Al care conține maximum 1% în greutate atât Fe cât și Si se numește în general Al pur. Al pur este un material foarte moale și ductil; motivul pentru care este folosit este destul de limitat. Aliind Al pur cu alte elemente, proprietățile pot fi adaptate remarcabil și domeniile de aplicare îmbunătățite. Aliajele de aluminiu sunt clasificate în două grupuri: aliaje forjate și turnate. Mai mult, fiecare dintre aceste grupuri este apoi împărțit în clase în funcție de compoziție. Aliajele turnare Al, aliajele de turnătorie care au Si ca element major de aliere, sunt cele mai importante aliaje comerciale datorită caracteristicilor lor superioare de turnare, cum ar fi punctele de topire scăzute și fluiditatea excelentă; solidificare rapidă; solubilitatea hidrogenului, care în prezent poate fi controlată; rezistență la coroziune; sudabilitate și prelucrabilitate bună; și reciclare ușoară.
Al that contains a maximum of 1 wt% of both Fe and Si is generally called pure Al. Pure Al is a very soft and ductile material; why it is used is quite limited. Alloying pure Al with other elements, the properties can be tailored remarkably and the application fields enhanced. Al alloys are classified into two groups: wrought and cast alloys. Furthermore, each of these groups is then divided into classes according to the composition. Al cast alloys, foundry alloys that have Si as the major alloying element, are the most important commercial alloys due to their superior casting characteristics such as low melting points and excellent fluidity; rapid solidification; hydrogen solubility, which nowadays can be controlled; corrosion resistance; good weldability and machinability; and easy recyclability.

Pentru a îndeplini cerințele variate privind produsele din aliaje de Al, un număr mare de aliaje au fost dezvoltate de-a lungul anilor. Sistemele de desemnare și nomenclatura aliajelor pentru aliajul de turnare de aluminiu nu sunt standardizate la nivel internațional; există o serie de sisteme naționale; Fig. 55 ilustrează sistemul de nomenclatură europeană. Pe lângă elementul de aliere major Si din aliajele de turnătorie, seria EN AC 4XXXX, cantități considerabile de Cu, Mg, Fe și Mn se găsesc, de asemenea, în turnările de Al.
In order to fulfil the varied demands on Al alloy products, a great number of alloys have been developed over the years. Designation systems and alloy nomenclature for aluminum casting alloy are not internationally standardized; there exist a number of national systems; Fig. 55 illustrates the European nomenclature system. Besides the major alloying element Si in foundry alloys, EN AC 4XXXX series, considerable amounts of Cu, Mg, Fe, and Mn are also found in Al castings.

În timpul solidificării aliajelor din seria EN AC 4XXXX, unde conținutul de Si este sub 12,7% (vezi Fig. 56), dendritele de Al (Al aproape pur) se solidifică mai întâi. Spațiile dintre aceste dendrite sunt apoi umplute cu Al-Si eutectic, intermetalice și defecte bazate pe condițiile de aliere și procesare. Distanța dintre aceste dendrite este identificată ca distanța dintre brațele dendrite secundare (SDAS), care este legată de timpul de solidificare locală (vezi Fig. 57). La niveluri de peste 12,7 % de Si, secvențele de solidificare încep cu precipitarea particulelor primare de Si. Creșterea vitezei de solidificare, celulele dendrite devin mai mici, ducând ulterior la o rafinare a structurii eutectice (Seifeddine 2006).
During the solidification of alloys within EN AC 4XXXX series, where the Si content is below 12.7 % (see Fig. 56), Al dendrites (almost pure Al) solidify first. The spaces between these dendrites are then filled with Al-Si eutectic, intermetallics, and defects based upon alloying and processing conditions. The distance between these dendrites is identified as the secondary dendrite arm spacing (SDAS), which is related to local solidification time (see Fig. 57). At levels above 12.7 % of Si, the solidification sequences start with precipitation of primary Si particles. Increasing the solidification rate, the dendrite cells become smaller, subsequently leading to a refinement of the eutectic structure (Seifeddine 2006).

Relația dintre proces, microstructură și proprietăți mecanice

În general, microstructura și proprietățile mecanice pot fi adaptate controlând următoarele trei seturi cheie de variabile (Seifeddine 2006; Sjo¨lander 2011):
Generally speaking, the microstructure and mechanical properties can be tailored by controlling the following three key sets of variables (Seifeddine 2006; Sjo¨lander 2011): 

• Variabilele de prelucrare și tratare a topiturii, care includ tratarea metalului topit, comportamentul de umplere a matriței, materialele de turnare și parametrii acestora, timpul de solidificare locală, etc.
• Variabilele de sistem/metalurgice, care includ compozițiile chimice precum H, nivelul de modificare, rafinarea granulelor, etc.
• Variabile post-solidificare, care includ tratamentul termic în soluție, călirea, îmbătrânirea, presarea izostatică la cald etc.
• Melt treatment and processing variables, which include molten metal treatment, mold filling behavior, molding materials and their parameters, local solidification time, etc. • System/metallurgical variables, which include chemical compositions such as H, level of modification, grain refinement, etc. • Post-solidification variables, which include solution heat treatment, quenching, ageing, hot isostatic pressing, etc.

