Einfluss von Rheocasting und seltene Erden auf die 3D Mikrostruktur von ZK60 Gussblöcken

Abstract

Der Kraftstoffverbrauch und damit die Kosten sowie der CO2-Ausstoß können durch den Einsatz von Leichtbaumaterialien im Transportsektor reduziert werden. Unter den Strukturmetallen hat Magnesium eine sehr geringe Dichte (~2/3 von Aluminium), was es ideal für den Leichtbau macht. Innerhalb der verschiedenen Familien technologisch relevanter Mg-Legierungen weisen ZK-Mg-Legierungen (Z=Zink, K=Zirkonium) ein Eigenschaftenprofil mit hoher mechanischer Festigkeit auf. Darüber hinaus kann die Zugabe von Seltenerdelementen (RE) deren Korrosionsbeständigkeit, Hochtemperaturfestigkeit und Kriechbeständigkeit verbessern. In dieser Arbeit wurde die interne Architektur von gegossenen und warmgewalzten ZK60-Legierungen mit und ohne Zusatz von 1,5 wt.% RE untersucht. Die Legierungen wurden durch Permanent Mould Indirect Chill Cast (PMICC) hergestellt, während das Material mit 1,5 wt.% RE zusätzlich mit Rheocasting (RC) hergestellt wurde. Röntgencomputertomographie (XCT) wurde aufgrund ihrer zerstörungsfreien Untersuchungsmethode, sowie der Notwendigkeit einer dreidimensionalen Analyse zur korrekten Beschreibung der Mikrostruktur der untersuchten Legierungen als Hauptcharakterisierungsmethode, verwendet. Um die Legierungen in Größenbereichen von den Meso- (Gussblöcken) bis zur Mikroskala (Mikrostruktur) zu untersuchen, wurde ein Ansatz mit mehreren Auflösungen verwendet. Die Bildung von Gussdefekten wurde in Gussblöcken mit ungefähr ø = 118mm und einer Höhe von 170mm untersucht. Auflösungen von bis zu 1μm wurden verwendet um die Architektur von intermetallischen Phasen aufzudecken, die in der Mg-reichen Matrix eingebettet sind. Die XCT-Ergebnisse wurden durch Rasterelektronenmikroskopie (SEM) einschließlich energiedispersiver Röntgenspektroskopie (EDX) ergänzt. Die Legierungen zeigten im Gusszustand keine nachweisbaren Risse, während makroskopische Defekte wie Cluster von Zr-reichen Partikeln hoher Dichte sowie Gussporen identifiziert wurden. Die Zr-reichen Partikel sowie andere primäre intermetallische Phasen neigten bei allen untersuchten Legierungen dazu, sich am Boden der Barren zu sammeln. Die Zugabe von RE erhöhte die Homogenität der Mikrostruktur in Bezug auf die räumliche Verteilung, sowie die globalen und lokalen Interkonnektivitäten intermetallischer Phasen, in der PMICC-Legierung. Die ungleichmäßige Verteilung von Zr-reichen Partikeln wurde durch RC verbessert. Darüber hinaus veränderte RC die Erstarrungstopologie und vergrößerte den Abstand zwischen den Phasen mit höherer Dichte. Warmwalzen reduzierte effektiv den Anteil der Poren, die während des Gießprozesses gebildet wurden. Somit wurden nach dem Formen keine Poren in den ZK60-PMICC-Legierungen nachgewiesen, während ZK60+1,5 wt.% RE PMICC und RC das Vorhandensein von Hohlräumen zeigten, die durch Warmwalzen bis zur Verringerung der Dicke um etwa 60 % nicht vollständig entfernt werden konnten. ZK60 PMICC zeigte eine höhere Anisotropie in der räumlichen Verteilung intermetallischer Phasen mit zunehmender Dickenreduzierung im Vergleich zu Legierungen mit Seltenerdelementen. Zusätzlich zeigte die ZK60 PMICC-Legierung eine signifikant höhere Interkonnektivität intermetallischer Phasen bei höheren Dickenreduktionsverhältnissen als die ZK60+1,5 wt.% RE PMICC- und RC-Legierungen.

Fuel consumption and, as a result, costs and CO2 emssions can be reduced by the use of lightweight materials in the transportation sector. Magnesium has a very low density among structural metals (∼ 2/3 of aluminum), making it ideal for lightweight construction. Within the different families of technologically relevant Mg alloys, ZK Mg alloys (Z=zinc, K=zirconium) present a properties profile with high mechanical strength. Moreover, the addition of rare earth (RE) elements can improve their corrosion resistance, high temperature strength and creep resistance.In this work, the internal architecture of cast and hot rolled ZK60 alloys with and without addition of 1.5 wt.% RE has been investigated. The alloys were produced by permanent mold indirect chill cast (PMICC), while the material with 1.5 wt. %RE was additionally manufactured by rheocasting (RC). X-ray computed tomography (XCT) was used as the main characterization method owing to its non-destructive nature and the need of three-dimensional analysis for the correct description of the microstructure of the investigated alloys. A multi-resolution approach was applied to investigate the alloys in size ranges from the meso- (cast blocks) to the micro-scale (microstructure). Thus, the formation of casting defects was investigated in cast ingots with approximately ø = 118mm and 170mm height, while resolutions down to 1 μm were used to reveal the architecture of intermetallic phases embedded in the Mg-rich matrix. The XCT results were complemented by scanning electron microscopy (SEM) including energy dispersive X-ray spectroscopy (EDX). The alloys showed no detectable cracks in the as-cast condition, while macroscopic defects such as clusters of high density Zr-rich particles as well as casting pores were identified. The Zr-rich particles as well as other primary intermetallic phases tend to agglomerate at the bottom of the ingots for all investigated alloys. The addition of RE increased the homogeneity of the microstructure in terms of spatial distribution as well as the global and local interconnectivities of intermetallic phases in the PMICC alloy. The uneven distribution of Zr-rich particles was improved by RC. Furthermore, RC altered the solidification topology and increased the distance between the phases with higher density. Hot rolling effectively reduced the fraction of pores formed during the casting process. Thus, pores were not detected in the ZK60 PMICC alloys after forming, while ZK60+1.5 wt:%RE PMICC and RC showed the presence of voids that could not be completely removed by hot rolling until about 60 % thickness reduction. ZK60 PMICC showed a higher anisotropy in the spatial distribution of intermetallic phases with increasing thickness reduction compared to the alloys with rare earth elements. Additionally, the ZK60 PMICC alloy showed a significantly higher interconnectivity of intermetallic phases at higher thickness reduction ratios than the ZK60+1.5 wt:%RE PMICC and RC alloys.