Measurement and Control of Contamination Hydrogen

in Aluminum Casting Alloy A356by Reduced Pressure Test

PITTAYA HAYAKWONG 563351013003-5KANISORN HAMBURUD 563351013022-5

INDUSTRIAL ENGINEERINGFACUTLY OF ENGINEERING

RAJAMUNGALA UNIVERSITY OF TECHNOLOGY KHONKAEN CAMPUS

Excellent castabilily

Good weldability

Pressure tightness

Good resistance to corrosion

Engine parts and aircraft fittings

and control parts

Application

2

Application

มแนวโนมการผลตเพมขน 46.7%

3

Recycling

4

Smelting of Aluminum ore

ละลายแรดวยโซเดยมไฮดรอก

ไซตแยกอะลมเนยมไฮดรอกไซตออกจาสารละลาย

หลอมอะลมนาในสารละลายไคร

โอไลต

ผลตผงอะลมนา

แยกโลหะอลมเนยมดวยไฟฟา

บดยอยขนาด

การท าเหมองแร

การขนรปโลหะอะลมเนยมดวยวธตางๆ

5

Wrought alloys

› Wrought means “worked”

Rolled, Extruded, Forged

6061, 7075 Aircraft Aluminum

3104 cans

Casting alloys are different than wrought

› Have been specifically designed

to be cast and not worked

Classified of Aluminum Alloys

6

In North America the Aluminum Association

numbering system is most common

Wrought alloys series have 4 numbers 1000 to 9000 series

6061, 7075 are familiar examples

Foundry alloy series have 3 numbers 100 series to 800 series

319, A356, 380 are the most common foundry alloys

Aluminum Foundry Casting Alloys

7

ALUMINUM CASTING ALLOY

American Society for Testing and Materials

Series Alloy Type

1xx.x 99.0% minimum aluminum

2xx.x Al + Cu

3xx.x Al + (Si-Mg), (Si-Cu) or (Si-Mg-Cu)

4xx.x Al + Si

5xx.x Al + Mg

6xx.x -

7xx.x Al + Zn

8xx.x Al + Sn

9xx.x -

The 6xx.x and 9xx.x series aren’t currently in use, but theyAre being held open for possible use in the future

8

Wrought vs. Cast AluminumWrought Alloys Cast Alloys

Aluminum Assoc 4 Numbers Aluminum Assoc 3 Numbers

1xxx

99% Aluminum

Low

Strength

Electrical

wire

1xx

Essentially

Pure

Aluminum

Rotor cages for

electrical motors, tricky

to cast

2xxx Al-Cu(-Mg) 2xx Al-Cu Hi Strength, Hard to

Cast

3xxx Al-Mn(-Mg) Beer can 3xx

Al-Si + Cu, Mg

Most Common Alloy

Engines, wheels,

airplanes

4xxx Al-Si 4xx Al-Si Easiest to Cast, Medium

Strength

5xxx Al-Mg 5xx Al-Mg Excellent finish, Marine

use, Corrosion resistant

6xxx Al-Mg-Si 6061 Not used

7xxx Al-Zn-Mg(-

Cu)

