Microstructure of cast MgBi6X0.5 (X = Ca, Mn, Zn) alloys in peak-aged condition

• Autorzy: Gryc Adam , Dybowski Bartłomiej , Jarosz Robert , Kiełbus Andrzej

Identyfikatory

DOI

10.32730/imz.2657-747.21.3.3

Warianty tytułu

PL

Mikrostruktura odlewniczych stopów magnezu MgBi6X0,5 (X = Ca, Mn, Zn) po starzeniu

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Cast magnesium alloys are characterised by the lowest density among commercially used structural metals. They are applied mainly in the transportation industry and small, lightweight electronic devices. Due to the low operating temperature of the most widely used alloys from the Mg-Al system, alloys containing rare earth elements with the maximum working temperature reaching 300°C have been developed. However, these alloys are extremely expensive due to the low availability of RE elements. The Mg-Bi system is a promising candidate for the new magnesium-based alloys, as it reveals limited solubility of Bi in Mg enabling precipitation hardening and a high melting point of the Mg3Bi2 phase. The paper presents the results of the analysis of MgBi6 and MgBi6X0.5 (X = Ca, Mn, Zn) alloys’ microstructure in the peak-aged condition. The microstructure of the analysed alloys in the as-cast condition consists of α-Mg solid solution dendrites and Mg3Bi2+α-Mg eutectic compound. Solutionising conducted at 525°C for 8 h, followed by water quenching leads to the dissolution of the intermetallic phases in all of the investigated alloys apart of the MgBi6Ca0.5 alloy. In this case, fine intermetallic phases containing Mg, Bi, and Ca have been found after solutionising. The ageing of the alloys at 200°C results in peak hardness after 120-44 h. The heat treatment leads to the formation of fine strengthening phases within the α-Mg solid solution, characterised by a variety of morphologies -needle, platelet- or lathlike and cuboid. The needle- and platelet- or lathlike phases are found in two sizes -large, with length reaching hundreds of nanometres, and smaller, not exceeding 100 nm. Cuboid particles are found with sizes not higher than 100 nm. The addition of Mn and Zn increases precipitate volume fraction after the heat treatment. Additionally, in the case of the MgBi6Zn0.5 alloy, particles forming an angle of 120° were found, which indicates their presence at the prismatic planes of α-Mg HCP crystal lattice.

PL

Odlewnicze stopy magnezu charakteryzują się najniższą gęstością wśród wszystkich komercyjnie stosowanych stopów konstrukcyjnych. Znajdują zastosowanie głównie w przemyśle transportowym oraz małych, lekkich urządzeniach elektronicznych. Z uwagi na niską temperaturę eksploatacji najpowszechniej stosowanych stopów z układu Mg-Al, opracowano stopy, zawierające pierwiastki ziem rzadkich, znajdujące zastosowanie w temperaturach do 300°C. Jednak stopy z tej grupy są niezwykle drogie, z uwagi na ograniczoną dostępność pierwiastków ziem rzadkich. Obiecującą alternatywę stanowią stopy z układu Mg-Bi, który z uwagi na ograniczoną rozpuszczalność bizmutu w magnezie oraz wysoką temperaturę topnienia fazy Mg3Bi2 umożliwia ich umocnienie na drodze utwardzania wydzieleniowego. W artykule przedstawiono wyniki badań mikrostruktury stopów MgBi6 oraz MgBi6X (X = Ca, Mn, Zn) po starzeniu. Mikrostruktura badanych stopów w stanie lanym składa się z dendrytów roztworu stałego α-Mg oraz mieszaniny eutektycznej Mg3Bi2+α-Mg. Przesycanie, przeprowadzone w temperaturze 525°C przez 8 h z chłodzeniem w wodzie doprowadziło do rozpuszczenia faz międzymetalicznych we wszystkich badanych stopach, z wyjątkiem stopu MgBi6Ca0,5. W jego przypadku po przesycaniu zidentyfikowano w strukturze drobne fazy międzymetaliczne, zawierające Mg, Bi i Ca. Maksymalną twardość stopów po starzeniu w temperaturze 200°C osiągnięto po 120÷144 h. Zastosowana obróbka cieplna doprowadziła do utworzenia się wewnątrz ziaren roztworu stałego α-Mg drobnych faz umacniających o zróżnicowanej morfologii -od iglastej, przez płytkową, po prostopadłościenną. Zaobserwowano dwa typy wydzieleń iglastych i płytkowych -większe, o długości rzędu kilkuset nanometrów oraz mniejsze, nieprzekraczające 100 nm długości. Wydzielenia prostopadłościenne charakteryzowały się rozmiarami, nieprzekraczającymi 100 nm. Dodatek Mn oraz Zn spowodował wzrost udziału objętościowego wydzieleń po obróbce cieplnej. Dodatkowo, w przypadku stopu MgBi6Zn1,5, wydzielenia tworzyły kąt 120°C, co wskazuje na ich obecność na płaszczyznach pryzmatycznych komórki elementarnej α-Mg.

