Search

Casting and semi-solid metal (SSM) casting are widely used to manufacture near-net-shape components of Al-Si alloys in the automotive and electronic industries. In such applications, casting components need to meet the combined requirements of good mechanical properties and corrosion and wear resistance. Hence, a good understanding of the relevant aspects such as material design, manufacturing and surface treatments have a significant impact on the final performance of the component. The objective of this thesis is to understand the interaction among manufacturing and surface treatments and how their combination impacts the microstructure and final properties. The results will accordingly highlight the potential for improving the mechanical and anodising properties of rheocast components. The influence of the most relevant alloying elements has been investigated in this study. It is found that Si and Fe have a significant influence on anodising. During anodising, Si particles are oxidised at a much lower rate than Al phase and embedded in the oxide layer. Due to the presence of Si particles and their morphology, residual metallic Al phase and cracks are introduced in the oxide layer. A reduced number of residual metallic Al phase, as well as defects, can be obtained by changing the Si particle morphology to disconnected fibrous by Sr modification. On the contrary, Fe-rich intermetallics could be partly dissolved during anodising, leaving vacancies or voids as defects in the oxide layer. So, it was proved that by modifying Si particles and removing Fe-rich intermetallics from the surface, the defects in the oxide layer are reduced, and better corrosion protection is achieved. The SSM process increases the microstructural inhomogeneity such as transverse macrosegregation and longitudinal macrosegregation in the cast component. The results show that the presence of surface liquid segregation (SLS) layer by transverse macrosegregation does not have a significant impact on the corrosion resistance and hardness of the oxide layer of as-cast surfaces compared to liquid casting. The longitudinal macrosegregation influences the corrosion protection provided by the anodised layer but does not affect the hardness of the rheocast component before or after anodising. In this study, it is also found that, during the casting of Al-Si alloys, the surface of the component can be enriched in Fe-rich intermetallics due to the SLS or interaction with the die material. Despite this affects only the very superficial thickness, it has a big impact on the corrosion resistance and hardness of the oxide layer. This study has revealed that the high value of the oxide layer thickness, as well as the hydrothermal sealing, is not a guarantee for improving the corrosion resistance of the oxide layer. An increase of the oxide layer thickness by increasing applied voltage or anodising time decreases both the corrosion resistance and hardness of the oxide layer. Moreover, the hydrothermal sealing after anodising significantly decreases the corrosion protection provided by the anodised layer in Al-Si alloys due to cracks formation. This study has observed that the casting defects such as oxide film, cold shots and the solute-rich layer which are related to the casting process dominate the fatigue behaviours of the SSM cast components. The fractographic examination indicates that the oxide film, cold shots and solute-rich layer act as crack initiation points during fatigue testing. Therefore, it was found that, in these conditions, the anodising does not have an evident impact on fatigue properties, despite the anodising process adds a brittle anodised layer on the surface. Det blir allt vanligare att använda semi-solid metallgjutning (SSM) för att tillverka komponenter av Al-Si-legeringar för fordons- och telekomindustrin med minimalt behov av mekanisk efterbearbetning. I dessa applikationer måste de gjutna komponenterna leva upp till en kombination av krav på mekaniska egenskaper, samt även korrosions- och nötningsbeständighet. Det är därför viktig att ha förståelse för hur relevanta aspekter som materialdesign, tillverkning och ytbehandling påverkar komponentens slutgiltiga egenskaper. Syftet med denna avhandling är att presentera nya lösningar som kombinerar de kostnadseffektiva processerna gjutning och anodisering genom att anpassa val av legering med processkontroll för både gjutning och anodisering. Resultatet visar att det är möjligt att förbättra både mekaniska och ytegenskaper hos Rheo-gjutna komponenter. Denna studie har undersökt inverkan av legeringselement som Si och Fe på anodisering. Resultatet visar att både Si och Fe har signifikant påverkan på anodiseringen. Under anodisering oxideras Si-partiklar mycket långsammare än den omgivande Al-fasen och blir därmed inneslutet i oxidskiktet. Som ett resultat av Si-partiklarnas existens och deras morfologi bildas isolerade kvarvarande rester av metallisk Al-fas samt sprickor i oxidskiktet. Genom att ändra Si-partiklarnas morfologi till osammanhängande fibrer med hjälp av Sr-modifiering är det möjligt att minska mängden av metallisk Al-fas samt defekter i oxidskiktet. I motsättning till Si-partiklar lösas Fe-rika intermetaller delvist upp under anodiseringen och lämnar defekter i form av hålrum i oxidskiktet. Studien visar att en betydande förbättring av korrosionsbeständigheten av anodiserade komponenter kan uppnås genom att ändra Si-partiklarnas morfologi till fibrer och minska innehållet av Fe-rika intermetaller. SSM-processen ökar den mikrostrukturella inhomogeniteten i gjutna komponenter på grund av tvär- och längsgående makrosegregering. Det har visats att uppkomsten av ytsegregering som följd av tvärgående makrosegregering inte inverkar på korrosionsbeständighet och hårdhet av anodiseringsskiktet på obearbetade komponenter vid jämnföring med konventionell smältgjutning som också bildar gjuthud. Däremot påverkar den längsgående makrosegregeringen oxidskiktets korrosionsskyddande effekt, men inte hårdheten. Studien visar också att det sker en uppkoncentrering av Fe-rika intermetaller i ytan på Rheogjutna Al-Si-legering. Detta kan bero på ytsegregering eller växelverkan med gjutformen. Även om detta bara påverkar det yttersta skiktet av ytan på komponenten, kan det ha stor inverkan på korrosionsbeständighet och hårdheten av oxidskiktet. Det har avslöjats att varken ett tjockt oxidskikt eller hydrotermisk försegling är någon garanti för att förbättra oxidskiktets korrosionsegenskaper. Att växa ett tjockare oxidskikt genom att använda högre elektrisk spänning eller anodisera i längre tid minskar i bägge tillfällen både oxidskiktets korrosionsbeständighet och hårdhet. Ytterligare har det visats att också hydrotermisk försegling av anodiserade Al-Si-legeringar ger sämre korrosionsskydd. Studien visar också att gjutdefekter som oxidfilmer från smältan, kallflytningar och invers segregering, som alla härstammar från gjutprocess dominerar utmattningsegenskaperna för SSM-gjutna komponenter. Fraktografi visar att defekterna fungerar som sprickinitierare under utmattninglast. Slutligen har det visats att anodisering, i sig själv inte påverkar utmattningsegenskaperna trots att processen skapar ett sprött ytskikt på komponenten.

