Solid fraction investigation of semi-solid aluminium alloy samples via quantitative microscopy and thermal analysis

The solid fraction of a semi-solid metal (SSM) is probably the most important metallurgical parameter ruling the rheological behavior of metals and alloys in this state and, ultimately, whether the slurry can be successfully injected during rheocasting processes or not. The aim of the present work, carried out during an internship at Brembo S.p.A., in the aluminum foundry in Mapello, was to measure the solid fraction of an A357 aluminum alloy, after the stirring process, using the Quantitative Microscopy method, to predict the behavior of the slurry during the injection in the die. This method consists of rapidly quenching SSM samples, usually in cold – water, to “freeze” the microstructure of the alloy. The solid fraction measurement is then carried out by a software by calculating the ratio between the number of picture elements belonging to the 𝛼 – phase and the whole number of pixels composing the acquisitions of the polished quenched samples, taken using optical microscopy. This process was carried out for different starting conditions, i.e. the temperature values at which the aluminum alloy was collected from the holding furnace. It is known from literature that the mentioned measurement method has several flaws such as: the overestimation of the solid fraction, the time – consuming character of the procedure, the issues related to the water quenching of the SSM samples. These problems were encountered in the present work as well. However, the Quantitative Microscopy method, has proved to be fundamental to have a clear insight of the morphological modifications of the microstructure, induced by the metallurgical and process parameters. Along with this core activity, other experiments have been carried out, namely the measurement of the cooling curves of the A357 alloy and the DSC experiments to investigate the effects of the induced globular microstructure morphology with respect to the dendritic one, obtained without stirring process.

L’obbiettivo di questo lavoro di ricerca, svolto presso Brembo S.p.A., nella fonderia di alluminio di Mapello, è stato quello di misurare la frazione solida di una lega di alluminio A357, dopo il processo di mescolamento, usando il metodo della microscopia quantitativa, per prevedere il comportamento della miscela semisolida durante la fase di iniezione nello stampo. Questo metodo consiste nel raffreddare rapidamente, solitamente in acqua fredda, dei campioni semisolidi di lega, per conservarne la microstruttura. La frazione solida viene poi calcolata da un software come rapporto tra il numero di pixel appartenenti alla fase α, e il numero di pixel totali della acquisizione fatta a microscopio ottico sui campioni precedentemente presi allo stato semisolido, raffreddati e infine lucidati. Questa procedura è stata eseguita per diverse condizioni di partenza (temperatura di pescaggio della lega fusa, tempo di mescolamento della miscela). È noto dalla letteratura che la microscopia quantitative ha diversi limiti, quali: la sovrastima della frazione solida, la lunga durata della procedura, i problemi legati al raffreddamento rapido in acqua fredda di campioni semi-solidi. Tuttavia, tale metodo si è rivelato di fondamentale importanza in quanto permette un’ispezione visiva degli effetti dei parametri metallurgici e di processo sulla morfologia della struttura solidificata. Accanto a questa attività principale, sono state effettuate delle analisi termiche volte a misurare le curve di raffreddamento della lega semi-solida e DSC (calorimetria differenziale a scansione) per indagare gli effetti della diversa microstruttura, globulare nel caso di leghe miscelate, dendritica, in assenza di mescolamento.