Piesele turnate din aluminiu pot fi fabricate prin aproape toate procesele de turnare, cum ar fi procesele de turnare cu matriță de înaltă și joasă presiune, matrițe gravitaționale și turnare în nisip, inclusiv spumă pierdută. Diferitele procese de fabricație oferă diferite calități de turnare și soliditate datorită comportamentului de umplere a matriței și condițiilor de solidificare. Prin stare de solidificare se înțelege timpul de solidificare locală, viteza de răcire, coeficientul de transfer de căldură și difuzivitatea căldurii în materialul matriței. În acest sens, turnările în matrițe permanente vor prezenta un SDAS scurt în comparație cu procesele de turnare în nisip. În timp ce procesele de turnare sub înaltă presiune sunt asociate cu flux turbulent, captarea aerului și peliculele de oxid care influențează negativ proprietățile mecanice, procesele de joasă presiune, turnarea gravitațională în matriță permanentă și turnarea în nisip permit o matriță netedă și controlată.
Al castings can be manufactured by almost all casting processes such as high and low-pressure die-, gravity die-, and sand casting processes including lost foam. Different manufacturing processes offer different casting qualities and soundness due to the mold filling behavior and solidification conditions. By solidification condition it is meant the local solidification time, cooling rate, heat transfer coefficient, and the heat diffusivity in the mold material. In this sense, permanent mold castings will exhibit a short SDAS in comparison to sand casting processes. While high-pressure die casting processes are associated with turbulent flow, air entrapment and oxide films which are adversely influencing the mechanical properties, the processes of low pressure, permanent mold gravity die, and sand casting enable a smooth and controlled mold.

În general, proprietățile mecanice ale Al-Si sunt guvernate în mare măsură de cantitatea și finețea eutecticului din microstructură. Aliajele în care particulele de Si (eutectice sau primare) sunt mici, rotunde și distribuite uniform sunt de obicei ductile. Aliajele în care particulele de Si sunt fațetate și aciculare sunt de obicei mult mai puțin ductile datorită naturii fragile a plăcilor mari de Si, dar prezintă o rezistență puțin mai mare. Această comparație are rezultate numai dacă materialele sunt prelucrate în condiții similare. Distanța dintre brațele dendritice secundare, SDAS, care definește grosimea microstructurii în aliajele pe bază de Al-Si, depinde de condițiile de solidificare, inclusiv de tipul procesului aplicat și de geometria, în special de grosimea, pieselor turnate. O distanță scurtă între aceste brațe dendritice este în general însoțită de o structură eutectică mai fină și de compuși intermetalici care realizează, în total, turnări de calitate superioară și mai solide (vezi Fig. 58). Granulația brută a microstructurii și tipul de faze și defecte sunt fundamentale pentru comportamentul materialului (Seifeddine 2006).
Generally, the mechanical properties of Al-Si are governed to a large extent by the amount and fineness of the eutectic in the microstructure. Alloys in which the Si particles (eutectic or primary) are small, round, and evenly distributed are usually ductile. Alloys in which the Si particles are faceted and acicular are usually much less ductile due to brittle nature of the large Si plates but exhibit slightly higher strength. This comparison yields only if the materials are processed under similar conditions. The distance between the secondary dendrite arms, SDAS, which defines the coarseness of microstructure in Al-Si based alloys, depends on the solidification conditions including type of process applied and the geometry, specially the thickness, of the castings. A short distance between these dendrite arms are generally accompanied with finer eutectic structure and intermetallic compounds which altogether realize higher quality and sounder castings (see Fig. 58). The coarseness of microstructure and type of phases and defects are fundamental to the material behavior (Seifeddine 2006).

Pe lângă dependența de viteza de răcire și condițiile de procesare, microstructura și proprietățile mecanice depind în mare măsură de compoziția reală, inclusiv de nivelul de H, tratarea metalelor, cum ar fi degazarea și formarea de defecte la umplerea și solidificarea matriței.
Besides the cooling rate dependency and processing conditions, the microstructure and mechanical properties are widely dependent on the actual composition including level of H, metal treatment such as degassing, and formation of defects at mold filling and solidification.

