On the effect of heat and metallurgical treatments on the thermal conductivity of cast aluminium alloys
Loading...
URL
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Engineering |
Doctoral thesis (monograph)
| Defence date: 2015-10-23
Checking the digitized thesis and permission for publishing
Instructions for the author
Instructions for the author
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Authors
Date
2015
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Language
en
Pages
136
Series
Aalto University publication series DOCTORAL DISSERTATIONS, 118/2015
Abstract
In this research the goal was to find possible ways, such as optimization of alloy composition, heat and melt treatments, to improve thermal conductivity of aluminium castings, especially aluminium die castings. The main target was to increase the thermal conductivity (TC) of aluminium die cast parts up to 190 W/mK or to the same level as extruded aluminium wrought alloys have and the goal was reached. Casting methods were die casting, sand, permanent mould and rheocasting. Studied aluminium alloys were mainly secondary and primary diecasting alloys. Thermal conductivity of the aluminium cast alloys was measured by Hot Disk method. Electrical conductivity of hot disk samples were measured with the portable SIGMASCOPE SMP 10 device using the eddy current method. Correlation with corresponding thermal conductivities were compared. Alloy composition and thermal history (annealing) were the most important factors which determine thermal conductivity. The purer the alloy is the better is the thermal conductivity. The annealing treatment of aluminium die cast alloys increased the thermal conductivity of the studied alloys up to 53% compared to as-cast condition. Optical and SEM/EDS analysis work showed that upon studied heat treatments, precipitates are formed within aluminium grains. In AlSi10Mg and AlSi12, precipitation of silicon; in AlSi9Cu3, precipitation of Al2Cu was observed. Melt treatments did not affect the thermal conductivity appreciably. Rheocasting did not affect thermal conductivity of the studied alloys. New models for predicting thermal conductivity of studied aluminium alloy groups as a function of alloy chemistry were developed by multiple regression analysis using Minitab software. Calculated thermal conductivity values using Matthiessen's rule and Wiedemann-Franz law agreed fairly well with measured thermal conductivity values in most of the studied alloys in heat treated condition, but not so well in as-cast condition. The results of the work can be utilized when making aluminium cast parts with improved thermal conductivity and high heat dissipation capacity when high mechanical properties are not critical requirements. New alloys will fullfill the requirements (> 170-200 W/mK) of customers. Such an improvement in heat transfer guarantees not only high performance of devices, but also longer lifetime and significant energy and cost savings. Results are applicable to all casting methods.Tämän väitöskirjan tavoitteena oli löytää mahdolliset keinot, kuten seoksen kemiallisen koostumuksen optimointi, lämpö- ja sulakäsittelyt alumiinivalujen ja erityisesti alumiinipainevalujen lämmönjohtavuuden parantamiseksi. Päätavoitteena oli parantaa alumiinipainevalettujen osien lämmönjohtavuus arvoon 190 W/mK tai samalle tasolle, mihin pursotetuilla alumiiniseosprofiileilla päästään ja tavoite saavutettiin. Tutkimuksessa käytetyt valumenetelmät olivat paine- ja hiekkavalu, kokillivalu ja puolijähmeässä tilassa tapahtuva rheovalu. Tutkittavat alumiiniseokset olivat pääosin sekundaarisia ja primaarisia painevaluseoksia. Valettujen alumiiniseosten lämmönjohtavuus mitattiin Hot Disk-menetelmällä. Hot Disk-näytteiden sähkönjohtavuus mitattiin kannettavalla SIGMASCOPE SMP 10 –laitteella, joka perustuu pyörrevirtamenetelmään. Seosten lämmön- ja sähkönjohtavuuksia vertailtiin keskenään. Tärkeimmät alumiiniseoksen lämmönjohtavuuteen vaikuttavat tekijät ovat seoksen koostumus ja lämpökäsittely. Mitä puhtaampi seos on sitä parempi on lämmönjohtavuus. Valettujen alumiinivalujen hehkuttaminen lisäsi tutkittujen painevaluseosten lämmönjohtavuutta jopa 53% vastaaviin valutilaisiin verrattuna. Hehkutuslämpötilan korottaminen lisäsi seoksen lämmönjohtavuutta johtuen alumiinimatriisiin muodostuvista erkaumista. SEM/EDS-analyyseissä havaittiin piin erkautumista AlSi10Mg- ja AlSi12 seoksissa sekä Al2Cu-erkaumia AlSi9Cu3-seoksessa. Sulakäsittelyt eivät vaikuttaneet lämmönjohtavuuteen merkittävästi.Rheovalu ei vaikuttanut tutkittujen seosten lämmönjohtavuuteen. Tutkimuksessa kehitettiin Minitab-ohjelmaa apuna käyttäen uusia usean muuttujan lineaarisia regressiomalleja (moninkertainen regressio) ennustamaan tutkittujen alumiiniseosryhmien lämmönjohtavuutta valutilassa kemiallisen koostumuksen perusteella. Matthiessenin ja Wiedemann-Franzin lain perusteella tutkituille valuseoksille lasketut lämmönjohtavuudet korreloivat melko hyvin vastaavien mitattujen lämmönjohtavuuksien kanssa lämpökäsitellyssä tilassa, mutta eivät niin hyvin valutilassa. Tutkimuksen tuloksia voidaan hyödyntää valettaessa alumiiniseoskomponentteja, joiden lämmönjohtavuusominaisuudet ovat hyvät ja mekaaniset ominaisuusvaatimukset eivät ole kriittisiä. Uudet seokset täyttävät asiakkaiden vaatimukset (> 170-200 W/mK) ja antaa laitteille hyvät lämmönsiirto-ominaisuudet, pidemmän kestoiän sekä myös energia- ja kustannusssäästöjä. Tutkimuksen tuloksia voidaan soveltaa kaikkiin valumenetelmiin.Description
Supervising professor
Orkas, Juhani, Prof., Aalto University, Department of Engineering Design and Production, FinlandThesis advisor
Orkas, Juhani, Prof., Aalto University, Department of Engineering Design and Production, FinlandKeywords
cast aluminium alloy, thermal conductivity, annealing, modification, grain refinement, alumiinivaluseos, lämmönjohtavuus, modifiointi, raekoon hienonnus