Słowa kluczowe

EN

magnesium alloys; Mg-Bi alloys; heat treatment; casting; cast magnesium alloys; ageing

PL

stopy magnezu; stopy Mg-Bi; obróbka cieplna; odlewnicze stopy magnezu; odlewnictwo; starzenie

• Wydawca: Sieć Badawcza Łukaszewicz - Instytut Metalurgii Żelaza im. Stanisława Staszica
• Czasopismo: Journal of Metallic Materials
• Rocznik: 2021
• Tom: Vol. 73, no. 3
• Strony: 23--28
• Opis fizyczny: Bibliogr. 15 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Gryc Adam

• Sieć Badawcza Łukasiewicz -Instytut Metalurgii Żelaza, ul. K. Miarki 12-14, 44-100 Gliwice, Poland

• https://orcid.org/0000-0003-1872-0180

autor

Dybowski Bartłomiej

• Politechnika Śląska, Wydział Inżynierii Materiałowej

• https://orcid.org/0000-0002-8798-9741

autor

Jarosz Robert

• ZM “WSK Rzeszów” Sp. z o.o.

autor

Kiełbus Andrzej

• PolitechnikaŚląska, Wydział Inżynierii Materiałowej

Bibliografia

• [1] T. Rzychoń, A. Kiełbus, J. Szala. Microstructure and fluidity of sand cast ZRE1 alloy. J. Achiev. Mater. Manuf. Eng., 2008, 26 (2), pp. 135-138.
• [2] X.Y. Wang, J.X. Zhou, J. Wang, T.J. Luo, Y.S. Yang. Effect of Bi addition on microstructures and mechanical properties of AZ80 magnesium alloy. T. Nonferr. Metal. Soc., 2011, 21 (4), pp. 711-716.
• [3] W. Zhou, N.N. Aung, Y. Sun. Effect of antimony, bismuth and calcium addition on corrosion and electrochemical behaviour of AZ91 magnesium alloy. Corros. Sci., 2009, 51 (2), pp. 403-408.
• [4] D.H. Ping, K. Hono, J.F. Nie. Atom probe characterization of platelike precipitates in a Mg-RE-Zn-Zr casting alloy. Scripta Mater., 2003, 48 (8), pp. 1017-1022.
• [5] J.F. Nie, B.C. Muddle. Characterisation of strengthening precipitate phases in a Mg-Y-Nd alloy. Acta Mater., 2000, 48 (8), pp. 1691-1703.
• [6] A.A. Nayeb-Hashemi, J.B. Clark. The Bi-Mg (bismuth-magnesium) system. Bull. Alloy Phase Diagr., 1985, 6 (6), pp. 528-533.
• [7] T.T. Sasaki, T. Ohkubo, K. Hono. Precipitation hardenable Mg-BiZn alloys with prismatic plate precipitates. Scripta Mater., 2009, 61 (1), pp. 72-75.
• [8] J. Buha. Mechanical properties of naturally aged Mg-Zn-Cu-Mn alloy. Mat. Sci. Eng. A-Struct., 2008, 489 (1-2), pp. 127-137.
• [9] J. Buha. Grain refinement and improved age hardening of Mg-Zn alloy by a trace amount of V. Acta Mater., 2008, 56 (14), pp. 3533-3542.
• [10] J. Buha. The effect of Ba on the microstructure and age hardening of an Mg-Zn alloy. Mat. Sci. Eng. A-Struct., 2008, 491 (1-2), pp. 70-79.
• [11] C.J. Bettles, M.A. Gibson, K. Venkatesan. Enhanced age-hardening behaviour in Mg-4 wt.% Zn micro-alloyed with Ca. Scripta Mater., 2004, 51 (3), pp. 193-197.
• [12] Y. Guangyin, S. Yangshan, D. Wenjiang. Effects of bismuth and antimony additions on the microstructure and mechanical properties of AZ91 magnesium alloy. Mat. Sci. Eng. A-Struct., 2001, 308 (1–2), pp. 38-44.
• [13] T. Rzychoń, B. Dybowski. The Mg2Sn Precipitation Process in the Mg-7Sn Alloys with the Addition of Silicon and Aluminum. Acta Phys. Pol. A, 2016, 130 (4), pp. 1037-1040.
• [14] B.C. Zhou, S. L. Shang, Y. Wang, Z.K. Liu. Diffusion coefficients of alloying elements in dilute Mg alloys: A comprehensive first-principles study. Acta Mater., 2016, 103, pp. 573-586.
• [15] A. Gryc, M. Godzierz, Ł. Poloczek, B. Dybowski, A. Kiełbus. Mg-Bi-X (X = Ca, Mn, Zn) Alloys Microstructure in the As-Solidified Condition. Acta Phys. Pol. A, 2019, 135 (2), pp. 110-114.

Uwagi

Opracowanie rekordu ze środków MEiN, umowa nr SONP/SP/546092/2022 w ramach programu "Społeczna odpowiedzialność nauki" - moduł: Popularyzacja nauki i promocja sportu (2022-2023).