7075 7xx Al-Zn-Mg Molds, tricky to cast

8xxx Other 8xx Al-Sn Bearing Alloy

9xxx Rumored to be Top Secret Military Alloys – Area 51 9

Classification

of Casting defects

Volume contraction

Fishbone diagrams

Hydrogen

Porosity

Loss of strength

Loss of elongation

Oxidation

Surface defects

Leakiness

Shrinkage

Film

10

Inclusion of Aluminum melting

ออกซเจนท ำใหเกดฟลม 𝐴𝑙2𝑂3

ไนโตรเจนท ำใหเกดไนไตรด NO2

ไฮโดรเจนจะละลำยแทรกซม เขำ

ในอะลมเนยม

11

Hydrogen in Aluminum Alloys

สามารถละลายในอะลมเนยมหลอมเหลวไดด

กอใหเกดจดบกพรองทส าคญในชนงานหลอและรพรน 12

Hydrogen Solubility in Aluminum based on Temperature

13

Sources of Hydrogen Contamination

1. Atmospheric Moisture

2. Incompletely dried refractories

3. Fluxes

14

Sources of Hydrogen Contamination

4. Remelt ingot, master alloy,

metallurgical metals, and other charge components

5. Tools, flux tube, and ladles

6. Products of combustion (POCs) in gas-fired furnaces

15

Measuring Hydrogen Concentration

1. Laser Induced Breakdown Spectroscopy• ตนทนสง• ขอมลเปน Real Time• เหมาะกบโรงงานทถลงสนแรผลต Ingot

2. Recirculating Gas Test

• ตองใชแกสในกำรทดสอบเยอะ

• อปกรณในกำรตดตงเยอะเชน ปม

ถงไนโตรเจน microprocessor

16

Measuring Hydrogen Concentration

3. Density measurements• ยงยากในการค านวณ• ขอมลทท าการทดสอบมโอกาสทจะผดพลาด• ไดรบขอมลลาชา ไม Real Time• ใชบคคลกรทมความช านาญ และความรในเรอง ความหนาแนน

4. Reduced Pressure Test

• ตนทนต า• ขนาดของเครองมขนาดเลก

เคลอนยายไดสะดวก• ประสทธภาพในการวดมความ

แมนย า• งายและสะดวกตอการใชงาน• บ ารงรกษางาย• ชนสวนมขายในประเทศไทย• ไดรบความนยมและการยอมรบ

17

Prevention and Degassing of Hydrogen Gas

1. อะลมเนยมแทง Scrap เชน รลน รเท และอนๆ มาใหความรอนหรออนกอนทจะใสเขาเตาเพอไลความชนทปนเปอน

18

2. ใชแกสคลอรนหรอแกสไนโตรเจน พนผานทอขนาดเลก ลงไปกนเบาท าใหเกดเปนฟองขนมาทผวน าโลหะฟองของแกสคลอลนจะท าหนาทพาเอาแกสไฮโดรเยนออกมาดวย

Prevention and Degassing of Hydrogen Gas (Continue)

19

3. ใชอะลมเนยมคลอไรดหรอเฮกซาโครโรอเทน ซงเปนของแขงกดลงใตผวน าอะลมเนยมหลอมเหลว จะท าใหเกดเปนฟองของแกสขน ท าหนาทไลแกสไฮโดรเยนทปนอยในน าอะลมเนยม

Aluminum chloride

Chemical Composition

Thermal Properties

Mechanical Properties

•สวนผสมทำงเคม

•คณสมบตทำงอณหภม

•คณสมบตทำงกล

ALUMINUM CASTING ALLOY A356

20

Chemical Composition Limits

Si Fe Cu Mn Mg Zn Ti Each Total

6.5-7.5 0.20 0.20 0.10 0.25-0.45 0.10 0.20 0.05 0.15

21

Mechanical Properties

TemperTensile

Strength (Mpa)

Yield

Strength(Mpa)

Elongation(%)

Hardness(HB)

Shear

Strength(Mpa)

T71

(Sand cast)193 145 3.50 60 140

T7

(Permanent Mold)221 165 6.00 70 170

22

Typical mechanical properties of aluminum alloy castings at room temperature (engineering units)

Casting Process and Temper

TensionShearing Strength

(ksi)

Compressive Yield Strength (Set

0.2%)(ksi)

Brinell Hardness (500 kg load on

10 mm ball)

Endurance Limit(ksi)Ultimate Strength

(ksi)Yield Strength (Set 0.2%)(ksi)

Elongation (%in 2 in.)

Sand-F 23 12 6.0

Sand-T51 26 18 3.0

Sand-T6 40 30 6.0 75

Sand-T71 30 20 3.0

P.M.-F 27 13 8.0

P.M.-T51 29 20 5.0

P.M.-T6 41 30 12.0

P.M.-T61 41 30 10.0 28 32 90 13

23

คณสมบตทางอณหภม ปรมาณ หนวยตาง

อณหภมหลอมเหลว 615 °C

อณหภมแขงตว 555 °C

สมประสทธกำรขยำยตวท 20 องศำเซลเซยส 21.5 um/m.K

ควำมรอนจ ำเพำะ 963 J/kg.K

ควำมสำมำรถในกำรน ำควำมรอน T51(Sand) 167 W/m.K

ควำมสำมำรถในกำรน ำควำมรอน T6,T61(Sand) 151 W/m.K

ควำมสำมำรถในกำรน ำควำมรอน T7(Sand) 155 W/m.K

ควำมสำมำรถในกำรน ำควำมรอน T6,T61(Permanent Mold) 159 W/m.K

ควำมหนำแนน 2.685 g/cm3

Thermal Properties

24

Aluminum Silicon Phase Diagram

Aluminum Silicon is also an

Eutectic Alloy

Pure Aluminum melts at 660°C

Pure Silicon melts at1400°C

BUT!

