Microstructural and technological optimisation of magnesium alloys

Magnesium is one of the most abundance element in nature, and it's characterised by a lower density than aluminium. These characteristics confer great potential to magnesium alloys, which are so used for specialised applications, like for military purposes and in the aerospace industry. While some magnesium alloys, including the AM60B alloy, are historically associated to high pressure die casting, for such applications the magnesium alloy components are usually produced by the gravity casting process, in order to minimise the defect's content and to achieve better castings' mechanical properties. Due to the fact that the combination of alloy and casting process represents a niche in the foundry processes panorama, in the literature there's a lack of specific contents regarding these issues. Hence the aim to fill the gap by studying these thematics and by looking for innovations in the gravity casting process of magnesium alloys. For these purposes, the overall process was analysed with the support of specific software for the numerical simulation of the casting process, to identify the process criticalities and the optimisable variables. The data so obtained were then used to design and build an experimental casting equipment, for foundry light alloys casting, which was subsequently used for the production of reference steps castings by gravity casting. The geometry of the die was designed considering the typical weight and thicknesses of the components produced by the aerospace industry. With the aim to establish a correlation between the process parameters, the resulting microstructure and the castings' final properties, several reference castings were produced by using an AM60B magnesium alloys, and then analysed. Static tensile tests and metallographic investigations were carried out on the specimens obtained from different thickness steps of these castings, and the data thus collected were subsequently processed and compared with those resulting from the numerical simulation of the whole casting process, allowing to establish a model to predict the castings' final properties by knowing only the process parameters. An operating protocol to produce, to characterise and to estimate the final properties of light alloy castings (produced by gravity casting process) was so defined. It can be used also to treat more complex geometries and it can be easily extended to industry

Il magnesio è uno degli elementi più presenti in natura ed è caratterizzato da una densità inferiore a quella dell'alluminio. Queste caratteristiche conferiscono grandi potenzialità alle leghe di magnesio, che quindi vengono impiegate in contesti particolari, quali ad esempio l'ambito militare e aerospaziale. Sebbene alcune leghe di magnesio, tra cui la AM60B, siano storicamente associate alla pressocolata, per tali applicazioni i componenti vengono realizzati attraverso il processo di colata in gravità, al fine di minimizzare il contenuto di difetti e conferire migliori caratteristiche meccaniche all'oggetto risultante. Proprio per il fatto che tale combinazione di lega e processo rappresenta una nicchia all'interno del panorama dei processi di fonderia, in letteratura si avverte la mancanza di contenuti specifici sulle potenzialità della lega AM60B colata in gravità. Ne consegue la volontà di contribuire a colmare tale lacuna, attraverso lo studio e l'innovazione del processo di colata in gravità di leghe leggere e, in particolare, di magnesio. A tal fine è stato analizzato l'intero processo, e con l'ausilio di software per la simulazione numerica del processo di colata ne sono state individuate le criticità e le variabili su cui intervenire per ottimizzarlo. I dati prodotti da tale analisi sono poi stati utilizzati per progettare e realizzare un impianto sperimentale, per la colata in gravità di leghe leggere da fonderia, in seguito utilizzato per la realizzazione di getti di riferimento aventi geometria a gradini, caratterizzati da peso e spessori tipici di alcune tipologie di componenti prodotti dall'industria aerospaziale. Con l'obiettivo di mettere in relazione i parametri di processo, la microstruttura risultante e le proprietà finali dei getti realizzabili attraverso tale processo, sono stati ricavati e analizzati numerosi campioni in lega di magnesio AM60B. Alle prove di trazione su provette ricavate da tali campioni sono seguite indagini metallografiche, con lo scopo di ottenere sia una caratterizzazione meccanica sia una caratterizzazione microstrutturale, relativamente ad ogni spessore dei getti e quindi in funzione delle diverse condizioni di raffreddamento. I dati così raccolti sono stati successivamente elaborati e confrontati con quelli risultanti dalla simulazione numerica dell'intero processo, permettendo di stabilire un modello previsionale delle caratteristiche finali, di getti in lega di magnesio AM60B colati in gravità, conoscendo solamente i parametri di processo. E' stato quindi formulato un protocollo operativo per la produzione, la caratterizzazione e la previsione delle proprietà finali di getti in lega leggera colati in gravità, adattabile a geometrie più complesse ed estendibile a livello industriale