Creșterea conținutului de Si, duritatea, rezistența finală la tracțiune și rezistența la curgere vor fi îmbunătățite în detrimentul scăderii alungirii. Caracteristicile Al-Si pot fi modificate în plus prin adăugarea de elemente de aliere precum Mg și Cu. Pe lângă efectul de întărire naturală, aceste elemente permit un tratament termic al pieselor turnate. Conținutul de Mg poate fi privit într-o varietate de moduri, Mg din aliajele de Al constituie în unele aliaje principalul element de aliere, dar în alte aliaje poate fi privit ca o impuritate. Solubilitatea Mg în Al atinge un maxim de 17,4% în greutate la 450. Conținutul de Mg în Al este limitat, deoarece are tendința puternică de a reacționa cu alte elemente, formând incluziuni. În aliajele de turnătorie Al-Si și pe măsură ce se aplică tratamentul termic, Mg oferă aliajelor de turnătorie pe bază de Al-Si un răspuns foarte puternic la performanța mecanică, dacă se adaugă în cantități adecvate, adică 0,3-0,7% în greutate.
Increasing the Si content, the hardness, ultimate tensile strength, and yield strength will be enhanced on the expense of lowering the elongation. The characteristics of Al-Si can be altered furthermore by the addition of alloying elements such asMg and Cu. Besides the effect of natural hardening, these elements allow a thermal treatment of castings. It can be looked at the Mg content in a variety ways, Mg in Al alloys makes up in some alloys as the principal alloying element, but in other alloys it can be regarded as an impurity. The solubility of Mg in Al reaches a maximum of 17.4 wt% at 450. The Mg content in Al is limited since its strong tendency to react with other elements forming inclusions. In Al-Si foundry alloys, and as heat treatment is applied, Mg gives Al-Si-based foundry alloys a very strong response to mechanical performance, if added in proper amounts, i.e., 0.3–0.7 wt%.

În aliajele de Al, Cu se găsește parțial solubil într-o soluție solidă de Al, cu o solubilitate maximă la echilibru de 5,65% în greutate, sau formând substanțe intermetalice precum Al2Cu care vor fi solidificate în două forme după reacția eutectică principală Al-Si: una masivă sau blocată, iar celălalt ca formă fină eutectică. Scopul principal, prin adăugarea de Cu (până la 3–4 %) la aliajele Al-Si, este de a spori rezistența acestora. Cu cât conținutul de Cu este mai mare, cu atât se va atinge un nivel mai mare de duritate. Crescând conținutul de Cu peste 6%, turnabilitatea pare să se îmbunătățească, dar greutatea specifică a aliajului și formarea porozității cresc considerabil. Rezistența și ductilitatea acestor aliaje depind de cum este prezent Cu în soluția solidă ca particule distribuite uniform sau ca intermetalici într-o varietate de complexități. În ceea ce privește Cu care este dizolvat în matricea de Al în soluție solidă și/sau precipitate în matrice, aliajele vor avea cea mai mare creștere a rezistenței și vor păstra o ductilitate semnificativă. Pe de altă parte, dacă Cu este prezent ca intermetalici la nivel microstructural, nu se va realiza în plus nici o creștere apreciabilă a rezistenței, ci o pierdere a ductilității (Seifeddine et al. 2013).
In Al alloys, Cu is found partially soluble in an Al solid solution, with a maximum equilibrium solubility of 5.65 wt%, or forming intermetallics such as Al2Cu which will be solidified in two forms after themain Al-Si eutectic reaction: one massive or blocky and the other as fine eutectic form. The main purpose by adding Cu (up to 3–4 %) to Al-Si alloys is to enhance their strength. The higher the content of Cu, the higher level of hardness will then be achieved. Increasing the Cu content beyond 6 % the castability appears to improve, but the specific gravity of the alloy and porosity formation increase considerably. The strength and ductility of these alloys depend on whether Cu is present in solid solution as evenly distributed particles or as intermetallics in a variety of complexities. As for Cu being dissolved in the Al matrix in solid solution and/or precipitates in the matrix, the alloys will have the largest increase in strength and retain significant ductility. On the other hand, if Cu is present as intermetallics on a microstructural levels, any appreciable increase in strength will not additionally be realized, but a loss of ductility (Seifeddine et al. 2013).

Fe în aliajele de Al trebuie controlat cu atenție deoarece poate cauza o serie de limitări. Nimeni nu este de acord, iar literatura este de acord că acest element este considerat cel mai dăunător pentru rezistența la coroziune și performanța mecanică datorită precipitării intermetalicilor fragili, bogați în Fe, cu o varietate de forme și complexități (vezi Figurile 59 și 60). Morfologia și dimensiunea fazelor purtătoare de Fe din turnările de Al depind de compoziția aliajului, în special de nivelul Fe, tratarea topiturii, condițiile de turnare și viteza de răcire; iar în aliajele de turnătorie Al-Si, acestea pot apărea ca trombocite mici sau mari numite fază-β cu o stoichiometrie de Al5FeSi.
Fe in Al alloys has to be controlled carefully as it can cause a number of limitations. No one disagrees and literature is in agreement that this element is considered as the most deleterious element to the corrosion resistance and mechanical performance due to precipitation of brittle Fe-rich intermetallics with a variety of shapes and complexities (see Figs. 59 and 60). The morphology and size of the Fe-bearing phases in Al castings depend on the alloy composition especially the Fe level, melt treatment, casting conditions, and cooling rate; and in Al-Si foundry alloys, they may appear as small or large platelets called β-phase with a stoichiometry of Al5FeSi.