Eutectic

An 11.7% mix melts

at 577°C

Aluminum casting alloys A356 melts at 615°C25

Aluminum Silicon Phase Diagram

A356

26

Aluminum Silicon Magnesium Casting Alloys Properties

เปนอะลมเนยมหลอผสม ทชบแขงได โดยผสมแมกนเซยม ในลกษณะ แมกนเซยม

ซลไซด (Mg2Si)

ใชกบงำนหลอได ท งแบบทรำย และ แบบถำวร ไดผลดมำก

ใชหลอได ท งแบบหลอทรำย และ แบบหลอถำวร ทเปนเหลก หรอ บรอนซ

27

กลง กด ตด เจำะ เชอมประสำน ไดดมำก

อะลมเนยมหลอผสม กลมน ใชกบงำน ประเภทตองกำร ควำมแขงแรงสง

เชน ชนสวนรถบรรทก และ ในอตสำหกรรมยำนอวกำศ

เหมำะมำกถำใชกบงำนหลอ ทมรปรำงซบซอน ประณต และควำมแขงแรงสง

Aluminum Silicon Magnesium Casting Alloys Properties (ตอ)

28

ชบ Anodized ไดสเทำมนสวยงำมมำก

เนอแนนทนแรงอดไดดยอดเยยม

คณสมบตทำงกลดขนมำก โดยเฉพำะ ถำไดผำน กำรอบชบแบบ

Solution Heat Treatment และ เอจจง (Aging)

ปรบปรงควำมแขงแรงทนแรงดงได ดวยกำรอบชบ

Solution Heat Treatment และ เอจจง (Aging)

Aluminum Silicon Magnesium Casting Alloys Properties (ตอ)

Anodized

29

Microstructure (โครงสรางจลภาค)

ภำพโครงสรำง อะลมเนยมผสม หมำยเลข 356-F ปรบปรงโครงสรำง โดยกำรเตมโซเดยม 0.025%

ขณะหลอมเปนกำรหลอ โดยใชแบบทรำยหลอ

ท ำใหซลกอนในยเทคตคมขนำดเลก และ เกอบโคงมน

ภำพโครงสรำง อะลมเนยมผสม หมำยเลข 356-T51หลอโดยใช แบบหลอทรำย และ ท ำกำรเอจจงเทยม

ท ำใหซลกอน มสเทำด ำ และ มมแหลม

1

2

30

Microstructure (โครงสรางจลภาค) ตอ

ภำพโครงสรำง อะลมเนยมผสม หมำยเลข 356-T7 ปรบปรงโครงสรำง โดยกำรเตมโซเดยม

เปนกำรหลอ โดยใชแบบทรำยหลอ และใหควำมรอนเปน

สำรละลำยของแขง ท ำใหเสถยรภำพ

โครงสรำงม ซลกอนลอมรอบๆ และ แผน Fe2Si2Al9

ภำพท 2 โครงสรำง อลมเนยมหลอ หมำยเลข 356.0 หลอดวยทรำย หลงจำกกำรปรบปรงโครงสรำง

แตเมอกำรปรบปรงโครงสรำง มกำรปฏบตกำรทำงควำมรอน กำรลดควำมรอน และท ำเอจจงเกนระดบ คอ

จนถง T7(เปนกำรท ำ Solution Heat Treatment และ Stabilized)

แสดงดง ภำพท 3

3

31

Reference

2. Worldwide Report Aluminum Cast Alloys:

Enabling Tools for Improved PerformanceBy: D. Apelian NADCA 2009

3. Aluminum Foundry Alloy Basics for

BackyardMetalcasting.com Foundry Joe Rev 0, May 2010

4. Aluminum Alloy Castings

Properties, Processes, and ApplicationsJ. Gilbert Kaufman, Elwin L. Rooy

1. Aluminum Casting TechnologyAmerican foundrymen’s society, Inc.

32

END OF PRESENTATION

THANK YOU. . .

33