Grain refinement of Mg-Zn and Mg-Mn alloys by SiC inoculation

Gu, Jian

The addition of a grain refiner to molten metal prior to casting is one of the most important approaches to reduce the final grain size of both cast and wrought Mg alloys. Although it has been investigated for decades, the practical grain refinement methods of Mg alloys are still limited, and the grain refining mechanisms are still not fully understood. For Al-free Mg alloys, Zr is an extremely effective nucleant but an expensive one. Reducing the consumption of Zr and hence the cost of grain refinement is of great interest. Moreover, Zr will lose its grain refinement effect in Al-free Mg alloys if it encounters Mn, Si, or Fe due to the formation of stable intermetallic compounds. Thus, the development of a compatible and potent grain refiner to substitute Zr to be used in Al-free Mg alloys that contain some amount of Mn, Si, or Fe is necessary. In the present work, SiC particles were validated as an effective grain refiner for both as-cast binary Mg-Zn and Mg-Mn alloys. The effects of grain-refining parameters on the grain sizes have been investigated. Comparative tests using high purity Mg ingots were carried out to clarify the grain refining mechanisms. The effects of micro-alloying element Al in Mg-Zn-SiC system were also investigated, and the poisoning grain refining mechanism was proposed. The experimental results show that the added SiC particles cannot directly act as the nucleation sites of α-Mg grains. Mn3Si or (Mn,Fe)3Si particles formed in-situ prior to the formation of α-Mg grains from the reaction between SiC particles and Mn (or Fe) are the actual nucleation sites, which depends on whether Fe atoms can substitute some of the Mn atoms during reaction. This work also found that the grain refining efficiency of SiC inoculation is not only dominated by the presence of in-situ formed heterogeneous nucleation sites, but also by the solute element of Mn or Zn. The co-existence of potent nucleants and solutes with high growth restriction factor (Q) values is necessary to obtain the highest grain refining efficiency. The grain coarsening effect with Al addition into Mg-Zn-SiC system is attributed to a decrease in nucleation potency where the lower potent Al8(Mn,Fe)5 intermetallic particles formed.

Die Zugabe von Kornfeinern zu Magnesiumschmelzen ist das derzeit am meisten verwendete Verfahren, um die Größe der Kristallite in Guss- und Knetwerkstoffen zu reduzieren. Obwohl diese Praxis seit vielen Jahrzehnten untersucht wird, gibt es nur eine beschränkte Anzahl an Kornfeinern für Magnesiumlegierungen und ihre Wirkmechanismen sind noch nicht vollständig verstanden. Für Al-freie Magnesiumlegierungen ist Zr ein geeignetes, aber teures Additiv zur Kornfeinung. Daher ist es von großem Interesse, den Zr-Verbrauch zu reduzieren. Darüber hinaus verliert Zr in Al-freien Legierungen seine Wirkung, wenn Mn, Si oder Fe vorhanden sind, da intermetallische Phasen mit diesen Elementen gebildet werden. Die Entwicklung eines wirksamen Kornfeinungsmittels als Substitution für Zr für Al-freie Legierungen mit geringen Gehalten an Mn, Si und Fe ist daher von großer technischer und wirtschaftlicher Bedeutung. In dieser Arbeit werden SiC-Partikel als Kornfeiner für gegossene Mg-Zn und Mg-Mn-Legierungen untersucht. Eine Parameterstudie wurde durchgeführt, bei der die Einflüsse auf die Korngröße untersucht wurden. Vergleichende Untersuchungen mit hochreinem Magnesium wurden durchgeführt, um den Mechanismus der Kornfeinung aufzuklären. Die Einflüsse des Mikrolegierungselementes Al im Mg-Zn-SiC System wurden ebenfalls untersucht und ein als „poisoning“ bekannter Mechanismus wurde angenommen. Die experimentellen Ergebnisse zeigen, dass die SiC-Partikel nicht direkt als Kornfeiner des α-Mg dienen. Die Mn3Si or (Mn,Fe)3Si Partikel, die sich in-situ vor der Bildung des α-Mg ausscheiden, sind die eigentlichen Nuclei. Ihre Zusammensetzung hängt von der Konzentration des Fe und Mn in der Schmelze ab. In dieser Arbeit konnte darüber hinaus gezeigt werden, dass die Effektivität des SiC als Kornfeiner nicht nur von der in-situ Bildung der Nuclei abhängt, sondern auch von der Konzentration des gelösten Mn und Zn. Das gleichzeitige Vorhandensein von Nuclei und gelöste Elemente mit hohen Q-Werten ist notwendig für das Erreichen einer optimalen Kornfeinung. Der Effekt des Kornwachstums durch Al-Zugabe im System Mg-Zn-SiC wird zurückgeführt auf eine geringere Nukleationsfähigkeit der Al8(Mn,Fe)5-Phase.

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Gu, Jian: Grain refinement of Mg-Zn and Mg-Mn alloys by SiC inoculation. 2017.

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