Datorită marginilor ascuțite ale acestor trombocite, este probabil introdusă o concentrație severă de stres în matricea aliajului. Datorită acestui fapt, aceste faze sunt recunoscute ca fiind cele mai dăunătoare proprietăților mecanice ale turnării, în special ductilitate. De aceea, eforturile ar trebui să fie dedicate dezvoltării mijloacelor de control al precipitării, creșterii și morfologiei acestora. În plus, morfologia acestor trombocite ar putea bloca canalele de alimentare interdendritice în timpul solidificării, desigur dacă acestea sunt precipitate ca primar sau în timpul reacției eutectice în funcție de nivelul Fe din topitură, ceea ce duce la creșterea nivelului de porozitate. Pentru a îmbunătăți proprietățile generale, cum ar fi proprietățile de tracțiune, oboseală și coroziune, morfologia fazei-β într-o formă de trombocite poate fi modificată la o formă mai compactă, compuși intermetalici mai puțin nocivi, cum ar fi Al15(Fe, Mn)3Si2 atunci când se adaugă Mn (vezi Fig. 4). Alți modificatori care sunt utilizați frecvent în acest scop sunt, de asemenea, Cr, Co, Sr, Be și Ca. La alierea cu Mn și Cr, trebuie luată precauție pentru a evita formarea de mâzgă de componente solide complexe, dure, incluziuni intermetalice. Acești compuși intermetalici sunt duri și pot afecta negativ proprietățile generale ale turnării și pot fi evitați dacă topitura este produsă corespunzător (Seifeddine 2006). Uneori, Fe se adaugă intenționat, în timpul operației de topire, pentru a îmbunătăți rezistența la rupere la cald și pentru a scădea tendința de lipire sau sudare a matriței (Seifeddine 2006).
Due to the sharp edges of theses platelets, a severe stress concentration is likely introduced to the alloy’s matrix. Due to this fact, these phases are recognized as the most detrimental to the casting’s mechanical properties, especially the ductility. That is why efforts should be dedicated to developing means of controlling their precipitation, growth, and morphology. In addition, the morphology of these platelets might block the interdendritic feeding channels during the solidification, of course if they are precipitated as primary or during the eutectic reaction depending on the Fe level in the melt, leading to an increase level of porosity. In order to enhance the overall properties such as tensile, fatigue, and corrosion properties, the morphology of the β-phase in a platelet shape can be altered to a more compact, less harmful intermetallic compounds such as Al15(Fe, Mn)3Si2 when adding Mn (see Fig. 4). Other modifiers that are frequently used for that purpose are also Cr, Co, Sr, Be, and Ca. When alloying with Mn and Cr, caution has to be taken in order to avoid the formation of hard complex solid component sludge, intermetallic inclusion. These intermetallic compounds are hard and can adversely affect the overall properties of the casting and can be avoided if the melt is produced properly (Seifeddine 2006). Sometimes, Fe is added intentionally, during the melting operation, in order improve the resistance to hot tearing and to decrease the tendency for die sticking or soldering (Seifeddine 2006).

Mg, Cu și Fe, dacă sunt prezente în aliajele Al-Si, promovează formarea diferitelor tipuri de intermetalici coexistenți. În apariția Mg, faza-π Al8FeMg3Si6 se poate forma ca scriere chineză și/sau sub formă de globule. Mg poate forma, de asemenea, intermetalice complexe cu Cu, precipitând ca Cu2Mg8Si6Al5. În aliajele Al-Si, când Cu este prezent, eutecticul Al-Al5FeSi-Si se formează ca ace subțiri. Alte faze pe care Fe le formează atunci când Cu este prezent este faza aciculară Al7FeCu2 (Seifeddine 2006; Sjo¨lander 2011; Seifeddine et al. 2013; Seifeddine și Svensson 2010).
Mg, Cu, and Fe, if they are present in Al-Si alloys, promote the formation of different kinds of coexisting intermetallics. In the occurrence of Mg, the π-phase Al8FeMg3Si6 can form as Chinese script and/or as globules. Mg may also form complex intermetallics with Cu, precipitating as Cu2Mg8Si6Al5. In Al-Si alloys, when Cu is present, the Al-Al5FeSi-Si eutectic forms as thin needles. Other phases that Fe forms when Cu is present is the needlelike Al7FeCu2 phase (Seifeddine 2006; Sjo¨lander 2011; Seifeddine et al. 2013; Seifeddine and Svensson 2010).

Toate aliajele de Al conțin de fapt cantități diferite de impurități precum Ni, Cr și Zn. Prin impurități se înțelege orice specie de elemente străine care au o influență dăunătoare asupra turnabilității, fluidității, proprietăților mecanice și fizice, rezistenței la coroziune etc. Elementele care se dizolvă în Al pot avea o influență minimă asupra proprietăților aliajului. În anumite condiții, anumite elemente, considerate impurități, pot avea efecte apreciabile asupra proprietăților aliajului, datorită formării de compuși intermetalici.
All Al alloys contain in fact different amounts of impurities like Ni, Cr, and Zn. By impurities it is meant any species of foreign elements which have a detrimental influence on the castability, fluidity, mechanical and physical properties, corrosion resistance, etc. Elements that dissolve in the Al may have a minimal influence on alloy properties. Under some conditions, certain elements, considered impurities, might have appreciable effects on the alloy properties, due to formations of intermetallic compounds.

