Hot tearing of Mg-Ca binary and Mg-Ca-Zn ternary alloys

Song, Jiangfeng

Hot tearing is known as one of the most fatal solidification defects commonly encountered during casting practice. Although it has been investigated for decades, it is still not fully understood yet. As most of the Mg alloys are first prepared by casting, their ingots must have superior quality with less casting defects for the further processing. Hence their castability, especially the resistance to hot tearing must be an important casting characteristic to be investigated. Due to the extensive potential biodegradable and automotive applications of binary Mg-Ca and Mg-Zn-Ca ternary alloys, it is of great importance to investigate their hot tearing behaviour. In the present work, the crack susceptibility coefficient (CSC) of binary Mg-Ca alloys was predicted using thermodynamic calculations based on Clyne and Davies model. The predicted CSC was compared with the experimental hot tearing susceptibility (HTS). The HTS of binary Mg-Ca alloys and Mg-Ca-Zn alloys were investigated with a constrained rod casting (CRC) apparatus equipped with a load cell and data acquisition system. The initiation of hot tearing was monitored during solidification. The effects of mould temperatures (250 ⁰C and 450 ⁰C) on hot tearing were also investigated. The formed tears were evaluated using 3D Xray tomography and the crack volumes were measured. Microstructures and fracture surfaces were investigated using XRD, OM and SEM. Residual strain at the junction area were measured by neutron diffraction. Besides, the solidification process as well as hot tearing indicator (HTI) was simulated with ProCAST. The experimental results show that HTS decreases with increase in initial mould temperature from 250 to 450 ⁰C. The initiation of hot cracks was monitored during experiments and it corresponds with a force drop or a sudden change of force increment on the forcetemperature- time curves. The critical solid fraction at which hot cracks form is determined according to the thermodynamic calculation with the Pandat software using the Scheil model. The microstructures and fracture surfaces of Mg-Ca alloys and Mg-Ca-Zn alloys show that the hot tears propagate along the dendritic region or grain boundaries through thin film rupture and liquid metal embrittlement of solid bridges. The results also show that the grain size, second phases, freezing range and the amount of eutectic are important factors to HTS. The HTS of binary Mg-Ca alloys and ternary Mg-Ca-Zn alloys is simulated using the stress model (HTI) implemented in the ProCAST software. The HTI is defined as the accumulated plastic strain in the last stage of solidification. The predictions of HTI were validated with the experimental measurements.

Heißrisse gehören zu den kritischten Defekten, die beim Gießen entstehen können. Obwohl sie seit Jahrzehnten bekannt sind, sind Heißrisse noch immer nicht vollständig verstanden. Da die meisten Mg-Legierungen zuerst gegossen und dann weiterverarbeitet werden, ist es not-wendig, defektarme Gußteile herzustellen. Daher ist die Gießbarkeit und vor allem die „hot tearing susceptilibity (HTS)“ von Mg-Legierungen ein wesentliches Charakteristikum. Mg-Ca- und Mg-Ca-Zn-Legierungen sind vor allem für Anwendungen als degradable Implantate oder kriechbeständige Werkstoffe für die Automobilindustrie von Bedeutung. Daher ist es we-sentlich, die Heißrissempfindlichkeit dieser Legierungssysteme zu kennen und zu verstehen. In der vorliegenden Arbeit wird der „crack susceptibility coefficient (CSC)“ binärer Mg-Ca-Legierungen vorhergesagt mit Hilfe thermodynamische Berechnungen, die auf dem Modell von Clyne und Davies basieren. Der vorhergesagte CSC wird mit der experimentell ermittel-ten HTS verglichen. Die HTS von Mg-Ca und Mg-Ca-Zn-Legierungen werden mit einem ei-gens dafür konstruiertem Meßaufbau („constrained rod casting (CRC)” ermittelt, der mit einer Kraftmeßdose und einem Datenerfassungssystem ausgestattet ist. Ermittelt wird die Änderung der gemessenen Kraft über die Zeit, sowie die Temperaturänderung im gemessenen Zeitinter-vall. Teil der Untersuchungen ist auch der Einfluss der Kokillentemperatur (250 ⁰C und 450 ⁰C) auf die HTS. Heißrisse wurden zudem mit 3D-Röntgentomographie charakterisiert. Für Gefügeanalysen und die Charakterisierung von Rissoberflächen werden zudem licht- und elektronenoptische Methoden sowie Röntgendiffraktion eingesetzt. Innere Spannungen der Gußteile wurden mit Neutronenstreuung charakterisiert. Zusätzlich wurde mit Hilfe der Soft-ware ProCAST ein „hot tearing indicator (HTI)” simuliert. Der HTI ist dabei definiert als die akkumulierte plastische Verformung am Ende der Erstarrung. Die Experimente zeigten, dass die HTS sich mit steigender Kokillentemperatur verringert. Die Entstehung von Heißrissen wurde während des Experiments beobachtet. Dabei korreliert eine plötzliche Veränderung der Kraft-Zeit-Kurve mit der Entstehung und der Ausbreitung von Heißrissen. Der kritische Anteil an Flüssigphase wird über thermodynamische Berechnungen in Pandat (Scheil-Erstarrung) berechnet. Mikrostruktur und Rissoberflächen zeigen, dass Heißrisse sich entlang der Korngrenzen ausbreiten, solange dort noch Restschmelze vorhanden ist. Die Untersuchungen belegen zudem, dass Korngröße, intermetallische Phasen, Erstarrungsintervall sowie der eutektische Anteil Einfluss auf die HTS haben. Die Vorhersage des HTI ist zudem in guter Übereinstimmung mit den experimentellen Daten.

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Song, Jiangfeng: Hot tearing of Mg-Ca binary and Mg-Ca-Zn ternary alloys. Clausthal-Zellerfeld 2016.

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