The combination of two cost-effective processes, i.e. casting and anodising, would be an interest for the aluminium component applications. However, there are some obstacles in the application of anodising on cast Al alloys. The challenges mostly relate to the alloying elements especially Si and the surface quality. With the development of casting process, cast aluminium alloys with low Si content can be casted, and a complex geometry component with reasonably good surface finish can be achieved. This study aims to identify the influence of Si on anodising and mechanical properties of Al-Si alloys. In this study, six Al-Si alloys with three different Si level and two different Sr level were investigated. Sr acts as a modifier to change the morphology of Si particles. The directional solidification technology was used to vary the microstructure coarseness by controlling the cooling rate to study the influence of Si level, Si particle morphology and cooling rate on mechanical properties, oxide layer formation and corrosion protection performance in cast Al-Si alloys. This study has observed that Si has a significant influence on anodising. During anodising, Si particles are anodised at a lower rate than the Al phase. The presence of Si particles in eutectic phase make the oxide layer locally thinner and more defected due to the low oxide growth rate in eutectic phase. This study observed the presence of residual metallic Al phase beneath or between Si particles. Due to their presence and their geometry, Al can be shielded by Si particles and prevented from oxidation. Si particles also act as a key role in the corrosion protection of oxide layer in Al-Si alloys. The corrosion attack propagates along Si particles as well as oxide defects to the Al substrate. It is found that the morphology of Si particles has a significant influence on the oxide layer formation and corrosion protection performance of the oxide layer on cast Al-Si alloys. A substantially improvement the corrosion resistance of anodised layer on Al-Si alloys is attributed to the morphology change from interconnected flakes to disconnected Si fibres when Sr is added, with less oxide defects and better oxide distribution. The Si level governs the mechanical properties of Al-Si based alloys. An increase of Si content in Al alloys improves the mechanical properties such as ultimate tensile and yield strength as well as hardness of the materials, but decreases the ductility. However, an increase of Si level in Al alloys decreases the thickness of oxide layer, and thereby, the corrosion protection of the oxide layer is deteriorated. Kombinationen av två kostnadseffektiva processer, gjutning och anodisering, är av intresse för tillämpning på aluminiumkomponenter. Det finns dock hinder för tillämpning av anodisering på gjutna aluminiumlegeringar. Utmaningarna relaterar till effekten av legeringselement, i synnerhet Si, och komponentens ytkvalité. Med utvecklingen av gjutprocesser kan aluminiumlegeringar med lågt Si-innehåll gjutas, och komponenter med komplex geometri med förbättrad ytkvalité kan uppnås. Denna studie syftar till att identifiera påverkan av Si på anodisering och mekaniska egenskaper hos Al-Si-baserade legeringar. I denna studie undersöktes sex Al-Si-legeringar med tre nivåer av Si och två nivåer av Sr. Tillsatser av Sr leder till modifikation av morfologin hos Si-partiklar. Med hjälp av tekniken ”riktad stelning” varierades stelningshastigheten för att studera sambanden mellan halten och morfologin av Si, mikrostrukturens grovlek och dess inverkan på mekaniska egenskaper, samt oxidskiktets bildning och korrosionsbeständighet hos gjutna Al-Si-legeringar. Denna studie visar att Si har ett betydande inflytande på anodisering r. Under anodisering, anodiseras Si-partiklar i en lägre takt än Al-fasen. Närvaron av Si-partiklar i eutektisk fas bidrar till ett lokalt förtunnat oxidskikt med fler defekter på grund av den låga oxidtillväxthastigheten i eutektisk fas. Denna studie observerade förekomsten av kvarvarande metalliska Al fasen under eller mellan Si-partiklar. På grund av Si-partiklarnas närvaro och geometri, kan Al skärmas från oxidation. Si-partiklar har även en nyckelroll i korrosionsskydd av oxidskiktet i Al-Si-legeringar. Korrosionsangreppet propagerar längs Si-partiklar samt oxiddefekter till Al-substrat. Morfologin av Si-partiklar har funnits ha en betydande inverkan på oxidskiktets bildning och korrosionsskydd hos gjutna Al-Si-legeringar. En väsentlig förbättring av korrosionsbeständigheten i anodiserat skikt hos Al-Si-legeringar tillskrivs förändring av kiselns morfologi från sammankopplade flingor till osammanhängande fibrer när Sr tillsätts, med mindre oxiddefekter och bättre fördelning av oxid. Si halten påverkar de mekaniska egenskaperna hos Al-Si-baserade legeringar. En ökning av Si innehålleti Al-legeringar förbättrar de mekaniska egenskaperna såsom brott och sträckgräns samt hårdhet hos materialen, men minskar duktiliteten. En ökning med Si halt i Al-legeringar minskar dessvärre tjockleken hos oxidskiktet, och därigenom, försämrar oxidskiktets korrosionsskydd.