Controlul suplimentar și îmbunătățirea/rafinarea microstructurii și proprietăților mecanice ale pieselor turnate de Al pot fi realizate prin rafinări de granule și agenți modificatori. Merită să rețineți că SDAS nu este legat de mărimea granulelor.
Further control and improvement/refinement of the microstructure and mechanical properties of Al castings can be achieved by grain refiners and modifier agents. It is worth to bear in mind is that the SDAS is not related to the grain size.

Rafinarea granulelor este un proces chimic în care agenții de cristalizare sunt adăugați la topitură pentru a promova formarea unei structuri de granule fine, uniforme și echiaxiale (Fig. 61). Acest proces de adăugare a rafinatorului de granule la topitură este cunoscut și sub numele de inoculare. Dimensiunea granulelor din aliaj are o relație inversă cu numărul de nuclee prezente în lichid; numărul mai mare de nuclee va permite formarea mai multor granule și, prin urmare, o dimensiune mai mică a granulelor. Cele mai utilizate rafinatoare de granule sunt aliajele principale Al-Ti, Al-Ti-B și Al-B (Jarfors 1992).
Grain refinement is a chemical process in which nucleating agents are added to the melt to promote the formation of fine, uniform, and equiaxed grain structure (Fig. 61). This process of adding grain refiner to the melt is also known as inoculation. The grain size of the alloy has inverse relationship with the number of nuclei present in the liquid; the greater number of nuclei will allow more grains to form and hence smaller grain size. The most commonly used grain refiners are Al-Ti, Al-Ti-B, and Al-B master alloys (Jarfors 1992).

Unele dintre beneficiile expunerii granulelor mai fine în turnarea Al-Si sunt:
Some of the benefits of exhibiting finer grains in Al-Si castings are:

• Alimentarea îmbunătățită
• Turnabilitate îmbunătățită
• Distribuție redusă și uniformă a porozității de contracție
• Distribuție mai bună a intermetalicilor
• Improved feeding • Improved castability • Reduced and evenly distribution of shrinkage porosity • Better distribution of intermetallics

Toate aceste beneficii pe care rafinatorul de granule le adaugă turnărilor de Al-Si vor promova îmbunătățirea proprietăților mecanice; prin urmare, merită să ținem cont de faptul că, în aliajele Al-Si, performanța mecanică nu este îmbunătățită doar de reducerea granulometriei. Pentru a obține o ductilitate mai mare, microstructura aliajelor de Al-Si, și în principal a particulelor de Si, trebuie modificată. Pe lângă fragilitatea sa, morfologia Si care acționează ca factor de creștere a tensiunii interne are ca rezultat ruperea timpurie a turnării pe măsură ce este expusă la sarcină. Modificarea este procesul prin care morfologia particulelor de Si este schimbată de la forma aciculară fragilă la formă fibroasă fină (vezi Fig. 62) (Zamani et al. 2013). Printre modificatorii disponibili, Na și Sr sunt utilizați în principal.
All these benefits that grain refiner adds to Al-Si castings will promote improvements of the mechanical properties; it is therefore worth to bear in mind that in Al-Si alloys, the mechanical performance is not solely enhanced by grain-size reductions. In order to realize higher ductility, the microstructure of Al-Si alloys, and mainly the Si particles, has to be modified. Besides its brittleness, the morphology of Si acting as internal stress raisers results in early fracture of casting as it is exposed to load. Modification is the process in which the morphology of the Si particles is changed from brittle acicular shape into fine fibrous form (see Fig. 62) (Zamani et al. 2013). Among available modifiers, Na and Sr are mostly utilized.

Procesul de tratament termic care se aplică în mod obișnuit pe componentele turnate pe bază de Al-Si constă în tratament termic cu soluție, călire urmată de îmbătrânire naturală și/sau artificială.
The heat treatment process that is commonly applied on Al-Si-based cast components consists of solution heat treatment, quenching followed by nature and/or artificial ageing.

Fazele solubile care s-au format în timpul solidificării, cum ar fi fazele bogate în Mg și Cu, pot fi redizolvate în matricea de Al. Tratamentul termic prin soluție are, de asemenea, caracteristica schimbării morfologiei cristalului de Si, de la forma acului la forma sferică favorizând îngroșarea acestor particule și omogenizarea distribuției elementelor de aliere. Acest proces este inițiat din cauza instabilității interfeței dintre două faze diferite, conducând la reducerea energiei interfaciale totale. Sferoidizarea care se realizează compensează micro-tensiunile create de formarea precipitatelor, afectând astfel ductibilitatea. Timpul și temperatura, la care se efectuează tratarea cu soluție, depind de compoziția aliajului și de punctul de topire al fazelor intermetalice formate.
The soluble phases that have been formed during solidification, such as Mg- and Cu-rich phases, can be redissolved into the Al matrix. Solution heat treatment has also the characteristic of changing Si crystal morphology, from needle to spherical shape promoting the coarsening of these particles and homogenizing the distribution of alloying elements. This process is initiated because of the interfacial instability between two different phases, driving to reduce the total interfacial energy. The spheroidization that is achieved compensates to the micro stresses created by the formation of precipitates, thereby affecting the ductility. The time and temperature, at which the solution treatment is conducted, depend upon the alloy composition and the melting point of the intermetallic phases formed.

