On the effect of heat and metallurgical treatments on the thermal conductivity of cast aluminium alloys

Simple item page
dc.contributorAalto-yliopistofi
dc.contributorAalto Universityen
dc.contributor.advisorOrkas, Juhani, Prof., Aalto University, Department of Engineering Design and Production, Finland
dc.contributor.authorRauta, Veijo
dc.contributor.departmentKoneenrakennustekniikan laitosfi
dc.contributor.departmentDepartment of Engineering Design and Productionen
dc.contributor.labMaterials Engineeringen
dc.contributor.labMateriaalitekniikkafi
dc.contributor.schoolInsinööritieteiden korkeakoulufi
dc.contributor.schoolSchool of Engineeringen
dc.contributor.supervisorOrkas, Juhani, Prof., Aalto University, Department of Engineering Design and Production, Finland
dc.date.accessioned2015-09-04T10:15:25Z
dc.date.available2015-09-04T10:15:25Z
dc.date.dateaccepted2015-08-05
dc.date.defence2015-10-23
dc.date.issued2015
dc.description.abstractIn 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.en
dc.description.abstractTämän 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.fi
dc.format.extent136
dc.format.mimetypeapplication/pdfen
dc.identifier.isbn978-952-60-6340-9 (electronic)
dc.identifier.isbn978-952-60-6341-6 (printed)
dc.identifier.issn1799-4942 (electronic)
dc.identifier.issn1799-4934 (printed)
dc.identifier.issn1799-4934 (ISSN-L)
dc.identifier.urihttps://aaltodoc.aalto.fi/handle/123456789/17618
dc.identifier.urnURN:ISBN:978-952-60-6340-9
dc.language.isoenen
dc.opnSvensson, Ingvar L., Professor, Jönköping University, Sweden
dc.publisherAalto Universityen
dc.publisherAalto-yliopistofi
dc.relation.ispartofseriesAalto University publication series DOCTORAL DISSERTATIONSen
dc.relation.ispartofseries118/2015
dc.revLumley, Roger N., Dr., A W Bell Pty Ltd, Australia
dc.revSeifeddine, Salem, Dr., Jönköping University, Sweden
dc.subject.keywordcast aluminium alloyen
dc.subject.keywordthermal conductivityen
dc.subject.keywordannealingen
dc.subject.keywordmodificationen
dc.subject.keywordgrain refinementen
dc.subject.keywordalumiinivaluseosfi
dc.subject.keywordlämmönjohtavuusfi
dc.subject.keywordmodifiointifi
dc.subject.keywordraekoon hienonnusfi
dc.subject.otherMaterials scienceen
dc.subject.otherMetallurgyen
dc.titleOn the effect of heat and metallurgical treatments on the thermal conductivity of cast aluminium alloysen
dc.titleLämpökäsittelyn ja metallurgisten käsittelyjen vaikutus alumiinivaluseosten lämmönjohtavuuteenfi
dc.typeG4 Monografiaväitöskirjafi
dc.type.dcmitypetexten
dc.type.ontasotDoctoral dissertation (monograph)en
dc.type.ontasotVäitöskirja (monografia)fi
local.aalto.archiveyes
local.aalto.digiauthask
local.aalto.digifolderAalto_64641
local.aalto.formfolder2015_09_04_klo_11_34
Files
Original bundle
Now showing 1 - 1 of 1
No Thumbnail Available
Name:
isbn9789526063409.pdf
Size:
14.79 MB
Format:
Adobe Portable Document Format
Download
Collections
[diss] Insinööritieteiden korkeakoulu / ENG