pogona (tj. prestavnega razmerja, elektronike pri motorju, gibne prostornine itn.) s tem, da se ohranjajo zmogljivosti vozila na enaki ravni. Najmanjše zmanjšanje emisije CO2 se doseže pri kombinaciji neposrednega zmanjšanja mase in primarnega prihranka goriva. Največje zmanjšanje emisije CO2 se doseže, če se prištejeta še posredno zmanjšanje mase in sekundarni prihranek goriva. V zadnjih 40 letih je bilo opaziti dramatično povečanje mase avtomobilov za 300-400 kg v istem avtomobilskem razredu certain components (i.e. brakes, suspension, engine, etc.) to keep vehicle performances at the same level as before. Indirect weight savings come on top of direct weight savings, and can represent up to 50% additional savings on the weight of the complete car. • Primary fuel saving: fuel saved thanks to the lower energy demand related to moving a lighter mass. • Secondary fuel saving: additional fuel saving obtained by optimizing the drive train (i.e. gear ratio, engine electronics, displacement, etc.) to keep performances at the same level as before. The lowest CO2 emissions savings will be achieved by combining direct weight savings and primary fuel savings exclusively. The largest CO2 reductions are achieved when both indirect weight-saving and secondary fuel saving are added together. A dramatic increase in car mass by 300-400 kg for the same class of cars has been noticed in last 40 years, despite the Slikal. Spirala mase pri proizvodnji avtomobilov [1] Figure 1. Spiral of weight for cars production [1] & J • =î fettij Cilmn * m • > H ..-i»J: r i cûT « ... i • R * P • I« S T , 1 Ï m« »ji g 19 4 » r. a Kl Udri: SI p » _ • » •j Im > SI 71} 7A 79 u B£ fQ 9* H ùi leto / year 100 Livarski vestnik, letnik 63, št. 2/2016 kljub povečani uporabi lažjih sestavnih delov, predvsem iz aluminijevih zlitin. Ta pojav v avtomobilski industriji je znan kot »spirala mase« in se je pojavil kot posledica povečanja moči in hitrosti vozil, udobja, aktivne in pasivne varnosti ter boljšega delovanja avtomobilov, kot kaže slika 1. Zaradi strogih okolijskih in varnostnih zahtev, ki jih morajo izpolnjevati izdelovalci avtomobilov, postaja filozofija industrije, da se zmanjšajo velikosti sestavnih delov in se jih izdeluje iz lažjih materialov, vse pomembnejša. Pregled določene uporabe aluminijskih sestavnih delov v evropskih avtomobilih prikazuje slika 2. Študija Evropskega združenja za aluminij kaže, da se je povprečna količina aluminija v avtomobilu, izdelanem v Evropi, increasing use of light components, primarily aluminium alloys. This phenomenon is known in the automotive industry as a concept of "spiral of weight", and has appeared as a result of increasing power and speed, comfort, active and passive safety features and better performance of cars, as shown in Figure 1. Due to the rigorous environmental and safety requirements, which are placed in front of the car manufacturers, industrial philosophy of downsizing and production of light weight components is increasingly gaining the significance. An overview of particular use of aluminum components in European cars is shown in Figure 2. A study by European Aluminium Association shows that the average amount of aluminium used per car produced in E J3 < ro >N a> 3.0 J* 810 300 400 500 Temperatura / Temperature [°C] 1.0 o.o hfl«b