Pentru a evita topirea graniței granulelor, temperatura restrictivă a soluției pentru Al-Si cu aliaje care conțin Cu ar trebui să fie limitată la 525oC pentru 1% în greutate Cu și 495oC pentru mai mult de 2% în greutate Cu. Acest tratament nu produce proprietăți mecanice optime pentru aceste aliaje, deoarece nici nu maximizează dizolvarea fazelor bogate în Cu și nici nu este capabil să modifice suficient morfologia Si. Modificarea cu Sr este, de asemenea, recomandată deoarece crește punctul de topire cu 5oC ridicând temperatura eutectică a fazelor bogate în Cu. Aliajele AlSiMg permit temperaturi mai ridicate ale soluției în comparație cu aliajele AlSiCuMg. Datorită fluxului turbulent al topiturii atunci când se folosește turnarea sub presiune înaltă, componentele pot conține un număr mare de capturi de aer care se pot dilata și se pot forma la temperaturi ridicate, făcând aplicarea tratamentului termic inadecvată.
To avoid grain boundary melting, the restrictive solution temperature for Al-Si with Cu containing alloys should be limited to 525 C for 1 wt% Cu and 495 C for more than 2 wt% Cu. This treatment does not produce optimum mechanical properties for these alloys because it neither maximizes the dissolution of Cu-rich phases nor is able to sufficiently change the Si morphology. Modification with Sr is also recommended as it increases the melting point by 5 C raising the eutectic temperature of Cu-rich phases. AlSiMg alloys permit higher solution temperatures when compared to AlSiCuMg alloys. Due to turbulent flow of melt when high pressure die casting is employed, components may contain a large number of air entrapments that may expand and blister at elevated temperatures, making the application of heat treatment inappropriate.

A doua etapă de importanță majoră este călirea, care este definită ca răcire a aliajului de la temperatura ridicată la temperatura camerei, după tratarea cu soluție. Această răcire, dacă se face la o viteză mai rapidă, asigură proprietăți mecanice mai bune, reținând în același timp substanța dizolvată suprasaturată și stinsă în locurile libere la nivelul maxim în matrice. Îmbunătățirea proprietăților de rezistență, cum ar fi duritatea și rezistența la tracțiune, se obține în timpul procesului de îmbătrânire.
The second step of major importance is the quenching which is defined as cooling of the alloy from the high to room temperature, after solution treatment. This cooling, if done at a faster rate, ensures better mechanical properties while retaining the supersaturated solute and quenched in vacancies at maximum level in the matrix. The improvement of the strength properties such as hardness and tensile strength is obtained during the ageing process.

Etapa finală, îmbătrânirea, permite controlul formațiunilor precipitate. Îmbătrânirea are loc la temperatura camerei (îmbătrânire naturală) sau la o temperatură ridicată în intervalul 150–210oC (îmbătrânire artificială). Obiectivul îmbătrânirii este de a obține o distribuție uniformă a precipitatelor mici, care dau o rezistență ridicată. Nivelul ridicat de suprasaturare și concentrația mare de locuri libere după călire determină formarea rapidă a zonelor Guinier-Preston (GP), care sunt grupuri (cluster-e) care conțin o fracțiune mare de atomi de dizolvat. Aceste grupuri sunt foarte mici și fin dispersate în matrice, deoarece difuzia este limitată la temperatura camerei. Cluster-ele sunt coerente cu matricea, dar în jurul clusterelor sunt induse tensiuni elastice din cauza diferenței de dimensiune dintre atomii dizolvați și de solvent. Precipitatele coerente se formează deoarece au o energie de interfață mică care oferă o rază critică mai mică, ceea ce le face să precipite relativ ușor. Zonele GP și câmpul de stres din jurul lor împiedică mișcarea de dislocare, rezultând o creștere în rezistență.
The final step, ageing, allows the control of precipitate formations. Ageing takes place at room temperature (natural ageing) or at an elevated temperature in the range of 150–210 C (artificial ageing). The objective of ageing is to obtain a uniform distribution of small precipitates, which give a high strength. The high level of supersaturation and the high vacancy concentration after quenching cause rapid formation of Guinier–Preston (GP) zones, which are clusters that contain a high fraction of solute atoms. These clusters are very small and finely dispersed in the matrix, because diffusion is limited at room temperature. The clusters are coherent with the matrix, but elastic stresses are induced around the clusters due to the difference in size between the solute and the solvent atoms. Coherent precipitates are formed because they have a small interface energy which gives a smaller critical radius that makes them precipitate relatively easy. The GP zones and the stress field around them hinder the dislocation motion, resulting in an increase in strength.

Aliajele care conțin Mg se întăresc rapid la temperatura camerei (vezi Fig. 63a). O creștere a durității se observă după aproximativ 1 oră și se atinge un platou de duritate după aproximativ 100 de ore, unde nu mai are loc o creștere a durității. Duritatea, la care se poate atinge, depinde de compoziția aliajului; o concentrație mai mare de Mg (<0,7% în greutate) ar trebui să aibă ca rezultat o duritate mai mare. Aliajele Al-Si-Cu se întăresc lent la temperatura camerei. Dacă se adaugă o concentrație mică de Mg, aliajul răspunde mai rapid la îmbătrânirea naturală (vezi Fig. 63b) (Moller et al. 2007; Reif et al. 1997).
Alloys containing Mg harden fast at room temperature (see Fig. 63a). An increase in hardness is seen after about 1 h and a hardness plateau is reached after about 100 h, where no further increase in hardness occurs. The hardness that can be reached depends on the composition of the alloy; a higher Mg concentration (<0.7 wt%) should normally result in a higher hardness. Al-Si-Cu alloys harden slowly at room temperature. If a small concentration of Mg is added, the alloy responds quicker to natural ageing (see Fig. 63b) (Mo¨ller et al. 2007; Reif et al. 1997).

Îmbătrânirea artificială, similar îmbătrânirii naturale, implică precipitare, dar la o temperatură ridicată, în mod normal în intervalul 150-210oC, în momente diferite, în funcție de nivelul de rezistență necesar. La aceste temperaturi, atomii se pot deplasa pe distanțe mai mari, iar precipitatele formate în timpul îmbătrânirii artificiale sunt în mod normal mult mai mari ca dimensiuni decât zonele GP.
Artificial ageing, similarly to natural ageing, involves precipitation but at an elevated temperature, normally in the range 150–210 C, at different times depending on the strength level required. At these temperatures atoms can move over larger distances, and the precipitates formed during artificial ageing are normally much larger in size than GP zones.

Evenimentele inițiale care au loc în cadrul componentelor, expuse la îmbătrânire după călire, încep cu formațiunile zonelor GP urmate, în timp, de precipitate metastabile care sunt fie coerente, fie semi-coerente cu matricea. Precipitatele metastabile, când ating o dimensiune critică, se pot nuclea pe zonele GP, omogen în matrice sau eterogen pe dislocații sau alte defecte de rețea. Precipitatele metastabile cresc la îmbătrânirea ulterioară prin difuzia atomilor din soluția solidă suprasaturată la precipitate. Pe măsură ce suprasaturația scade, precipitatele continuă să crească în conformitate cu maturarea Ostwald. Procesul este antrenat de o reducere a energiei de suprafață, ceea ce înseamnă că precipitatele mai mari se îngroșează pe măsură ce cele mai mici se dizolvă. Pe măsură ce precipitatele cresc, cu timpul, devin necoerente cu un impact negativ direct asupra rezistenței. Pierderea coerenței este apoi ultima etapă în secvența de precipitare. Procedura de precipitare nu trebuie neapărat să urmeze secvența menționată mai sus, poate începe și într-o anumită etapă, adică o etapă intermediară, în funcție de istoricul termic al componentei sau materialului testat (îmbătrânire naturală, temperatură de îmbătrânire artificială, viteza de încălzire, etc.) (Sjo¨lander 2011).
The initial events that take place within the components, exposed to ageing after quenching, start with the GP zones formations followed, with time, by metastable precipitates that are either coherent or semi-coherent with the matrix. The metastable precipitates, when reaching a critical size, may nucleate on the GP zones, homogeneously in the matrix or heterogeneously on dislocations or other lattice defects. The metastable precipitates grow upon further ageing by diffusion of atoms from the supersaturated solid solution to the precipitates. As the supersaturation decreases, the precipitates continue to grow in accordance with Ostwald ripening. The process is driven by a reduction in surface energy, meaning that the larger precipitates coarsen as the smaller ones dissolve. As the precipitates grow, with time, they become non-coherent with a direct negative impact on strength. Loss in coherency is then the last stage in the precipitation sequence. The precipitation procedure does not necessarily have to follow the abovementioned sequence, it can also start at a certain stage, i.e., an intermediate stage, depending on the thermal history of the component or tested material (natural ageing, artificial ageing temperature, heating rate, etc.) (Sjo¨lander 2011).

Formarea defectelor în aliajele de aluminiu

Defecte ale piesei turnate, sub formă de gaz și porozitate de contracție, umpluturi la rece, zgură, pelicule de oxid, incluziuni, bule de aer prinse și/sau faze nedorite, cum ar fi particulele dăunătoare bogate în Fe, Al5FeSi, mâzgă etc., toate vor acționa ca locuri de iniţiere a fisurilor şi căi de propagare. Prezența defectelor în piesele turnate de Al promovează o împrăștiere largă și o scădere a rezistenței și a ductibilității, excluzând orice predicție a comportamentului la tracțiune.
Defects in castings, in the form of gas and shrinkage porosity, cold fills, dross, oxide films, inclusions, entrapped air bubbles and/or unwanted phases such as the deleterious Fe-rich particles, Al5FeSi, sludge, etc., will all act as initiation sites of cracks and as propagation paths. The presence of defects in Al castings promotes a wide scattering and lowering of the strength and ductility, precluding any predictions of the tensile behavior.

Formarea porozității este rezultatul multor elemente, cum ar fi conținutul inițial de gaz în topitură, cristalizarea granulelor, condițiile de procesare precum viteza de răcire, gradientul termic, timpul de solidificare și presiunea externă, compoziția chimică a aliajului și conținutul de incluziune etc. În mare parte, formarea porozității este dedicată efectului de cooperare al hidrogenului dizolvat, locurilor de formare a nucleelor și contracției asociate cu procesul de solidificare.
The formation of porosity is a result of many elements such as the initial gas content in the melt, grain nucleation, processing conditions like cooling rate, thermal gradient, solidification time and external pressure, the chemical composition of the alloy and the inclusion content, etc. Mostly, the formation of porosity is devoted to the cooperative effect of dissolved hydrogen, nucleation sites, and shrinkage associated with the solidification process.

În general, nivelul de porozitate va guverna proprietățile mecanice; un nivel ridicat și o anumită morfologie de porozitate vor favoriza riscul apariției unei defecțiuni premature, în special la piesele cu secțiuni subțiri. În general, se afirmă că proprietățile statice de întindere, cum ar fi rezistența finală la tracțiune, rezistența la curgere și alungirea până la rupere, sunt toate scăzute cu un grad crescut de porozitate. Dimpotrivă, conform altor publicații conexe, reducerea proprietăților de tracțiune nu are aproape nicio corelație cu media fracției volumice a porozității. De fapt, scăderea proprietăților de tracțiune este atribuită lungimii și/sau fracției de suprafață a defectelor în suprafeța de fractură. În ceea ce privește rezistența la oboseală, aceasta este dependentă de combinația de pori și defecte metalurgice, cum ar fi crusta de alumină, umpluturi la rece, și zgură.
In general, the level of porosity will govern the mechanical properties; a high level and a certain porosity morphology will promote a risk of occurrence of a premature failure, especially for parts with thin sections. It is generally stated that the static tensile properties, such as ultimate tensile strength, yield strength, and elongation to fracture, are all decreased with an increased degree of porosity. On contrary, according to other related publications, the reduction in tensile properties has almost n
o correlation with the average of volume fraction of porosity. In fact, the decrease in tensile properties is attributed to the length and/or the area fraction of the defects in the fracture surface. Regarding the fatigue strength, it is dependent on the combination of pores and metallurgical defects such as alumina skins, cold fills, and dross.

Suprafețele topiturii de Al cuprind pelicule de oxid care vor intra în lichidul în vrac dacă suprafața se îndoaie sau prin formarea de picături și care cad înapoi în topitură. După cum a demonstrat (Campbell 2002), aceste pelicule de oxid pliate antrenate care rămân în topitură devin cele mai mari defecte ale componentului turnat final, ducând la defecte ale traseului de scurgere și slăbiciune structurală în piese turnate care necesită rezistență, ductibilitate și rezistență la oboseală. Aceste pelicule pliate pot fi desfășurate, deschizându-se, crescând și umflându-se din cauza hidrogenului din soluție, contracției în timpul solidificării, Fe în topitură și granulației mari. De reținut, această procedură de desfășurare va fi suprimată dacă turnarea se solidifică rapid, în timp ce turnările cu timpi de solidificare mai lungi vor prezenta niveluri mai mari de gaz umflat, precum și porozitate de contracție și, de asemenea, cantități mai mari și particule grosiere bogate în Fe, care se presupune că formează nuclee și se dezvoltă pe suprafețele exterioare umede ale peliculelor de oxid. Dar peliculele de oxid nu sunt numai rele, dacă continuă să rămână pe suprafața topiturii, ele vor oferi un strat valoros de protecție împotriva oxidării catastrofale (Campbell 2002).
The surfaces of Al melts comprise oxide films which will enter the bulk liquid if the surface happens to fold or by droplets forming and falling back into the melt. As (Campbell 2002) has proved, these entrained folded oxide films that remain in the melt become the largest defects in the final cast component, leading to leakage path defects and structural weakness in castings requiring strength, ductility, and fatigue resistance. These folded films can be unfurled, opening, growing, and swelling due to the hydrogen in solution, shrinkage during solidification, Fe in the melt, and large grain size. Worth to remember, this unfurling procedure will be suppressed if the casting is solidified quickly, while castings with longer solidification times will exhibit higher levels of swelled gas as well as shrinkage porosity and also larger amounts and coarse Fe-rich particles which are supposed to nucleate and grow on the outer, wetted surfaces of the oxide films. But the oxide films are not only evil, if they continue to stay on the surface of the melt; they will offer a valuable protection layer from catastrophic oxidation (Campbell 2002).